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德州儀器攜CMOS工藝77Ghz毫米波雷達來襲
君硅科技   瀏覽數:   發布日期:2018-01-24 10:17
 

在上游半導體廠商和終端主機廠的推動下,自動駕駛汽車成為現在市場的絕對熱點,這個以ADAS為代表的產品形態勢必會給有先天優勢的毫米波雷達的龐大市場需求。

作為一個波長介于厘米波和光波之間的波段,毫米波兼有微波制導和光電制導的優點,且其引導頭具有體積小、質量輕和空間分辨率高的特點。加上極強的穿透霧、煙、灰塵的能力和探測性能穩定、探測距離長的優點,毫米波雷達成為了ADAS和更高級別自動駕駛汽車的首選,相關市場也逐漸升溫。

根據數據顯示,2014年全球汽車毫米波雷達市場出貨量在1900萬個。而據市場研究機構Plunkeet Research預測,預計到2020年全球汽車毫米波雷達將近7000萬個,我國車載毫米波雷達的市場規模有望達到400億元左右,2015-2020年的年均復合增速約為24%。面對這個巨大的“金庫”,眾多汽車電子廠商先后涌入這個市場,德州儀器就是其中的一個代表。

德州儀器攜CMOS工藝毫米波雷達入局

在汽車電子半導體供應商領域,德州儀器毫無疑問是名列前茅的,但在過往,他們一直沒相關的毫米波雷達產品。今年五月在北京發布了毫米波產品補全后,德州儀器就可以給客戶提供集成度更高的解決方案,簡化他們的設計流程。

德州儀器中國區嵌入式產品系統與應用總監蔣宏

“雖然德州儀器今年在推出毫米波雷達,但其實從2010年開始,我們就開始投入到毫米波雷達的研發。” 德州儀器中國區嵌入式產品系統與應用總監蔣宏告訴半導體行業觀察的記者。

德州儀器毫米波雷達發展歷程

“德州儀器的毫米波雷達產品分成兩個系列,一個是面向汽車的AWR系列,另一個是面向工業的IWR系列,不同于其他大部分競爭對手使用硅鍺工藝,我們的雷達采用的是先進的CMOS工藝,產品尺寸甚至做到了指甲蓋大小”,蔣宏強調。

從公開的資料得知,目前大多數商用雷達系統,特別是高級駕駛員輔助系統 (ADAS) 中的雷達系統,均基于鍺硅(SiGe) 技術。而一些高端車輛都有一個多芯片SiGe雷達系統。雖然基于SiGe技術的77GHz汽車雷達系統能夠滿足自適應巡航控制時的高速度要求,但由于它們體積過大、過于笨重,占用了大量電路板空間。

而隨著自動駕駛層級的不斷推進,車輛中雷達傳感器數量的不斷攀升,目前車輛中至少有10個雷達傳感器(前置、后置和車角),空間上的限制就要求每個傳感器必須體積更小、功耗更低,并且性價比更高。某些正處于開發階段的現有雷達系統將促使發射器、接收器、時鐘和基帶功能集成在一個單芯片內,這就需要CMOS技術的支持。

通過充分利用互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 技術,并將嵌入式微控制器 (MCU) 和數字信號處理 (DSP) 以及智能雷達前端集成在內,德州儀器已經將集成度提升至新高度。前端具有處理功能將盡可能降低雷達系統尺寸、功率、外形尺寸和成本,從而進一步實現車輛內多個雷達系統的安裝。

圖1:由CMOS實現的單芯片集成

德州儀器方面表示,CMOS技術的傳統優勢還包括更高的晶體管密度和更低功率。CMOS內的數字縮放降低了功率,縮小了尺寸,并且提高了每個節點的性能。在數字晶體管改進的推動下,CMOS的速度不斷提高,滿足了79GHz ADAS應用的需要了。

而未來的雷達系統還將需要對短距離的支持,將更佳的角分辨率轉化為雷達系統內的更多天線。采用CMOS技術的TI傳感器能夠支持此項擴展能力,實現高容量的大批量生產。CMOS技術進一步提高了TI在模擬組件中嵌入數字功能的能力,從而實現了在雷達系統部署方面的全新系統配置和拓撲。

