文︱王樹一

圖︱恩智浦

自動駕駛發(fā)展路線圖上,應用最廣泛的就是雷達傳感器。據恩智浦半導體大中華區(qū)汽車電子首席系統(tǒng)架構師黃明達博士介紹,從基礎的自適應巡航控制(Adaptive Cruise Control)或自動緊急制動系統(tǒng)(Automatic Emergency Breaking)功能,到第四/第五(L4/L5)級別全自動駕駛,雷達都必不可少,而且越用越多。在第二級別(L2)自動駕駛中,通常需要數(shù)顆雷達來實現(xiàn),前向是長距離雷達加攝像頭組合,前向橫穿預警需要兩顆前角雷達,而后向盲點探測系統(tǒng)(BSD)與換道輔助則需要兩顆后角雷達,這就是5顆雷達,再與多顆攝像頭組合即可實現(xiàn)360度覆蓋車輛行駛范圍。

雷達新車裝車率在2023年有望超過60%

恩智浦公司預計,到第四/第五級別自動駕駛需要更多雷達,而且高級別自動駕駛對雷達傳感器性能也提出更高要求。例如,4D成像雷達將在高級別自動駕駛應用中成為必需。所謂4D雷達,是指除了可以測量傳統(tǒng)雷達的距離、速度及水平方向角之外,還可以測量垂直方向的俯仰角度,即可以同時監(jiān)測四個核心參數(shù)。黃明達表示,4D成像雷達的主要特點是角度分辨率非常高,前向4D成像雷達角度分辨率可達到水平方向一度角、俯仰方向二度角的分辨率,由于分辨率高,利用4D成像雷達傳感器收集的數(shù)據,可以對路上的路障、汽車和行人等反射點描繪出整體輪廓,因而被稱之為成像雷達。

對于雷達裝車率,恩智浦預測,到2023年約有60%新車會裝配雷達,其中L1級別比例為40%、L2級別比例為15%、L2+級別為5%。黃明達表示,雷達市場高增長可期,主要原因為雷達應用廣泛,不同級別自動駕駛都需要雷達支持,而隨自動駕駛級別越高,雷達應用數(shù)量越多;另外,政策法規(guī)不斷推動雷達的普及,全球汽車主要區(qū)域市場都在為實現(xiàn)更安全駕駛推薦或強制新車安裝AEB等系統(tǒng)。第三,隨著自動駕駛等級的不斷提高,對雷達性能提出更高要求,而實現(xiàn)高性能雷達,往往需要多個雷達級聯(lián)來實現(xiàn)更高分辨率,這無疑將對雷達傳感器的上量起到雙重驅動作用。

在監(jiān)管政策方面,已經公開的消息顯示,2018年歐洲NCAP開始要求五星級安全汽車必須配置AEB系統(tǒng),我國于2020年也要求新車只有配備AEB系統(tǒng)才能達到五星級安全,日本則在2021年要求所有新車都必須加裝前向AEB和后向AEB,美國廠商計劃在2022年對所有新車加裝AEB系統(tǒng),而歐盟則要求2024年以后所有新車都必須加裝AEB系統(tǒng)。黃明達總結:“這些因素都會會進一步提高雷達在汽車中的裝配率�！�

雷達抗干擾

由于裝車率還不高,所以當前車載雷達的干擾問題還不嚴重。但分析顯示,當總裝車率達到50%以上時,雷達傳感器之間出現(xiàn)干擾的概率將大幅增加,有90%甚至更高的幾率會受到其他汽車的雷達信號干擾。

黃明達解釋,車載雷達易產生干擾主要由于兩個原因。第一,車載雷達頻譜集中在76至81GHz,工作在相同或交疊頻率的雷達之間具備了互相干擾的基礎;第二,不像移動通信有清晰的標準和嚴格的管控,各車載雷達系統(tǒng)的波形設計往往由汽車一級供應商根據自身系統(tǒng)和算法來設置。例如汽車會車時,前向雷達相互照射,如果雷達的發(fā)射時間和頻率相同或有交疊那么就有可能產生干擾。

雷達干擾對系統(tǒng)的危害主要有兩個結果:由于噪底大幅提升導致雷達系統(tǒng)無法識別障礙物;由于干擾信號與受干擾雷達系統(tǒng)的發(fā)射接收信號強相關,會產生一個假目標信號,誤判前后方出現(xiàn)障礙,或可導致急剎等誤操作。無論哪種結果,都將威脅到車內乘客與駕駛員的安全,所以當雷達裝配率越來越高的時候,必須考慮解決雷達抗干擾問題。

黃明達表示,對抗雷達干擾,恩智浦有三種解決方法。第一種是在射頻前端做處理,通過判斷入射信號強度來鉗制干擾信號。雷達射頻前端正常接收的是自己發(fā)射出去的信號遇到障礙物以后的反射信號,而會車時對方車輛是直射信號,此時干擾信號幅度比真正有效信號幅度高很多,所以接收端會看到非常大的信號,該信號很可能會導致接收機射頻前端鏈路飽和,從而使接收機失效,該模式類似于相機被強光照射時過曝,所以可以通過前端增益調整,來控制干擾信號,防止雷達接收機前端因干擾出現(xiàn)飽和而無法工作。

