Lehr

stuh

l Te

chni

sche

Ele

ktro

nik

ww

w.L

fTE.

de

Cauerstraße 9, 91058 Erlangen, Germany

Universität Erlangen-NürnbergLehrstuhl Technische ElektronikProf. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil R. Weigel

System Simulation of a 79 GHz UWB-Pulse Radar

VDE / ITG Diskussionssitzung UWB

Benjamin SewioloUniversität Erlangen

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 2 04.10.2006

Inhaltsübersicht

UWB-SystemeGrundlagen Puls-DopplerradarKorrelations-TransceiverVorstellung der Funktionblöcke

SendeteilKanalEmpfangsteil

Parameterabhängigkeit des SystemsZusammenfassung

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 3 04.10.2006

UWB-Systeme

Hohe Entfernungsauflösung (~Bandbreite)

Einfache Hardwarearchitektur

Kostengünstig

Geringe Störwahrscheinlichkeit für andere Dienste

(Signal liegt „im Rauschen“)

ThermischesRauschen

Konventionelles Schmalband-System

Ultra-Wideband-System

f

L(f)

Ultra-Wideband-System

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 4 04.10.2006

Regulierungen für Kfz-Radar

Regulierung durch ECC (Electronic Communications Committee)

77 GHz FMCW-Systeme (250 MHz Bandbreite) bis 200m in Serie24 GHz-UWB-Kurzstreckenradarsysteme bis 2013 erlaubt

Frequency Range 21.625 - 26.625 GHz 77-81 GHzBandwidth 5 GHz 4 GHzPeak Radiated 0 dBm 55 dBmEmission EIRP EIRPAvearge Radiated -41.3 dBm/MHz -3 dBm/MHzEmission EIRP EIRP

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 5 04.10.2006

Grundlagen Puls-Doppler-Radar

Messung der EntfernungBestimmung der Entfernung Rüber die Signallaufzeit T

Simulation im ZeitbereichT im Nanosekundenbereich

Messung der GeschwindigkeitBestimmung der Geschwindigkeit vüber die Dopplerfrequenz fD

Bildung einer FFTfD im kHz-Bereich

TcR ⋅=2

cvff c

D2

−=

Echoτ

TPRF

t

T

TPRFT

fD

t

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 6 04.10.2006

Prinzip analoger Kreuzkorrelator

Integrator

Verzögerungs-leitung τ

s(t)

g(t)

r ( )sg τ

Kontinuierliche Kreuzkorrelationsfunktion (KKF)

→ Verschiebung des lokal erzeugten Signals g(t) „über“ das Empfangssignal; Integration des Produktes

Gründe für Korrelations-TransceiverPulsweite τ = 0,5 ns (Entfernungsauflösung ∆R=7,5 cm) → fs 4 GHz(Nyquist)Signal „liegt im Rauschen“ (SNR)

dttgtsrsg )()()( * ττ ∫∞

∞−

+=

≥

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 7 04.10.2006

Funktion der Range Gates

Einteilung des Sendesignals in Range GatesBreite eines Range Gates entspricht der Pulsweite τAusgang des Multiplizierers ist im Idealfall

• = 0, wenn sich die Pulse im Zeitbereich nicht überlappen• ≠ 0, wenn zeitliche Korrelation besteht (AKF des Pulses)

Verzögerung des LO-Signals durch das Variable Time DelayZyklisch um 1 bis N mal eine Pulsweite τ = 0,5 nsPulswiederholrate TPRF = 267ns → 267 Range Gates (Eindeutigkeitsbereich)

Range Gate 1

TPRF

tRange Gate N

τ

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 8 04.10.2006

Korrelations-Transceiver-Blockschaltbild

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 9 04.10.2006

Auswertung des Empfangssignals

Auswertung am IntegriererausgangRauschen RayleighverteilungSignal + Rauschen RiceverteilungSignal-Rausch-Verhältnis (SNR)und Threshold-Spannung legen Falschalarmrate PnundDetektionswahrscheinlichkeit Pdfest

0 1 2 3 4 5 6 7 80

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

A [V]

WD

F

WDF von RauschenWDF von Signal + Rauschen

Threshold

Pn

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 10 04.10.2006

Einbeziehen von Nichtidealitäten

RauschenPhasenrauschenThermisches Rauschen (kTB)Rauchzahl (Noise Figure NF)

NichtlinearitätenSättigung (Sättigungsleistung Psat)Kompression (1dB-Kompressionspunkt, P1dB)Intermodulation (Interceptpunkt, IP3)

