《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 其他 > 業(yè)界動態(tài) > 華為發(fā)布的4D雷達:是故弄玄虛還是真突破?

華為發(fā)布的4D雷達:是故弄玄虛還是真突破?

2021-04-20
來源:芯路芯語
關(guān)鍵詞: 華為 4D雷達

  2020年中期,汽車毫米波雷達市場占有率第一名德國大陸汽車推出全球第一個4D成像毫米波雷達,即ARS540,第一個使用ARS540的車型可能是寶馬的電動車旗艦iX。這之后4D成像毫米波雷達概念風靡業(yè)界。最近上海車展上華為也發(fā)布4D成像毫米波雷達。

  微信圖片_20210420191809.jpg

  4D成像毫米波雷達的技術(shù)門檻極低,德州儀器在2016年底推出基于CMOS工藝的高集成度77GHz毫米波雷達芯片,其適用于中短距場景的AWR1642 系列將前端MMIC RF、DSP和MCU三個模塊集成在一個77GHz毫米波雷達SoC芯片上,顯著降低了毫米波雷達成本,大幅拉低了車載毫米波雷達的硬件開發(fā)難度。

  針對近距離場景,TI打造了集成度更高的天線片上集成(AoP)芯片,將天線集成在芯片里,將難度最高的平面印刷天線集成其中,讓天線工程師無路可走,也將毫米波雷達價格拉低到百元級別。相比其他雷達芯片廠商,TI芯片開發(fā)具有傻瓜式的特點,底層軟件開發(fā)很完備,工具鏈做的很容易上手,任何一個入行兩年的射頻工程師基本都可以單獨一個人搞定一個毫米波雷達設(shè)計。這就滋生了數(shù)量眾多的初創(chuàng)毫米波雷達企業(yè)。

  然而時間長了TI發(fā)現(xiàn),NXP和英飛凌幾乎壟斷的毫米波雷達芯片組市場格局并未有改變,于是TI另辟蹊徑,力推4D成像毫米波雷達概念,基本上在2018年底就提供基于AWR2243的4片級聯(lián)4D毫米波雷達全套設(shè)計方案,包括最難搞的天線也考慮在內(nèi),內(nèi)嵌4-element series-fed patch 天線。算法部分則提供MATLAB MIMO和beamforming兩種選擇,就像交鑰匙工程,讓4D成像毫米波雷達沒有技術(shù)門檻。

  與此同時,作為毫米波雷達霸主的德國大陸汽車也在研發(fā)4D成像毫米波雷達,實際在2015年大陸汽車就預(yù)感到傳統(tǒng)3D(即速度、距離和方位角,這是傳統(tǒng)毫米波雷達提供的數(shù)據(jù))毫米波雷達已經(jīng)走到盡頭,ARS540的研發(fā)工作起始于2016年,最初的設(shè)計是使用NXP的S32R274兩片,但這帶來一些問題,兩片S32R274導(dǎo)致PCB面積太大,而汽車雷達是希望盡量小體積的,同時前端的傳感器融合需要比較高的帶寬,大陸汽車最初的設(shè)計是使用MIPI CSI3,其帶寬為14.88Gbps,比常用的MIPI CSI2更好,而S32R274是MIPI CSI2。但是支持MIPI CSI3的芯片很少。

  此外大陸汽車希望ADC的精度更高,這樣高度分辨率才足以實用,并且兩片芯片的時鐘同步等工作也比較麻煩,最終大陸汽車決定使用Xilinx的Zynq UltraScale+ RFSoC 系列FPGA。Xilinx的ZynqUltraScale+ RFSoC 系列FPGA專用射頻領(lǐng)域設(shè)計,內(nèi)部包含超高精度ADC和DAC,有12、14比特兩個檔次選擇,最多16個ADC或DAC。通常ASIC里考慮成本,ADC和DAC的配置都不會如此豪華,S32R274里只有4個12比特ADC,取樣率只有10Msps。

