안테나 커플링을 고려한 자동차용 FMCW 레이다 시스템 시뮬레이터

Abstract

최근 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)이 빠르게 발전하면서 차량용 레이다 시스템의 개발이 활발히 진행되고 있다. 레이다 시스템 설계 시, 전체 시스템의 성능을 예측하는 시뮬레이션을 통해 개발 기간과 예산을 크게 줄일 수 있어 그 수요가 증가하고있다. 그에 따라 본 논문에서는 안테나 커플링을 고려한 자동차용 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이다 시스템 시뮬레이터를 제시하였다. 개발한 시뮬레이터는 크게 회로, 안테나 그리고 신호 처리, 총 3가지 파트로 이루어져 있으며, 효율적인 시뮬레이션을 위해 복소 포락선 신호(complex envelope signal)을 이용한다. 먼저 회로 파트에서는 소스, 증폭기, 믹서 그리고 필터 등을 각 RF 소자들의 실제 특성인 잡음 지수(noise figure), 위상 잡음(phase noise), 이득(gain), 비선형성(non-linearity), 믹서의 누설(leakage) 그리고 IQ 불균형(IQ imbalance)등을 고려한 행동 모델(behavioral model)로 구현하고 이를 레이다 시스템에 맞게 구성하였다. 다음으로 안테나 파트에서는 안테나의 배열과 패턴을 고려하여 시뮬레이션을 할 수 있으며, 레이다에서 매우 중요한 이슈 중 하나인 안테나의 커플링 효과에 의한 누설을 구현하여 이에 따른 효과를 분석할 수 있다. 세번째로 신호 처리 파트에서는 FMCW 레이다 시스템의 기본적인 신호 처리인 타겟의 거리, 속력 그리고 각도를 추정한다. 추가적으로 안테나의 TDM-MIMO(Time Division Multiplexing – Multiple Input Multiple Output) 신호 처리와 타겟을 탐지하는 알고리즘인 2차원 CA-CFAR(Cell Averaging-Constant False Alarm Rate)를 구현하였다. 시뮬레이션을 수행하면 그 결과로 나오는 출력들은 다음과 같다. 먼저 송신기와 수신기, 그리고 믹서를 지난 beat 신호의 전력을 주파수 영역에서 그래프로 출력한다. 그리고 Range-Doppler map을 출력하여 타겟의 위치와 속력을 확인할 수 있다. 또한 타겟의 각도까지 고려하여 공간상에서 실제 타겟의 위치와 시뮬레이터가 탐지한 타겟을 그려 레이다 시스템의 동작을 확인할 수 있다. 개발한 시뮬레이터는 상용 시스템 시뮬레이터인 SystemVue와 같은 시나리오에서 각 소자 단계별 신호를 비교하여 검증을 수행하였다.

Recently, the development of automotive radar systems is actively underway as Advanced Driver-Assistance Systems(ADAS) is growing rapidly. When designing a radar system, simulations that predict the performance of the entire system can significantly reduce the development period and budget. So the demand for the simulator is increasing. Accordingly, this paper presents an Automotive FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) radar system simulator considering antenna coupling. The simulator consists of three parts: RF circuit, antenna, and signal processing. And it uses a complex envelope signal for efficient simulation. First, in the circuit part, source, amplifier, mixer, and filter are implemented as a behavioral model considering actual characteristics of RF devices such as noise, non-linearity, and leakage. Next, in the antenna part, simulation can be performed in consideration of an array antenna, an element pattern, and leakage caused by the coupling effect of the antenna, which is one of the very important issues in the radar. Third, in the signal processing part, the simulator estimates the range, speed, and angle of the target, which is the basic signal processing of the FMCW radar system. In addition, we implement a two dimensional Cell Averaging-Constant False Alarm Rate(CA-CFAR), an algorithm that detects the target, and Time Division Multiplexing-Multiple Input Multiple Output(TDM-MIMO) signal processing of an antenna. The resulting outputs of the simulation are as follows. First, the power of the beat signal that has passed through the transmitter, receiver, and mixer is output as a graph in the frequency domain. And the range and speed of the target can be checked by the Range-Doppler map. Also, considering the angle of the target, the actual and estimated positions of the target in space domain can be drawn to check the operation of the simulator. The simulator was verified by comparing the signal of every stage with the commercial system simulator SystemVue in the same scenario and by comparing the beat signal to a real FMCW radar system.