過往雷達(dá)(RADAR)系統(tǒng)大多應(yīng)用在航空設(shè)備,但業(yè)界也發(fā)現(xiàn)雷達(dá)在汽車應(yīng)用中極具發(fā)展?jié)摿Γ蚨娂娡度朐O(shè)計(jì)。特別是以毫米波段中77GHz頻率實(shí)現(xiàn)的方案最受青睞,因該頻段可最大限度吸收水分子,已獲業(yè)界證明適合用于開發(fā)汽車?yán)走_(dá)元件和短距離雷達(dá)(相對航空航天而言)。
盡管大多數(shù)短距離雷達(dá)仍在24GHz頻段上運(yùn)行,但長期來看,該頻段無法保證全球通用性,77GHz雷達(dá)將有一定的發(fā)揮空間。目前,77GHz雷達(dá)感應(yīng)技術(shù)在先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)中已占有一席之地。為持續(xù)提升ADAS系統(tǒng)品質(zhì)并優(yōu)化設(shè)計(jì)成本,應(yīng)用設(shè)計(jì)師須了解發(fā)送和接收雷達(dá)波所需的77GHz射頻 (RF)技術(shù)、具備基頻信號處理功能的雷達(dá)感應(yīng)器,以及雷達(dá)系統(tǒng)功能安全等設(shè)計(jì)方式。
提升雷達(dá)RF元件性價(jià)比 硅鍺碳BiCMOS制程崛起
毫米波雷達(dá)系統(tǒng)相當(dāng)依賴III-V半導(dǎo)體元件,現(xiàn)大多汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)均使用砷化鎵(GaAs)技術(shù)實(shí)現(xiàn)RF前端電路;然而,用于制造手機(jī)元件的硅鍺碳 (SiGe:C)技術(shù),亦能以極低成本打造媲美砷化鎵的RF功能,讓消費(fèi)者以合理價(jià)格安裝汽車ADAS。此外,透過快速、高性能的互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS)制程,元件性能更可大幅超越以90納米(nm)制程產(chǎn)出的芯片方案。
表1解析各種雷達(dá)元件制程技術(shù)的性能優(yōu)勢。雖然GaAs具有良好的基板隔離效益,每個(gè)芯片可實(shí)現(xiàn)較高的電路密度,然而,可達(dá)成的邏輯密度(用于控制電路)卻非常低;再者,與主流芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高效率相比,GaAs晶圓材料仍較為昂貴。
事實(shí)上,與一般硅晶片相比,III-V材料更加難以處理,III-V晶圓或基板的大小通常不足硅晶圓的一半,至于進(jìn)入處理設(shè)施的砷化鎵晶片成本也會高出十到二十倍,但在經(jīng)過制造、封裝和測試后成本差異將縮小。
與此同時(shí),屬于高級技術(shù)節(jié)點(diǎn)的CMOS制程可提供非常好的邏輯密度和成本,但其針對高效能運(yùn)算而設(shè)計(jì)的低擊穿電壓,卻難以符合汽車業(yè)者要求可靠且須支援中長距離運(yùn)行所需的功率等級。
至于硅鍺碳技術(shù)選項(xiàng)對雷達(dá)元件而言并沒有嚴(yán)重缺點(diǎn),使用經(jīng)毫米波製程模組增強(qiáng)的傳統(tǒng)BiCMOS製程后,即能有效克服上述所有問題。該制程模組通過硅鍺碳材料提供雙載子電晶體(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)結(jié)構(gòu),達(dá)到更高的電子移動性,以轉(zhuǎn)化為更快的運(yùn)行速度。
BiCMOS制程提供足夠的高效率,可為鎖相回路(PLL)和串列周邊界面(SPI)等數(shù)字控制界面添加經(jīng)濟(jì)高效的控制結(jié)構(gòu)。擊穿和功率增益資料以高于13dBm的功率等級支援發(fā)射電路,同時(shí)提供足夠的隔離,以便在一個(gè)芯片上整合多個(gè)接收器通道。