  在被FPGA取代后,NXP也開始抓緊研發(fā)針對4D成像毫米波雷達芯片組的工作,2020年12月NXP推出S32R45  4D成像毫米波雷達信號處理器和TEF82xx收發(fā)器。為4D 成像毫米波雷達芯片組增加了一個選擇項,未來英飛凌和ADI公司也很有可能推出相關(guān)的芯片組。

  ARS540采用4片級聯(lián)的形式,將4片NXP的77GHz毫米波雷達收發(fā)器(即MMIC)MR3003級聯(lián),每個MR3003是3發(fā)4收,4片就是12發(fā)16收,目前絕大多數(shù)毫米波雷達都是采用單片收發(fā)器,通常只有3發(fā)4收,也就是只有12個虛擬通道,而ARS540是192個虛擬通道,分辨率大大提高。可以稱之為圖像雷達。

  TI的方案也是如此,如出一轍,只是用AWR2243代替MR3003,用TDA2x代替FPGA。除德國大陸汽車,中國乃至全球的4D成像毫米波雷達基本都是基于TI的級聯(lián)方案,有追求低成本的2片級聯(lián),有追求性能的4片級聯(lián)。還有家以色列的初創(chuàng)公司Vayyar自己開發(fā)關(guān)鍵的收發(fā)器芯片,華為的12發(fā)24收4D成像毫米波雷達似乎是采用自己做的芯片,應(yīng)該是4片3發(fā)6收的收發(fā)器級聯(lián)而成,但也有可能是德州儀器的AWR1642六片級聯(lián)而成。AWR1642是2發(fā)4收。

  我們先來看德州儀器的方案,德州儀器提供全套電路圖。

  微信圖片_20210420191830.jpg

  德州儀器4D成像毫米波雷達開發(fā)板框架圖

  微信圖片_20210420191846.jpg

  德州儀器4D成像毫米波雷達內(nèi)嵌4-element series-fed patch天線,采用業(yè)內(nèi)品質(zhì)最高的RogersRO3003 PTFE載板。

  微信圖片_20210420191900.jpg

  可以看出,老牌的大陸汽車4D毫米波雷達性能強大無比,具備碾壓性質(zhì)。德州儀器在距離和分辨率之間做了妥協(xié)。

  ARS540是唯一具備能夠真正測量目標高度的毫米波雷達,也就是其垂直分辨率Elevation比較高,達到2.3°,遠高于德州儀器方案,畢竟大陸汽車是自己設(shè)計天線,擁有超過20年的經(jīng)驗,且MR3003也確實比較強。從這個角度講,ARS540到目前應(yīng)該還是全球唯一4D毫米波雷達。當然如果不用德州儀器的內(nèi)嵌天線,自己單獨設(shè)計,可能會好一點,但也不會好太多,并且會付出很長的研發(fā)周期,購置上千萬人民幣的研發(fā)設(shè)備和設(shè)施,初創(chuàng)公司肯定不會這么大手筆投資固定資產(chǎn)。當然啦,或者用仿真軟件也湊合可以。

  微信圖片_20210420191921.jpg

  ARS540的高度測量

  成像毫米波雷達的成像是什么樣的?

  微信圖片_20210420191951.jpg

  上圖是取自德州儀器的開發(fā)板說明書,這是自行車和行人離車輛1.5米距離時的毫米波雷達成像圖,如果是普通的3發(fā)4收單片3D毫米波雷達,自行車恐怕只能檢測到一個點,甚至檢測不到。即便是成像毫米波雷達,行人也只是一個小點,普通雷達則完全檢測不到,這是因為金屬反射電磁波的性能遠比人體要高。顯然成像毫米波雷達無法和激光雷達成像相提并論。

