强化射频与MCU性能　车用77GHz雷达性价比攀升

　　过往雷达（RADAR）系统大多应用在航空设备，但业界也发现雷达在汽车应用中极具发展潜力，因而纷纷投入设计。特别是以毫米波段中77GHz频率实现的方案最受青睐，因该频段可最大限度吸收水分子，已获业界证明适合用于开发汽车雷达元件和短距离雷达（相对航空航天而言）。

　　尽管大多数短距离雷达仍在24GHz频段上运行，但长期来看，该频段无法保证全球通用性，77GHz雷达将有一定的发挥空间。目前，77GHz雷达感应技术在先进驾驶辅助系统（ADAS）中已占有一席之地。为持续提升ADAS系统品质并优化设计成本，应用设计师须了解发送和接收雷达波所需的77GHz射频 （RF）技术、具备基频信号处理功能的雷达感应器，以及雷达系统功能安全等设计方式。

　　提升雷达RF元件性价比　硅锗碳BiCMOS制程崛起

　　毫米波雷达系统相当依赖III-V半导体元件，现大多汽车雷达系统均使用砷化镓（GaAs）技术实现RF前端威廉希尔官方网站 ；然而，用于制造手机元件的硅锗碳 （SiGe:C）技术，亦能以极低成本打造媲美砷化镓的RF功能，让消费者以合理价格安装汽车ADAS。此外，透过快速、高性能的互补式金属氧化物半导体 （CMOS）制程，元件性能更可大幅超越以90纳米（nm）制程产出的芯片方案。

　　表1解析各种雷达元件制程技术的性能优势。虽然GaAs具有良好的基板隔离效益，每个芯片可实现较高的威廉希尔官方网站 密度，然而，可达成的逻辑密度（用于控制威廉希尔官方网站 ）却非常低；再者，与主流芯片技术实现的高效率相比，GaAs晶圆材料仍较为昂贵。

　　

　　事实上，与一般硅晶片相比，III-V材料更加难以处理，III-V晶圆或基板的大小通常不足硅晶圆的一半，至于进入处理设施的砷化镓晶片成本也会高出十到二十倍，但在经过制造、封装和测试后成本差异将缩小。

　　与此同时，属于高级技术节点的CMOS制程可提供非常好的逻辑密度和成本，但其针对高效能运算而设计的低击穿电压，却难以符合汽车业者要求可靠且须支援中长距离运行所需的功率等级。

　　至于硅锗碳技术选项对雷达元件而言并没有严重缺点，使用经毫米波製程模组增强的传统BiCMOS製程后，即能有效克服上述所有问题。该制程模组通过硅锗碳材料提供双载子电晶体（Heterojunction Bipolar Transistor， HBT）结构，达到更高的电子移动性，以转化为更快的运行速度。

　　BiCMOS制程提供足够的高效率，可为锁相回路（PLL）和串列周边界面（SPI）等数字控制界面添加经济高效的控制结构。击穿和功率增益资料以高于13dBm的功率等级支援发射威廉希尔官方网站 ，同时提供足够的隔离，以便在一个芯片上整合多个接收器通道。

　　采用FMCW机制　雷达系统设计大幅简化

　　在汽车雷达信号调变方面，大多数方案采调频连续波（FMCW）机制，进而简化系统复杂度并提高效能。使用连续载波信号，其频率将根据预定义调度表变化，例如时间斜坡等，该频率变化发生的范围定义雷达系统的频宽。对于普通77GHz雷达来说，有一个围绕着76.5GHz分配的1GHz时隙，以及一个围绕着 79GHz的4GHz时隙。通常，77GHz频率范围对应长距离雷达感应器；79GHz频率范围则与短距离雷达系统有关。

