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DDS(Direct Digital Synthesizer)를 이용한 FMCW 레이더 송신시스템 설계

Design of a FMCW Radar Transmitter System using DDS(Direct Digital Synthesizer)

초록/요약

현재의 MMIC 나 유전체 공진기를 이용한 Ka-band 주파수 합성기의 경우 군수용에 적용 시키는 데에는 그 신뢰성이 검증되지 않았고, 세밀한 주파수 분해능과 빠른 스윕 타임을 구현하는 것이 어렵다는 단점이 있었다. 또한 위상 루프 고정을 기반으로 한 주파수 합성기는 위상 루프 고정의 노이즈 레벨로 인하여 좋은 위상잡음의 특성을 갖는데 한계를 가지고 있다. 본 논문에서는 이처럼 기존의 아날로그 방식의 주파수 합성기의 단점을 극복하고자 직접디지털 방식의 주파수 합성기의 출력 신호를 체배 함으로써 1 Hz의 분해능을 가지며 빠른 스윕 타임을 가지는 주파수 합성기를 설계하였다. 또한 직접 디지털 주파수 합성기와 8051계열의 마이크로컨트롤러, CPLD, SRAM을 연동하여 컴퓨터를 통하여 간단히 제어할 수 있도록 인터페이스를 구성하였다. 설계한 주파수 합성기는 직접디지털합성기의 출력신호를 1.3 GHz의 신호와 14 GHz의 신호를 이용하여 주파수 상향변환을 시키는 구조를 갖추고 있다. 제작된 주파수 합성기의 가변 주파수 대역은 350 MHz이며 출력 파워는 최소 24 dBm에서 26.5 dBm의 특성을 가지고 커플러를 통한 출력 파워는 0 dBm에서 5 dBm을 갖는다. 위상 잡음은 최소 -92.33 dBc/Hz @ 10 kHz의 특성을 가진다.

