TI 第二代雷達(dá)芯片深度剖析

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2022-03-18 02:43:03 24

車載雷達(dá)是*輔助駕駛(ADAS), 無人駕駛核心傳感器之一，而車載雷達(dá)芯片是車載雷達(dá)的核心，如今高度集成（MMIC + DSP/MCU)的車規(guī)級芯片為雷達(dá)小型化，高可靠性與穩(wěn)定性，低成本提供關(guān)鍵途徑，其重要性不言而喻。

近期，TI公司正式上線下一代車規(guī)級高性能車載雷達(dá)芯片，AWR2944，同時(shí)發(fā)布與之配套的SDK，mmwave_mcuplus_sdk_04_02_00_01，參考設(shè)計(jì)工具箱toolbox, mmwave_automotive_toolbox_3_5_0，以及demo參考板 AWR2944 EVM，那么這次發(fā)布帶來哪些調(diào)整與升級，代表TI公司哪些雷達(dá)芯片產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，可能會對車載雷達(dá)行業(yè)產(chǎn)生哪些影響，我們來個deep dive。

AWR2944 TI定義為第二代車規(guī)級高性能車載雷達(dá)芯片，目前處于Preview階段。也就是可以提供芯片樣品或者可供評估的demo板，未正式規(guī)模量產(chǎn)。

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▲ AWR2944

先來個關(guān)鍵點(diǎn)Device Overview

AWR2944依舊是*45nm RFCMOS工藝，支持76-81GHz頻段，最高5GHz帶寬。同時(shí)芯片支持4Tx4Rx，這也是TI迄今為止單芯片收發(fā)天線數(shù)目最多的芯片；

相位噪聲控制較之前的AWR1xxx系列略有提升，達(dá)到 -96 dBc/Hz [76 to 77 GHz]以及-95 dBc/Hz [76 to 81 GHz]（Phase Noise @ 1MHz）；

全新發(fā)射端移相器；

DSS集成自家DSP，只不過型號由之前的C674x，調(diào)整為C66x。MSS中的處理器由ARM R4F升級為ARM R5F，硬件加速器(HWA)升級為2.0；

片上RAM提升至4MB；

*集成硬件安全模塊(Hardware Security Module，HSM)，HSM本身主要由一個可編程的ARM Cortex M4核構(gòu)成，此外，還對boot加入認(rèn)證及加密機(jī)制（Secure authenticated and encrypted boot support）以及支持加密HWA，進(jìn)一步加強(qiáng)雷達(dá)硬件安全；

車載通信接口方面，2路CAN全部調(diào)整為CAN-FD，并*支持百兆以太網(wǎng)（10/100 Mbps RGMII/RMII/MII Ethernet）;

ADC采樣率37.5Msps，通道數(shù)提升至9路，UART提升至4路，新增CSI2 Rx interface用于采集數(shù)據(jù)回放；

接收端TI拋棄了上一代普遍采用的I/Q正交混頻結(jié)構(gòu)，采用I路混頻結(jié)構(gòu)(如下圖)；

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▲ Receive Subsystem (Per Channel)

硬件架構(gòu)如下圖，AWR2944依舊是清晰的模塊設(shè)計(jì)，前面介紹的各種調(diào)整與升級基本一目了然。我也放了AWR1843 的框圖，大家方便對比。

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▲ Functional Block Diagram(AWR2944)

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▲ Functional Block Diagram(AWR1843)

由此可見，作為第二代高性能雷達(dá)芯片，AWR2944調(diào)整升級的地方確實(shí)還蠻多。但是參數(shù)功能終究只是表面，我們還得看看這些調(diào)整升級背后的深層次邏輯。

我在（行業(yè) I 下一代角雷達(dá)-從SRR600說起）介紹了Conti下一代角雷達(dá)樣態(tài)，在大FoV條件下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)高精度感知是基本要求，這對雷達(dá)測距性能，角度FoV，分辨率及精度提出新挑戰(zhàn)。

2944較前代又多集成一路發(fā)送通道，以實(shí)現(xiàn)更高角度分辨率及精度，同時(shí)也為更多復(fù)雜天線布局設(shè)計(jì)提供芯片層面支持。

