單晶片毫米波雷達傳感器有哪些優勢?

單晶片雷達片上系統（system-on-chip，SoC）正在成為最受歡迎的新型傳感器之一。其在汽車中的廣泛採用大幅提高了銷量，從而促進了價格的下降。這些精密的IC器件對汽車製造商而言至關重要，對其它應用也同樣有很大的吸引力。儘管IC器件在汽車應用領域將繼續佔據主導地位，設計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。sx5ednc

雷達IC

誰能想到單晶片雷達呢？雖然現在多個製造商已經設計製造出多種形式的單晶片雷達。大多數國家已經開發出24GHz、76-81GHz、94GHz頻段的晶片。儘管連續波（continuous-wave，CW）和脈衝類型都是可用的，全球大多數國家都使用77MHz調頻連續波（frequency-modulated continuous-wave，FMCW）方案。其中一些器件由鍺矽（以下簡稱SiGe）製成，但是最新版本由互補金屬氧化半導體（以下簡稱CMOS）或雙極互補金屬氧化半導體（以下簡稱BiCMOS）組成。應用於汽車或其它行業的完整模塊由一些公司提供。單晶片雷達所具有的獨特功能使其在某些新應用中成為其它傳感器具有吸引力的替代品。sx5ednc

作為一款晶片上的雷達系統，大多數工程師傾向於根據其原始用途按認知對器件進行分類。但是，最好是將單晶片雷達視為另一種類型的傳感器。因此，當尋找一款能夠接近檢測物體、運動傳感，或進行物理測量的器件時，毫米波雷達意外當選。sx5ednc

圖1 調頻連續波的線性調頻信號通常用於76~81GHz頻段sx5ednc

雷達主要用於測量距離、方向（角度）和速度。例如警察用雷達測速，棒球運動場用測速槍（雷達槍）來測試棒球速度。晶片中的發射器（Tx）發射一個信號，然後該信號從遠程對象反射回來並返回到位於發射端的接收器。發射器信號在短時間內頻率呈線性增加，被稱為線性調頻（見圖1）。線性調頻以所需的模式重複。sx5ednc

圖2展示了雷達收發機。返回信號的頻率在接收器（Rx）和發射頻率的混合中生成不同的中頻（intermediate frequency，IF）。中頻被數位化並用於確定移動和速度。晶片上的信號處理電路測量傳輸時間，並根據已知的無線電波速度計算距離。由於天線的高度方向性，可以檢測到位置（方位角）。調頻雷達也可以測量運動和速度。片上處理器負責計算，以提供精確的測量數據，靈活且可編程的傳感器，用於多種獨特應用。sx5ednc

圖2 單晶片雷達收發器的簡圖sx5ednc

雷達傳感器的應用

迄今為止，單晶片雷達的最大應用領域是汽車安全。雷達成為大多數汽車中先進駕駛輔助系統（advanced driver-assistance systems，ADAS）的核心。自適應巡航控制、自動剎車、後備箱物體檢測、盲點檢測、變道輔助、來車警告系統都採用了雷達技術。目標是減少駕駛員失誤，從而減少車禍次數和傷亡人數。目前為止，上述目標正在實現。事實上，這些新的子系統非常有效，因此政府正在強制所有汽車安裝先進駕駛輔助系統。sx5ednc

而且，雷達對無人駕駛汽車的成功而言至關重要。它們輔助先進駕駛輔助系統中的攝像頭、雷射雷達（LiDAR）和超聲波傳感器檢測周圍的物體，並在車輛周圍生成合成視圖。雷達在惡劣天氣條件下尤為有用，即使在霧、雪、雨和黑暗的環境中也能工作，不會影響到攝像頭和雷射雷達傳感器。處理器接收傳感器輸入，然後執行人工智慧算法以做出所有駕駛決策。sx5ednc

毫米波傳感器還能做什麼？例子之一就是油箱中的液位傳感器。許多工業、過程控制和公共服務應用都需要用到某種形式的液位測量。sx5ednc

另一個較為有趣的用途是照明控制。雷達傳感器檢測到人或移動，在有人或物體時開燈，在空無一物的情況下關燈。空調系統（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，能夠在建築物、停車場和選定的街道節省大量的能源。sx5ednc

