1. RF Radar 정보
Radar 시장분석 과 TI Radar 문서자료구성
Radar IDE 와 Tools 소개
저번에 RF관련된 자료
이전에 RF에 관련된 자료수집했으나, 글을 아직 미완성이며, 추후?? (자료만 보자)
1.1 관련용어들
RF가 아니더라도, 통신(Communication) 과 방송시스템(NTSC,PAL)을 배웠으면, 금방 이해하기 빠르다.
Radar 와 비교하기전에, 기본적인 것들은 알고 들어가자.
- Modulation
- AM(Amplitude Modulation)
- FM(Frequency Modulation)
- PM(Phase Modulation)
- Division/Multiplexing
- TDM(Time Division Multiplexing)
- FDM(Frequency Division Multiplexing)
- Radar의 역사와용어
2. RF 의 Anthena 구조
RF Communication(WIFI/BLE/4G) 와 Radar의 공통점 과 다른 점을 간단히 비교해보도록 하자.
- SISO/SIMO/MIMO
- SISO(Single Input Single Ouput) : 1 TX - 1 RX
- SIMO(Single Input Muptiple Output) : 1 TX, - x RX
- MIMO(Mutiple Output Multiple Output) : x TX - x RX
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| https://en.wikipedia.org/wiki/MIMO |
2.1 MIMO-WIFI(RF-Comm.)
WIFI통신에서 MIMO의 기술은, 여러 SubCarriers 에서 QAM (Data)기반으로 OFDM으로 1 채널을 생성한다.
그리고, 1개 이상의 채널되면, 안테나 갯수에 따라 동시 송수신 가능하다고 생각하면 될 듯 하다.
물론 세부적으로 들어가면, 상위내용들이 각 WIFI Spec에 따라 다 다를 것이며, 간단히만 비교한다.
- Channel 의미 와 Bandwith
QAM(1 ~ n Subcarriers) -> OFDM = 1 Channel
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| https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11g-2003 |
- 1x1 SISO : 1개 Channel Bandwith 사용하며, HT20/40 Bandwith 확장가능(ESP32도 아마될 듯)
- 2x2 MIMO : 2개 Channel Bandwith를 동시 사용가능
- 4x4 MIMO : 4개 Channel Bandwith를 동시 사용가능
물론, 802.11g에서는 MIMO가 안되는 것 같으며, 상위 예제일 뿐 각 아래의 Spec에 가서 보시길
2.2 MIMO-FMCW Radar
- FMCW의 기본이해
세부내용은 TI사이트에 가도 있으며, 아래부분에서 이해하자
상위 통신처럼 Digtal Data 전송이 아니라, TX 와 RX 차이를 Analog로 분석.
https://dev.ti.com/tirex/explore/node?node=A__ACRz6WvGFKkRghJCEZkYog__RADAR-ACADEMY__GwxShWe__LATEST
https://dev.ti.com/tirex/explore/node?node=A__AR-8RyOHRL1p1Kj9DEAXJA__RADAR-ACADEMY__GwxShWe__LATEST
TI의 FMCW 기본으로 이해 한 후, SIMO/MIMO -> AoA 다시 보도록하자.
- AoA(Angle of Arrival)
즉 Anthena 설계를 이해하는 중요한 요소이다.
DOA(Direction of Arrival Estimation)이라고 하며, RX Channel에서 가능하며, Phase 차이이용하여 삼각함수로 각 Angle 위치 파악한다.
- 좌,우 Angle: Azimuth , 최소 2개 RX에서 좌/우,수평 Phase 차이
- 상,하 Angle: Elevation , 최소 2개 RX에서 상/하, 수직 Phase 차이
- AoA(Angle of Arrival) 기본용어
- lamda: Wavelength 의 길이, 즉 Radar의 Center Freuqency의 길이
- theta: Angle의 입사각?
- d : Anthena 사이의 거리 (보통 lamda/2)
- d * sin(theta): Anthena 사이거리에 삼각함수 이용하여 길이 (아래그림 참조)
- omega: ( (2*phi) / lamda ) * d * sin(theta) -> Lamda 기반 Phase(위상) 차이
AoA 기본 전제조건
- 물체가 좌측 위치 일 경우 (좌측기준의 +theta, 우측기준 -theta)
- 물체가 1개 일 경우
- 물체의 움직임이 없음
- MIMO 부터 Virtual Array 가능
- AoA-SIMO-1-TX 와 4-RX 경우
즉 RX1 Phase 0이고, RX4 Phase 차이 -> 3 omega
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| https://www.ti.com/lit/an/swra554a/swra554a.pdf |
- AoA-SIMO-1-TX 와 8-RX 경우 (omega 기반 Phase 차이확인)
상위와 동일하게 최대 Phase 차이가 7omega 까지 된 상
RX1 과 RX8 Phase 차이 7 omega 이지만, Max Phase 차이 있을텐데, 이 부분 추후에~~
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| https://www.ti.com/lit/an/swra554a/swra554a.pdf |
- AoA-MIMO-2-TX 와 4-RX 경우 (omega 기반 Phase 차이확인)
아래 TI 문서에 빨간색 TX2일 것이며, 문서오류
- RX1-TX1: 0 -> 기준으로 Phase 차이 0 (좌측물체)
- RX2-TX1: 1 omega
- RX3-TX1: 2 omega
- RX4-TX1: 3 omega
- RX1-TX2: 4 omega (TX1,TX2 의거리 4d x omega)
- RX1-TX2: 5 omega
- RX1-TX2: 6 omega
- RX1-TX2: 7 omega -> RX1-TX1 과 RX1-TX2의 7 omega Phase 차이
2 x 4 = 8 Virtual Array 생성.