　　雷达发射器通常搭载一个可通过PLL连续调谐的本地振荡器（LO），由此产生出频率扫描速率。图1显示高度整合的雷达感应器架构图，在发射器芯片上，压控振荡器（VCO）生成传输77GHz频率的信号，并由功率放大器（PA）放大后再送至传输天线。VCO的调谐电压则由发射器芯片中的集成PLL威廉希尔官方网站 生成，因此，高频率扫描速率对实现高目标速度精度非常重要。

　　

　　图1 雷达感应器设计架构图

　　为降低系统成本，RF前端芯片组以半发射频率（38GHz）支援LO分布。表2所示为一些重要的接收器（Rx）参数。当出现寄生信号耦合时，大于40dB 的高IF-IF隔离对于使用多通道雷达架构极为重要。另外，表3所示为关键发射器TxPLL参数，结合高动态控制范围的输出功率后，最多可用于四个输出通道（但一次只有一个通道启动）。最高7.8MHz/100ns的升降速度，可实现高解析度雷达系统所需极低的线性调频脉衝倍数。

　　

　　

　　已接收信号的解调通过混合已接收信号和本地振荡器的频率在零差式接收器中执行。由此产生的IF频率将包含与不同距离的反射物体对应的频率分量。接近基频的所有RF下行转换都在一个接收器芯片中执行，该芯片从发射器中接收本地振荡器频率。

　　为以更低频率探索TxPLL功能，须采用一个包含核心TxPLL射频板卡和辅助板卡（提供电源电压和SPI介面）的评估包，以9.5GHz交付输出（Tx 输出讯号除以8）。另外还要提供MCU和Windows XP软件，应用图形化使用者界面（GUI）控制TxPLL芯片。

　　感应器系统的其余部分在MCU中对中频（IF）频率分量进行分析。在大多数情况下只有IF信号的有功分量须做评估，故使用多个接收天线使感应器能确定目标方向；不过，其中的傅立叶转换（Fourier Transformation， FT）就须考虑复杂的相位信号内容。

　　优化调制与演算法　雷达信号处理畅所无阻

　　FMCW雷达的目标检测通过分析每个目标中以IF信号呈现的跳动频率实现。图2所示为发射信号显示频率fmax（例如77GHz）和fmin（例如 76GHz）之间的扫频信号配置，以及周期Tm的基本塬理。一个目标中的反射信号如2号线显示，指出因距离而出现的时间延迟△t，以及因目标的多普勒速度而出现的频移△f。

　　

　　图2 FMCW调制机制示意图

　　IF信号包含距离和目标速度资讯，但两个参数都包含在一个跳动频率fIF中，多普勒频移△f=fTXmax–fRxmax因目标径向速度而导致频率分量 fD=-2Vradial/C0×ftransmit。径向距离d从IF频率更改fR=Sf×d/c0中产生，其中调制速率由Sf=2×fsweep /Tm提供；IF信号由分量fIF=fD-fR组成，导致信号处理任务模煳。

　　有多种方式可解决此一模煳问题，最常见的是使用多个调制调度表，即频率上升后紧跟下降（图2）。该方法允许中度IF频宽，并已广泛用于现有汽车雷达系统，对1公尺的范围解析度和1km/h的速度解析度，50MHz/ms的中等扫描速率便已足够。200公尺检测范围和-180-360km/h的相对速度将 IF频宽限制在100kHz以内。因此，基频信号处理可将模拟数字转换器（ADC）嵌入汽车MCU，实现高整合度。

　　最近，Range-Doppler演算法已在汽车应用领域引发热烈讨论，透过在单一发射周期Tm中应用多个线性调频脉衝，该技术为IF模煳问题提供直接解析度，因此在跳动频率中引出更高的范围分量，并将多普勒分量限制在IF信号的相位中。检测目标的角度方向需要多个天线，到达方向只须透过对已接收目标波形的相位差进行几何分析便可确定。该方法称为数位波束形成（DBF），因为每个方向的波束都可以使用阵列天线的孔径长度计算。在汽车应用中，孔径长度通常由天线覆盖范围范本限制，由汽车制造商自行定义。

