淺述毫米波雷達(dá)技術(shù)在角雷達(dá)的應(yīng)用

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作者：Amelie Zheng

近年來，毫米波雷達(dá)技術(shù)愈益成熟。前面在工業(yè)領(lǐng)域，主要介紹了道閘雷達(dá)的應(yīng)用；而在汽車領(lǐng)域，主要的雷達(dá)應(yīng)用可以大致分為兩大類：角雷達(dá)（Corner Radars）和前向雷達(dá)（Front Radars）。

角雷達(dá)（包括前向角雷達(dá)和后向角雷達(dá)）通常是短距離雷達(dá)，可滿足盲區(qū)檢測（BSD），變道輔助（LCA）和前后交通警報（F / RCTA）的要求；而前向雷達(dá)主要是用于自主緊急制動（AEB）和自適應(yīng)巡航控制（ACC）的中遠(yuǎn)程雷達(dá)應(yīng)用。

傳統(tǒng)的角雷達(dá)主要是基于24GHz技術(shù)，但由于新興的法規(guī)要求，并且需要更高的帶寬，更小的尺寸以及更高的性能，角雷達(dá)正逐步向77 GHz頻帶轉(zhuǎn)移。

本章節(jié)將會基于AWR1642介紹適用于角雷達(dá)的短程雷達(dá)解決方案。由于系統(tǒng)的框圖跟之前的道閘雷達(dá)大同小異，主要的區(qū)別在于三點(diǎn)，一是雷達(dá)芯片使用的是AWR1642；二是接口芯片為汽車常用的CAN接口；三是為了讓RF供電的電源軌更加干凈，后面再用了一級LDO進(jìn)行濾波之后再為車載的雷達(dá)芯片供電。

圖- 1 角雷達(dá)應(yīng)用的系統(tǒng)框圖

下面將會圍繞著AWR1642進(jìn)行詳細(xì)的展開。

AWR1642的高層次架構(gòu)

AWR1642是高度集成的單芯片77 GHz毫米波雷達(dá)，其中包括兩個發(fā)射端和四個接收端，一個600 MHz可編程的C674x DSP以及一個200 M Hz可編程的ARM Cortex-R4F處理器。該器件支持RF帶寬，覆蓋76-77 GHz和77-81 GHz頻段。如圖2所示，該器件包括四個主要模塊：射頻/模擬前端子系統(tǒng)，BIST子系統(tǒng)，DSP子系統(tǒng)和主控子系統(tǒng)。

圖- 2 AWR1642的高層次架構(gòu)

射頻/模擬前端子系統(tǒng)，包括射頻和模擬電路：合成器，功率放大器（PAS），低噪聲放大器（LNA），混頻器，中頻（IF）鏈路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器（ADC）。該子系統(tǒng)還包括晶振，溫度傳感器、電壓監(jiān)視器和通用ADC。AWR1642器件使用一種復(fù)雜的基帶架構(gòu)，可以提供同相（I通道）和正交（Q通道）輸出。

內(nèi)建自測試子系統(tǒng)，又稱為BIST子系統(tǒng)，包括數(shù)字前端，斜坡發(fā)生器和一個用于控制和配置低級射頻模擬電路以及斜坡發(fā)生器的寄存器的內(nèi)部處理器。（注意：該處理器是TI編程的，可以滿足RF校準(zhǔn)需求和BIST /監(jiān)視功能，但它不能直接提供給用戶使用。）數(shù)字前端負(fù)責(zé)濾波和抽取原始ADC輸出，并以可編程的采樣率提供最終的ADC數(shù)據(jù)采樣。

DSP子系統(tǒng)包括一個時鐘頻率為600 MHz的TI C674x DSP ，用于雷達(dá)信號處理，通常是處理原始的ADC數(shù)據(jù)。該DSP是用戶可編程的，并且在使用時具有完全的靈活性。

主控子系統(tǒng)包括主頻為200MHz的ARM的車規(guī)級Cortex-R4F處理器，這是用戶可編程的。該處理器控制器件的整體操作，處理通信接口，并且實現(xiàn)更高層的算法，例如目標(biāo)分類和追蹤。該處理器還可以運(yùn)行AUTOSAR系統(tǒng)。

AWR1642可用于短距離雷達(dá)（SRR）應(yīng)用。該器件包括一個QSPI接口，可以直接從串行閃存下載用戶代碼；并且還包含了CAN-FD和CAN接口，因此可以與車輛CAN總線或?qū)Ｓ肅AN總線上的其他傳感器直接通信；還可以使用SPI /I2C接口控制PMIC。

AWR1642 的可用總內(nèi)存為1.5 MB。它支持在R4F program RAM，R4F data RAM，DSP L1和L2內(nèi)存以及radar data 內(nèi)存（L3內(nèi)存）之間進(jìn)行分區(qū)。表1列出了一些示例內(nèi)存配置。

