An approach to improve the range resolution of a 24 GHz ISM band pulse radar is presented for auto-motive short-range radars. The resolution of the range profile is improved by applying the regularized least squares (RLS) method to a discrete baseband signal at the receiver. For a 24 GHz ISM band pulse radar adopting a RLS method, a triangular pulse is identified as the optimal pulse shape under the regulations and in terms of cost effectiveness, and MATLAB simulations based on the least absolute shrinkage and selection operator (LASSO) algorithm are conducted. To resolve multiple adjacent pulses with a constant false alarm rate, the additional threshold values and the required signal-to-noise ratio (SNR) are derived. An improved range resolution at a given false-alarm rate is achieved and verified by measuring a radar test module.
To implement a 24 GHz ISM band pulse radar module, a simple and tunable pulse-generator and a linear up-conversion mixer are proposed and implemented in a 0.13-μm CMOS technology. In the proposed pulse-generator, which consists of V-I converters and charge pumps, by applying tunable input signals to the V-I converters, the amount of currents flowing through the charge pumps can be controlled without requiring the current source switching, and thus the switching noise can be avoided. Implemented in a 0.13-μm CMOS technology, measured tuning ranges of pulse-width and -amplitude are 12.7-28.5 ns and 15.0-216.1 $mV_{pp}$, respectively, while dissipating 4.5 mW from a 1.5-V supply. In the proposed mixer, the double-balanced Gil-bert-cell topology is employed with a low-distortion transconductance stage which combines voltage feedback and adaptive biasing schemes. The proposed adaptive biasing circuit improves the linearity of the transconductance stage by providing an additional bias current when IF input signals exceed the current-limited linear input range. The mixer showed a conversion gain of -1.9 dB and output 1-dB compression point of 0.3 dBm for the IF, LO, and RF frequency ranges of 10.0-314.7 MHz, 18.9-29.0 GHz, and 23.4-29.2 GHz, respectively, while dissipating 22.8 and 16.5 mW for the mixer and the LO buffer, respectively, from a 1.5-V supply.
To verify the proposed 24 GHz ISM band pulse radar adopting the RLS method, two trihedral corner reflectors were used as test targets, and measurements were conducted in a radio anechoic chamber to avoid clutter signals. Baseband echo signals at the receiver output were measured and processed by an oscilloscope and MATLAB simulation, respectively. The simulated and measured values of the required SNR ratio were 20.5 and 21.1 dB, respectively, for two-target detection with a range resolution of 30 cm, at the detection and false alarm probabilities of 0.9 and $10^{-3}$, respectively.
최근 차량의 수가 증가함에 따라 교통 사고율도 빠르게 증가하고 있다. 이 교통 사고율은 운전자가 위험 상황을 미리 인지할 시간만 확보된다면 크게 낮출 수 있다. 이를 위하여 사람이나 장애물을 감지할 수 있는 차량용 레이더를 이용한 능동 안전 시스템이 다양하게 연구되고 있다. 차량용 레이더는 검출 거리에 따라 근거리 레이더와 장거리 레이더로 나뉘며, 차량의 앞 방향만 감지하는 장거리 레이더와 달리, 차량의 전 방향을 감지하는 근거리 레이더는 최소 4개 이상의 모듈로 구성된다. 능동 안전 시스템의 보급화를 위해, 많은 개수의 모듈을 필요로 하는 근거리 레이더의 모듈 당 비용을 낮추는 연구가 필요하다. 근거리 레이더에 할당된 대역인 24GHz ISM, UWB 대역과 79GHz UWB 대역 중에서 79GHz 대역은 공정 비용이 높기 때문에, 저 비용 근거리 레이더의 구현을 위하여 24GHz의 두 대역을 비교 분석 하였다. UWB 대역에서는 넓은 대역폭을 사용할 수 있어 높은 거리 분해능을 구현할 수 있는 대신, 최대 송신 전력이 낮아 검출 거리를 충족시키기 위한 많은 횟수의 신호 평균을 필요로 하는 문제가 있다. 반면, ISM 대역에서는 최대 송신 전력이 높아 적은 횟수의 신호 평균만을 필요로 하나, 좁은 대역폭으로 인해 낮은 거리 분해능을 갖는 문제가 있다. 많은 수의 신호 평균은 레이더 시스템의 거리 업데이트 시간을 늦추기 때문에 차량용 레이더로 적합하지 않다. 따라서, 본 논문에서는 거리 분해능을 향상시킬 수 있는 신호 처리 방법을 적용한 ISM 대역 레이더를 저 비용 근거리 레이더 구현을 위한 한 해결책으로 제안하였다.
