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Untersuchung von frequenzstabilen Radar-Sendesignalen für FMCW-Anwendungen im GHz-Bereich

 
: Baumann, B.

Lörrach, 2013, VI, 97 S.
Lörrach, Hochschule, Bachelor Thesis, 2013
Deutsch
Bachelor Thesis
Fraunhofer IAF ()

Abstract
Fractional-N PLL-Synthesizer bieten die Möglichkeit zur Erzeugung einer hochstabilen Fre-quenz und eignen sich durch eine digitale Modulation des Teilerverhältnisses als Signalquelle für ein FMCW-Radarsystem. Die Linearität einer modulierten Frequenzrampe (engl. Chirp) ist ein wichtiger Aspekt beim Design eines FMCW-Radars, da sie bestimmt, ob zwei zu de-tektierende Objekte noch unterschieden werden können. Folgt diese keinem ideal linearen Verlauf, bildet sich ein Phasenfehler in der auszuwertenden Zwischenfrequenz. Dadurch kön-nen Ziele überdeckt oder sogar neue, nichtreale Ziele (engl. Clutter) entstehen.
In dieser Arbeit wird ein neues Verfahren vorgestellt, mit dem die Linearität einer modulier-ten Frequenzrampe charakterisiert werden kann. Um Auswirkungen auf die Linearität einer PLL-stabilisierten VCO-Schaltung in einem modulierten Ausgangssignal zu untersuchen, wurde ein Synthesizer entwickelt, der Frequenzrampen um 8 GHz und 16 GHz erzeugt. Da die Messung der Linearität nicht mit konventionellen Messgeräten und Methoden zu tätigen ist, wurde ein Messsystem entwickelt, das die Analyse einer erzeugten Zwischenfrequenz im Zeitbereich möglich macht. Mithilfe einer grafischen Programmiersprache wurde eine Soft-ware entwickelt, durch die die Datenaufnahme mit der Frequenzrampe synchronisiert werden kann. Mit diesem Messaufbau wurden verschiedene FMCW-Signalquellen vermessen. Durch die Auswertung der aufgezeichneten Signale mithilfe der Software lassen sich Aussagen über die Linearität der erzeugten Frequenzrampe treffen. Als Ergebnis konnte gezeigt werden, dass die Linearität der Frequenzrampe eines Fractional-N PLL-stabilisierten VCO im Vergleich zu anderen Signalquellen im GHz-Bereich hervorragend ist. Mit dem in dieser Arbeit realisierten Synthesizer ist daher die Erzeugung von ultra-linearen Frequenzrampen möglich. Um best-mögliche Linearität zu erhalten, wurde zudem ermittelt, dass sowohl die Frequenz am Phasen-frequenzdetektor, als auch das durch die geforderte Steilheit der Frequenzrampe beeinflusste Design des Loop-Filters entscheidenden Einfluss auf das Synthesizer-System hat.

 

Fractional-N PLL-synthesizers offer the possibility to generate highly stable frequencies and with the use of digitally modulated divider ratios they are suitable to be used as signal sources for FMCW-radar applications. Thereby the linearity of the ramp is important for distance resolution and to differ between multiple targets. Hence, it is a key parameter in designing FMCW-radars. If the ramp is not ideal, phase errors occur in the intermediate frequency. On the one hand, this may cover targets and on the other hand, clutter (virtual targets) could arise.
In this thesis, a new method to characterize the linearity of frequency chirped signals will be presented. To analyze the impacts on the ramp linearity of a PLL-stabilized VCO-design, a frequency synthesizer has been realized, which is able to generate frequency ramps at about 8 GHz and 16 GHz. Nowadays, measuring the linearity of chirped signals with conventional measurement equipment is not possible. Therefore, a measurement setup has been designed, performing time-domain analysis of the intermediate frequency signal. Using a graphical programming language, computer software has been developed, which synchronizes data acquisition to frequency ramps. Several FMCW-signal sources have been characterized and com-pared against each other, using the presented measurement setup. As a result, it has been shown that the linearity of a chirped signal generated by Fractional-N PLL synthesizers is excellent compared to other signal sources, especially when addressing the GHz domain. With the frequency synthesizer, which has been developed in the context of this work, the generation of ultra-linear frequency ramps is possible. It has been shown, that the frequency of the phase frequency detector as well as the design of the loop-filter are crucial to achieve best performance in terms of linearity.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-261240.html