表- 1內(nèi)存配置示例

DSP子系統(tǒng)中的L2內(nèi)存為256 KB，通常用于DSP應(yīng)用的指令和即時數(shù)據(jù)。DSP子系統(tǒng)還包括32 KB的L1內(nèi)存和data RAM，它們可以全部或部分配置為高速緩存。

R4F具有448 KB的專用內(nèi)存，該內(nèi)存在R4F緊密耦合的內(nèi)存接口TCMA （256 KB）和TCMB（192 KB）之間分配。盡管完整的448 KB內(nèi)存沒有設(shè)置并且可用于指令或數(shù)據(jù)，但典型的應(yīng)用程序會將TCMA用作指令存儲器，并將TCMB用作數(shù)據(jù)存儲器。

剩余的768 KB是L3內(nèi)存，可用作雷達(dá)數(shù)據(jù)立體內(nèi)存。還能以128 KB的增量為R4F共享多達(dá)512 KB的L3內(nèi)存。

DSP優(yōu)勢

AWR1642的關(guān)鍵優(yōu)勢之一是其內(nèi)置的C674x DSP。調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)技術(shù)在過去幾年中取得了長足的發(fā)展。雷達(dá)在當(dāng)前的車輛中扮演著更重要的角色，不僅是駕駛員的舒適度方面，還有安全方面。這些應(yīng)用還使雷達(dá)在空間分辨率，速度分辨率以及目標(biāo)檢測和分類方面的性能要求更加嚴(yán)格。

AWR1642中完全可編程的DSP可以使客戶能夠?qū)嵤Ｓ兴惴ú?gòu)建創(chuàng)新的解決方案，以解決雷達(dá)性能方面的難題。 圍繞算法的研究不斷進(jìn)步，可以提高幾個關(guān)鍵領(lǐng)域的性能，例如：

緩解干擾：隨著越來越多的車輛采用雷達(dá)技術(shù)，雷達(dá)之間的干擾問題變得越來越嚴(yán)重。在這種情況下，用于檢測和緩解干擾的創(chuàng)新算法是研究和信號處理算法開發(fā)的活躍領(lǐng)域。

改進(jìn)檢測算法：雷達(dá)的新興應(yīng)用，包括全自動駕駛的終極視野，因此需要與目標(biāo)檢測，地面雜波去除和最小化錯誤檢測相關(guān)的改進(jìn)算法，以確保穩(wěn)定性。

高分辨率角度估計：與雷達(dá)相關(guān)的主要挑戰(zhàn)之一是受限的角度分辨率。超越傳統(tǒng)波束成形的幾種先進(jìn)的角度估計算法可以改善角度分辨率，其中包括通過旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)（ESPIRIT）進(jìn)行信號分類（MUSIC）和信號參數(shù)估計。

聚類和目標(biāo)分類算法：這是研究和算法開發(fā)的另一個活躍領(lǐng)域，尤其是需要使用高分辨率的雷達(dá)點(diǎn)云和使用微多普勒技術(shù)識別行人的目標(biāo)分類算法。

為了滿足這些需求，內(nèi)置的DSP實現(xiàn)了高性能和完全可編程的信號處理能力。 表2提供了一些典型雷達(dá)信號處理例程中DSP性能的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

表- 2常見雷達(dá)信號處理例程的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)

加密安全

AWR1642 提供了安全的啟動機(jī)制。安全啟動是一種安全性使能程序，它提供了機(jī)制來幫助將代碼算法保持在加密形式并幫助防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。而且，它有助于避免將流氓代碼植入到設(shè)備上，從而防止設(shè)備運(yùn)行更改后的代碼/功能。

為了加快計算量大的編碼和解碼過程，AWR1642配備了基于硬件的加速器安全功能，應(yīng)用程序也可以使用這些功能來實現(xiàn)額外的安全性。

高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）。

安全哈希加速器（SHA2）。

真隨機(jī)數(shù)生成器（TRNG）。

公鑰加速器（PKA）。

此外，AWR1642提供了一種安全的調(diào)試機(jī)制，使調(diào)試過程輕松自如，同時幫助保護(hù)器件免受各種威脅。

安全

AWR1642是TI SafeTI ?設(shè)計套件的一部分，可幫助開發(fā)人員在其應(yīng)用中實現(xiàn)ISO26262 ASILB等級的功能安全。

AWR1642遵循一個稱為“安全島”的概念，該概念涉及硬件診斷的應(yīng)用程序和軟件診斷之間的平衡，以幫助管理功能安全。上電時它會全面測試一組核心元素，并對其進(jìn)行密切監(jiān)控，以幫助提供正確的軟件執(zhí)行。 此核心元素集包括電源、時鐘、復(fù)位、R4F處理器、以及關(guān)聯(lián)的程序和數(shù)據(jù)存儲器，以幫助執(zhí)行軟件，從而在其他元素（例如外圍設(shè)備）上能實現(xiàn)基于軟件的診斷。