第二種是在處理器上通過數(shù)字信號處理來進行干擾檢測與消除。雷達接收機射頻前端輸出給MCU的中頻信號通常比較穩(wěn)定,當有干擾時,中頻信號的頻率與幅值都會有明顯變化,通過高通濾波器和閾值檢測,或短時傅里葉變換,可以來判斷是否有干擾信號,判斷出干擾信號后,可以將干擾段直接去除,或者通過更復雜的數(shù)字信號處理方法將有效信號恢復。

第三種方法也是在數(shù)字域進行處理,但策略是主動抗擾�？梢噪S機改變雷達發(fā)射信號的頻率或發(fā)射起始時間,例如將發(fā)射信號與偽噪聲序列相乘,或者動態(tài)調整雷達波形發(fā)射時間點。也可以先偵聽某頻段是否有干擾,如果無干擾再發(fā)射信號。

黃明達表示,這三種方法應對今后幾年的雷達干擾已經足夠,要在抗干擾的復雜性和干擾處理能力之間找到適當?shù)钠胶恻c。但雷達裝配率會不斷提高,最終還是會需要更系統(tǒng)的解決方法。例如,可以借鑒通信行業(yè)的成功案例,通過技術標準化,比如制定共享無線通道的接入規(guī)則來提升信道利用率,從而徹底解決雷達干擾問題。他說:“在此基礎上甚至可以更進一步,我們不再把每個雷達傳感器視為獨立單元,而應將雷達傳感器視為同一傳感系統(tǒng)中的多個單元,在這個系統(tǒng)中,不同的雷達傳感器協(xié)同工作,構建成完整的雷達生態(tài)系統(tǒng),用戶或自主駕駛系統(tǒng)可看到由本車雷達、他車雷達和路端雷達共同拼接成的一個完整圖像�！�

恩智浦雷達新解決方案

在這次媒體會上,恩智浦還發(fā)布了16納米雷達信號處理器S32R294。該處理器性能強大、功耗極低、尺寸小巧,非常適合為4D點云雷達等高性能雷達實現(xiàn)信號處理及控制功能。

據恩智浦半導體大中華區(qū)雷達產品市場經理楊昌介紹,S32R294尺寸為7．5mm×7．5mm,與上一代芯片S32R274尺寸一致,但性能提高了一倍。

S32R294有兩個e200z7的Power架構32位內核,用于雷達信號后處理和任務調度,如超分辨算法、信號聚類,目標追蹤等。該芯片還有一對z4內核實現(xiàn)鎖步,用于運行跟功能安全相關的軟件,如AUTOSAR OS, 輸出決策指令等。

S32R294內置雷達信號加速單元,簡稱SPT2．8,對雷達中頻信號的FFT、求模、峰值檢測、直方圖統(tǒng)計等最耗資源的運算進行硬件加速,專為調頻連續(xù)波(FMCW)雷達信號處理進行了計算優(yōu)化和加速。

因與S32R274同屬Power架構,S32R294具有非常高的軟件兼容性,該處理器方案中軟件復用率高達80%,降低了老客戶重復開發(fā)成本。得益于16納米制程,和上一代55納米制程的處理器相比,S32R294的功耗不到S32R274(55納米制程)的一半,功耗典型值為0．9瓦。

S32R294處理器通過了ASIL D最高級別的ISO26262認證。該處理器有專門的硬件加密引擎CSE(Cyptographic Services Engine),可以支持安全啟動等高階加密算法。

S32R294支持多種配置,從入門到高端的全系應用開發(fā)均可采用一種處理器來完成,無論是一發(fā)三收、三發(fā)四收,還是六發(fā)八收等中頻信號處理,S32R294都能輕松支持。

以六發(fā)八收毫米波雷達系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)采用恩智浦TF82系列微波集成電路(MMIC)兩片級聯(lián)來實現(xiàn)更高雷達性能,兩片MMIC芯片通過LO相連,實現(xiàn)芯片間的同步。MMIC芯片由S32R294通過SPI配置總線通道控制波形發(fā)射,接收鏈路接收到的中頻信號也是通過MIPI-CSI接口傳輸回到S32R294去做后續(xù)的信號處理。

黃明達告訴探索科技(techsugar),理論上級聯(lián)數(shù)量越多,性能越好,級聯(lián)越多對各芯片之間的同步,對板級設計的時鐘與高頻信號走線考驗越大,完全不考慮成本的情況下,利用其他外部元器件能實現(xiàn)多于4顆射頻前端的級聯(lián)。但在不借助外部元器件的情況下,NXP的射頻前端最多可以級聯(lián)四顆,構成一個12發(fā)16收的系統(tǒng),從而滿足對4D成像雷達的高要求。當然,用兩顆射頻前端級聯(lián)6發(fā)8收也能構成一個低成本的4D雷達系統(tǒng)。

楊昌則對探索科技(techsugar)表示,在雷達處理器上,恩智浦既有Power架構產品,也有Arm架構產品,而且由于Arm生態(tài)更繁榮,恩智浦將會把越來越多的資源向Arm架構雷達處理器傾斜。