완전한 mmWave 레이더 시스템에는 전송(TX) 및 수신(RX) 라디오 주파수(RF) 구성요소, 클로킹과 같은 아날로그 구성 요소, ADC(아날로그-디지털 컨버터), MCU(마이크로컨트롤러) 및 DSP(디지털 신호 프로세서) 와 같은 디지털 구성 요소가 포함된다. 기존에는 이러한 시스템이 개별 구성 요소로 구현되어 소비 전력과 전반적인 시스템 비용이 증가했다. 복잡성과 고주파 때문에 시스템 설계도 까다로웠다.
텍사스 인스트루먼트(TI)는 이러한 과제를 해결하고, 클로킹과 같은 TX-RF 및 RX-RF 아날로그 구성 요소와 ADC, MCU 및 하드웨어 액셀러레이터와 같은 디지털 구성요소를 통합하는 CMOS(상보성 금속 산화막 반도체) 기반의 mmWave 레이더 디바이스를 설계했다. TI mmWave 센서 포트폴리오의 일부 제품군은 추가 신호 처리 기능을 위해 DSP를 통합했다.
완전한 mmWave 레이더 시스템에는 전송(TX) 및 수신(RX) 라디오 주파수(RF) 구성요소, 클로킹과 같은 아날로그 구성 요소, ADC(아날로그-디지털 컨버터), MCU(마이크로컨트롤러) 및 DSP(디지털 신호 프로세서)와 같은 디지털 구성 요소가 포함된다. 기존에는 이러한 시스템이 개별 구성 요소로 구현되어 소비 전력과 전반적인 시스템 비용이 증가했다. 복잡성과 고주파 때문에 시스템 설계도 까다로웠다. 텍사스 인스트루먼트(TI)는 이러한 과제를 해결하고, 클로킹과 같은 TX-RF 및 RX-RF 아날로그 구성 요소와 ADC, MCU 및 하드웨어 액셀러레이터와 같은 디지털 구성요소를 통합하는 CMOS(상보성 금속 산화막 반도체) 기반의 mmWave 레이더 디바이스를 설계했다.
Cesar Iovescu / 레이더 애플리케이션 관리자
Sandeep Rao / 레이더 시스템 설계자
텍사스 인스트루먼트(www.ti.com/mmwave)
밀리미터파(mmWave)는 단파장의 전자파를 사용하는 특수한 등급의 레이더 기술이다. 레이더 시스템은 경로에 있는 물체에 전자파 신호를 보낸 후 반사시킨다. 반사 신호를 포착하면 물체의 범위, 속도, 각도를 파악할 수 있다.
mmWave 레이더는 밀리미터 범위 내에 있는 파장을 사용하여 신호를 보낸다. 이는 전자기 스펙트럼에서 단파장으로 간주되며, 이 기술의 이점 중 하나다. 실제로 mmWave 신호를 처리하는 데 필요한 안테나와 같은 시스템 구성 요소의 크기는 작다. 단파장의 또 다른 이점은 높은 정확도다. 76~81GHz에서 작동하는 mmWave 시스템(해당 파장은 약 4mm) 은 1밀리미터의 몇 분의 1에 불과한 작은 움직임도 감지할 수 있다.
완전한 mmWave 레이더 시스템에는 전송(TX) 및 수신(RX) 라디오 주파수(RF) 구성요소, 클로킹과 같은 아날로그 구성 요소, ADC(아날로그-디지털 컨버터), MCU(마이크로컨트롤러) 및 DSP(디지털 신호 프로세서)와 같은 디지털 구성 요소가 포함된다. 기존에는 이러한 시스템이 개별 구성 요소로 구현되어 소비 전력과 전반적인 시스템 비용이 증가했다. 복잡성과 고주파 때문에 시스템 설계도 까다로웠다.
TI 오토모티브 mmWave 센서
텍사스 인스트루먼트(TI)는 이러한 과제를 해결하고, 클로킹과 같은 TX-RF 및 RX-RF 아날로그 구성 요소와 ADC, MCU 및 하드웨어 액셀러레이터와 같은 디지털 구성요소를 통합하는 CMOS(상보성 금속 산화막 반도체) 기반의 mmWave 레이더 디바이스를 설계했다. TI mmWave 센서 포트폴리오의 일부 제품군은 추가 신호 처리 기능을 위해 DSP를 통합했다.
