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Abstrakt in Englisch

In this work, the design of a primary Impulse Radio (IR) radar system working in the Ultra-Wideband (UWB) frequency band from 3.1 GHz to 10.6 GHz is presented. It is researched to reduce the latency of positioning systems in a short-range complex environment. State-of-the-Art (SotA) radar works focus mainly on increasing the resolution and the detection range. However, latency is also a relevant aspect. Low latency is critical for many applications, for example, for an Intelligent Traffic System (ITS). This work aims to reduce this latency significantly through latency-oriented system design and optimization in various aspects. The theory of Frequency-Modulated Continuous-Wave (FMCW) and pulse radars is analyzed and compared before the Impulse-Radio Ultra-Wideband (IR-UWB) topology is selected, which has intrinsically high range-resolution and strong immunity against the multi-path effect that is well suited for a short-range complex environment. To reduce the latency, optimization was also performed in aspects of circuit design. The transmitter contains a UWB pulse generator and an amplifier with automatic on-off function. In the receiver part, a 50-dB-gain UWB amplifier using positive feedback for increased bandwidth was carried out. This provides amplified echo signals that can be directly sampled by a 1-bit real-time sampler. The sampler output data stream is fed to a Field-Programmable Gate Array (FPGA), where data processing and warning judgement are performed. The circuit blocks were fabricated and tested individually. Then, a Radio-Frequency (RF) Application Specific Integrated Circuit (ASIC) was designed and taped out. Based on this, the IR-UWB radar system was designed and realized in hardware on a Printed Circuit Board (PCB) mainly including the antennas, the system board and the FPGA module to demonstrate the functionality of the proposed concept. Measurements show that the radar covers a maximum detection range of 15 m. The range resolution is measured down to 3 cm. Furthermore, a target of interest can be warned with a latency as fast as 16 µs by using the 1-bit real-time sampling with a sampling rate of 10 GS/s. The ASIC consumes only 135 mW and occupies 1.9 mm2 using a 45-nm Silicon-on-Insulator (SOI) technology.

Abstrakt in Deutsch

In dieser Arbeit wird der Entwurf eines primären Impuls Radio (Impulse Radio, IR)-Radarsystems untersucht, das im Ultrabreitband (Ultra Wideband, UWB) Frequenzband von 3,1 GHz bis 10,6 GHz arbeitet. Es wurde erforscht, um die Latenz von Ortungssystemen in einem komplexen Umfeld mit kurzer Reichweite zu reduzieren. Stand-der-Technik Radararbeiten konzentrieren sich hauptsächlich auf die Erhöhung der Auflösung und der Reichweite. Allerdings ist die Latenz auch ein wichtiger Aspekt. Eine niedrige Latenz ist für viele Anwendungen von entscheidender Bedeutung, zum Beispiel für ein intelligentes Verkehrssystem (Intelligent Traffic System, ITS). Diese Arbeit zielt darauf ab, diese Latenz durch latenzorientiertes Systemdesign und Optimierung von verschiedenen Aspekten deutlich zu reduzieren. Die Theorie von frequenzmodulierten Dauerstrich-radaren (Frequency-Modulated Continuous-Wave radars, FMCW radars) und Impulsradaren wird untersucht und verglichen, bevor die Impulsradio-Ultrabreitband (Impulse-Radio-Ultra-Wideband, IR-UWB)-Topologie ausgewählt wird. IR-UWB-Radare weisen intrinsisch eine hohe Entfernungsauflösung und eine starke Immunität gegen dem Mehrwegeffekt auf, die für kurze Reichweiten und ein komplexes Umfeld gut geeignet sind. Um die Latenz zu reduzieren, wurden auch Aspekte des Schaltungsdesigns optimiert. Der Sender enthält einen UWB-Impulsgenerator und einen Verstärker mit automatischer Ein-/Ausschalten-Funktion. Im Empfängerteil wurde ein UWB-Verstärker mit einer Verstärkung von 50 dB unter Verwendung einer positiven Rückkopplung für eine erhöhte Bandbreite entworfen. Dieser liefert verstärkte Echosignale, die direkt von einem 1-Bit-Echtzeit-Sampler abgetastet werden können. Der Sampler-Ausgangsdatenstrom wird einer vor Ort programmierbare Logikgatter-Anordnung (Field-Programmable Gate Array, FPGA) zugeführt, wo Datenverarbeitung und Warnbeurteilung durchgeführt werden. Die Schaltungsblöcke wurden einzeln hergestellt und gemessen. Dann wurden sie als integrierter Schaltkreis entworfen und gefertigt. Darauf basierend wurde das IR-UWB-Radarsystem entworfen und auf einer Leiterplatte realisiert, das hauptsächlich die Antennen, das Systemboard und das FPGA-Modul umfasst, um die Funktionsfähigkeit des vorgeschlagenen Konzeptes zu zeigen. Messungen zeigen, dass das Radar eine maximale Reichweite von 15 m abdeckt. Die Entfernungsauflösung beträgt bis zu 3 cm. Darüber hinaus kann ein Ziel von Interesse mit einer Latenzzeit von nur 16 µs gewarnt werden, indem die 1-Bit Echtzeit-Abtastung mit einer Abtastrate von 10 GS/s verwendet wird. Der ASIC verbraucht nur 135 mW und belegt 1,9 mm2 unter Verwendung einer 45-nm Silizium-auf-Isolator (Silicon-on-Insulator, SOI) Technologie.