【導讀】近年來，毫米波雷達技術愈益成熟。前面在工業(yè)領域，主要介紹了道閘雷達的應用；而在汽車領域，主要的雷達應用可以大致分為兩大類：角雷達（Corner Radars）和前向雷達（Front Radars）。
角雷達（包括前向角雷達和后向角雷達）通常是短距離雷達，可滿足盲區(qū)檢測（BSD），變道輔助（LCA）和前后交通警報（F / RCTA）的要求；而前向雷達主要是用于自主緊急制動（AEB）和自適應巡航控制（ACC）的中遠程雷達應用。
傳統的角雷達主要是基于24GHz技術，但由于新興的法規(guī)要求，并且需要更高的帶寬，更小的尺寸以及更高的性能，角雷達正逐步向77 GHz頻帶轉移。
本章節(jié)將會基于AWR1642介紹適用于角雷達的短程雷達解決方案。由于系統的框圖跟之前的道閘雷達大同小異，主要的區(qū)別在于三點，一是雷達芯片使用的是AWR1642；二是接口芯片為汽車常用的CAN接口；三是為了讓RF供電的電源軌更加干凈，后面再用了一級LDO進行濾波之后再為車載的雷達芯片供電。
圖- 1 角雷達應用的系統框圖
下面將會圍繞著AWR1642進行詳細的展開。
AWR1642的高層次架構
AWR1642是高度集成的單芯片77 GHz毫米波雷達，其中包括兩個發(fā)射端和四個接收端，一個600 MHz可編程的C674x DSP以及一個200 M Hz可編程的ARM Cortex-R4F處理器。該器件支持RF帶寬，覆蓋76-77 GHz和77-81 GHz頻段。如圖2所示，該器件包括四個主要模塊：射頻/模擬前端子系統，BIST子系統，DSP子系統和主控子系統。
圖- 2 AWR1642的高層次架構
● 射頻/模擬前端子系統，包括射頻和模擬電路：合成器，功率放大器（PAS），低噪聲放大器（LNA），混頻器，中頻（IF）鏈路和模數轉換器轉換器（ADC）。該子系統還包括晶振，溫度傳感器、電壓監(jiān)視器和通用ADC。AWR1642器件使用一種復雜的基帶架構，可以提供同相（I通道）和正交（Q通道）輸出。
● 內建自測試子系統，又稱為BIST子系統，包括數字前端，斜坡發(fā)生器和一個用于控制和配置低級射頻模擬電路以及斜坡發(fā)生器的寄存器的內部處理器。（注意：該處理器是TI編程的，可以滿足RF校準需求和BIST /監(jiān)視功能，但它不能直接提供給用戶使用。）數字前端負責濾波和抽取原始ADC輸出，并以可編程的采樣率提供最終的ADC數據采樣。
● DSP子系統包括一個時鐘頻率為600 MHz的TI C674x DSP ，用于雷達信號處理，通常是處理原始的ADC數據。該DSP是用戶可編程的，并且在使用時具有完全的靈活性。
● 主控子系統包括主頻為200MHz的ARM的車規(guī)級Cortex-R4F處理器，這是用戶可編程的。該處理器控制器件的整體操作，處理通信接口，并且實現更高層的算法，例如目標分類和追蹤。該處理器還可以運行AUTOSAR系統。
AWR1642可用于短距離雷達（SRR）應用。該器件包括一個QSPI接口，可以直接從串行閃存下載用戶代碼；并且還包含了CAN-FD和CAN接口，因此可以與車輛CAN總線或專用CAN總線上的其他傳感器直接通信；還可以使用SPI /I2C接口控制PMIC。
AWR1642 的可用總內存為1.5 MB。它支持在R4F program RAM，R4F data RAM，DSP L1和L2內存以及radar data 內存（L3內存）之間進行分區(qū)。表1列出了一些示例內存配置。
表- 1內存配置示例
● DSP子系統中的L2內存為256 KB，通常用于DSP應用的指令和即時數據。DSP子系統還包括32 KB的L1內存和data RAM，它們可以全部或部分配置為高速緩存。
