Integrierter Generator zur Erzeugung hochlinearer und ultrabreitbandiger Frequenzrampen zur Nahbereichsortung

An Integrated Generator for Highly Linear and Ultra-Wideband Frequency Ramps for Local Positioning

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-82100
  • In den vergangenen beiden Jahrzehnten haben satellitengestützte Ortungssysteme eine weite Verbreitung im privaten wie industriellen Bereich gefunden. Einige der zahlreichen Anwendungen liegen in der Warenlogistik, Fahrzeugnavigation, Luft- und Schifffahrt. Für einen zuverlässigen Betrieb sind Satellitennavigationssysteme allerdings auf eine direkte Sichtverbindung zu den Satelliten angewiesen. Hohe Hindernisse, wie beispielsweise Häuserschluchten oder gestapelte Container, können sich negativ auf die Ortungsgenauigkeit auswirken. Eine Ortung im Innenraum ist durch die starke Signaldämpfung nahezu ausgeschlossen. Diese Bereiche können mit einem Nahbereichsortungssystem (LPS, engl.:In den vergangenen beiden Jahrzehnten haben satellitengestützte Ortungssysteme eine weite Verbreitung im privaten wie industriellen Bereich gefunden. Einige der zahlreichen Anwendungen liegen in der Warenlogistik, Fahrzeugnavigation, Luft- und Schifffahrt. Für einen zuverlässigen Betrieb sind Satellitennavigationssysteme allerdings auf eine direkte Sichtverbindung zu den Satelliten angewiesen. Hohe Hindernisse, wie beispielsweise Häuserschluchten oder gestapelte Container, können sich negativ auf die Ortungsgenauigkeit auswirken. Eine Ortung im Innenraum ist durch die starke Signaldämpfung nahezu ausgeschlossen. Diese Bereiche können mit einem Nahbereichsortungssystem (LPS, engl.: local positioning system) erschlossen werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem LPS, das auf einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar (FMCW-Radar, engl.: frequency modulated continuous wave radar) basiert. Es soll eine Genauigkeit im Zentimeterbereich bieten und zusätzlich die Messung des Einfallwinkels ermöglichen. Außerdem soll es über einen Betriebsmodus für hohe Reichweite und einen für hohe Robustheit gegenüber Mehrwegeausbreitung verfügen. Hierzu kann das FMCW-Radar in zwei Frequenzbereichen betrieben werden: dem 5,8 GHz-ISM-Band und dem lizenzfreien Ultrabreitband-Bereich (UWB, engl.: ultra wide band) 6,0 - 8,5 GHz. Für die Einfallswinkelmessung ist das HF-Frontend vierkanalig ausgeführt. Ziel dieser Arbeit ist es, einen möglichst großen Teil der FMCW-Radarkomponenten in einen einzelnen Chip in einer 350 nm SiGe:C Bipolar-Technologie zu integrieren. Der Fokus liegt dabei auf dem Frequenzsynthesizer für linear modulierte Frequenzrampen. Dieser ist als Phasenregelschleife mit variablem Teilerverhältnis ausgeführt und muss sowohl breitbandige, als auch möglichst lineare Frequenzrampen mit einer Frequenzauflösung im Hz-Bereich erzeugen, um eine hohe Robustheit gegenüber Mehrwegeausbreitung und Messgenauigkeit zu ermöglichen. Hierdurch werden insbesondere an den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO, engl.: voltage controlled oscillator) hohe Anforderungen in Bezug auf Abstimmbereich und -linearität gestellt. Um die vorgenannten Anforderungen zu erfüllen, wird im Rahmen dieser Arbeit ein neuartiger VCO mit Abstimmlinearisierung vorgestellt und messtechnisch charakterisiert. Dieser erreicht einen kontinuierlichen, relativen Abstimmbereich von 69,0 %; in einem relativen Abstimmbereich von 34,5 % beträgt die Variation der Abstimmsensitivität KVCO nur ±20 %. Zur Analyse der Linearität der generierten FMCW-Rampen wird eine auf der Kurzzeit-Fourier-Transformation (STFT, engl.: short-time Fourier transform) basierende Methode zur Messung der Nichtlinearität vorgestellt. Diese hat gegenüber den in der Literatur häufig verwendeten phasenbasierten Methoden den Vorteil, dass sie wesentlich robuster gegenüber den Rauschanteilen des gemessenen Signals ist. Der Frequenzsynthesizer erzeugt FMCW-Rampen mit hoher Linearität. Bei einer Sweep-Bandbreite von 2 GHz beträgt die maximale Abweichung vom Mittelwert weniger als 1,1 kHz. Abschließend wird der entworfene Radarchip in ein Demonstratorsystem eingesetzt. In der eindimensionalen Distanzmessung erreicht das System eine Standardabweichung von nur 2,7 cm in einer Umgebung mit starker Mehrwegeausbreitung. Bei der Einfallswinkelmessung bewegt sich der Messfehler zwischen -3° und 2°. Das in dieser Arbeit untersuchte LPS ist damit für eine Vielzahl von Anwendungen hervorragend geeignet.show moreshow less
