Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Investigation of OFDM modulation for radar application

Bengtsson, Robin LU and Bergman, Emil LU (2024) EITM01 20241
Department of Electrical and Information Technology
Abstract
The merging of communication and sensing in the same transmission chain has become an increasingly relevant prospect as it allows for better coordination between users at the same time as it more effectively utilize the available frequency bands which are becoming increasingly crowded. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) radars is one way to combine the two by applying the common modulation scheme to a radar, thus opening up the possibility to extract radar data from a communication transmission. This thesis will present the design, implementation and proof of concept verification of an OFDM radar platform constructed from commercially available antennas, low cost software defined radios (SDRs) and open-source software. The... (More)
The merging of communication and sensing in the same transmission chain has become an increasingly relevant prospect as it allows for better coordination between users at the same time as it more effectively utilize the available frequency bands which are becoming increasingly crowded. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) radars is one way to combine the two by applying the common modulation scheme to a radar, thus opening up the possibility to extract radar data from a communication transmission. This thesis will present the design, implementation and proof of concept verification of an OFDM radar platform constructed from commercially available antennas, low cost software defined radios (SDRs) and open-source software. The presented platform uses two Yagi-Uda antennas, each connected to an SDR, one for transmission and one for reception, operated by separate host computers. Previous work has investigated, often by use of simulations, the difference in performance between a typical frequency modulated continuous wave (FMCW) radar and an OFDM based radar. Since similar performance is achievable this thesis aims to contribute by comparing the performance effect of sending a chirp-like Zadoff-Chu signal and a communication-like signal with random data over the OFDM channel in terms of people and vehicle detection. The comparison is carried out experimentally in different outdoor environments where each test is recorded both by sending a chirp-like signal and a communication-like signal. The results suggests that there is no apparent difference between the two in regards to detecting persons or vehicles at short range, using the given setup. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Elektromagnetism och speciellt elektromagnetiska vågor är grunden till nästan all modern trådlös överföring. Elektromagnetiska vågor kan liknas vid ljus och karakteriseras av frekvens, där endast ett fåtal frekvenser ger upphov till ljus som är synligt för människoögat. Mycket av den trådlösa överföringen som dyker upp i vardagen syftar till någon form av kommunikation, såsom WiFi, Bluetooth och 5G. Utöver kommunikation kan trådlös överföring även användas för att karakterisera en miljö, vilket ofta är syftet med radar. Precis som ljudvågor interagerar elektromagnetiska vågor med omvärlden och de reflekteras i objekt. Denna egenskap nyttjas av både fladdermöss och delfiner som använder sig av ljud för lokalisering, så kallad... (More)
Elektromagnetism och speciellt elektromagnetiska vågor är grunden till nästan all modern trådlös överföring. Elektromagnetiska vågor kan liknas vid ljus och karakteriseras av frekvens, där endast ett fåtal frekvenser ger upphov till ljus som är synligt för människoögat. Mycket av den trådlösa överföringen som dyker upp i vardagen syftar till någon form av kommunikation, såsom WiFi, Bluetooth och 5G. Utöver kommunikation kan trådlös överföring även användas för att karakterisera en miljö, vilket ofta är syftet med radar. Precis som ljudvågor interagerar elektromagnetiska vågor med omvärlden och de reflekteras i objekt. Denna egenskap nyttjas av både fladdermöss och delfiner som använder sig av ljud för lokalisering, så kallad ekolokalisering. De genererar en ljudvåg som breder ut sig i miljön för att sedan lyssna efter reflektioner. Genom analys av reflektionerna får de information om objekten som gav upphov till dem. Grundtanken med radar är att nyttja samma fenomen som delfiner och fladdermöss gör, fast med elektromagnetiska vågor istället för ljudvågor. Grunden i analysen för såväl ekolokalisering som radar är fördröjningen till ekot. Både ljudvågor och elektromagnetiska vågor utbreder sig med en känd hastighet, och genom att mäta tiden mellan utropet och ekot kan man därför avgöra hur långt bort objektet befinner sig. Den stora skillnaden ligger i hur snabbt vågen utbreder sig, då elektromagnetiska vågor utbreder sig i ljusets hastighet som är ungefär en miljon gånger snabbare än ljudets hastighet. Analys av ekot kan även ge information om objektets hastighet genom att studera dopplerskiftet över tid, vilket följer ungefär samma princip som när ljudet av sirener låter annorlunda när en ambulans åker mot en gentemot när den åker bort från en.