TI 디바이스는 FMCW(주파수 변조된 연속파)라고 하는 특수한 등급의 mmWave 기술을 구현한다. FMCW 레이더는 이름이 의미하듯 주파수 변조된 신호를 연속적으로 전송하여 범위와 각도, 속도를 측정한다. 짧은 펄스를 주기적으로 전송하던 기존의 펄스 레이더 시스템과는 다르다.
범위 측정
레이더 시스템의 기본 개념은 경로에 있는 물체에 전자기 신호를 보낸 후 반사시키는 것이다. FMCW 레이더에서 사용되는 신호에서 주파수는 시간과 정비례하여 증가한다. 이러한 신호 유형을 처프라고도 한다. 그림 1에는 규모(진폭)를 시간 함수로 사용하는 처프 신호가 나와 있다.
그림 1 진폭을 시간 함수로 사용하는 처프 신호
그림 2에는 주파수를 시간 함수로 사용하는 동일한 처프 함수가 나와 있다. 이 처프는 시작 주파수(fc), 대역폭(B) 및 기간(Tc)으로 특성이 결정된다. 처프 기울기 캡처 주파수 변경 속도.
예를 들어 그림 2에 나와 있는 예에서 fc=77GHz, B=4GHz, Tc=40μs, S=100MHz/μs다.
그림 2 주파수를 시간 함수로 사용하는 처프 신호
FMCW 레이더 시스템은 처프 신호를 전송한 후 경로에 있는 물체가 반사한 신호를 포착한다. 그림 3에는 FMCW 레이더의 주 RF 구성 요소를 단순하게 표현한 블록 다이어그램이 나와 있다. 레이더는 다음과 같이 작동한다.
그림 3 FMCW 레이더 블록 다이어그램
-신시사이저(synth)가 처프를 생성한다.
-전송 안테나(TX ant)가 보낸 처프다.
-물체가 처프를 반사시키면 수신 안테나(RX ant)가 이를 포착하여 반사 처프가 생성된다.
-“믹서”는 RX 신호와 TX 신호를 결합하여 IF(중간 주파수) 신호를 생성한다.
주파수 믹서는 두 신호를 결합하여 새로운 주파수를 가진 새로운 신호를 만드는 전자 부품이다.
두 시누소이드 입력 x1 및 x2의 경우(방정식 1 경우 및 2)
(1)
(2)
xout 출력은 두 입력 시누소이드의 순시 주파수 차와 동일한 순시 주파수를 가진다. xout 출력의 위상은 두 입력 신호 위상의 차와 같다(방정식 3).
(3)
그래픽에서 시간 함수로 표현된 TX 및 RX 처프 주파수를 통해 주파수 믹서의 작동을 이해할 수도 있다.
그림 4에서 위쪽 다이어그램은 감지된 단일 물체에 대한 시간 함수로 표현된 TX 및 RX 처프를 보여준다. RX 처프는 TX 처프의 시간 지연 버전이다.
그림 4 IF 주파수는 정주파다.
시간 지연(τ)은 방정식 4와 같이 수학적으로 계산할 수 있다.
(4)
여기서 d는 감지된 물체와의 거리이고, c는 빛의 속도다.
시간 함수로 표현된 주파수를 구하려면 주파수 믹서 출력 시 IF 신호의 그림 4의 위쪽 섹션에 표시된 두 선을 뺀다. 두 선 사이의 거리는 고정되어 있으므로 IF 신호는 정주파를 가진 톤으로 구성된다. 그림 4는 이 주파수가 Sτ임을 보여준다. IF 신호는 TX 처프와 RX 처프가 겹치는 시간 간격에서만 유효하다(즉, 그림 4의 세로 점선 사이의 간격).
시간 규모 함수로 표현된 믹서 출력 신호는 정주파를 가지므로 사인파다.