  微信圖片_20210420192006.jpg

  對于車的成像還是相當不錯的,這個能勉強看出有車門開著。

  再來看NXP的方案。

  微信圖片_20210420192026.jpg

  微信圖片_20210420192043.jpg

  上表為TFE82XX與AWR2243主要參數(shù)對比,NXP性能略勝一籌,德州儀器的取樣頻率更高。

  微信圖片_20210420192058.jpg

  NXP的S32R45內(nèi)部框架圖

  S32R45采用4個A53運算核和3個M7實時運行與安全核。整體達ASIL-B級,MCU部分達ASIL-D級標準。雷達數(shù)據(jù)處理方面有一個SPT 3.1 @ 600 MHz 集成 DSP 和多線程處理器,一個BBE32 DSP,環(huán)境模型方面有一個線性代數(shù)加速器,算力有300GFLOPS。接口異常豐富,包括4x MIPI CSI2,PCIe2 x Gen2/3, 2 lanes, 2 x GbE 10/100/1000 Mbit/s,8 x FlexCAN with FD。支持AUTOSAR MCAL4.4。達到最高的AEC-Q100 1級標準,即-40 ?Cto 150 °C (Tj) 。

  所謂4D成像毫米波雷達的第四就是高度,眾所周知,傳統(tǒng)雷達輸出3個維度的信息,分別是方位角、速度和距離。后兩者通過FFT取得,前者是利用多個天線的相位差信息獲得。傳統(tǒng)雷達沒有俯仰角天線通道,只有方位角天線通道,自然就沒有俯仰角信息。解決辦法有幾種,通常是增加俯仰通道,但是在總通道數(shù)不變的情況下,意味著水平方位角精度的降低,畢竟水平方位角才是主要信息。要增加總通道數(shù),成本增加還是小事,運算量會大幅度增加數(shù)倍乃至幾十倍,現(xiàn)在的77GHz雷達處理芯片基本被英飛凌和NXP壟斷,沒有合適的芯片可用。因此大部分廠家的俯仰通道只是勉強做到,精度很低,博世MRR采用俯仰面天線方向圖幅值比來計算俯仰角,這種方法不增加通道數(shù),也不增加成本,只增加俯仰天線的主波束寬度。這種方法需要先驗知識,且無法區(qū)分非水平目標處于高處還是低處。

  大陸汽車可能采用了Monopluse的設(shè)計,相當于一根物理天線做俯仰角測試,再通過MIMO虛擬通道增加精度。AR540采用雙波束成形,一個波束是48 (Az.) x 1 (El.) = 48 channels,轉(zhuǎn)為方位角設(shè)計,大幅度提高方位角測量精度。另一個是24 (Az.) x 6 (El.) = 144 channels,里面包含了俯仰角測量。

  所謂成像意義不大,即使再強的深度學(xué)習碰上毫米波雷達那樣稀疏的圖像也基本無能為力。

  能測高度的同時就可以不再過濾靜態(tài)目標,因為窖井蓋、減速帶、立交橋、天橋、路邊金屬牌會導(dǎo)致雷達誤動作,因此傳統(tǒng)雷達都將靜態(tài)目標過濾掉。如果能測量高度,就能提高目標檢測的置信度,不再過濾靜態(tài)目標。

  微信圖片_20210420192119.jpg

  實際毫米波雷達的難點在生產(chǎn)領(lǐng)域,射頻產(chǎn)品的生產(chǎn),特別是一致性是需要長時間摸索的,這不是坐辦公室的博士們能完成的。實際量產(chǎn)毫米波雷達超過20年的博世、大陸之類的團隊中掌握核心關(guān)鍵Knowhow的專家不超過5個,都是長期在生產(chǎn)線摸索出來的。

  微信圖片_20210420192132.jpg

  來源:Yole

  毫米波雷達幾乎沒有技術(shù)門檻,門檻都在生產(chǎn)和供應(yīng)鏈領(lǐng)域,全球前五大占據(jù)了75%以上的市場,這中間還包括了主打24GHz的海拉,大陸是當之無愧的第一,單價也最高,國內(nèi)除了吉利很少有人使用。第二是電裝加上收購的富士通天。第三才是博世,前向主雷達基本壟斷國內(nèi)市場,并且還多是MRR四代,四代的LRR可能只有小鵬使用。第四是海拉萬都,第五是維寧爾。這個排名可能也有錯誤,安波福的出貨量也很大,但主要是角雷達。

  4D成像毫米波雷達是故弄玄虛還是真的突破,相信大家心里都已經(jīng)有了答案。


本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,請及時通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟損失。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:aet@chinaaet.com。