單芯片毫米波傳感器步入CMOS時(shí)代

　　通過(guò)充分利用互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術(shù)，并將嵌入式微控制器(MCU)和數字信號處理(DSP)以及智能雷達前端集成在內，TI日前推出了橫跨具有完整端到端開(kāi)發(fā)平臺的76-81GHz傳感器系列：AWR1x和IWR1x。全新毫米波傳感器產(chǎn)品組合中的5款器件都具有小于4厘米的距離分辨率，距離精度低至小于50微米，范圍達到300米。同時(shí)，功耗和電路板面積相應減少了50%。

　　告別鍺硅

　　其中，AWR12主要應用于自適應巡航、AEB等強調高精度、高速度的長(cháng)距離雷達應用;AWR14則增加了MCU(采用ARM Cortex-R4F核)，可以在一些以前非常規車(chē)身傳感器檢測應用上面發(fā)揮作用，例如開(kāi)門(mén)預警、車(chē)周探測、檢測駕駛員的呼吸和心跳、以及乘員監測等;AWR16是一個(gè)單芯片解決方案，集成了RF、MCU和DSP處理功能，其典型應用就是檢測車(chē)周邊的環(huán)境，包括盲點(diǎn)檢測、防后方碰撞/警告、車(chē)道變更輔助、交通路口警報等，并由此在車(chē)輛周?chē)⑵?D感知環(huán)境。

　　目前大多數商用雷達系統，特別是高級駕駛員輔助系統(ADAS)中的雷達系統，均基于鍺硅(SiGe)技術(shù)。盡管性能符合要求，但TI汽車(chē)雷達產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監Sudipto Bose認為其主要缺點(diǎn)在于體積過(guò)大、過(guò)于笨重，占用了大量電路板空間?！耙⑵鹜暾能?chē)輛3D感知系統，至少要在汽車(chē)的前、后以及車(chē)角處放置10個(gè)雷達傳感器，空間上的限制就要求每個(gè)傳感器必須體積更小、功耗更低，并且性?xún)r(jià)比更高，基于SiGe技術(shù)的雷達系統會(huì )越來(lái)越難以符合要求?！?/p>

　　TI汽車(chē)雷達產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監Sudipto Bose

　　以79GHz頻段為例，該頻段可提供4GHz帶寬，這對更高范圍的分辨率至關(guān)重要。未來(lái)的雷達系統還將需要對短距離的支持，將更佳的角分辨率轉化為雷達系統內的更多天線(xiàn)。而CMOS技術(shù)的傳統優(yōu)勢包括更高的晶體管密度和更低功率。CMOS內的數字縮放降低了功率，縮小了尺寸，并且提高了每個(gè)節點(diǎn)的性能。同時(shí)，CMOS技術(shù)進(jìn)一步提高了在模擬組件中嵌入數字功能的能力，從而實(shí)現了在雷達系統部署方面的全新系統配置和拓撲。

　　為什么選擇76-81GHz頻段?

　　通常，開(kāi)發(fā)人員在車(chē)輛中創(chuàng )建美國汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )(SAE)國際2級及以上功能時(shí)會(huì )遇到阻礙，主要來(lái)自傳感器尺寸和為特定組件供電。通過(guò)配置TI AWR1x 毫米波產(chǎn)品組合，設計人員不但可以實(shí)現汽車(chē)安全完整性等級(ASIL-B)的ISO 26262，還提供了自動(dòng)泊車(chē)輔助、行人探測，以及承載率和駕駛員監控等全新特性。

　　智能化與環(huán)境靈活性方面，AWR1x系列可以動(dòng)態(tài)地適應不斷變化的情況與條件，支持多種功能模式，以避免誤報，并為多種應用提供大范圍的感測?！皠?dòng)態(tài)頻率調節是一個(gè)非常重要的功能?！盨udipto Bose說(shuō)，隨著(zhù)車(chē)載雷達的運用越來(lái)越多，車(chē)輛需要能夠自主感知到對方車(chē)輛雷達的頻率，并經(jīng)由車(chē)內電控單元和總線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調整。同時(shí)，雷達傳感器還必須要能夠透過(guò)塑料、干燥墻壁、衣服、玻璃和很多其它材料，以及穿過(guò)光照、降雨、揚塵、下霧或霜凍等環(huán)境條件進(jìn)行感測。