通常遠(yuǎn)距離感知主要由天線設(shè)計(jì)解決，相對聚焦的波束測得更遠(yuǎn)，同時(shí)壓縮了FoV，在大FoV條件下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測距是比較困難的，一種途徑就是多天線同時(shí)發(fā)送，比如4路天線同時(shí)發(fā)射，疊加的寬波束能夠在保證寬FoV條件下，距離測得更遠(yuǎn)。但同發(fā)的問題在于接收端對疊加的波束可靠分離較為困難。2944采用了全新的DDM-MIMO通道分離方案(下文會詳述)，在同發(fā)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可靠的通道分離，基本實(shí)現(xiàn)大FoV條件下遠(yuǎn)距離目標(biāo)高精度感知。并且這一切幾乎全由硬件加速器實(shí)現(xiàn)（只有部分少量計(jì)算由DSP介入），因此TI 將HWA順勢升級為2.0。

同時(shí)提高RAM容量以平衡通道數(shù)提升以及算法復(fù)雜度提升帶來的內(nèi)存開銷增大。以太網(wǎng)接口的加入也是應(yīng)對雷達(dá)輸出點(diǎn)云等數(shù)據(jù)量提升問題。

1代芯片中，打頭陣的是1642，DSP是*的計(jì)算核心，用于幾乎全部的信號處理及數(shù)據(jù)處理任務(wù)。MCU基本只用于配置，控制及管理等，這是TI對ARM MCU的基本定位。所以MSS及DSS的處理方式并不平衡，用TI的原話就是

In most use cases the MSS is defined as a control domain while the DSS actually executes the DPC. */ti/mmwave_mcuplus_sdk_04_02_00_01/mmwave_mcuplus_sdk_04_02_00_01/ti/control/dpm/docs/doxygen/html/index.html

而到了第2代，打頭陣的2944中，DSP地位被相當(dāng)弱化，耗時(shí)耗力的信號處理部分基本由HWA代勞，事實(shí)上，只要你愿意，整個RSP處理鏈路皆由HWA實(shí)現(xiàn)，TI也希望你多多使用HWA，也因此調(diào)低了DSP規(guī)格，C66x處理頻率只有360MHz，遠(yuǎn)低于上代C67x的600MHz。并且ARM也被加強(qiáng)，不僅用于配置及控制，也用于上層數(shù)據(jù)處理，比如tracking，classification也可由ARM處理，進(jìn)一步分擔(dān)了DSP的處理任務(wù)，這是DSP規(guī)格下降的理由。

這樣的變化喜憂參半，文末再敘。

雖然2944調(diào)整升級豐富，帶來全新雷達(dá)體驗(yàn)，但由于DSP規(guī)格降低，以及接收端單路混頻方案ADC數(shù)量降低等因素, 2944芯片成本不會提高很多。

軟件及demo參考設(shè)計(jì)方面

TI提供了適配2944的SDK及Toolbox。

Toolbox中包含滿足NCAP R79功能需求的2944參考設(shè)計(jì)，支持BSD， FCTA，LCA等。demo實(shí)現(xiàn)水平FoV ±80°下200m測距，角度分辨率9.5°。比較有意思的是，TI在reference design 的feature欄中加入了這么一句值得玩味的話：Builds customer confidence on mmWave device capabilities，看來毫米波雷達(dá)還是比較卑微啊。

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▲ AWR2944 EVM

EVM與DCA1000結(jié)合提供raw data采集能力，為分析原始ADC數(shù)據(jù)提供支持。

Demo板天線MIMO布局等效陣為

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▲ Virtual Antenna Array

天線頻段覆蓋76GHz至81GHz，增益13dBi, 3dB波束寬度水平±30°，俯仰±3°。6dB波束寬度水平±45°，俯仰±5°。

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▲ Elevation Radiation Pattern

TI在SDK 3.x之后設(shè)計(jì)了全新的SW Framework，引入DPC，DPM，DPU等概念，使得整個軟件架構(gòu)雖復(fù)雜但邏輯較為清晰，開發(fā)者能夠快速上手開發(fā)。Framework不是本文重點(diǎn)，不再贅述，聊聊核心升級DDM-MIMO。

我在(4D雷達(dá)之MIMO通道分離)中討論過，F(xiàn)DM，TDM，CDM等MIMO通道分離技術(shù)。與TDMA不同，F(xiàn)DMA可以實(shí)現(xiàn)同發(fā)，并利用發(fā)射端天線與頻率偏移位置之間的映射關(guān)系確定通道分離方案。

