極品飛車(chē)——雷達(dá)處理的未來(lái)

無(wú)線電探測(cè)與測(cè)距（RADAR）系統(tǒng)已經(jīng)在許多應(yīng)用中使用了數(shù)十年，涵蓋從天氣預(yù)測(cè)到執(zhí)法的各個(gè)領(lǐng)域，汽車(chē)領(lǐng)域則在21世紀(jì)初開(kāi)始采用。本文將考察一個(gè)典型的汽車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景及其相應(yīng)的發(fā)展趨勢(shì)。

如今，道路上已經(jīng)有數(shù)百萬(wàn)基于24 GHz的雷達(dá)系統(tǒng)在運(yùn)行，未來(lái)還將有更多基于下一代76-81 GHz系統(tǒng)的雷達(dá)問(wèn)世（例如德州儀器的RFCMOS AWRx產(chǎn)品系列）。從宏觀角度來(lái)看，雷達(dá)系統(tǒng)配置分為圖1所示的終端設(shè)備類(lèi)別，并進(jìn)一步根據(jù)其有效范圍（距離）進(jìn)行細(xì)分，分別對(duì)應(yīng)從近距離到長(zhǎng)距離系統(tǒng)的約1米到400米。

圖1 基于CMOS的雷達(dá)配置概覽

隨著有效范圍和所需精度的增加，通常需要額外的處理能力，這在上述基于CMOS的雷達(dá)配置概覽（圖1）中通過(guò)處理器的出現(xiàn)以及額外雷達(dá)（MMIC，即單片微波集成電路）設(shè)備的增加得以體現(xiàn)。與額外處理器相關(guān)的內(nèi)存也顯著提升了系統(tǒng)的內(nèi)存性能，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的能力。

典型的系統(tǒng)是面向前方的中長(zhǎng)距離雷達(dá)系統(tǒng)，用于在移動(dòng)車(chē)輛的前方路徑中提供檢測(cè)和測(cè)距。這種自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control）會(huì)根據(jù)系統(tǒng)所在車(chē)輛與前方車(chē)輛之間的間距自動(dòng)調(diào)整車(chē)速。此類(lèi)系統(tǒng)的精度對(duì)于在其控制下車(chē)輛的安全運(yùn)行至關(guān)重要。使用多個(gè)MMIC和一個(gè)處理器可以顯著提高角度分辨率和測(cè)距范圍。處理器對(duì)來(lái)自多個(gè)MMIC的流數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而增加角度和測(cè)距分辨率以及整體檢測(cè)距離。

使用多個(gè)MMIC設(shè)備和處理器進(jìn)行進(jìn)一步下游計(jì)算的系統(tǒng)構(gòu)成了級(jí)聯(lián)/成像雷達(dá)（Cascade / Imaging Radar, CIR）系統(tǒng)。這些可編程系統(tǒng)可以通過(guò)在處理器上運(yùn)行的軟件算法、相關(guān)MMIC的配置以及天線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多種類(lèi)型雷達(dá)系統(tǒng)（例如短、中、長(zhǎng)距離）的功能。除了這種靈活性之外，這些CIR系統(tǒng)還通過(guò)波束成形技術(shù)在長(zhǎng)距離場(chǎng)景中擴(kuò)展范圍和分辨率，并通過(guò)多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)在感興趣區(qū)域靠近時(shí)提高角度分辨率的程度（見(jiàn)圖2）。這些技術(shù)通過(guò)增加檢測(cè)距離、測(cè)距分辨率以及相對(duì)于車(chē)輛前方物體的角度分辨率/精度，提高了系統(tǒng)的效能。

圖2

以德州儀器最近發(fā)布的“使用Jacinto? ADAS處理器的級(jí)聯(lián)/成像雷達(dá)捕獲與融合平臺(tái)”為例，這是一個(gè)4芯片的CIR系統(tǒng)，每個(gè)由MMIC（德州儀器的mmWave AWR2243傳感器）設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流都需要大量的處理。德州儀器汽車(chē)ADAS處理器產(chǎn)品線中的單個(gè)SoC可以輕松滿足這些處理需求。例如，“TDA2SXBTQABCQ1”可以利用其異構(gòu)架構(gòu)高效地完成所有這些處理任務(wù)，該架構(gòu)包含多種類(lèi)型的CPU：4個(gè)SIMD（EVE）、2個(gè)DSP（C66）和6個(gè)Arm? Cortex?（2個(gè)A15和4個(gè)M4）核心。

圖3 展示了從MMIC發(fā)送的原始數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)的各個(gè)步驟。

圖3還展示了雷達(dá)處理流程是如何映射到這些核心上的。編號(hào)圓圈中的顏色編碼對(duì)應(yīng)于執(zhí)行每個(gè)特定操作的核心（藍(lán)色 = C66，綠色 = EVE）。Arm核心負(fù)責(zé)執(zhí)行系統(tǒng)的通用應(yīng)用管理和整體控制代碼。圖4展示了德州儀器4芯片CIR參考設(shè)計(jì)中使用的TDA2SX設(shè)備上處理任務(wù)的另一種、更高層次的劃分方式。

圖4

隨著雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜性和能力的增加，處理需求也在增加。圖5展示了典型雷達(dá)數(shù)據(jù)立方體（radar cube）內(nèi)存的增加以及所需操作（以百萬(wàn)計(jì)）的增加。這種復(fù)雜性和處理需求會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加，并且隨著以下汽車(chē)領(lǐng)域的趨勢(shì)持續(xù)發(fā)展，將推動(dòng)對(duì)更多處理能力的需求。德州儀器的雷達(dá)MMIC（AWRx）和ADAS處理器（TDAx）可以憑借獨(dú)特的架構(gòu)、技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）來(lái)滿足這些需求。選擇、開(kāi)發(fā)并產(chǎn)品化利用可擴(kuò)展產(chǎn)品家族（如德州儀器的TDA ADAS處理器家族）的系統(tǒng)，有助于以減少整體開(kāi)發(fā)時(shí)間和提高系統(tǒng)效率的方式應(yīng)對(duì)這些持續(xù)的趨勢(shì)。

圖5

將短距離、中距離和長(zhǎng)距離系統(tǒng)集成到一個(gè)單一的CIR系統(tǒng)中，可以減少車(chē)輛中系統(tǒng)的總數(shù)，以及相關(guān)的功耗、電源設(shè)計(jì)和成本。通過(guò)處理器實(shí)現(xiàn)的性能提升，還可以潛在地減少對(duì)其他配套系統(tǒng)的需求或成本，例如降低攝像頭分辨率/幀率要求，以及減少或去除超聲波傳感器。

除了雷達(dá)相關(guān)的趨勢(shì)外，還有一個(gè)總體趨勢(shì)是，在車(chē)輛上使用多種傳感器，通過(guò)融合不同模態(tài)的數(shù)據(jù)來(lái)增強(qiáng)功能安全性，以幫助應(yīng)對(duì)這些系統(tǒng)必須適當(dāng)處理的眾多環(huán)境變化（見(jiàn)圖6）。下表提供了關(guān)于哪些傳感器最適合應(yīng)對(duì)典型車(chē)輛感知相關(guān)的各種條件的見(jiàn)解。沒(méi)有任何單一傳感器能夠滿足所有這些要求，這證明了融合各種傳感器數(shù)據(jù)以提高感知精度的必要性。

圖6

上述趨勢(shì)將需要更高的處理速度和效率，而德州儀器的TDAx ADAS處理器產(chǎn)品線能夠很好地滿足這一需求。