單芯片毫米波傳感器步入CMOS時(shí)代

　　通過充分利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)，并將嵌入式微控制器(MCU)和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)以及智能雷達(dá)前端集成在內(nèi)，TI日前推出了橫跨具有完整端到端開發(fā)平臺(tái)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(dá)到300米。同時(shí)，功耗和電路板面積相應(yīng)減少了50%。

　　告別鍺硅

　　其中，AWR12主要應(yīng)用于自適應(yīng)巡航、AEB等強(qiáng)調(diào)高精度、高速度的長(zhǎng)距離雷達(dá)應(yīng)用;AWR14則增加了MCU(采用ARM Cortex-R4F核)，可以在一些以前非常規(guī)車身傳感器檢測(cè)應(yīng)用上面發(fā)揮作用，例如開門預(yù)警、車周探測(cè)、檢測(cè)駕駛員的呼吸和心跳、以及乘員監(jiān)測(cè)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(yīng)用就是檢測(cè)車周邊的環(huán)境，包括盲點(diǎn)檢測(cè)、防后方碰撞/警告、車道變更輔助、交通路口警報(bào)等，并由此在車輛周圍建立起3D感知環(huán)境。

　　目前大多數(shù)商用雷達(dá)系統(tǒng)，特別是高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)中的雷達(dá)系統(tǒng)，均基于鍺硅(SiGe)技術(shù)。盡管性能符合要求，但TI汽車?yán)走_(dá)產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Sudipto Bose認(rèn)為其主要缺點(diǎn)在于體積過大、過于笨重，占用了大量電路板空間?！耙⑵鹜暾能囕v3D感知系統(tǒng)，至少要在汽車的前、后以及車角處放置10個(gè)雷達(dá)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，并且性價(jià)比更高，基于SiGe技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)會(huì)越來越難以符合要求?！?/p>

　　TI汽車?yán)走_(dá)產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Sudipto Bose

　　以79GHz頻段為例，該頻段可提供4GHz帶寬，這對(duì)更高范圍的分辨率至關(guān)重要。未來的雷達(dá)系統(tǒng)還將需要對(duì)短距離的支持，將更佳的角分辨率轉(zhuǎn)化為雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)的更多天線。而CMOS技術(shù)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)包括更高的晶體管密度和更低功率。CMOS內(nèi)的數(shù)字縮放降低了功率，縮小了尺寸，并且提高了每個(gè)節(jié)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(shù)字功能的能力，從而實(shí)現(xiàn)了在雷達(dá)系統(tǒng)部署方面的全新系統(tǒng)配置和拓?fù)洹?/p>

　　為什么選擇76-81GHz頻段?

　　通常，開發(fā)人員在車輛中創(chuàng)建美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE)國(guó)際2級(jí)及以上功能時(shí)會(huì)遇到阻礙，主要來自傳感器尺寸和為特定組件供電。通過配置TI AWR1x 毫米波產(chǎn)品組合，設(shè)計(jì)人員不但可以實(shí)現(xiàn)汽車安全完整性等級(jí)(ASIL-B)的ISO 26262，還提供了自動(dòng)泊車輔助、行人探測(cè)，以及承載率和駕駛員監(jiān)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(yīng)不斷變化的情況與條件，支持多種功能模式，以避免誤報(bào)，并為多種應(yīng)用提供大范圍的感測(cè)。“動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)是一個(gè)非常重要的功能?！盨udipto Bose說，隨著車載雷達(dá)的運(yùn)用越來越多，車輛需要能夠自主感知到對(duì)方車輛雷達(dá)的頻率，并經(jīng)由車內(nèi)電控單元和總線進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。同時(shí)，雷達(dá)傳感器還必須要能夠透過塑料、干燥墻壁、衣服、玻璃和很多其它材料，以及穿過光照、降雨、揚(yáng)塵、下霧或霜凍等環(huán)境條件進(jìn)行感測(cè)。

