【導(dǎo)讀】單芯片雷達(dá)片上系統(tǒng)（system-on-chip，SoC）正在成為最受歡迎的新型傳感器之一。其在汽車中的廣泛采用大幅提高了銷量，從而促進(jìn)了價(jià)格的下降。這些精密的IC器件對(duì)汽車制造商而言至關(guān)重要，對(duì)其它應(yīng)用也同樣有很大的吸引力。盡管IC器件在汽車應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，設(shè)計(jì)人員也正在探索一系列可以提高安全性和便利性的新用途。
雷達(dá)IC
誰能想到單芯片雷達(dá)呢？雖然現(xiàn)在多個(gè)制造商已經(jīng)設(shè)計(jì)制造出多種形式的單芯片雷達(dá)。大多數(shù)國家已經(jīng)開發(fā)出24GHz、76-81GHz、94GHz頻段的芯片。盡管連續(xù)波（continuous-wave，CW）和脈沖類型都是可用的，全球大多數(shù)國家都使用77MHz調(diào)頻連續(xù)波（frequency-modulated continuous-wave，F(xiàn)MCW）方案。其中一些器件由鍺硅（以下簡(jiǎn)稱SiGe）制成，但是最新版本由互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體（以下簡(jiǎn)稱CMOS）或雙極互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體（以下簡(jiǎn)稱BiCMOS）組成。應(yīng)用于汽車或其它行業(yè)的完整模塊由一些公司提供。單芯片雷達(dá)所具有的獨(dú)特功能使其在某些新應(yīng)用中成為其它傳感器具有吸引力的替代品。
作為一款芯片上的雷達(dá)系統(tǒng)，大多數(shù)工程師傾向于根據(jù)其原始用途按認(rèn)知對(duì)器件進(jìn)行分類。但是，最好是將單芯片雷達(dá)視為另一種類型的傳感器。因此，當(dāng)尋找一款能夠接近檢測(cè)物體、運(yùn)動(dòng)傳感，或進(jìn)行物理測(cè)量的器件時(shí)，毫米波雷達(dá)意外當(dāng)選。
圖1 調(diào)頻連續(xù)波的線性調(diào)頻信號(hào)通常用于76~81GHz頻段
雷達(dá)主要用于測(cè)量距離、方向（角度）和速度。例如警察用雷達(dá)測(cè)速，棒球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)用測(cè)速槍（雷達(dá)槍）來測(cè)試棒球速度。芯片中的發(fā)射器（Tx）發(fā)射一個(gè)信號(hào)，然后該信號(hào)從遠(yuǎn)程對(duì)象反射回來并返回到位于發(fā)射端的接收器。發(fā)射器信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)頻率呈線性增加，被稱為線性調(diào)頻（見圖1）。線性調(diào)頻以所需的模式重復(fù)。
圖2展示了雷達(dá)收發(fā)機(jī)。返回信號(hào)的頻率在接收器（Rx）和發(fā)射頻率的混合中生成不同的中頻（intermediate frequency，IF）。中頻被數(shù)字化并用于確定移動(dòng)和速度。芯片上的信號(hào)處理電路測(cè)量傳輸時(shí)間，并根據(jù)已知的無線電波速度計(jì)算距離。由于天線的高度方向性，可以檢測(cè)到位置（方位角）。調(diào)頻雷達(dá)也可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)和速度。片上處理器負(fù)責(zé)計(jì)算，以提供精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，靈活且可編程的傳感器，用于多種獨(dú)特應(yīng)用。
圖2 單芯片雷達(dá)收發(fā)器的簡(jiǎn)圖
雷達(dá)傳感器的應(yīng)用
迄今為止，單芯片雷達(dá)的最大應(yīng)用領(lǐng)域是汽車安全。雷達(dá)成為大多數(shù)汽車中先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（advanced driver-assistance systems，ADAS）的核心。自適應(yīng)巡航控制、自動(dòng)剎車、后備箱物體檢測(cè)、盲點(diǎn)檢測(cè)、變道輔助、來車警告系統(tǒng)都采用了雷達(dá)技術(shù)。目標(biāo)是減少駕駛員失誤，從而減少車禍次數(shù)和傷亡人數(shù)。目前為止，上述目標(biāo)正在實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，這些新的子系統(tǒng)非常有效，因此政府正在強(qiáng)制所有汽車安裝先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)。
而且，雷達(dá)對(duì)無人駕駛汽車的成功而言至關(guān)重要。它們輔助先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)中的攝像頭、激光雷達(dá)（LiDAR）和超聲波傳感器檢測(cè)周圍的物體，并在車輛周圍生成合成視圖。雷達(dá)在惡劣天氣條件下尤為有用，即使在霧、雪、雨和黑暗的環(huán)境中也能工作，不會(huì)影響到攝像頭和激光雷達(dá)傳感器。處理器接收傳感器輸入，然后執(zhí)行人工智能算法以做出所有駕駛決策。
毫米波傳感器還能做什么？例子之一就是油箱中的液位傳感器。許多工業(yè)、過程控制和公共服務(wù)應(yīng)用都需要用到某種形式的液位測(cè)量。