其中FDM可以由下圖簡單總結(jié)。

(A) 如果各待分離通道之間的頻率偏移量是多普勒分辨率的倍數(shù)，則是DDMA;

(B) 如果各待分離通道之間的頻率偏移量是dechirp后信號帶寬的倍數(shù)，則是RDMA；

(D) 如果各待分離通道之間的頻率偏移量是chirp帶寬的倍數(shù)，則是FT-FDMA。

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▲ MIMO channel separation

由此可見，DDM可以認(rèn)為是FDM的一種情況。

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▲ range-Doppler map(DDM)

TI實(shí)現(xiàn)的是 The empty-band DDMA，提供RangeProc DDMA DPU，以及Doppler DDMA DPU構(gòu)成DDMA核心實(shí)現(xiàn)模塊。我簡單看了下TI 目前硬件實(shí)現(xiàn)的DDMA Demodulation，整體完成度還是可以的。

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▲ DDMA principle

從DDMA modulation可見，DDM-MIMO對移相器要求很高，TI的移相器精度也需要仔細(xì)評估。

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▲ Object Detection Data Path Processing Chain

不過DDMA也不是高枕無憂的方案，DDMA潛在問題包括但不限于，

相位校準(zhǔn)
峰值混疊
不均衡幅值

下圖為demo實(shí)測效果，其測距性能，點(diǎn)云密度，F(xiàn)oV等方面效果還可以，比1代確實(shí)有較大提升。希望能夠“Builds customer confidence on mmWave device capabilities”。

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▲ 2944demo Test

小結(jié)

我們再上升一個臺階，分析TI 2944的發(fā)布可能會對車載雷達(dá)行業(yè)產(chǎn)生哪些影響。

若僅從技術(shù)角度分析雷達(dá)競爭力，最重要在于天線，MMIC，算法。芯片廠商提供MMIC，雷達(dá)廠商因天線及算法上的優(yōu)勢逐漸建立自身壁壘，而這一狀態(tài)似乎慢慢發(fā)生變化。

1、毫米波雷達(dá)正逐漸從“信號處理環(huán)節(jié)差異性”轉(zhuǎn)向“數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)差異性”，也即是對點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方式的差異性。TI倡導(dǎo)HWA的使用，將諸多先進(jìn)信號處理算法固化，用戶只需按需取用，信號處理算法正在被標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)建雷達(dá)底層標(biāo)準(zhǔn)品。

降低DSP的處理頻率，提高ARM核心主頻，一方面變相引導(dǎo)用戶強(qiáng)化對HWA的使用，另一方面也有利于均衡成本。TI也表示：

The Hardware Accelerator block (HWA 2.0) supplements the DSS and MSS by offloading common radar processing such as FFT, Constant False Alarm rate (CFAR), scaling, and compression. This saves MIPS on the DSS and MSS, opening up resources for custom applications and higher level algorithms.
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/awr2944.pdf?ts=1637431154585

雷達(dá)廠商的戰(zhàn)場慢慢向數(shù)據(jù)處理，包括跟蹤，目標(biāo)分類，場景理解，邊緣AI，數(shù)據(jù)融合等環(huán)節(jié)。

2、我始終認(rèn)為信號處理才是毫米波雷達(dá)最迷人的地方。這樣的舉措無疑導(dǎo)致，雷達(dá)廠商從ADC原始數(shù)據(jù)輸出到雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出的所有中間環(huán)節(jié)掌控將越來越弱。降低RSP層靈活性。也會進(jìn)一步降低了雷達(dá)技術(shù)門檻，打破原有雷達(dá)廠商部分技術(shù)壁壘。由此可見，芯片供應(yīng)商對雷達(dá)廠商的影響會越來越大，芯片廠商頂層的“平權(quán)”策略進(jìn)一步降低雷達(dá)廠商之間產(chǎn)品差異性，勢必進(jìn)入低價(jià)競爭。

至于后續(xù)雷達(dá)的升級方向，我覺得信號處理部分會在芯片廠商的影響下部分淡化，由HWA依舊會加強(qiáng)，RSP部分最終可能就是標(biāo)準(zhǔn)品，你需要怎么樣的應(yīng)用，配置下寄存器就好了，競爭可能越來越集中在上層數(shù)據(jù)處理，整合全新的AI Engine也是很有可能的，某種程度上，毫米波雷達(dá)除了頻段，會越來越像激光雷達(dá)。

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