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汽车电子高分辨率雷达合适雷达MCU的匹配方案

电子设计 来源:EDN 作者:EDN 2021-02-06 11:52 次阅读

恩智浦的 MCU 产品在性能和功耗之间达到了良好平衡,可用于硬件加速的高分辨率雷达系统,打造更安全、更智能的汽车。

俗话说“汽车卖的就是安全性”,现在这句话比任何时候都更加正确。在全球新车评价规范(NCAP)的引领下,行业对汽车安全的监管不断加强,旨在尽可能降低驾驶员和乘客的安全风险,提高消费者对先进高科技安全功能的意识。在从当前一代的 L2 级别汽车演进到全自动化的 L5 级别汽车的过程中,安全问题成为消费者和汽车 OEM 最关注的头等大事, 汽车安全系统的误差容限变得越来越小。

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图 1,汽车工程师学会(SAE)自动化级别

(资料来源:美国国家高速交通安全管理局(NHTSA))

汽车 OEM 和一级供应商正在努力满足这些不断提高的要求,同时推动安全功能成本的下降,以达到消费者乐于接受的价位,增强各自的竞争优势,同时加快整体的市场接受度。在汽车传感器级别上,必须充分考虑摄像头、雷达、激光雷达技术的相对优势和劣势,谨慎的在它们之间达到性价比平衡。

这三种技术都展示了它们对汽车安全应用的独特价值,但其中没有任何一种技术能够独自全面地实现自动驾驶或高级驾驶辅助系统(ADAS)功能。但是如果涉及到成本,那么激光雷达传感器的成本仍然是非常高昂的,只有在 L4 和 L5 级别的汽车上,这种技术对于履行必要法律责任和达到最低保险条件才变得不可或缺。除了降低车载激光和光学系统的成本之 外,机械旋转式的 LiDAR 系统还需要不断演进,消除因移动组件导致的可靠性难题。

在可以预见到的未来,雷达和摄像头传感器将是汽车安全应用的理想组合,其具有经济性、可靠性和组合功能,帮助打造更安全、更智能的下一代汽车。虽然摄像头传感器对于目标识别和分类至关重要,但其缺陷是低光照和恶劣天气会限制它们的效率,而雷达传感器不会受到这些因素的影响,可以提供高精度的汽车周围物体的相对距离和速度信息,这是摄像头传感器所无法做到的。

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图 2,当今自动驾驶系统的传感器功能

摄像头和雷达传感器在处理器层面有一点类似之处:它们都会产生很大的计算工作负载。随着像素大小缩减,像素密度增加,摄像头的图像分辨率可以不断提高。但是,要提高雷达传感器的分辨率,对底层处理平台的需求将呈现指数级增长。

在本文中,我们将评估一些推动汽车产业持续创新的技术趋势、挑战和机遇,以及高级汽车安全功能对高分辨率雷达日益增加的依赖性。

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图 3,雷达场景

高分辨率雷达的高速处理

随着 24 GHz 频段变得越来越拥挤,监管机构在逐步淘汰用于该频段的汽车雷达,同时开放了毫米波(mmW) 77GH 频段 (76-81GHz)以供汽车雷达使用,充分发挥调频连续波(FMCW)雷达的作用。这对于可用频率的扩展实现了多达 5GHz 的扫频带宽,而以前的 24GHz 窄带雷达的带宽仅限 200MHz,两者在可用频率带宽上存在很大差异。

这一变化使得距离分辨率提高了 25 倍,距离分辨率决定了物体之间相隔多远才能被辨别为不同的目标,在有紧密聚集的邻近目标的环境下,可以实现更好的检测和跟踪功能。要基于已知运动模式和两个“目标”类别的属性来实现更高阶的自动决策,能够辨别多个目标(例如汽车和行人)的能力显得至关重要。