采用FMCW機(jī)制 雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)大幅簡化
在汽車?yán)走_(dá)信號調(diào)變方面,大多數(shù)方案采調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)機(jī)制,進(jìn)而簡化系統(tǒng)復(fù)雜度并提高效能。使用連續(xù)載波信號,其頻率將根據(jù)預(yù)定義調(diào)度表變化,例如時(shí)間斜坡等,該頻率變化發(fā)生的范圍定義雷達(dá)系統(tǒng)的頻寬。對于普通77GHz雷達(dá)來說,有一個(gè)圍繞著76.5GHz分配的1GHz時(shí)隙,以及一個(gè)圍繞著 79GHz的4GHz時(shí)隙。通常,77GHz頻率范圍對應(yīng)長距離雷達(dá)感應(yīng)器;79GHz頻率范圍則與短距離雷達(dá)系統(tǒng)有關(guān)。
雷達(dá)發(fā)射器通常搭載一個(gè)可通過PLL連續(xù)調(diào)諧的本地振蕩器(LO),由此產(chǎn)生出頻率掃描速率。圖1顯示高度整合的雷達(dá)感應(yīng)器架構(gòu)圖,在發(fā)射器芯片上,壓控振蕩器(VCO)生成傳輸77GHz頻率的信號,并由功率放大器(PA)放大后再送至傳輸天線。VCO的調(diào)諧電壓則由發(fā)射器芯片中的集成PLL電路生成,因此,高頻率掃描速率對實(shí)現(xiàn)高目標(biāo)速度精度非常重要。
圖1 雷達(dá)感應(yīng)器設(shè)計(jì)架構(gòu)圖
為降低系統(tǒng)成本,RF前端芯片組以半發(fā)射頻率(38GHz)支援LO分布。表2所示為一些重要的接收器(Rx)參數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)寄生信號耦合時(shí),大于40dB 的高IF-IF隔離對于使用多通道雷達(dá)架構(gòu)極為重要。另外,表3所示為關(guān)鍵發(fā)射器TxPLL參數(shù),結(jié)合高動態(tài)控制范圍的輸出功率后,最多可用于四個(gè)輸出通道(但一次只有一個(gè)通道啟動)。最高7.8MHz/100ns的升降速度,可實(shí)現(xiàn)高解析度雷達(dá)系統(tǒng)所需極低的線性調(diào)頻脈衝倍數(shù)。
已接收信號的解調(diào)通過混合已接收信號和本地振蕩器的頻率在零差式接收器中執(zhí)行。由此產(chǎn)生的IF頻率將包含與不同距離的反射物體對應(yīng)的頻率分量。接近基頻的所有RF下行轉(zhuǎn)換都在一個(gè)接收器芯片中執(zhí)行,該芯片從發(fā)射器中接收本地振蕩器頻率。
為以更低頻率探索TxPLL功能,須采用一個(gè)包含核心TxPLL射頻板卡和輔助板卡(提供電源電壓和SPI介面)的評估包,以9.5GHz交付輸出(Tx 輸出訊號除以8)。另外還要提供MCU和Windows XP軟件,應(yīng)用圖形化使用者界面(GUI)控制TxPLL芯片。
感應(yīng)器系統(tǒng)的其余部分在MCU中對中頻(IF)頻率分量進(jìn)行分析。在大多數(shù)情況下只有IF信號的有功分量須做評估,故使用多個(gè)接收天線使感應(yīng)器能確定目標(biāo)方向;不過,其中的傅立葉轉(zhuǎn)換(Fourier Transformation, FT)就須考慮復(fù)雜的相位信號內(nèi)容。
優(yōu)化調(diào)制與演算法 雷達(dá)信號處理暢所無阻
FMCW雷達(dá)的目標(biāo)檢測通過分析每個(gè)目標(biāo)中以IF信號呈現(xiàn)的跳動頻率實(shí)現(xiàn)。圖2所示為發(fā)射信號顯示頻率fmax(例如77GHz)和fmin(例如 76GHz)之間的掃頻信號配置,以及周期Tm的基本塬理。一個(gè)目標(biāo)中的反射信號如2號線顯示,指出因距離而出現(xiàn)的時(shí)間延遲△t,以及因目標(biāo)的多普勒速度而出現(xiàn)的頻移△f。