　　之所以選擇76-81GHz頻段，而不是其他廠商看好的24GHz頻段，Sudipto Bose解釋說，從24GHz向77GHz遷移已經(jīng)是“大勢(shì)所趨”，因?yàn)槔走_(dá)探測(cè)的準(zhǔn)確率取決于雷達(dá)發(fā)射脈沖的有效頻段，24GHz中只有0.5兆帶寬用來取樣，但77GHz中就會(huì)多達(dá)5-6G，從而帶來精度的大幅提升。此外，77GHz的天線較短，1/4波段的天線設(shè)計(jì)將比24GHz縮小1/3，整個(gè)產(chǎn)品做出來會(huì)比24GHz小很多。

　　將毫米波感測(cè)引入到工業(yè)應(yīng)用中

　　毫米波傳感器技術(shù)在汽車領(lǐng)域非常成功，不過設(shè)計(jì)人員目前正在解決這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展至其它市場(chǎng)時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)，比如說樓宇和工廠自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域。上述領(lǐng)域所遇到的問題是，此前的雷達(dá)系統(tǒng)都是分立式設(shè)計(jì)，導(dǎo)致了復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，提高了準(zhǔn)入門檻。

　　“但單芯片10mmx10mm IWR1x傳感器的推出，降低了毫米波感測(cè)的準(zhǔn)入門檻?！盩I工業(yè)雷達(dá)產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Robert Ferguson說，借助IWR1x傳感器，用戶就不用再去處理分立式前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和處理器件之間的復(fù)雜高速數(shù)據(jù)和通信走線，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(shè)計(jì)過程，極大簡(jiǎn)化了器件配置、監(jiān)控和校準(zhǔn)。通過利用包括示例算法和軟件庫在內(nèi)的TI毫米波軟件開發(fā)套件(SDK)，工程師可以在不到30分鐘內(nèi)開始他們的應(yīng)用設(shè)計(jì)工作。

　　Robert Ferguson列舉了三個(gè)最為典型的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景：液位感測(cè)、交通監(jiān)控和無人機(jī)。

　　液位感測(cè)是工廠內(nèi)倉儲(chǔ)和測(cè)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(cè)量剩余的液體體積。mmWave感測(cè)提供高精度測(cè)量值，并且在灰塵、煙霧或極端溫度等環(huán)境條件下具有穩(wěn)健耐用性。IWR1x 射頻前端是高度線性的，其超寬(連續(xù)4GHz，5GHz拼接)帶寬可以在深度1m至80m的液罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)極精確的亞毫米測(cè)量。針對(duì)77GHz級(jí)發(fā)射器參考設(shè)計(jì)的功率優(yōu)化設(shè)計(jì)給出了如何優(yōu)化在4-20mA功率受限系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的IWR1443。

　　交通監(jiān)控的目的在于通過掌握與車輛和行人有關(guān)的特定信息和遙感數(shù)據(jù)，對(duì)路口的情況做出及時(shí)應(yīng)對(duì)，并且搜集交通統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以提高運(yùn)輸效率。毫米波傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛位置和速率的測(cè)量，并且能夠探測(cè)速率高達(dá)300kph、距離在150m和更遠(yuǎn)范圍以外的物體。

　　為了實(shí)現(xiàn)安全性、提高平臺(tái)的生產(chǎn)力，無人機(jī)設(shè)計(jì)人員面臨諸多挑戰(zhàn)，包括使無人機(jī)能夠探測(cè)障礙，并且在最危險(xiǎn)的飛行情況下為操作人員提供輔助。無人機(jī)要求高速物體探測(cè)功能，并且能夠在100m距離內(nèi)跟蹤大小為數(shù)厘米的物體，比如當(dāng)無人機(jī)接近地面或在物體周圍運(yùn)行時(shí)。由于無人機(jī)是由電池供電運(yùn)行的，為了延長(zhǎng)飛行時(shí)間和提高有效負(fù)載，解決方案應(yīng)尺寸小巧、重量輕。