該器件還包括先進(jìn)的內(nèi)置電路，用于監(jiān)控RF和模擬前端電路，運(yùn)行TI固件的專用處理器（延遲鎖定步驟）內(nèi)核有助于簡化應(yīng)用程序開發(fā)，并且完全可以使DSP和MCU每秒從任何種類的雷達(dá)前端監(jiān)控中獲取百萬條指令（MIPS）。

AWR1642傳感器支持以下前端診斷功能：

合成器線性調(diào)頻監(jiān)視器。

TX輸出功率監(jiān)視器。

基于射頻環(huán)回的噪聲系數(shù)，增益不平衡和相位不平衡監(jiān)視器。

RX飽和度監(jiān)視器。

基于IF回送的IF放大器（IFA）抖動衰減監(jiān)視器。

Ball-break監(jiān)控器。

溫度傳感器。

其他關(guān)鍵診斷功能包括用于中央處理器（CPU）內(nèi)核的邏輯BIST，用于所有存儲器的存儲器BIST，用于每個處理器的窗口式看門狗，端到端糾錯碼，存儲器保護(hù)單元，時鐘和電源監(jiān)視器，復(fù)位時的故障波動 ，以及錯誤信號發(fā)送模塊。

這些功能有助于使開發(fā)人員更輕松，更快速地實現(xiàn)ASIL-B功能安全性。對安全至關(guān)重要的開發(fā)需要管理系統(tǒng)性故障和隨機(jī)性故障。 TI為安全關(guān)鍵型半導(dǎo)體創(chuàng)建了獨(dú)特的開發(fā)流程，定制了ISO 26262：2011的功能安全生命周期，以最有效地滿足非安全環(huán)境（SEooC）的需求。 此開發(fā)過程已通過獨(dú)立第三方審核員TüVSüD的認(rèn)證。

AWR1642用例

AWR1642是用于短程汽車市場雷達(dá)應(yīng)用的radar-on-chip。以一個多模式的使用示例為例，短距離雷達(dá)（SRR）的范圍為80 m，超短距離雷達(dá)（USRR）的范圍為20 m；配置可參考表3 。

*使用速度歧義度解析技術(shù)可以提高實際最大速度。

表- 3 多模SRR示例的線性調(diào)頻配置示例

表3中的示例使用512 KB雷達(dá)數(shù)據(jù)立方體內(nèi)存，并通過八個虛擬天線（兩個TX，四個RX）實現(xiàn)了80 m的范圍。其他變化也有可能實現(xiàn)不同的系統(tǒng)性能指標(biāo)。

下圖3描繪了在25 m和40 m處兩點(diǎn)物體的模擬情況下，具有80 m線性調(diào)頻配置的雷達(dá)圖像。 圖3的左側(cè)描述了目標(biāo)的范圍和相對速度，而右側(cè)則顯示了目標(biāo)的范圍和相對速度。

與24GHz相比，在BSD等應(yīng)用中使用76–81GHz可以實現(xiàn)高范圍分辨率（可能達(dá)到4 cm的分辨率）和更高的速度分辨率（這對于停車輔助應(yīng)用很重要） ，而且還可以減小天線的外形尺寸，這是一個明顯的優(yōu)勢。

R4F處理器具有704 KB的可用內(nèi)存，可用于高層算法，例如群集和跟蹤，以及控制和主機(jī)接口功能（包括AUTOSAR，這是獨(dú)立傳感器實現(xiàn)通常需要的）。開發(fā)人員還可以考慮在DSP中實現(xiàn)諸如群集和跟蹤之類的更高層算法。

圖4為將AWR1642安裝在車輛四個角落的角雷達(dá)系統(tǒng)拓?fù)洌⑶覍⒃紮z測到的物體饋送到雷達(dá)融合盒子的情況。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，四個角雷達(dá)執(zhí)行1-D，2-D FFT，檢測和角度估計處理，并通過CAN-FD接口將原始檢測到的物體發(fā)送到中央雷達(dá)融合盒子。 第二個CAN接口的可用性還使傳感器能夠通過專用CAN總線同時與其他傳感器通信。

綜上所述， AWR1642 mmWave不僅便于研發(fā)人員設(shè)計，其優(yōu)勢也顯而易見：

提供了76-81GHz的更寬的RF帶寬，更高線性的chirps，更快的上升速度（高達(dá)100 MHz / μs）和片上BIST功能，便于安全監(jiān)控。

通過集成DSP，AWR1642傳感器使創(chuàng)新算法能夠應(yīng)對干擾和對物體進(jìn)行強(qiáng)大檢測的新挑戰(zhàn)。

以上優(yōu)勢，使得AWR1642可以廣泛應(yīng)用于BSD盲區(qū)檢測，為客戶在兼顧高性價比的同時，也能提供高性能的解決方案。

審核編輯：金巧