Frequenzkamm-basiertes breitbandiges MIMO-OFDM-Radar

In den vergangenen Jahren haben digitale Modulationsverfahren einen immer größeren Stellenwert für Anwendungen im Radarbereich erfahren. Treiber dieser Entwicklung sind einerseits die immer leistungsfähigere digitale Hardware, die eine echtzeitfähige Realisierung solcher Radarsysteme überhaupt erst ermöglicht hat, und andererseits bei den Applikationen vor allem der Automobilradarbereich. Dieser fordert neben stetig steigenden Auflösungen oftmals eine hohe Flexibilität der Wellenformen sowie eine möglichst gute Interferenzrobustheit. Eines der Modulationsverfahren, das aktuell besonders im Fokus der Untersuchungen steht, ist Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), das sich auch im Mobilfunkbereich großer Beliebtheit erfreut. ... mehrEin Nachteil im Vergleich zu anderen gängigen Radarverfahren wie beispielsweise Fast Chirp Sequence (FCS) ist die Notwendigkeit von sehr hohen Abtastraten, die in der Größenordnung der abgedeckten Hochfrequenzbandbreite liegen müssen.
Genau bei diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an. Sie stellt eine neuartige Erweiterung des klassischen OFDM-Radar-Ansatzes vor, mit dessen Hilfe die Signalbandbreite im Radarkanal vergrößert werden kann, ohne gleichzeitig die Abtastraten der Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler erhöhen zu müssen. Hierdurch kann trotz eines Verzichts auf schnelle und daher teure Wandler die oftmals geforderte hohe Entfernungsauflösung erreicht werden. Sendeseitig wird dafür ein schmalbandiges OFDM-Signal mit einem Frequenzkamm hochgemischt, dessen Kammfrequenzen untereinander einen Abstand aufweisen, der genau der Bandbreite des Basisbandsignals entspricht. Im Sendesignal ist hierbei jedoch nur ein kleiner Teil der möglichen Unterträger belegt. Auf diese Weise entstehen Lücken, die im Empfänger dazu genutzt werden können, alle Unterträger des breitbandigen Signals in einem schmalen Frequenzband eigeninterferenzfrei zu vereinen. Hierzu wird das Empfangssignal mit einem zweiten Frequenzkamm heruntergemischt, dessen Abstände kleiner ausfallen als im Sender. Hierdurch können die Unterträger aller Subbänder in dem beschriebenen Frequenzband untergebracht werden, dessen Bandbreite genau so groß wie die des ursprünglichen OFDM-Basisbandsignals ist. Aus diesem Grund genügt auch im Empfänger eine Abtastrate, die identisch zu jener im Sender ist, ohne dass wichtige Informationen des breitbandigen Signals im Radarkanal verloren gehen. Da alle Unterträger orthogonal zueinander sind, können sie nach der Abtastung separiert und das breitbandige Spektrum digital rekonstruiert werden. In der vorliegenden Arbeit werden alle diesbezüglich notwendigen Verfahrensschritte zur Signalerzeugung und -verarbeitung detailliert beschrieben sowie ausführliche Untersuchungen zur erreichbaren Performanz des Ansatzes und dessen Limitierungen durchgeführt.
Neben der Schätzung von Entfernung und Geschwindigkeit spielt in der Zwischenzeit bei vielen Anwendungen auch die Winkelinformation eine wichtige Rolle. Aus diesem Grund wurde das entworfene Frequency-Comb-OFDM-Radar-Verfahren für den Einsatz in MIMO-Systemen, die eine solche Winkelbestimmung ermöglichen, erweitert. Grundlage hierfür war in erster Linie das bereits existierende Subcarrier Interleaving, das um die Möglichkeit einer unregelmäßigen Unterträgerbelegung in Verbindung mit einem Compressed-Sensing-Algorithmus zur Entfernungsschätzung ergänzt wurde.
Zur messtechnischen Verifikation des Verfahrens wurde zudem ein Demonstrator mit vier Sende- und vier Empfangskanälen aufgebaut, der zusätzlich die Hochfrequenzbandbreite um den Faktor vier vergrößern kann. Mit diesem System wurden in einer reflexionsarmen Kammer erfolgreich Radarmessungen durchgeführt, die die Funktionsfähigkeit des Frequenzkamm-basierten Ansatzes bestätigen konnten. Darüber hinaus ließ sich mithilfe eines analogen Radarzielsimulators auch der hohe Eindeutigkeitsbereich in Geschwindigkeitsrichtung demonstrieren, der einen weiteren Vorteil des entworfenen Verfahrens darstellt.

In the past few years, digital modulation schemes have become more and more important for radar applications. The drivers of this development are, on the one hand, increasingly powerful digital hardware platforms, which made real-time implementation of such radar systems possible in the first place, and, on the other hand, the automotive radar sector, which demands high resolutions, flexibility of the waveforms and the best possible interference robustness. One of the modulation schemes that research is currently focusing on is orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), which is also very popular in mobile communications. ... mehrA disadvantage compared to other common schemes such as fast chirp sequence (FCS) is the need for very high sampling rates, which must be in the same range as the signal bandwidth covered.
This challenge is the starting point of the following work. It presents an extension of the classical OFDM radar approach that enables the enhancement of the bandwidth in the radar channel without increasing the sampling rates of the digital-to-analog or analog-to-digital converters in the transmitter and receiver. In this way, the often required high range resolution can be achieved without using expensive converters with high sampling rates. For this purpose, a narrowband OFDM signal is upconverted with a frequency comb whose frequency spacing corresponds exactly to the bandwidth of the baseband signal. In the transmit signal only a fraction of the possible subcarriers is occupied in order to provide gaps in such a way that all subcarriers of the broadband signal can be combined in a narrow frequency band in the receiver. For this purpose, the received signal is downconverted with a second frequency comb whose spacing is diminished in comparison to the transmitter. As a result, the subcarriers of all subbands can be accommodated without overlapping in a common frequency band whose bandwidth is identical to that of the original OFDM baseband signal. For this reason, the same sampling rate as in the transmitter is sufficient for the analog-to-digital converter in the receiver without losing important information from the broadband signal in the radar channel. Since all subcarriers are orthogonal to each other, they can be separated after the digitalization and the broadband spectrum can be reconstructed digitally. In the present work, all necessary steps for signal generation, capturing and processing are described in detail and thorough investigations are carried out on the achievable performance and the limitations of the approach.
Since most radars on the market now have the ability to estimate the angles of arrival, the proposed frequency comb OFDM radar scheme has been extended for use in MIMO systems. The basis for this was primarily the already existing spectrally subcarrier interleaving, which was supplemented by the additional option of nonequidistant interleaving in conjunction with a compressed sensing algorithm for range estimation.
In order to verify the functionality of the scheme by real measurements, a demonstrator with four transmit and four receive channels, that can also increase the radio frequency bandwidth by a factor of four, was designed and built. With this system in place, proof of concept measurements were successfully carried out in an absorber chamber, which could demonstrate the functionality of the frequency comb-based approach. In addition, with the help of an analog radar target simulator, it was also possible to demonstrate the high unambiguous velocity, which is a further advantage of the developed scheme.