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| https://www.ti.com/lit/an/swra554a/swra554a.pdf |
즉 Angle-Azimuth Virtual Array 계산쉽다.
- AoA-MIMO-3-TX 와 4-RX 의 Virtual Array
TX1 와 TX2 거리 sqrt(4+1)d
각 RX1 부터 거리간격 1d
Virtual Array 구성은 총 12 Array로 아래와 같이 구성
- Angle-Azimuth(수평) 파악 가능 (상위에서 쉽게 이해)
- TX1-RX1 : 0 omega ->기준 Channel Phase 차이 0 (좌측물체)
- TX1-RX2 : 1 omega
- TX1-RX3 : 2 omega
- TX1-RX4 : 3 omega
- TX3-RX1 : 4 omega (TX1,TX3 의거리 4d x omega)
- TX3-RX2 : 5 omega
- TX3-RX3 : 6 omega
- TX3-RX4 : 7 omega
- Angle-Azimuth(수평) 파악 가능 (TX1 과 TX2 거리 간단히 계산?)
- TX2-RX1 : sqrt(4+1) * 1 omega -> Calibration 용으로 사용?
- TX2-RX2 : sqrt(4+1) * 2 omega
- TX2-RX3 : sqrt(4+1) * 3 omega
- TX2-RX4 : sqrt(4+1) * 4 omega
- Angle-Elevation (수직) 파악
- TX2-RX1,TX2-RX2,TX2-RX3,TX2-RX4: 0 -> 기준 Channel Phase 0, (상위물체)
- TX1-RX3,TX1-RX4,TX3-RX1TX3-RX2 : 1 omega
방향은 기준 Channel을 어디로 하는지가 중요하며, 그 기반의 Phase 차이를 이용하여 방향알기 때문에 설정은 DSP 엔지니어 마음인 것 같다.
상위 TX2-RX1도 기준채널로 하면, TX2-RXx Line만 Azimuth도 각 Phase offset은 omega 되니, 측정가능하다.
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| https://www.ti.com/lit/an/swra554a/swra554a.pdf |
- AoA-MIMO-2-TX 와 4-RX 의 Virtual Array
물리적 안테나 구조(Physical Anthena Array) Fig(a) 와 Fig(b) 2개는 다르다.
하지만, Fig(a) 와 Fig(b) 의 Virtual Array 구성은 동일하다
오직 Angle-Azimuth(수평)만 파악가능
- Fig(a)의 경우, 상위와 거의 동일 TX1 과 TX2 사이 4d라서 상위 동일 구성
- Fig(b)의 경우, TX1 과 TX2 1d 이고 대신 RX가 2d 이므로 한칸 건너서 구성
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| https://www.ti.com/lit/an/swra554a/swra554a.pdf |
- Anthena Array 기본설계 개념 와 이해
상위를 제대로 이해를 했다면, 물리적 안테나 Array 구성도 쉽게 이해가 될 것이다.
TI 에서 Cascade된 Anthena 구성도 상위를 이해를 하면 쉽게 이해가 가능하다.
- Antena gain vs Angle
- FoV , 각도에 따른 LNA의 Amp 값 확인
- Range FFT Size 확인
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| https://www.ti.com/lit/an/swra553a/swra553a.pdf |
- Division/Multiplexing
이미 Modulation FM을 사용하니, FDM는 사용 못하고, TDM 과 BPM을 사용한다고 한다.
- TDM: 이미 총 FM(1Chirp) 갯수는 정해져 있으며, 각 Time을 나누어서 사용
- BPM: 아직 이해가 안되지만, 일단 개념은 위상 180차이를 해서, 동시에 받겠다는 것임
- 개인생각: Bandwith를 나누고, 통신처럼 Channel 구성해서 TDM으로 해도 더 나을 듯 한데, 이것은 없음 (싱크 문제?)
Bandwidth 10Ghz이면, 각 2GHz 나누고, Chirp Slope Time을 증가시켜서 FFT Size에서도 문제없게?
3. RF Communication 과 Radar 비교
RF 통신(Commuincation) 과 Radar를 간단히 비교하고 차이를 알아보도록 하자.
- RF Comm. 와 Radar 비교
- WIFI/BLE/4G/5G : 거리 1D, 편도거리
- 통신은 2개의 개체가 있어야 통신가능
- Digital Data 전송가능
- RTLS(Real Time Location System) 기능이용 (추후에 다시 설명?,아직 개발중?)
- AoA를 이용 (Phase 기반으로 측정, Radar 와 거의 유사)
- 거리측정 도입이 되어 RSSI기반으로 가능
- 이외 다양함 (LTE의 경우, Cell 기반의 RSSI 값과 삼각측량방법, RTT시간 등.)
- Radar: 거리 2D, 왕복거리
- Radar는 센서이므로 TX 와 RX(반사파) 에 차이를 Analog 신호 분석
- Digital Data 전송 불가능
- FMCW Radar 센서분석
- Range - 거리측정 가능
- Doppler - 속도측정 가능
- Angle - 방향측정가능 (SIMO,MIMO 일경우 부터 가능)
- 카메라와 확장 (영상 과 확장 Spartial Resolution 결합)
최근 TI의 BLE 6.0 데모를 보면, Channel Sounding 나오는 것을 보면 AoA까지는 안되는 듯 하며, Range 측정까지만 (이 부분은 추후별도 설명 )
기술적으로 RF통신에서 RTLS를 통해, Radar 처럼 구현을 하려고 함