IF 신호의 초기 위상(Φ0)은 IF 신호의 시작에 해당하는 순시치에 TX 처프 위상과 RX 처프 위상 사이의 차이다(즉, 그림 4에서 왼쪽 세로 점선으로 표현된 순시치). (방정식 5):
(5)
방정식 6과 같이 수학적으로 계산할 수도 있다.
(6)
요약하자면, 레이더와 d거리에 있는 물체의 경우 IF 신호는 사인파다(방정식 7).
(7)
에서,
지금까지는 레이더가 한 물체만 감지했다고 가정했다. 이제 여러 개의 물체가 감지된 경우를 분석해 보자. 그림 5에서는 여러 물체에서 수신된 세 가지 RX 처프를 보여준다. 각 처프는 해당 물체와의 거리에 비례한 시간만큼 지연된다. 다양한 RX 처프는 각각 정주파를 가진 여러 IF 톤으로 변환된다.
여러 톤으로 구성된 이 IF 신호는 여러 톤을 구분하기 위해 푸리에 변환을 사용하여 처리되어야 한다. 푸리에 변환 처리 후 여러 톤에 대한 개별 피크가 있는 주파수 스펙트럼이 생성되고, 각 피크는 특정 거리에 있는 물체의 존재를 나타낸다.
그림 5 다중 물체 감지를 위한 여러 IF 톤
범위 분해능
범위 분해능은 둘 이상의 물체를 구분하는 기능이다. 어떤 지점에서 두 물체가 가까워질 때 레이더 시스템은 더 이상 두 물체를 개별 물체로 구분할 수 없다. 푸리에 변환 이론에 따르면 IF 신호의 길이를 늘려 분해능을 늘릴 수 있다.
IF 신호의 길이를 늘리려면 대역폭도 그에 비례하여 늘려야 한다. IF 신호의 길이가 늘어나면 별도의 피크가 두 개 있는 IF 스펙트럼이 생성된다.
또한 푸리에 변환 이론에 따르면 관찰 기간(T)을 통해 1/THz 이상의 간격으로 구분된 주파수 구성 요소를 확인할 수 있다. 즉, 주파수가 제시된 관계를 만족할 경우 주파수로 두 IF 신호 톤을 확인할 수 있다. 방정식 8:
(8)
여기서 Tc는 관찰 간격이다. 따라서,
방정식 8은 다음과 같이 표현할 수 있다.
(B=ST
c이기 때문)
범위 분해능(dRes)은 처프가 휩쓸고 간 대역폭에만 종속된다(방정식 9).
(9)
따라서 처프 대역폭이 몇 GHz인 FMCW 레이더는 센티미터 단위의 범위 분해능을 갖게 된다(예: 4GHz의 처프 대역폭은 3.75cm의 범위 분해능으로 변환된다).
속도 측정
이 섹션에서는 복소수에 페이저 표현(거리, 각도)을 사용해 보자.
두 처프를 사용한 속도 측정
속도 측정을 위해 FMCW 레이더는 Tc 간격으로 두 처프를 전송한다. FFT를 통해 각 반사 처프를 처리하여 물체의 범위(범위 FFT)를 감지한다. 각 처프에 해당하는 범위 FFT는 동일한 위치에 피크가 있지만 위상이 다르다. 이 측정 위상 차이는 vTc 물체의 움직임에 해당한다.
그림 6 두 처프를 사용한 속도 측정
위상 차이는 방정식 10과 같이 방정식 6으로 구한다.
(10)
방정식 11을 사용하여 속도를 구할 수 있다.
(11)
이 속도 측정은 위상 차이를 기준으로 하므로 모호하다. 이 측정은 |ΔΦ|<π일 경우에만 모호하지 않다. 위의 방정식 11을 사용하여 다음을 수학적으로 계산할 수 있다.
방정식 12는 Tc 간격의 두 처프로 측정된 최대 상대 속도(vmax)를 제공한다. vmax를 더 높이려면 처프 간 전송 간격이 더 짧아져야 한다.
(12)
[다음주중에 까다로운 밀리미터파 시스템 설계 이해하기(하) 나머지 글이 이어집니다]
.jpg)