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목차

I. 서론 = 1
II. 기본 이론 = 3
1. FMCW레이더 = 3
1.1 FMCW레이더의 기본원리 = 3
1.2 FMCW레이더의 측정원리 = 4
2. 발진기 설계를 위한 기본 이론 = 7
2.1 발진기의 선형 해석 = 8
2.2 발진기의 비선형 해석 = 10
2.3 발진기의 위상 잡음 이론 = 11
3. DDS(Direct Digital Synthesizer) = 16
3.1 직접 디지털 주파수 합성기의 기본 이론 = 16
3.2 위상과 사인파형의 매핑(mapping)원리 = 19
3.3 직접 디지털 주파수 합성기의 출력 특성 = 26
3.4 직접 디지털 주파수 합성기의 제어 = 29
4. PLL(Phase Locked Loop) = 33
4.1 PLL의 종류 = 36
4.2 PLL의 잡음해석 = 39
III. 제안된 Ka밴드 주파수 합성기의 설계 및 제작 = 43
1. 전체 시스템 구조 = 43
2. DDS의 설계 및 제작 = 44
3. 3.5 GHz 주파수 상향 변환 = 48
3.1 1.5 GHz 주파수 합성기 설계 및 제작 = 48
3.2 3.5 GHz 주파수 상향변환 설계 및 제작 = 52
4. 17.5 GHz 주파수 상향 변환 = 54
4.1 14 GHz 주파수 합성기 설계 및 제작 = 54
4.2 17.5 GHz 주파수 합성기 설계 및 제작 = 56
5. 35 GHz 주파수 상향 변환 = 59
5.1 2체배기와 방향성 결합기의 설계 및 제작 = 59
5.2 Driving Amp. 및 Power Amp 설계 및 제작 = 62
6. 전원 보드 설계 = 65
7. 전체 시스템 제작 및 출력 특성 = 67
Ⅳ. 결론 = 70
Ⅴ. 참고문헌 = 71
표차례
표 1. 레지스터 롬 테이블(AD9858) = 29
표 2. 여러 가지 잡음원의 전달 함수 = 42
표 3. 사용된 DCSO-1300의 부품 세부 특성 = 50
표 4. 능동 루프 필터의 설계특성 = 51
표 5. 사용된 DCSO-1750의 부품 세부 특성 = 54
그림차례
그림 1. FMCW레이더의 기본 블록도 = 3
그림 2. FMCW레이더의 주파수 삼각파형 = 4
그림 3. 일반적인 발진기의 구성 = 7
그림 4. 간략화 된 발진기의 구조 = 9
그림 5. 발진기의 위상 잡음 특성 = 12
그림 6. 발진기 위상 잡음의 등가 궤한 모델 = 12
그림 7. Q에 따른 위상 잡음 특성 = 14
그림 8. DDS의 기본 구조 = 16
그림 9. DDS의 내부 구조 = 17
그림 10. Digital Phase Wheel = 18
그림 11. DDS의 내부 신호 흐름도 = 18
그림 12. quarter 신호 생성 원리 = 20
그림 13. 1/2 LSB 오프셋 = 20
그림 14. 롬 테이블 방식 = 21
그림 15. 사인-위상차 알고리즘 = 22
그림 16. 테일러 급수 근사화 방식(12비트DAC) = 22
그림 17. 2차 평면에서의 CORDIC 연산 = 23
그림 18. CORDIC 연산 방식 = 25
그림 19. 출력 스첵트럼 = 27
그림 20. 4bit와 8bit의 DAC 스펙트럼 결과 = 27
그림 21. 클럭주파수에 따른 SFDR 특성 = 28
그림 22. 일반적인 DDS의 제어 원리 = 29
그림 23. 스윕 동작 특성 그래프 = 30
그림 24. 입출력 동기 블록도 = 32
그림 25. PLL의 기본 블록도 = 33
그림 26. 입출력이 위상인 경우 = 34
그림 27. 입출력이 각 주파수인 경우 = 34
그림 28. Dual modulus PLL의 블록 다이어그램 = 37
그림 29. Fractional N PLL의 블록 다이어그램 = 38
그림 30. 잡음원이 고려된 주파수 합성기 = 40
그림 31. (a)VCO를 제외한 잡음원의 전달함수 특성 = 41
(b)VCO 잡음원의 전달함수 특성 = 41
그림 32. 전체 잡음원의 전달함수 특성 = 42
그림 33. 전체 시스템의 블록다이어그램 = 43
그림 34. DDS제어의 블록다이어그램 = 44
그림 35. 실제 제작된 DDS Board = 45
그림 36. DDS의 출력 스펙트럼 결과 = 46
그림 37. Elliptic LPF 연결 전후의 스펙트럼 결과 = 46
그림 38. DDS의 위상잡음 결과(1 KHz, 10 KHz offset) = 46
그림 39. DDS의 스윕타임 측정결과 = 47
그림 40. 3.5GHz 주파수 상향변환 블록다이어그램 = 48
그림 41. 1.5GHz 고역 및 대역 통과 여파기 특성 = 49
그림 42. 1.3GHz VCO 블록다이어그램 = 49
그림 43. 1.3GHz PLL의 능동루프필터 회로도 = 50
그림 44. 1.3GHz 주파수 합성기의 광대역 특성과 위상잡음 = 51
그림 45. 실제 제작된 3.5GHz 주파수 상향 변환기 = 52
그림 46. 여파기 통과 전후의 3.5GHz 출력 스펙트럼 = 52
그림 47. 3.5GHz 대역 통과 여파기 특성 = 53
그림 48. 3.5GHz의 위상잡음 측정결과 = 53
그림 49. 17.5GHz 주파수 상향변환기 블록도 = 54
그림 50. 17.5GHz PLL의 능동루프필터 회로도 = 55
그림 51. 실제 제작된 14GHz 주파수 합성기 = 55
그림 52. 14GHz 주파수 합성기의 위상잡음 특성 = 56
그림 53. 실제 제작된 17.5GHz 주파수 상향 변환기 = 57
그림 54. 여파기 통과 전의 17.5GHz 출력 스펙트럼 = 57
그림 55. End coupled 방식의 17.5GHz 대역 통과 여파기 = 58
그림 56. 여파기 통과 후의 17.5GHz 출력 스펙트럼 = 58
그림 57. 17.5GHz 주파수 합성기의 위상잡음 = 58
그림 58. 35GHz 주파수 상향변환기 블록도 = 59
그림 59. 제작된 35GHz 2체배기 와이어 본딩 = 59
그림 60. 10dB 방향성 결합기 시뮬레이션 결과 = 60
그림 61. 35GHz 2체배기 출력 스펙트럼 = 60
그림 62. Transition 시뮬레이션 결과 = 61
그림 63. 제작된 Transition 측정 결과 = 61
그림 64. 제작된 35GHz Driving Amp. = 62
그림 65. 제작된 Driving Amp.의 측정 결과 = 62
그림 66. 35GHz Isolator 측정 결과 = 63
그림 67. 35GHz Driving Amp. 출력 스펙트럼 = 63
그림 68. 제작된 35GHz Power Amp. = 64
그림 69. 35GHz Power Amp. 측정 결과 = 64
그림 70. 전원 보드 전체 블록도 = 65
그림 71. 스위칭 보호 회로도 = 66
그림 72. 실제 제작된 전원 보드 = 66
그림 73. 실제 제작된 시스템의 내관 및 외관 = 67
그림 74. 제작된 시스템의 측정 환경 = 67
그림 75. 주파수에 따른 출력 특성(WR28, 2.92mm) = 68
그림 76. 협대역과 광대역 출력 스펙트럼 = 68
그림 77. 주파수에 따른 위상잡음 특성(10KHz offset) = 69
그림 78. 35GHz의 위상잡음 특성(10KHz offset) = 69

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