RF CMOS技术的毫米波雷达方案

MEMS 2018-06-04 09:05 次阅读

TI提供行业首款也是唯一一款规模量产的单芯片CMOS毫米波传感器传统汽车雷达系统的局限性已经众所周知。传统雷达缺乏分辨率,无法分辨附近的物体。此外,雷达系统还常常发出虚假警报,并且它们始终无法足够快地处理信息,以满足高速应用。不过,汽车专家也认识到雷达技术的优点,尤其是它们能够在各种天气条件下工作的优势。他们认为雷达可以和视觉传感器一起协作,作为高度自动化车辆中的关键传感技术。人们已经充分了解了雷达系统的优势和劣势,那么问题来了,雷达技术该往什么方向发展呢?Texas Instruments(TI,德州仪器)希望用基于其标准芯片来回答这个问题。据麦姆斯咨询此前报道,TI大约在一年前发布了其雷达芯片,据称能够提供“小于5 cm的分辨率,探测范围达数百米,速度最高可达300 km/h”。RF CMOS技术的毫米波雷达

TI雷达和分析处理器部门总经理Sameer Wasson表示,在公司的雷达芯片推出一年后,其团队在汽车和工业应用领域都看到了巨大的应用前景。TI为汽车市场应用推出的AWR1642毫米波传感器已经大规模量产,Wasson称预计在今年末到2019年中期,将在OEM厂商的车辆中看到他们的雷达芯片。更让Wasson兴奋的是,他们的雷达芯片在工业应用领域的表现。TI为工业应用设计的毫米波传感器IWR1642,正在寻求各种应用,使它们能够进入从智能建筑到工厂楼层和运输系统的所有领域。

集成数字信号处理器(DSP)扮演重要角色Yole分析师预言,TI将迅速改变雷达技术领域的竞争现状。Yole射频器件和技术部门技术和市场分析师Cédric Malaquin表示,其核心在于TI雷达解决方案的集成架构。TI的毫米波传感器件在一颗单芯片上集成了76~81 GHz毫米波雷达、MCU(微控制器)以及数字信号处理器(DSP)。显然,更高的集成度在不影响性能的同时,可以降低器件尺寸、功耗以及雷达芯片的成本。例如,NXP(恩智浦)便率先将MCU集成进入了其RF CMOS收发器中。但是,TI更进了一步,将DSP也集成到了同一颗芯片中。Malquin表示,DSP的集成非常关键,它通过改善功耗使器件尺寸降低了近60%。此外,DSP是目标探测和分类信号处理链的核心。

确实,Wasson举例称TI毫米波传感器通过内置的DSP,实现了物体跟踪和分类,以及人数统计。内置DSP使用户能够将机器学习推向应用的最前沿。Yole的Malquin补充表示,在一个组件中集成DSP、MCU和收发器,带来了更低的互连损耗,以及更快的处理速度。TI毫米波雷达中使用的DSP是一款600 MHz用户可编程的C674x DSP,以及一颗200 MHz用户可编程的ARM Cortex-R4F处理器。

AWR1642毫米波雷达芯片的高级架构框图

毫米波雷达探寻更广泛的汽车应用

盲点监测和自适应巡航等基础ADAS(先进驾驶辅助系统)功能已经很常见了,利用24 GHz侧方雷达和77 GHz前方雷达就可以轻松实现。Wasson表示对于TI毫米波雷达来说更有意义的是,其应用的快速扩展已经远远超越了常规的ADAS功能。例如,其毫米波传感器内置的数字处理功能可以过滤噪音,使TI的雷达芯片可以探测非常微小的运动,甚至是人或动物的呼吸,以判断车内是否有人或动物的存在。Wasson提到“儿童乘坐探测”,很可能将进入欧洲NCAP(新车评价规程)发展规划。他相信这将为TI雷达传感器在车身、传动和车厢内的应用打开大门。Tier 1和OEM制造商正在寻求合适的传感技术来实现这类探测,而雷达传感器在这方面优势更明显。例如,雷达可以“透视”毯子,确定毯子下面是否盖有儿童。

Wasson 解释称,由于其片上数字信号处理器可以探测心跳,TI的雷达芯片甚至可以分辨人和静态的物体(例如行李袋)。显然,视觉摄像头无法做到这一切。据TI称,除了探测汽车内部的生命体外,将MCU和DSP纳入雷达前端芯片还有助于“检测车门和后备箱附近的障碍物和可开启空间,以及入侵者警报和更智能的自动泊车”。Wasson强调,TI是唯一提供在一颗单芯片上集成前端、DSP和MCU的雷达解决方案的公司,也是唯一一家大规模量产毫米波雷达芯片的公司。Wasson说:“我们的竞争对手,其它硅器件供应商在宣传CMOS毫米波雷达芯片,但是我们还没有在市场上看到它们的产品。如果要在2020年的车辆中看到这些产品,那现在就需要先实现雷达芯片的大规模量产。”