　　之所以選擇76-81GHz頻段，而不是其他廠(chǎng)商看好的24GHz頻段，Sudipto Bose解釋說(shuō)，從24GHz向77GHz遷移已經(jīng)是“大勢所趨”，因為雷達探測的準確率取決于雷達發(fā)射脈沖的有效頻段，24GHz中只有0.5兆帶寬用來(lái)取樣，但77GHz中就會(huì )多達5-6G，從而帶來(lái)精度的大幅提升。此外，77GHz的天線(xiàn)較短，1/4波段的天線(xiàn)設計將比24GHz縮小1/3，整個(gè)產(chǎn)品做出來(lái)會(huì )比24GHz小很多。

　　將毫米波感測引入到工業(yè)應用中

　　毫米波傳感器技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域非常成功，不過(guò)設計人員目前正在解決這項技術(shù)擴展至其它市場(chǎng)時(shí)所面臨的挑戰，比如說(shuō)樓宇和工廠(chǎng)自動(dòng)化應用領(lǐng)域。上述領(lǐng)域所遇到的問(wèn)題是，此前的雷達系統都是分立式設計，導致了復雜的硬件設計和軟件開(kāi)發(fā)，提高了準入門(mén)檻。

　　“但單芯片10mmx10mm IWR1x傳感器的推出，降低了毫米波感測的準入門(mén)檻?！盩I工業(yè)雷達產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監Robert Ferguson說(shuō)，借助IWR1x傳感器，用戶(hù)就不用再去處理分立式前端、模數轉換器和處理器件之間的復雜高速數據和通信走線(xiàn)，也不用處理額外尺寸、功率和支持它們的相關(guān)物料清單成本。而且這個(gè)集成度還簡(jiǎn)化了軟件設計過(guò)程，極大簡(jiǎn)化了器件配置、監控和校準。通過(guò)利用包括示例算法和軟件庫在內的TI毫米波軟件開(kāi)發(fā)套件(SDK)，工程師可以在不到30分鐘內開(kāi)始他們的應用設計工作。

　　Robert Ferguson列舉了三個(gè)最為典型的工業(yè)應用場(chǎng)景：液位感測、交通監控和無(wú)人機。

　　液位感測是工廠(chǎng)內倉儲和測量不同化學(xué)品的一個(gè)重要部分。由于這些化學(xué)品具有腐蝕性或毒性，必須在非直接接觸的情況下測量剩余的液體體積。mmWave感測提供高精度測量值，并且在灰塵、煙霧或極端溫度等環(huán)境條件下具有穩健耐用性。IWR1x 射頻前端是高度線(xiàn)性的，其超寬(連續4GHz，5GHz拼接)帶寬可以在深度1m至80m的液罐內實(shí)現極精確的亞毫米測量。針對77GHz級發(fā)射器參考設計的功率優(yōu)化設計給出了如何優(yōu)化在4-20mA功率受限系統內運行的IWR1443。

　　交通監控的目的在于通過(guò)掌握與車(chē)輛和行人有關(guān)的特定信息和遙感數據，對路口的情況做出及時(shí)應對，并且搜集交通統計數據，以提高運輸效率。毫米波傳感器可以實(shí)現對車(chē)輛位置和速率的測量，并且能夠探測速率高達300kph、距離在150m和更遠范圍以外的物體。

　　為了實(shí)現安全性、提高平臺的生產(chǎn)力，無(wú)人機設計人員面臨諸多挑戰，包括使無(wú)人機能夠探測障礙，并且在最危險的飛行情況下為操作人員提供輔助。無(wú)人機要求高速物體探測功能，并且能夠在100m距離內跟蹤大小為數厘米的物體，比如當無(wú)人機接近地面或在物體周?chē)\行時(shí)。由于無(wú)人機是由電池供電運行的，為了延長(cháng)飛行時(shí)間和提高有效負載，解決方案應尺寸小巧、重量輕。