圖2 FMCW調(diào)制機(jī)制示意圖
IF信號包含距離和目標(biāo)速度資訊,但兩個(gè)參數(shù)都包含在一個(gè)跳動頻率fIF中,多普勒頻移△f=fTXmax–fRxmax因目標(biāo)徑向速度而導(dǎo)致頻率分量 fD=-2Vradial/C0×ftransmit。徑向距離d從IF頻率更改fR=Sf×d/c0中產(chǎn)生,其中調(diào)制速率由Sf=2×fsweep /Tm提供;IF信號由分量fIF=fD-fR組成,導(dǎo)致信號處理任務(wù)模煳。
有多種方式可解決此一模煳問題,最常見的是使用多個(gè)調(diào)制調(diào)度表,即頻率上升后緊跟下降(圖2)。該方法允許中度IF頻寬,并已廣泛用于現(xiàn)有汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng),對1公尺的范圍解析度和1km/h的速度解析度,50MHz/ms的中等掃描速率便已足夠。200公尺檢測范圍和-180-360km/h的相對速度將 IF頻寬限制在100kHz以內(nèi)。因此,基頻信號處理可將模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)嵌入汽車MCU,實(shí)現(xiàn)高整合度。
最近,Range-Doppler演算法已在汽車應(yīng)用領(lǐng)域引發(fā)熱烈討論,透過在單一發(fā)射周期Tm中應(yīng)用多個(gè)線性調(diào)頻脈衝,該技術(shù)為IF模煳問題提供直接解析度,因此在跳動頻率中引出更高的范圍分量,并將多普勒分量限制在IF信號的相位中。檢測目標(biāo)的角度方向需要多個(gè)天線,到達(dá)方向只須透過對已接收目標(biāo)波形的相位差進(jìn)行幾何分析便可確定。該方法稱為數(shù)位波束形成(DBF),因?yàn)槊總€(gè)方向的波束都可以使用陣列天線的孔徑長度計(jì)算。在汽車應(yīng)用中,孔徑長度通常由天線覆蓋范圍范本限制,由汽車制造商自行定義。
特殊解析度最少有兩個(gè)接收通道,但是,將需要兩個(gè)以上的接收天線實(shí)現(xiàn)合理的天線圖。圖3所示為采用兩個(gè)接收天線(右)和十六個(gè)接收天線(左)配置的等效天線圖,使用多個(gè)天線的主要優(yōu)勢是旁瓣抑制。
圖3 使用兩個(gè)接收通道(右)和十六個(gè)接收通道(左)的天線波束配置
圖4所示為使用Range-Doppler演算法的典型六通道雷達(dá)感應(yīng)器模組,系統(tǒng)元件用量少,可將所有RF發(fā)射功能結(jié)合在單一BiCMOS芯片中,包括 VCO、斜坡發(fā)生器和SPI介面,以便控制MCU,進(jìn)而在合理成本下實(shí)現(xiàn)高性能系統(tǒng)。由于一個(gè)50MHz石英基板足以生成一個(gè)穩(wěn)定的77GHz發(fā)射時(shí)鐘基板,因此,LO輸出信號可直接饋送至接收器芯片,進(jìn)行相關(guān)解調(diào),但只有一半的LO頻率在印刷電路板(PCB)上發(fā)送,以免電磁相容(EMC)問題加劇。
圖4 使用Range Doppler演算法處理的六通道雷達(dá)系統(tǒng)范例
接收器芯片在一個(gè)BiCMOS芯片上包含所有六個(gè)接收通道,并且將六個(gè)模擬IF通道發(fā)送至一個(gè)六通道50MHz模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。數(shù)字化的真實(shí)IF通道在汽車級高性能MCU中進(jìn)一步處理,F(xiàn)lexRay或控制器區(qū)域網(wǎng)路(CAN)用于將物件清單發(fā)送至資料融合處理器,四個(gè)主要芯片元件中都可實(shí)施完整的感應(yīng)器解決方案。