雷達也可以進軍機器人和無人機領域。一些製造機器人需要確定範圍、速度和運動，以實現工業自動化工廠和其它應用中的智能計時和機械臂定位。軍事偵察和武器機器人將有可能從想像轉為現實。此外，雷達可以使無人機變得更為安全，防止撞擊的同時幫助測量距離和高度。sx5ednc

安防系統也能從中受益，因為雷達可以檢測遠處的移動，並在惡劣天氣下提供物體檢測功能，在同等天氣條件下，攝像頭或紅外傳感器可能會受到影響。可以負責任地說，雷達最終也會應用在摩託車和自行車領域。自動門或車庫門的應用也有極大可能。一旦超越對雷達用途的既定設想，以及技術和價格上的障礙，你就會發現它們用途甚廣。sx5ednc

智能毫米波雷達創建更安全、高效的城市

毫米波雷達傳感器的優秀應用之一是交通監控和控制。許多中等城市和大城市都會遭遇交通堵塞，不僅浪費時間和燃料，還會增加環境汙染。解決這個問題的辦法是對十字路口和主要高速公路上的交通信號燈進行更好的時間和順序控制。這就需要對車輛進行細粒度感應以確定其位置、速度、轉向意圖和方向。有了這些信息，交通信號燈的時間可以調整，使交通移動變得更快、更高效。sx5ednc

毫米波雷達傳感器的固有特性使其成為交通系統的理想檢測器。藉助調頻連續波雷達，可以輕鬆確定車輛的裡程、速度和角度（方向）。在高架杆、標誌物、或其它結構中有策略地放置雷達傳感器能夠識別單輛車體及其運動。由相控陣天線提供的狹窄視野允許交通系統監控單車道（圖3）。sx5ednc

圖3 安裝在十字路口停止線上方的雷達視野範圍很窄，足以計算每個車道上的汽車數量並確定其速度sx5ednc

傳感器的其它好處包括長達250米的遠距離檢測或低至5釐米甚至更短的短距離檢測。如之前所述，與攝像頭傳感器不同，雷達傳感器幾乎適用於所有環境條件。藉助適當的計算能力，它們可以對汽車進行計數，並確定其裡程，最高可達300公裡/小時（187.5英裡/小時）。雷達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感應線圈那樣即可。sx5ednc

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的效率，以緩解日益增長的交通問題。工程師們可以藉助毫米波雷達傳感器構建新一代智能交通監控系統。十字路口的雷達傳感器可以幫助管理交通信號燈，用於停靠、左轉、行人過馬路等，加速交通信號燈的效率以減少備份。sx5ednc

市場上有哪些毫米波雷達傳感器？

德州儀器（Texas Instruments）提供全系列的毫米波雷達傳感器，可建構智能交通管理系統的基礎。可用的IC器件包括AWR1243、AWR1443和AWR1642。這些工作在76~81GHz範圍內的CMOS器件均使用調頻連續波。sx5ednc

這些器件的一大關鍵特徵是測量精度。例如，高度線性的閉環鎖相環（phase-locked loop，PLL）會產生頻率上升的線性調頻，以確保在測量範圍內的精度和解析度更高。另一個好處是CMOS器件與SiGe相比功耗更小。sx5ednc

這些器件擁有兩到三個發射器和四個接收器。射頻（RF）帶寬為4GHz，接收採樣率為12.5或37.5Msamples/s。AWR1443和AWR1642包含一個200MHz的ARM Cortex-R4F處理器。AWR1443包含一個雷達硬體快速傅立葉變換（fast Fourier transform，以下簡稱FFT）加速器。AWR1642內置德州儀器（TI）的C674x 600-MHz DSP，可處理FFT和其它高級算法。典型接口包括SPI、CAN、CAN-FD、UART、I2C和MIPI CS12，具體取決於型號。sx5ednc

為了幫助開發，德州儀器提供了評估模塊、參考設計和軟體開發套件。公司推出的mmWave Studio是一套用於分析和算法開發的脫機工具。sx5ednc

（來源：麥姆斯諮詢）sx5ednc

sx5ednc