汽车雷达是经过整体优化来计算距离、速度 / 多普勒效应、水平波达角和俯仰角等参数。如果底层处理平台性能和 / 或存储器受到限制,为了让雷达以更高的分辨率来测量其中某个参数,那就需要在其他参数方面做出牺牲。

雷达功能

测量

与被测目标的距离

相对径向速度

水平波达角

雷达截面积(被测目标尺寸)

图 4,雷达功能

汽车供应商坚定不移地致力于提高雷达分辨率。但是,在多个参数之间进行权衡仍然是一个严峻挑战,特别是在角度分辨率方面,它是辨别相邻车道汽车的一项关键指标,也是自适应巡航控制(ACC)和自动紧急制动(AEB)应用中不可或缺的功能。要能够在大型目标周围检测和分辨出邻近的行人,这会对传感器的水平分辨率有很高的要求。

此外,高分辨雷达能够精确地测量隧道、桥梁和标志杆,以及给汽车留出相应的净空余地,同时这种能力也可以用于检测道路上的小型障碍物。这种新功能对俯仰角检测的分辨率提出了更严格的要求,需要具有真正 2D 角度测量功能(水平方向角和俯仰角)的传感器。

制造商可以利用多入多出(MIMO)技术实现这个目标。在这种技术中,N 个物理发射天线和 M 个物理接收天线形成 N x M 虚拟接收天线阵。这种方法的优势是不会给系统增加过多的额外成本,但在角度分辨率方面实现了显著改进,同时尽可能地减少发射雷达的啁啾序列的数量。由于啁啾序列减少,就可以加快扫描速度,消除一些影响传感器延迟的劣化效应,从而增强目标检测敏捷性,缩短 ADAS 响应时间。

另外还存在“距离走动”效应,在这种效应中,运行中的目标在啁啾序列中会跨越距离分辨单元,从而导致模糊的多普勒测量,降低检测和跟踪精确度。通过产生更快的啁啾频率,可以抑制这些效应,但提高啁啾频率需要更快的采样率,目的是保持最大 FFT 探测距离。更高的采样率会加大底层处理器的存储带宽的压力,并需要更快的多普勒 FFT 处理能力,从而对板载存储器容量产生了很大需求,另外还有其他一些不利因素。

虚拟天线阵列的 MIMO 波束成形对处理器性能提出了要求,从根本上需要高性能的处理平台,拥有充足的存储器、带宽和信号处理能力,这样才能实现上文所述的角度分辩率的提升。

雷达具有两个主要功能模块

射频传感器(射频“前端”)

天线

信号产生和发射

信号接收和信号调节

模数采样

计算(雷达 MCU)

将采样信号转换为频率信息

识别“目标”

计算 1)距离,2)相对径向速度,3)目标角度

高级功能,例如分类和跟踪

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图 5,雷达的功能模块

雷达传感器信号链引入的所有新自动决策功能都会增加计算工作负载。随着汽车制造商部署功能更强大的雷达传感器系统,以满足日趋严格的全球安全标准,对算力的需求只会一路增加。例如,全球 NCAP 标准预期将在 2020 年制定和实施 针对高级雷达驱动功能的严格安全等级要求。这些安全要求涉及到众多功能,从十字路口自动紧急制动,遮挡物分类, 到低光照条件下的行人检测等等。

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图 6,自动驾驶汽车感知需求

在处理层,对基于雷达的主动安全功能倚重日益增加,这就使得当今汽车雷达处理器的性能成为关注的焦点。对汽车雷达处理器性能的关注,揭示了不同竞争产品之间的关键架构差异。OEM 和一级供应商必须认识到这些差异,从而确保尽可能高效地利用所有可用的雷达处理能力,增强 ADAS 响应,最大程度上保护驾驶员和乘客的安全。