  • Satellite positioning systems have found widespread use in the private and industrial sector over the course of the last two decades. Some of the many applications are in logistics, vehicle navigation, aviation and marine navigation. However, satellite positioning systems are dependent on a direct line of sight to the satellites for reliable operation. High obstacles, such as urban canyons or stacked containers, can have a negative impact on positioning accuracy. These areas can be made accessible with the help of a local positioning system (LPS). This work deals with an LPS that is based on a frequency modulated continuous wave radar (FMCW). It is to provide centimeter accuracy and shouldSatellite positioning systems have found widespread use in the private and industrial sector over the course of the last two decades. Some of the many applications are in logistics, vehicle navigation, aviation and marine navigation. However, satellite positioning systems are dependent on a direct line of sight to the satellites for reliable operation. High obstacles, such as urban canyons or stacked containers, can have a negative impact on positioning accuracy. These areas can be made accessible with the help of a local positioning system (LPS). This work deals with an LPS that is based on a frequency modulated continuous wave radar (FMCW). It is to provide centimeter accuracy and should allow the measurement of the angle of arrival as well. In addition, there shall be one mode for long range operation and another mode for high robustness against multipath propagation. For this the FMCW radar can be operated in two frequency bands: the 5.8 GHz ISM-Band and the unlicensed ultra-wide band range (UWB) 6.0 – 8.5 GHz. The RF-frontend is equipped with four channels to allow measuring the angle of arrival. The objective of this work is to integrate as many of the FMCW radar components as possible in a single chip. The chip is fabricated in a 350 nm SiGe:C bipolar technology. The focus is on the frequency synthesizer for linear modulated frequency ramps. It is designed as a phase locked loop with variable division ratio. In order to allow for high robustness against multipath propagation and measurement accuracy, it must generate both broadband and as linear as possible frequency ramps with a frequency resolution in the single Hz range, thus putting high demands on the voltage controlled oscillator (VCO) in the regards of tuning range and linearity. To meet the above mentioned requirements, a novel VCO with tuning linearization is presented and characterized by measurements in this work. This VCO achieves a continuous relative tuning range of 69.0 %; the tuning sensitivity KVCO varies by only ±20 % within a relative tuning range of 34.5 %. A method for measuring non-linearity that is based on short-time Fourier transform (STFT) is presented to analyze the linearity of the generated frequency ramps. The advantage of this method is that it is much more robust against noise in the measured signal in comparison to the phase-based methods often used in publications. The frequency synthesizer generates highly linear FMCW ramps. The maximum deviation from average is less than 1.1 kHz for a sweep bandwidth of 2 GHz. Finally, the designed radar chip is embedded into a demonstrator system. The system achieves a standard deviation of only 2.7 cm in one-dimensional distance measurement in an environment with strong multipath propagation. The measurement error varies between -3° and 2° for the angle of arrival measurement. Thus, the LPS that is investigated in this work is ideally suited for a variety of applications.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar Statistics
Metadaten
Author:Matthias Karlheinz Maser
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-82100
ISBN:978-3-96147-018-1
Series (Volume number):FAU Studien aus der Elektrotechnik (7)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Robert Weigel, Martin Vossiek, Thomas Ußmüller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2016
Embargo Date:2017/02/01
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2016/07/15
Release Date:2017/02/01
Tag:350 nm SiGe Bipolar; Abstimmlinearisierung; FMCW-Radar; LPS; Linearitätsmessung; Local Positioning System; Nahbereichsortung; PLL; STFT; UWB
SWD-Keyword:Moduliertes Dauerstrichradar; VCO; Phasenregelkreis; Ultraweitband; Kurzzeit-Fourier-Transformation; Ortung
Pagenumber:XVIII, 129 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN 978-3-96147-017-4
Institutes:Technische Fakultät / Department Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0