　　特殊解析度最少有两个接收通道，但是，将需要两个以上的接收天线实现合理的天线图。图3所示为采用两个接收天线（右）和十六个接收天线（左）配置的等效天线图，使用多个天线的主要优势是旁瓣抑制。

　　

　　图3 使用两个接收通道（右）和十六个接收通道（左）的天线波束配置

　　图4所示为使用Range-Doppler演算法的典型六通道雷达感应器模组，系统元件用量少，可将所有RF发射功能结合在单一BiCMOS芯片中，包括 VCO、斜坡发生器和SPI介面，以便控制MCU，进而在合理成本下实现高性能系统。由于一个50MHz石英基板足以生成一个稳定的77GHz发射时钟基板，因此，LO输出信号可直接馈送至接收器芯片，进行相关解调，但只有一半的LO频率在印刷威廉希尔官方网站 板（PCB）上发送，以免电磁相容（EMC）问题加剧。

　　

　　图4 使用Range Doppler演算法处理的六通道雷达系统范例

　　接收器芯片在一个BiCMOS芯片上包含所有六个接收通道，并且将六个模拟IF通道发送至一个六通道50MHz模拟数字转换器。数字化的真实IF通道在汽车级高性能MCU中进一步处理，FlexRay或控制器区域网路（CAN）用于将物件清单发送至资料融合处理器，四个主要芯片元件中都可实施完整的感应器解决方案。

　　满足车规安全要求　MCU增强资料冗余处理

　　雷达感应器须透过MCU对塬始多通道雷达频段信号进行预处理和资料整合，才能向车载系统提供可靠的连线能力与功能安全性。随着77GHz雷达感应器设计臻于成熟，并大举应用在自适应巡航控制（ACC）系统上。要开发该类系统，缺乏漏检故障是一个主要问题，因此，ISO 26262遂定义汽车安全标准，电子系统须符合安全完整性等级（ASIL）和复制数量的要求。由于雷达感应器是唯一的正向感应器，故须进行大量除错工作，以便让系统本身达到所需的ASIL等级。

　　为简化此类高度容错系统的设计，MCU须提供大量内置的复制和监控元素，如图5所示，新型MCU须专门为具有ASIL-D功能的系统做设计。为以最经济高效的方式降低资料冗余（Redundancy），在复制区域中只有少量逻辑被复制，包括e200内核、eDMA通道、冗余中断控制器（INTC）和软件计时器（SWT）、冗余储存体管理单元（MMU）、冗余交叉桿单元（XBAR）和储存体保护单元（MPU），以及将界面上的冗余校验器（RC）单元连接至非冗余区域。储存体不是复制区域的一部分，可藉由除错码（ECC）针对故障提供保护。 其余元件则透过众多的监控威廉希尔官方网站 针对常见故障提供保护，例如冗余电压监控器、冗余温度感应器和冗余时钟监控器等。对于ADC等特定周边元件来说，线上辅助硬体BIST系统说明在需要时实现无故障运行，所有检测到的故障都由故障采集单元（FCC）采集，可指明独立软件运行外部环境中的错误，并使整个系统进入安全状态。

　　

　　图5 77GHz雷达系统内建MCU的安全功能

　　高效又便宜　车用77GHz雷达应用正夯

　　硅锗碳BiCMOS多通道77GHz雷达感应器非常经济高效，可使用最先进的处理演算法实现数字波束形成。藉由此一技术设计RF元件，将能打造一个具有快速调变、出色线性度和高整合度的高功率发射器。

　　除此之外，特定MCU亦可为77GHz雷达接收器架构提供充足的信号处理资源，特别是低成本的数字波束成形将可由高性能信号处理库实现。至于创新的雷达整合安全概念亦可使用锁步多核架构轻松落实，让77GHz雷达系统在汽车ADAS应用中拥有更多的发挥空间，且能以更低成本进一步抢攻中端价车种市场。