Design and implementation of an fmcw radar signal processing module for automotive applications

vi

CONTENTS

4.3

The architecture and operation

. . . . . . . . . . . . . . . . .

33

5

Results and Analysis

39

5.1

Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

5.1.1

Hardware Resource Usage . . . . . . . . . . . . . . . .

39

5.1.2

Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

5.1.3

Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

5.2

Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

5.2.1

Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

6

Conclusion

47

6.1

Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

6.2

Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

---

List of Figures

1.1

FMCW radar block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.2

Xilinx ML605 development board . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.3

NXP Semiconductor’s automotive radar chip

. . . . . . . . .

7

2.1

FMCW sawtooth signal model . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.2

FMCW signal 2D FFT processing . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.3

Principle of phase interferometry [1] . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.4

TX and RX antennas of MIMO radar . . . . . . . . . . . . . .

16

2.5

Virtual antenna array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

3.1

Range-Doppler Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.2

Birdseye view . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.3

Radar scannings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.4

Signal Flow Graph of 3D FFT Procesing . . . . . . . . . . . .

25

4.1

Signal processing algorithm flowchart . . . . . . . . . . . . . .

31

4.2

The architecture of the implementation . . . . . . . . . . . . .

34

4.3

An example transpose operation . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

5.1

Processes and their performance . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

vii

---

viii

LIST OF FIGURES

---

List of Tables

2.1

Parameter table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

5.1

Resource usage of the architecture . . . . . . . . . . . . . . . .

40

5.2

Radar test results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

5.3

Timing results of the implementation . . . . . . . . . . . . . .

42

ix

---

x

LIST OF TABLES

---

List of Acronyms

ADC Analog to Digital Converter

AXI Advanced eXtensible Interface

CAES Computer Architecture for Embedded Systems

CLB Configurable Logic Block

CPU Central Processing Unit

CW Continuous Wave

DDR Double Data Rate

DFT Discrete Fourier Transform

DMA Direct Memory Access

DSP Digital Signal Processing

DVI Digital Visual Interface

FFT Fast Fourier Transform

FIFO First-In First-Out

FMCW Frequency Modulated Continuous Wave

FPU Floating Point Unit

FPGA Field-Programmable Gate Array

LMB Local Memory Bus

MIMO Multiple Input Multiple Output

MPSoC Multiprocessor System-on-Chip

xi

---

xii

LIST OF ACRONYMS

NoC Network on Chip

RF Radio Frequency

SDRAM Synchronous Dynamic Random-Access Memory

SODIMM Small Outline Dual In-line Memory Module

TDM Time-Division Multiplexing

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

WCET Worst Case Execution Time

---

Chapter 1

Introduction

1.1

Context

For a long time radars have been used in multiple military and commercial

applications. The development of the ideas that lead to the radar systems

emerged in the late nineteenth and early twentieth centuries. However, the

main developments of the system have been seen during the Second World

War. During that period radars were extensively used for air defence pur-

poses such as long-range air surveillance and short-range detection of low

altitude targets. In the post-war period, improvements had been made in

the development of the radar technology for both the military and civilian

applications. Major civilian applications of the radar that emerged during

that period were the weather radar and the air-traffic control radar that used

to ensure the safety of the air traffic in the airports [2].

Recently, applications of radars in the automotive industry have started

to emerge. High-end automobiles already have radars that provide parking

assistance and lane departure warning to the driver [3]. Currently, there is

a growing interest in the self-driving cars and some people consider it to be

the main driving force of the automotive industry in the coming years. With

the start of the Google’s self-driving car project, the progress in this area has

got a new acceleration.

Self-driving cars offer a totally new perspective on the application of the

radar technology in the automobiles. Instead of only assisting the driver,

the new automotive radars should be capable of taking an active role in the

control of the vehicle. As a matter of fact, they will be a key sensor of the

autonomous control system of a car.

Radar is preferred over the other alternatives such as sonar or lidar as

it is less affected by the weather conditions and can be made very small to

1

---