The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science (한국전자파학회논문지)

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Distance Sensing of Moving Target with Frequency Control of 2.4 GHz Doppler Radar

2.4 GHz 도플러 레이다의 주파수 조정을 통한 이동체 거리 센싱

  • Received : 2018.11.27
  • Accepted : 2019.01.22
  • Published : 2019.02.28
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Abstract

In general, a Doppler radar can measure only the velocity of a moving target. To measure the distance of a moving target, it is necessary to use a frequency-modulated continuous wave or pulse radar. However, the latter are very complex in terms of both hardware as well as signal processing. Moreover, the requirement of wide bandwidth necessitates the use of millimeter-wave frequency bands of 24 GHz and 77 GHz. Recently, a new kind of Doppler radar using multitone frequency has been studied to sense the distance of moving targets in addition to their speed. In this study, we show that distance sensing of moving targets is possible by adjusting only the frequency of a 2.4 GHz Doppler radar with low cost phase lock loop. In particular, we show that distance can be sensed using only alternating current information without direct current offset information. The proposed technology satisfies the Korean local standard for low power radio equipment for moving target identification in the 2.4 GHz frequency band, and enables multiple long-range sensing and radio-frequency identification applications.

도플러 레이다는 단일 주파수의 정현파를 이용하므로 움직이는 이동체의 속도만을 측정할 수 있다고 알려져 있다. 일반적으로 이동체의 거리를 측정하기 위해서는 FMCW 레이다나 펄스 레이다를 이용하여야 하는데, 이 경우 하드웨어 구성 및 신호처리가 복잡할 뿐만 아니라, 주파수 대역폭을 넓게 사용하기 때문에 24 GHz나 77 GHz 대역의 밀리미터파를 사용할 수밖에 없어 가격이 비싸다. 따라서 가격이 저렴한 도플러 레이다에서 다중 톤 주파수를 이용하여 이동체의 속도 외에 거리까지 센싱하는 연구가 시작되고 있다. 이에 본 연구에서는 2.4 GHz 도플러 레이다에 내장된 PLL만을 이용한 주파수 조정만으로도 이동체의 거리 센싱이 가능함을 보인다. 특히, 기존에 제안된 DC 기반의 거리 계산에서 필요한 DC 정보를 제거하고, 교류결합된 AC 정보만을 이용하여 거리를 센싱할 수 있음을 보인다. 제안된 기술은 2.4 GHz 대역의 이동체 식별용 특정소출력 무선기기 기술기준을 만족하므로 45 dBm EIRP 출력을 이용하여 이동체 거리 센싱이 필요한 다양한 응용이 가능하다.

Keywords

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그림 1. 이중 주파수 도플러 레이다 원리 Fig. 1. Principle of two-tone Doppler radar.

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그림 2. 이중 주파수 레이다의 거리와 위상차의 관계 Fig. 2. The relationship between distance and Δθ of dualtone Doppler radar.

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그림 3. I/Q 궤적 비교 Fig. 3. The comparison of I/Q trajectories.

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그림 4. 위상차 계산을 위한 알고리즘 Fig. 4. The algorithm of calculating the phase difference.

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그림 5. 이동체 거리 센싱 시스템 구성 Fig. 5. The configuration of the distance sensing system.

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그림 6. 실험 시나리오 및 블록도 Fig. 6. Experimental scenario and block diagram.

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그림 7. 주파수에 따른 IQ 신호 Fig. 7. IQ signal of each frequency set.

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그림 8. DC offset 제거한 실험 데이터의 I/Q 궤적 Fig. 8. The I/Q trajectories without DC offset.

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그림 9. Δf와 Δθ의 관계 Fig. 9. The relationship between Δf and Δθ .

표 1. 국내 이동체 식별용 특정소출력 무선기기 기술기준 Table 1. The Korean local regulation for specific low power radio equipment for mobile identification.

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표 2. 실험결과 Table 2. Experimental results.

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