另一個(gè)較為有趣的用途是照明控制。雷達(dá)傳感器檢測(cè)到人或移動(dòng)，在有人或物體時(shí)開燈，在空無一物的情況下關(guān)燈。空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）的使用也能從該方法中受益。毫無疑問，通過這種方法感知人體，能夠在建筑物、停車場(chǎng)和選定的街道節(jié)省大量的能源。
雷達(dá)也可以進(jìn)軍機(jī)器人和無人機(jī)領(lǐng)域。一些制造機(jī)器人需要確定范圍、速度和運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化工廠和其它應(yīng)用中的智能計(jì)時(shí)和機(jī)械臂定位。軍事偵察和武器機(jī)器人將有可能從想象轉(zhuǎn)為現(xiàn)實(shí)。此外，雷達(dá)可以使無人機(jī)變得更為安全，防止撞擊的同時(shí)幫助測(cè)量距離和高度。
安防系統(tǒng)也能從中受益，因?yàn)槔走_(dá)可以檢測(cè)遠(yuǎn)處的移動(dòng)，并在惡劣天氣下提供物體檢測(cè)功能，在同等天氣條件下，攝像頭或紅外傳感器可能會(huì)受到影響。可以負(fù)責(zé)任地說，雷達(dá)最終也會(huì)應(yīng)用在摩托車和自行車領(lǐng)域。自動(dòng)門或車庫門的應(yīng)用也有極大可能。一旦超越對(duì)雷達(dá)用途的既定設(shè)想，以及技術(shù)和價(jià)格上的障礙，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們用途甚廣。
智能毫米波雷達(dá)創(chuàng)建更安全、高效的城市
毫米波雷達(dá)傳感器的優(yōu)秀應(yīng)用之一是交通監(jiān)控和控制。許多中等城市和大城市都會(huì)遭遇交通堵塞，不僅浪費(fèi)時(shí)間和燃料，還會(huì)增加環(huán)境污染。解決這個(gè)問題的辦法是對(duì)十字路口和主要高速公路上的交通信號(hào)燈進(jìn)行更好的時(shí)間和順序控制。這就需要對(duì)車輛進(jìn)行細(xì)粒度感應(yīng)以確定其位置、速度、轉(zhuǎn)向意圖和方向。有了這些信息，交通信號(hào)燈的時(shí)間可以調(diào)整，使交通移動(dòng)變得更快、更高效。
毫米波雷達(dá)傳感器的固有特性使其成為交通系統(tǒng)的理想檢測(cè)器。借助調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)，可以輕松確定車輛的里程、速度和角度（方向）。在高架桿、標(biāo)志物、或其它結(jié)構(gòu)中有策略地放置雷達(dá)傳感器能夠識(shí)別單輛車體及其運(yùn)動(dòng)。由相控陣天線提供的狹窄視野允許交通系統(tǒng)監(jiān)控單車道（圖3）。
圖3 安裝在十字路口停止線上方的雷達(dá)視野范圍很窄，足以計(jì)算每個(gè)車道上的汽車數(shù)量并確定其速度
傳感器的其它好處包括長達(dá)250米的遠(yuǎn)距離檢測(cè)或低至5厘米甚至更短的短距離檢測(cè)。如之前所述，與攝像頭傳感器不同，雷達(dá)傳感器幾乎適用于所有環(huán)境條件。借助適當(dāng)?shù)挠?jì)算能力，它們可以對(duì)汽車進(jìn)行計(jì)數(shù)，并確定其里程，最高可達(dá)300公里/小時(shí)（187.5英里/小時(shí)）。雷達(dá)傳感器的部署也不需要挖掘地面，只需要像在十字路口埋設(shè)感應(yīng)線圈那樣即可。
隨著城市變得更加智能，交通工程師也正在提高智能交通系統(tǒng)的效率，以緩解日益增長的交通問題。工程師們可以借助毫米波雷達(dá)傳感器構(gòu)建新一代智能交通監(jiān)控系統(tǒng)。十字路口的雷達(dá)傳感器可以幫助管理交通信號(hào)燈，用于停靠、左轉(zhuǎn)、行人過馬路等，加速交通信號(hào)燈的效率以減少備份。
市場(chǎng)上有哪些毫米波雷達(dá)傳感器？
德州儀器（Texas Instruments）提供全系列的毫米波雷達(dá)傳感器，可建構(gòu)智能交通管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。可用的IC器件包括AWR1243、AWR1443和AWR1642。這些工作在76~81GHz范圍內(nèi)的CMOS器件均使用調(diào)頻連續(xù)波。
這些器件的一大關(guān)鍵特征是測(cè)量精度。例如，高度線性的閉環(huán)鎖相環(huán)（phase-locked loop，PLL）會(huì)產(chǎn)生頻率上升的線性調(diào)頻，以確保在測(cè)量范圍內(nèi)的精度和分辨率更高。另一個(gè)好處是CMOS器件與SiGe相比功耗更小。
這些器件擁有兩到三個(gè)發(fā)射器和四個(gè)接收器。射頻（RF）帶寬為4GHz，接收采樣率為12.5或37.5Msamples/s。AWR1443和AWR1642包含一個(gè)200MHz的ARM Cortex-R4F處理器。AWR1443包含一個(gè)雷達(dá)硬件快速傅里葉變換（fast Fourier transform，以下簡(jiǎn)稱FFT）加速器。AWR1642內(nèi)置德州儀器（TI）的C674x 600-MHz DSP，可處理FFT和其它高級(jí)算法。典型接口包括SPI、CAN、CAN-FD、UART、I2C和MIPI CS12，具體取決于型號(hào)。
為了幫助開發(fā)，德州儀器提供了評(píng)估模塊、參考設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)套件。公司推出的mmWave Studio是一套用于分析和算法開發(fā)的脫機(jī)工具。
（來源：麥姆斯咨詢）
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