거리 분해능을 향상시키는 신호 처리 방법을 구현하기 위하여 LASSO 알고리즘을 채택하였으며, LASSO 알고리즘의 적용 후에도 일정 오류 확률을 유지하기 위하여 추가 검출 임계값을 도출하였다. 제안된 신호 처리 방법에서는, 기존 검출 임계값으로 LASSO 알고리즘을 적용할 국소 거리 영역을 찾아 계산량을 줄였고, 추가 검출 임계값으로 최종 검출된 타겟을 결정함으로써 오류 확률을 유지하는 동시에, 고 분해능의 거리 프로파일을 도출하도록 하였다. 제안된 신호 처리 방법을 검증하기 위하여, 24GHz ISM 대역 펄스 레이더를 제작 및 시험하였다. 24GHz ISM 대역 펄스 레이더의 구현을 위해 16ns의 펄스 폭을 가지는 삼각파를 최적 송신파로 도출하였고, 해당 파형의 생성 및 송신을 위해 스위칭 잡음을 피한 튜너블 펄스 제너레이터(pulse-generator)와 선형성을 개선한 업 컨버젼 믹서(up-conversion mixer)를 제안하였고, 넓은 입력 범위를 갖는 프로그래머블 이득 증폭기(programmable gain amplifier)를 설계하였으며, 해당 블락들을 0.13-μm CMOS 공정을 이용하여 구현하였다.
제안된 펄스 제너레이터와 업 컨버젼 믹서의 세부 설계 사항은 다음과 같다. 펄스 제너레이터의 설계를 위해 V-I 컨버터와 차지 펌프(charge-pump)를 조합한 구조를 제안하였고, 제안된 구조를 통해 기존 회로에서 나타났던 문제점인 전류원의 스위칭 잡음을 피하고 펄스 폭 및 펄스 크기를 쉽게 조정하도록 하였다. 측정된 펄스 폭과 펄스 크기는 각각 12.7-28.5ns와 15.0-216.$1mV_{pp}$ 의 조정 범위를 가지고 1.5-V 전원에서 4.5mW의 전력을 소모한다. 한편, 업 컨버젼 믹서에서는 기존 V-I 컨버터에 적응형 바이어스 회로를 추가한 구조를 제안하였고, 제안된 구조를 통해 믹서의 선형성을 높여서 보다 큰 신호를 출력할 수 있도록 하였다. 측정된 CG와 $OP_{1dB}$ 는 각각 -1.9dB와 0.3dBm이고, 1.5-V 전원에서 22.8mW의 전력을 소모하며, 온 칩 트랜스포머(on-chip transformer)를 사용한 24GHz 업 컨버전 믹서 중에서 가장 높은 $F_OM$ 특성을 보였다.
제안된 레이더 시스템의 검증을 위하여, 0.13-μm CMOS 공정을 이용하여 구현된 펄스 제너레이터, 업 컨버젼 믹서, 프로그래머블 이득 증폭기 및 상용 칩을 사용하여 24GHz ISM 대역 펄스 레이더 모듈을 제작하였으며, 무 반사실에서의 레이더 측정을 통하여 30cm 간격으로 떨어진 두 타겟으로 부터의 반사 신호를 얻었다. 측정된 반사 신호에 제안한 신호 처리 방법을 적용하여 두 타겟의 구분 검출 가능성을 살펴보았으며, SNR이 21.1dB일 때 90%의 검출 확률과 $10^{-3}$ 의 오류 확률을 가지고 30cm 간격의 두 타겟을 분리하여 검출할 수 있음을 보였다. 제안된 24GHz ISM 대역 펄스 레이더에서는 추가적인 LASSO 알고리즘의 연산 시간이 필요하지만, 21.1dB의 SNR을 만족시키기 위해 필요한 신호 평균 횟수가 UWB 대역 레이더에서의 필요 값보다 훨씬 낮기 때문에, 높은 송신 전력으로 인한 짧은 거리 업데이트 시간의 이점을 여전히 가진다. 또한, 필요 SNR이 만족되는 상황에서 신호 처리를 통해 거리 분해능을 향상시킬 수 있으므로, 보다 다양한 응용 분야에 활용될 수 있다. 즉, 30cm의 거리 분해능과 30m의 최대 검출 거리를 수용 가능한 신호 평균 횟수를 가지고 만족시키는 24GHz ISM 대역 펄스 레이더가 저 비용 근거리 레이더의 구현을 위한 한 해결책으로써 제시되었다.