I grunden bygger både kommunikationssystem och radarsystem på att en signal färdas från punkt A till punkt B. I ett radarsystem ligger punkt A och B ofta på samma plats medan de ofta är skilda i ett kommunikationssystem. Båda systemen använder information om vad som händer med signalen på vägen, men för väldigt olika syften. I ett radarsystem är inte signalen av något egenvärde och syftet är bara att studera förändringarna av den. I ett kommunikationssystem har dessa förändringar inget egenvärde men är användbara för att se till att meddelandet mottas så oförändrat som möjligt. Därför ser elektroniken i ett radarsystem och ett kommunikationssystem ofta olika ut då man optimerat dem för olika syften, men i princip är det inget som hindrar en från att kombinera dem. Mycket forskning har gjorts på, och görs fortfarande inom kombinerad kommunikation och miljökaraktisering, där man försöker kombinera dem på olika sätt. Ett exempel på hur detta kan användas är inom bilindustrin, där en bil kan kommunicera med en annan bil och samtidigt detektera reflektioner av radiosignalen och genom analys få information om den andra bilens hastighet och plats, vilket kan vara till nytta för exempelvis självkörande bilar eller liknande hjälpmedel.

Denna rapport redogör för konstruktionen och utvärderingen av ett sådant system som består av relativt billiga och lättillgängliga moduler och fritt tillgänglig mjukvara. Grunden i systemet är två så kallade mjukvarudefinierade radioenheter, vilka i princip är en kombinerad sändare och mottagare som kan ställas in med hjälp av en dator. En av dessa fungerar som radarsystemets sändare och skickar ut en signal med ungefär samma teknik som inom mobiltelefoni. Den andra agerar mottagare och tar emot ekot som behandlas på ungefär samma sätt som i ett traditionellt radarsystem. Till dessa kopplas två antenner av samma typ som brukade användas till TV mottagare, så kallade Yagi-Uda antenner, eftersom dessa ger en stark och tydligt riktad signal. Detta system används sedan för att undersöka om det finns några tydliga skillnader i hur väl radarn lyckas upptäcka bilar, cyklar och fotgängare när en klassisk radarsignal eller ett slumpat men känt meddelande skickas. Syftet med en sådan jämförelse är att se om det ger likvärdig prestanda om man skickar ett meddelande, vilket i så fall innebär att samma elektronik kan användas som både radar och kommunikationssystem samtidigt, vilket kan spara både plats och kostnad i produkter och öppna upp för mer effektiv användning av signalerna som skickas. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Bengtsson, Robin LU and Bergman, Emil LU
supervisor
organization
course
EITM01 20241
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
JCAS, OFDM, radar, SDR-radar
report number
LU/LTH-EIT 2024-1000
language
English
id
9165785
date added to LUP
2024-06-26 11:13:26
date last changed
2024-06-26 11:13:26
@misc{9165785,
  abstract     = {{The merging of communication and sensing in the same transmission chain has become an increasingly relevant prospect as it allows for better coordination between users at the same time as it more effectively utilize the available frequency bands which are becoming increasingly crowded. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) radars is one way to combine the two by applying the common modulation scheme to a radar, thus opening up the possibility to extract radar data from a communication transmission. This thesis will present the design, implementation and proof of concept verification of an OFDM radar platform constructed from commercially available antennas, low cost software defined radios (SDRs) and open-source software. The presented platform uses two Yagi-Uda antennas, each connected to an SDR, one for transmission and one for reception, operated by separate host computers. Previous work has investigated, often by use of simulations, the difference in performance between a typical frequency modulated continuous wave (FMCW) radar and an OFDM based radar. Since similar performance is achievable this thesis aims to contribute by comparing the performance effect of sending a chirp-like Zadoff-Chu signal and a communication-like signal with random data over the OFDM channel in terms of people and vehicle detection. The comparison is carried out experimentally in different outdoor environments where each test is recorded both by sending a chirp-like signal and a communication-like signal. The results suggests that there is no apparent difference between the two in regards to detecting persons or vehicles at short range, using the given setup.}},
  author       = {{Bengtsson, Robin and Bergman, Emil}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Investigation of OFDM modulation for radar application}},
  year         = {{2024}},
}