出众的性能和卓越的性能功耗比

对于每种汽车传感器应用而言,性能功耗比都是一个至关重要的考虑因素。无论是燃油动力,新能源,还是混动考虑到雷达相关的 RF 功率输出,受限的安装位置,散热出口,对于一个使用多个雷达发射器的车辆来说,热管理的限制是十分明显的。随着车载传感器网络的密度日益增加,系统设计师可用的气流冷却口减少,散热和热管理因素让实现高性能功耗比变得更为严峻。

因此,在传感器以内,仅通过简单地增加高功耗通用处理器内核数量,来满足日益增加的雷达性能要求,并非明智的做法。雷达传感器处理流要求开发者对每瓦特性能指标,高性能功耗比,给予高度关注,而正是在这个领域,恩智浦在业内树立了明显优势。

作为车载毫米波雷达领域的技术和市场领导者,恩智浦的高度集成式雷达处理器能为客户提供可扩展的硬件和软件兼容产品系列,如 S32R27 和 S32R37 雷达 MCU。这些器件集成了高效的专用硬件加速器,即恩智浦专有的雷达信号处理加速器(SPT),与传统 DSP(依据恩智浦基准测试和公开发布的竞争产品信息)相比,每瓦特性能得到了显著改进。另外,恩智浦雷达产品支持更远的探测距离,更高的距离和角度分辨率和精度,这将显著提升基于雷达的主动安全应用的性能,如防撞、变道辅助、自动紧急制动等。

恩智浦的 S32R27 和 S32R37 是基于 Power Architecture 的 32 位 MCU,其设计目的是通过提供独特的信号处理加速,结合性能强大的多核架构,实现先进的雷达信号处理功能,满足新型波束成形和快速调频调制雷达系统的高性能计算要求。

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图 7,恩智浦雷达器件的产品参数简介

恩智浦汽车雷达 MCU 目标应用

恩智浦 S32R27 和 S32R37——中 - 短距雷达,包括侧视和车身环绕感知、变道 / 车道保持辅助(LCA、LKA)、盲点检测(BSD)、后方交通穿行提示(RTCA)。

恩智浦 S32R27 的其他功能——长距雷达,包括前向防撞预警、自适应巡航控制(ACC)、自动紧急制动(AEB)、行人保护。

恩智浦的 SPT 支持高性能雷达信号处理,采用性能强大的专用引擎,集成了信号处理功能,提供各种必需的硬件模块, 可为工程师提供帮助,具有以下特性:

在编程的采集窗口中进行 ADC 采样

硬件加速,用于快速傅立叶变换(FFT)、直方图统计、2D 峰值搜索、矢量运算

用于信号处理操作的高级别命令

用于 DMA 数据传输的数据压缩 / 解压

CPU 中断通道和看门狗

SPT 是高度优化的雷达处理子系统的一部分,采用先进的高性能主机总线和外设总线。系统总线主接口用于 SRAM 和 ORAM 之间的快速数据传输,而外设接口的用途则是设置配置、获取状态信息、SPT 基本控制、触发中断,提供出色的汽车雷达处理性能。SPT 可编程直接存储器访问(PDMA)是支持数据流传入和传出 SPT 内核的关键要素。恩智浦非常重视汽车雷达应用领域,依托自身对系统的深入理解,为必要的方面进行优化,同时为客户提供足够的灵活性。

未来愿景

保障驾驶员、乘客和行人安全的措施事关重大,每一毫秒的汽车响应时间都极为关键。市场对更高分辨率雷达传感器的需求日益增加,需要利用它们来实现先进的汽车安全功能,由于性能要求,底层处理平台必须在计算敏捷性和能效之间达到良好平衡。

恩智浦推出了全面的汽车雷达 MCU 产品组合,结合业界领先的 SPT 硬件加速功能,构建了可扩展、简化、高度集成的独特解决方案,专为提高雷达分辨率和增强传感器数据融合而设计,帮助打造下一代更安全、更智能的汽车。恩智浦将继续锐意创新,开发专门的专利技术,跟上不断发展的 L3 以上级别要求,让一级供应商能够构建性能出众的雷达解决方案。

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