Isolation

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 11 04.10.2006

Modellierung des Senders

OszillatorPhasenrauschen wirkt sich auf den Integrationsgewinn aus

SchalterSchlechte Isolation erhöht Falschalarmwahrscheinlichkeit Pn

LeistungsverstärkerVGC (Variable Gain Control) wegen hoher Pegeldynamik nötig

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 12 04.10.2006

Radarkanal

Dämpfung A

Verzögerung tDDopplerfrequenzverschiebung fDPhasenverschiebung φ

( ) 43

22

4 RGPP cAntt

e ⋅⋅⋅⋅

=π

σλ

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 13 04.10.2006

Modellierung des Empfängers

Rauscharmer Vorverstärker (LNA)Rauschzahl und IP3 bestimmen Klein- und Großsignalverhalten

I-/Q-Mischermit Variabler Verzögerungsleitung, td abhängig von Range GateKonversionsgewinn 24 dB, Rauschzahl 14 dB, NichtlinearitätenSehr gute Sender-Empfänger-Entkopplung (↔FMCW-System)

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 14 04.10.2006

Integration im Basisband

25

30

35

40

45

20

50

np

I(n

) [d

B]

p

1 10 100

0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0 3.0

0.0

0.5

1.0

-0.5

1.5

0.5

1.0

1.5

0.0

2.0

t [ns]

s(t)

[V

]

s(t) [m

V]

int

PulsintegrationIdealer PulsVerrauschter PulsIntegriererausgang

Integrationsgewinnkohärente Integration von np Samples →MittelwertbildungIntegrationsgewinn kohärenter Integrationin Abhängigkeit von np

Simulationsergebnis

( )( ) p

ein

ausp n

NS

NS

nI ==)(

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 15 04.10.2006

Auswirkungen von Nichtidealitäten

IntegriererausgangIntegration von Puls und Gleichanteil aufgrund schlechter Isolationlässt sich nicht durch Integration nicht mitteln da keine statistische Größeevtl. Mehrdeutigkeiten

Variable Gain AmplifierAbfall des Empfangspegels mit R-4

Verstärkung abhängig von der Nummer des Range Gates

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 16 04.10.2006

Auswertung des Gesamtsignals

EntfernungsauswertungAuswertung der einzelnen Range Gates im ZeitbereichSimulation von zwei Zielen mit den Entfernungen

• R1=10 m• R2=20 m

GeschwindigkeitsauswertungBildung der FFT im Basisband (LFFT=32)Simulation mit drei Geschwindigkeiten

• V1 = 10 ms-1

• V2 = 30 ms-1

• V3 = 50 ms-1

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.00.0 20.0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.000

0.006

R [m]

mag

{r}(

R]

[V]

int

5 10 15 20 250 28

-140

-130

-120

-110

-100

-150

-90

V=10.000

V=30.000

V=50.000

f [kHz]

S(f

) [d

Bm

]

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 17 04.10.2006

Parameterabhängigkeit des Systems

Rauschzahl F

Verstärkung G

Samples np

Signal-Rausch-Verhältnis SNR

Updaterate

Systemparameter, TPRF

Mittlere Leistung P

Spezifikation

Pd

Pn

,τ

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 18 04.10.2006

Zusammenfassung

Simulation eines 79 GHz UWB-RadarsystemsBaugruppenebeneEntfernungs- und GeschwindigkeitsauswertungPulskompressionUntersuchung von Methoden zur Reduzierung der Signaldynamik

Parametrisierung für HardwareentwicklungFestlegung der HF-Parameter für das Front-EndUntersuchung von Nichtidealitäten und deren Auswirkungen

• Rauschen/Kleinsignaleigenschaften bei großen Entfernungen• Nichtlineare Verzerrungen/Großsignaleigenschaften bei kurzen Distanzen

Probleme während der Simulation hoher Zeitaufwand (Simulationsdauer >24 h)Kompromisse beim Detaillierungsgrad (Phasenrauschen)

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 19 04.10.2006

Fragen ???

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 20 04.10.2006

Danke für Ihre Aufmerksamkeit !!!

Benjamin Sewiolo – VDE / ITG UWB 2006 21 04.10.2006

Systemparameter Puls-Doppler-Radar

Maximale Entfernung

Entfernungsauflösung

Maximale Geschwindigkeit

Geschwindigkeitsauflösung

PRFTcR ⋅=2max

τ⋅=∆2cR

FFT

DD L

ff max,=∆

cfvf c

Dmax

max,2

=∆