“最重要的是,我們這個CMOS產品具有非常好的成本優勢”,蔣宏強調。


下一步是征服汽車和工業市場

在極具優勢技術的加持下,德州儀器為汽車和工業市場分別推出了第一代的AWR1243、AWR1443、AWR1642和IWR1443、IWR1642系列產品。

首先在汽車領域,蔣宏告訴記者,德州儀器汽車毫米波雷達產品線工作在76 - 81GHz波段內,采用調頻連續波技術(FMCW),并具有鎖相環(PLL)可實現線性和高精度調頻,有助于提高范圍精度;能夠覆蓋整個4GHz調頻帶寬,從而能夠探測5cm范圍以內的物體;一個復雜的接收器架構能夠在稠密的傳感器環境中實現人為干擾或非人為干擾的探測;可以在整個電壓和溫度范圍內進行自校準的智能化自監控系統等特性。

“面對汽車領域的不同應用方向,我們推薦用不同的產品”,蔣宏強調。

他建議將AWR12xx應用在像180米,200米這樣的中遠距離,或者更遠目標的探測。同時這個產品有可能跟攝像頭或跟其他的傳感器做融合,可以幫助辨認出物體。比如大貓、小貓、大人和小孩都能辨認出來。這勢必會帶來更多的數據處理。但蔣宏表示,這正是AWR12xx優勢所在。

AWR1243毫米波雷達是一款具有3個發射器和4個接收器天線的雷達前端傳感器。這款器件針對的是諸如ACC和自動緊急剎車(AEB)等長距離和中等距離雷達應用,以實現自動駕駛。與它一同提供的還有CSI-2/信號 LVDS、I2C和SPI。

該單芯片毫米波集成電路(MMIC)還具有一個內置的校準和監控引擎,并且可以與諸如TI TDA3處理器等外部處理器耦合。將多個AWR1243傳感器級聯在一起可以在自動高速公路駕駛的成像雷達等應用中輕松實現更遠的距離和更佳的角分辨率。

AWR1243 毫米波收發器、視野范圍和視域能力

在短距離應用,蔣宏先生則難以使用AWR1642系列。根據他的介紹,這是一款高端單芯片毫米波傳感器,具有2個發射和4個接收天線,針對短距離和超短距離應用,比如盲點探測、變道輔助、十字路口交通警示和車輛啟停控制等。它具有CAN、CAN FD和SPI接口,以及1.5MB的片上內存,一個ARM® Cortex®-R4F和TI C674x DSP負責數據處理。

AWR1642單芯片傳感器、視野范圍和視域能力

正是在這些技術之前下,產品具有外形尺寸縮小33%、功耗減少50%、范圍精度提高10倍以上、整體方案成本更低的優點。

在面向停車輔助、乘坐人員探測、車門/后備箱開啟裝置以及簡單手勢運動等接近度感測應用等超短距離應用,蔣宏先生表示這是AWR1443所擅長的。AWR1443器件包括針對3個發射和4個接收天線的完整毫米波射頻部分以及模擬信號鏈,并包含具有0.5MB片上存儲器的用戶可編程ARM Cortex R4F,以實現前端的自主運行。

AWR1443單芯片傳感器

毫米波傳感器技術在汽車領域非常成功,不過設計人員目前正在解決這項技術擴展至其它市場時所面臨的挑戰,比如說樓宇和工廠自動化應用領域。所遇到的問題是,此前的雷達系統都是分立式設計,導致了復雜的硬件設計和軟件開發,提高了準入門檻。

德州儀器的IWR1x 毫米波傳感器將單芯片毫米波感測所必需的全部組件集成在一起,以簡化硬件和軟件設計。

德州儀器的單芯片IWR1x 毫米波傳感器產品組合將毫米波雷達射頻技術與強大的ARM® MCU和TI數字信號處理 (DSP) 集成在一起,實現了簡單的單芯片解決方案,降低了毫米波感測的準入門檻。借助TI的單芯片10mmx10mm IWR1x傳感器,你不用再去處理分立式前端、模數轉換器和處理器件之間的復雜高速數據和通信走線,也不用處理額外尺寸、功率和支持它們的相關物料清單成本。這個集成度還簡化了軟件設計過程,從而極大簡化了器件配置、監控和校準。

德州儀器能將其應用到液位監測、交通監控基礎設施和無人機等領域,德州儀器甚至還將其應用到了心率和心跳呼吸的非接觸測量中。

先進的產品加上德州儀器打造的一款由驅動程序、操作系統(OS)抽象層、參考算法庫、固件、API、實用工具和演示實例組成的軟件開發套件,還有第三方合作伙伴的支持,德州儀器毫米波雷達已經蓄勢待發。

(責任編輯:js)

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