滿足車規(guī)安全要求 MCU增強(qiáng)資料冗余處理
雷達(dá)感應(yīng)器須透過MCU對塬始多通道雷達(dá)頻段信號進(jìn)行預(yù)處理和資料整合,才能向車載系統(tǒng)提供可靠的連線能力與功能安全性。隨著77GHz雷達(dá)感應(yīng)器設(shè)計(jì)臻于成熟,并大舉應(yīng)用在自適應(yīng)巡航控制(ACC)系統(tǒng)上。要開發(fā)該類系統(tǒng),缺乏漏檢故障是一個(gè)主要問題,因此,ISO 26262遂定義汽車安全標(biāo)準(zhǔn),電子系統(tǒng)須符合安全完整性等級(ASIL)和復(fù)制數(shù)量的要求。由于雷達(dá)感應(yīng)器是唯一的正向感應(yīng)器,故須進(jìn)行大量除錯(cuò)工作,以便讓系統(tǒng)本身達(dá)到所需的ASIL等級。
為簡化此類高度容錯(cuò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),MCU須提供大量內(nèi)置的復(fù)制和監(jiān)控元素,如圖5所示,新型MCU須專門為具有ASIL-D功能的系統(tǒng)做設(shè)計(jì)。為以最經(jīng)濟(jì)高效的方式降低資料冗余(Redundancy),在復(fù)制區(qū)域中只有少量邏輯被復(fù)制,包括e200內(nèi)核、eDMA通道、冗余中斷控制器(INTC)和軟件計(jì)時(shí)器(SWT)、冗余儲存體管理單元(MMU)、冗余交叉桿單元(XBAR)和儲存體保護(hù)單元(MPU),以及將界面上的冗余校驗(yàn)器(RC)單元連接至非冗余區(qū)域。儲存體不是復(fù)制區(qū)域的一部分,可藉由除錯(cuò)碼(ECC)針對故障提供保護(hù)。 其余元件則透過眾多的監(jiān)控電路針對常見故障提供保護(hù),例如冗余電壓監(jiān)控器、冗余溫度感應(yīng)器和冗余時(shí)鐘監(jiān)控器等。對于ADC等特定周邊元件來說,線上輔助硬體BIST系統(tǒng)說明在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)無故障運(yùn)行,所有檢測到的故障都由故障采集單元(FCC)采集,可指明獨(dú)立軟件運(yùn)行外部環(huán)境中的錯(cuò)誤,并使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)。
圖5 77GHz雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)建MCU的安全功能
高效又便宜 車用77GHz雷達(dá)應(yīng)用正夯
硅鍺碳BiCMOS多通道77GHz雷達(dá)感應(yīng)器非常經(jīng)濟(jì)高效,可使用最先進(jìn)的處理演算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束形成。藉由此一技術(shù)設(shè)計(jì)RF元件,將能打造一個(gè)具有快速調(diào)變、出色線性度和高整合度的高功率發(fā)射器。
除此之外,特定MCU亦可為77GHz雷達(dá)接收器架構(gòu)提供充足的信號處理資源,特別是低成本的數(shù)字波束成形將可由高性能信號處理庫實(shí)現(xiàn)。至于創(chuàng)新的雷達(dá)整合安全概念亦可使用鎖步多核架構(gòu)輕松落實(shí),讓77GHz雷達(dá)系統(tǒng)在汽車ADAS應(yīng)用中擁有更多的發(fā)揮空間,且能以更低成本進(jìn)一步搶攻中端價(jià)車種市場。
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