● R4F具有448 KB的專用內存，該內存在R4F緊密耦合的內存接口TCMA （256 KB）和TCMB（192 KB）之間分配。盡管完整的448 KB內存沒有設置并且可用于指令或數據，但典型的應用程序會將TCMA用作指令存儲器，并將TCMB用作數據存儲器。
● 剩余的768 KB是L3內存，可用作雷達數據立體內存。還能以128 KB的增量為R4F共享多達512 KB的L3內存。
DSP優(yōu)勢
AWR1642的關鍵優(yōu)勢之一是其內置的C674x DSP。調頻連續(xù)波（FMCW）雷達技術在過去幾年中取得了長足的發(fā)展。雷達在當前的車輛中扮演著更重要的角色，不僅是駕駛員的舒適度方面，還有安全方面。這些應用還使雷達在空間分辨率，速度分辨率以及目標檢測和分類方面的性能要求更加嚴格。
AWR1642中完全可編程的DSP可以使客戶能夠實施專有算法并構建創(chuàng)新的解決方案，以解決雷達性能方面的難題。 圍繞算法的研究不斷進步，可以提高幾個關鍵領域的性能，例如：
● 緩解干擾：隨著越來越多的車輛采用雷達技術，雷達之間的干擾問題變得越來越嚴重。在這種情況下，用于檢測和緩解干擾的創(chuàng)新算法是研究和信號處理算法開發(fā)的活躍領域。
● 改進檢測算法：雷達的新興應用，包括全自動駕駛的終極視野，因此需要與目標檢測，地面雜波去除和最小化錯誤檢測相關的改進算法，以確保穩(wěn)定性。
● 高分辨率角度估計：與雷達相關的主要挑戰(zhàn)之一是受限的角度分辨率。超越傳統波束成形的幾種先進的角度估計算法可以改善角度分辨率，其中包括通過旋轉不變技術（ESPIRIT）進行信號分類（MUSIC）和信號參數估計。
● 聚類和目標分類算法：這是研究和算法開發(fā)的另一個活躍領域，尤其是需要使用高分辨率的雷達點云和使用微多普勒技術識別行人的目標分類算法。
為了滿足這些需求，內置的DSP實現了高性能和完全可編程的信號處理能力。 表2提供了一些典型雷達信號處理例程中DSP性能的基準數據。
表- 2常見雷達信號處理例程的基準數據
加密安全
AWR1642 提供了安全的啟動機制。安全啟動是一種安全性使能程序，它提供了機制來幫助將代碼算法保持在加密形式并幫助防止未經授權的訪問。而且，它有助于避免將流氓代碼植入到設備上，從而防止設備運行更改后的代碼/功能。
為了加快計算量大的編碼和解碼過程，AWR1642配備了基于硬件的加速器安全功能，應用程序也可以使用這些功能來實現額外的安全性。
● 高級加密標準（AES）。
● 安全哈希加速器（SHA2）。
● 真隨機數生成器（TRNG）。
● 公鑰加速器（PKA）。
此外，AWR1642提供了一種安全的調試機制，使調試過程輕松自如，同時幫助保護器件免受各種威脅。
安全
AWR1642是TI SafeTI ™設計套件的一部分，可幫助開發(fā)人員在其應用中實現ISO26262 ASILB等級的功能安全。
AWR1642遵循一個稱為“安全島”的概念，該概念涉及硬件診斷的應用程序和軟件診斷之間的平衡，以幫助管理功能安全。上電時它會全面測試一組核心元素，并對其進行密切監(jiān)控，以幫助提供正確的軟件執(zhí)行。 此核心元素集包括電源、時鐘、復位、R4F處理器、以及關聯的程序和數據存儲器，以幫助執(zhí)行軟件，從而在其他元素（例如外圍設備）上能實現基于軟件的診斷。
該器件還包括先進的內置電路，用于監(jiān)控RF和模擬前端電路，運行TI固件的專用處理器（延遲鎖定步驟）內核有助于簡化應用程序開發(fā)，并且完全可以使DSP和MCU每秒從任何種類的雷達前端監(jiān)控中獲取百萬條指令（MIPS）。
