Frequenzkamm-basiertes breitbandiges MIMO-OFDM-Radar

In den vergangenen Jahren haben digitale Modulationsverfahren einen immer groseren Stellenwert fur Anwendungen im Radarbereich erfahren. Treiber dieser Entwicklung sind einerseits die immer leistungsfahigere digitale Hardware, die eine echtzeitfahige Realisierung solcher Radarsysteme uberhaupt erst ermoglicht hat, und andererseits bei den Applikationen vor allem der Automobilradarbereich. Dieser fordert neben stetig steigenden Auflosungen oftmals eine hohe Flexibilitat der Wellenformen sowie eine moglichst gute Interferenzrobustheit. Eines der Modulationsverfahren, das aktuell besonders im Fokus der Untersuchungen steht, ist Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), das sich auch im Mobilfunkbereich groser Beliebtheit erfreut. Ein Nachteil im Vergleich zu anderen gangigen Radarverfahren wie beispielsweise Fast Chirp Sequence (FCS) ist die Notwendigkeit von sehr hohen Abtastraten, die in der Grosenordnung der abgedeckten Hochfrequenzbandbreite liegen mussen. Genau bei diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an. Sie stellt eine neuartige Erweiterung des klassischen OFDM-Radar-Ansatzes vor, mit dessen Hilfe die Signalbandbreite im Radarkanal vergrosert werden kann, ohne gleichzeitig die Abtastraten der Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler erhohen zu mussen. Hierdurch kann trotz eines Verzichts auf schnelle und daher teure Wandler die oftmals geforderte hohe Entfernungsauflosung erreicht werden. Sendeseitig wird dafur ein schmalbandiges OFDM-Signal mit einem Frequenzkamm hochgemischt, dessen Kammfrequenzen untereinander einen Abstand aufweisen, der genau der Bandbreite des Basisbandsignals entspricht. Im Sendesignal ist hierbei jedoch nur ein kleiner Teil der moglichen Untertrager belegt. Auf diese Weise entstehen Lucken, die im Empfanger dazu genutzt werden konnen, alle Untertrager des breitbandigen Signals in einem schmalen Frequenzband eigeninterferenzfrei zu vereinen. Hierzu wird das Empfangssignal mit einem zweiten Frequenzkamm heruntergemischt, dessen Abstande kleiner ausfallen als im Sender. Hierdurch konnen die Untertrager aller Subbander in dem beschriebenen Frequenzband untergebracht werden, dessen Bandbreite genau so gros wie die des ursprunglichen OFDM-Basisbandsignals ist. Aus diesem Grund genugt auch im Empfanger eine Abtastrate, die identisch zu jener im Sender ist, ohne dass wichtige Informationen des breitbandigen Signals im Radarkanal verloren gehen. Da alle Untertrager orthogonal zueinander sind, konnen sie nach der Abtastung separiert und das breitbandige Spektrum digital rekonstruiert werden. In der vorliegenden Arbeit werden alle diesbezuglich notwendigen Verfahrensschritte zur Signalerzeugung und -verarbeitung detailliert beschrieben sowie ausfuhrliche Untersuchungen zur erreichbaren Performanz des Ansatzes und dessen Limitierungen durchgefuhrt. Neben der Schatzung von Entfernung und Geschwindigkeit spielt in der Zwischenzeit bei vielen Anwendungen auch die Winkelinformation eine wichtige Rolle. Aus diesem Grund wurde das entworfene Frequency-Comb-OFDM-Radar-Verfahren fur den Einsatz in MIMO-Systemen, die eine solche Winkelbestimmung ermoglichen, erweitert. Grundlage hierfur war in erster Linie das bereits existierende Subcarrier Interleaving, das um die Moglichkeit einer unregelmasigen Untertragerbelegung in Verbindung mit einem Compressed-Sensing-Algorithmus zur Entfernungsschatzung erganzt wurde. Zur messtechnischen Verifikation des Verfahrens wurde zudem ein Demonstrator mit vier Sende- und vier Empfangskanalen aufgebaut, der zusatzlich die Hochfrequenzbandbreite um den Faktor vier vergrosern kann. Mit diesem System wurden in einer reflexionsarmen Kammer erfolgreich Radarmessungen durchgefuhrt, die die Funktionsfahigkeit des Frequenzkamm-basierten Ansatzes bestatigen konnten. Daruber hinaus lies sich mithilfe eines analogen Radarzielsimulators auch der hohe Eindeutigkeitsbereich in Geschwindigkeitsrichtung demonstrieren, der einen weiteren Vorteil des entworfenen Verfahrens darstellt.