成像雷达值得注意的是,TI正在将其雷达芯片扩展到成像应用。在传统的雷达应用中,雷达发射无线电波,接受反射波,然后利用这些信息来创建物体位置和运动的数据。而成像雷达则利用这些反射波来创建一幅图像。当无线电波从物体反射回来时,反射波会根据物体的状态而改变,包括无线电波传输的距离,末端物体的种类等。利用这些捕获的数据,计算机便能创建目标物体的3D或2D图像。

TI成像雷达探测车辆

TI在今年的CES消费电子展上展示过一款这类成像雷达。通过级联4个单芯片AWR1243雷达前端器件,能够提供高达1.6°的角度分辨率,并能探测250 m以外的车辆。Wasson 称,AWR1243中集成的DSP能够将无线电波捕获的数据转译为点云图。

TI成像雷达探测行人

TI级联雷达传感器创建的图像System Plus Consulting(Yole旗下子公司)RF和先进封装部门项目经理Stéphane Elisabeth表示,TI的产品组合中也包括没有MCU和DSP的简款雷达芯片。他说:“相比其竞争对手的产品,其中一个优势是简化的芯片堆栈。事实上,根据应用(成像、中距离雷达或远距离雷达),收发器可以通过瀑布效应堆叠(一种级联方式),提供更大更强的传感性能。”Elisabeth 补充说,TI的雷达芯片采用了标准的FCBGA(倒装芯片球栅阵列)封装,带来了输出功率更高的低成本传感器解决方案。而其竞争对手,则采用了先进的封装技术,例如eWLB(嵌入式晶圆级球栅阵列)封装。成像雷达已经逐渐成为一项热门技术。其优势包括能够在目标被障碍物遮挡的情况下运行,能够穿透地面(沙子)、水或墙壁。

Wasson称,一大波创业公司正积极响应Tier 1和OEM厂商发出的RFQ(采购报价请求),积极投身成像雷达的开发。这些创业公司中包括两家均来自以色列的Vayyar Imaging和Arbe Robotics。据麦姆斯咨询此前报道,Vayyar Imaging宣布开发出了一款雷达系统,能够透视墙壁,绘制从单个物体到整个工厂楼层的所有图像。Arbe Robotics则据称在其雷达系统中改进了即时定位和地图构建(SLAM)算法。其嵌入式处理器中运行的软件,能够每秒创建50次点云图,定位车辆25次,同时物体间具有一定的分辨率。但Wasson指出,这两家创业公司提供的成像雷达解决方案都在一个黑匣子中,跟Intel/Mobileye提供给客户的视觉处理解决方案很像。而TI则能根据客户需求,提供更加灵活的成像雷达产品解决方案。

雷达拓展工业应用

TI很有信心,其毫米波传感器将改变雷达传感器的工业应用。TI称,对于建筑自动化,开发商可以通过使用一款毫米波雷达传感器,应用“人数统计和跟踪”参考设计。Wasson表示,“通过监测采集范围内人员的大幅和小幅运动、速度和角度数据,开发商可以实现更智能的建筑系统,包括制热、通风和空调(HVAC)、照明、电梯等。”Wasson还提到了他近期与英国一支研究路口交通监控系统的工程团队的会面。“我们的雷达从包装盒中拿出来就可以用,那支研究团队利用我们的雷达迅速地搭建了一套交通监控系统,效果大大超出了他们的预期,”他说。TI的交通监控、物体探测和跟踪参考设计,利用搭载毫米波雷达传感器的智能运输系统来跟踪车辆和机械运动。同样,雷达还可以用于工厂或农场,简化各种不同的工艺或流程。Wasson相信雷达的潜在应用还有很多。TI希望能够确保其用户的体验(包括那些曾被认为的利基应用)逐渐成为毫米波雷达的主流用户案例。

供货与售价

以下两款毫米波雷达传感器已经规模量产,可通过TI商店和授权分销商采购。AWR1642,订货量1000颗的售价为45美元/颗;IWR1642,订货量1000颗的售价为19.99美元/颗。

原文标题:德州仪器CMOS毫米波雷达率先规模量产,集成DSP助力更智能世界

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