AWR1642傳感器支持以下前端診斷功能：
● 合成器線性調頻監(jiān)視器。
● TX輸出功率監(jiān)視器。
● 基于射頻環(huán)回的噪聲系數，增益不平衡和相位不平衡監(jiān)視器。
● RX飽和度監(jiān)視器。
● 基于IF回送的IF放大器（IFA）抖動衰減監(jiān)視器。
● Ball-break監(jiān)控器。
● 溫度傳感器。
其他關鍵診斷功能包括用于中央處理器（CPU）內核的邏輯BIST，用于所有存儲器的存儲器BIST，用于每個處理器的窗口式看門狗，端到端糾錯碼，存儲器保護單元，時鐘和電源監(jiān)視器，復位時的故障波動 ，以及錯誤信號發(fā)送模塊。
這些功能有助于使開發(fā)人員更輕松，更快速地實現ASIL-B功能安全性。對安全至關重要的開發(fā)需要管理系統性故障和隨機性故障。 TI為安全關鍵型半導體創(chuàng)建了獨特的開發(fā)流程，定制了ISO 26262：2011的功能安全生命周期，以最有效地滿足非安全環(huán)境（SEooC）的需求。 此開發(fā)過程已通過獨立第三方審核員TÜVSÜD的認證。
AWR1642用例
AWR1642是用于短程汽車市場雷達應用的radar-on-chip。以一個多模式的使用示例為例，短距離雷達（SRR）的范圍為80 m，超短距離雷達（USRR）的范圍為20 m；配置可參考表3 。
*使用速度歧義度解析技術可以提高實際最大速度。
表- 3 多模SRR示例的線性調頻配置示例
表3中的示例使用512 KB雷達數據立方體內存，并通過八個虛擬天線（兩個TX，四個RX）實現了80 m的范圍。其他變化也有可能實現不同的系統性能指標。
下圖3描繪了在25 m和40 m處兩點物體的模擬情況下，具有80 m線性調頻配置的雷達圖像。 圖3的左側描述了目標的范圍和相對速度，而右側則顯示了目標的范圍和相對速度。
圖- 3 兩點目標模擬情況的雷達二維FFT圖像
與24GHz相比，在BSD等應用中使用76–81GHz可以實現高范圍分辨率（可能達到4 cm的分辨率）和更高的速度分辨率（這對于停車輔助應用很重要） ，而且還可以減小天線的外形尺寸，這是一個明顯的優(yōu)勢。
R4F處理器具有704 KB的可用內存，可用于高層算法，例如群集和跟蹤，以及控制和主機接口功能（包括AUTOSAR，這是獨立傳感器實現通常需要的）。開發(fā)人員還可以考慮在DSP中實現諸如群集和跟蹤之類的更高層算法。
圖- 4 使用AWR1642 mmWave傳感器的角雷達系統拓撲
圖4為將AWR1642安裝在車輛四個角落的角雷達系統拓撲，并且將原始檢測到的物體饋送到雷達融合盒子的情況。在這種拓撲結構中，四個角雷達執(zhí)行1-D，2-D FFT，檢測和角度估計處理，并通過CAN-FD接口將原始檢測到的物體發(fā)送到中央雷達融合盒子。 第二個CAN接口的可用性還使傳感器能夠通過專用CAN總線同時與其他傳感器通信。
綜上所述， AWR1642 mmWave不僅便于研發(fā)人員設計，其優(yōu)勢也顯而易見：
● 提供了76-81GHz的更寬的RF帶寬，更高線性的chirps，更快的上升速度（高達100 MHz / µs）和片上BIST功能，便于安全監(jiān)控。
● 通過集成DSP，AWR1642傳感器使創(chuàng)新算法能夠應對干擾和對物體進行強大檢測的新挑戰(zhàn)。
以上優(yōu)勢，使得AWR1642可以廣泛應用于BSD盲區(qū)檢測，為客戶在兼顧高性價比的同時，也能提供高性能的解決方案。
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