Frequenzkamm-basiertes breitbandiges MIMO-OFDM-Radar
Creators: name: Nuß, Benjamin
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Frequenzkamm
MIMO
OFDM
Radar
Compressed Sensing
hohe Entfernungsauflösung
hohe eindeutige Geschwindigkeit
niedrige Abtastrate
hohe Bandbreite

description: 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. Ein 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.