Analog and Digital Solutions for Nonlinearity Compensation in FMCW LiDAR System
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 범진욱
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 반도체공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082648
- UCI I804:11029-000000082648
- 본문언어 영어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
FMCW(Frequency-Modulated Continuous Wave) LiDAR는 낮은 샘플링 속도에서도 고해상도 거리 측정과 우수한 간섭 내성을 제공하여, 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)을 위한 핵심 기술로 부상하고 있다. 하지만 정밀한 거리 및 속도 데이터를 얻기 위해서는 레이저 주파수가 완벽하게 선형적으로 변조되어야 한다. 본 논문에서는 이러한 비선형성 문제를 해결하기 위해 레이저 주파수 스윕을 선형화하는 EO-PLL(Electro-Optical Phase-Locked Loop) 시스템을 구현하였다. 구현 방식으로는 28nm CMOS 공정을 이용한 아날로그 IC 방식과 FPGA를 이용한 디지털 방식을 각각 설계하고 비교 분석하였다. 전체 시스템은 안정적인 피드백 제어를 위해 200kHz의 대역폭과 60도의 Phase Margin을 갖도록 설계되었다. 측정 결과, 아날로그 IC 방식은 높은 에너지 효율과 함께 약 5µs의 빠른 정착 시간을 달성하였다. PLL과 Pre-distortion 기법을 결합한 디지털 방식은 위상 오차를 Open-loop 대비 1/20 수준으로 감소시키는 성능을 확인하였다. 두 방식 모두 변조 주기의 80% 이상 구간에서 비팅 주파수를 안정적으로 고정하는 데 성공하였다.
more초록(요약문)
Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW) LiDAR has emerged as a key technology for autonomous driving and Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) due to its high resolution and interference immunity even at low sampling rates. However, to ensure precise distance and velocity measurements, the frequency of the laser source must be modulated with high linearity. To address this issue, this thesis implements an Electro-Optical Phase-Locked Loop (EO-PLL) system to linearize the laser frequency sweep. Two distinct implementation approaches were explored: an analog Integrated Circuit (IC) and a digital FPGA-based solution. The system was designed with a target loop bandwidth of 200 kHz and a phase margin of 60 degrees to ensure stable feedback control. Measurement results showed that the analog IC achieved high energy efficiency and a fast lock time of approximately 5µs. The digital method, combining PLL and pre-distortion techniques, demonstrated performance that reduced phase error to 1/20th that of the open-loop. Both methods successfully maintained stable beating frequency for more than 80% of the modulation period.
more목차
Chapter I. Introduction 3
Chapter II. Operating Principle of FMCW LiDAR Tx 6
2.1 The Challenge of Linearity and EO-PLL 6
2.2 Operating Principle of the Proposed System 9
Chapter III. Analog Solution for Nonlinearity Compensation 11
3.1 Overall structure of the analog EO-PLL 11
3.1.1 Circuit configuration to generate more accurate ramp waves 14
3.1.2 V to I Converter 17
3.1.3 Analog Buffer Design 19
Chapter IV. Digital Solution for Nonlinearity Compensation 20
4.1 Digital PLL 20
4.1.1 PFD on FPGA 23
4.1.2 Loop Filter Analysis 24
4.2 Pre-Distortion 26
Chapter V. Measurement Results 28
5.1 Analog IC Measurement Result 28
5.2 Digital Solution Measurement Result 32
Chapter VI. Conclusions 35
References 37
