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(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,通常需要數顆雷達來實現,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(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。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)域市場都在為實現更安全駕駛推薦或強制新車安裝AEB等系統。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,而實現高性能雷達,往往需要多個雷達級聯來實現更高分辨率,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,我國于2020年也要求新車只有配備AEB系統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,而歐盟則要求2024年以后所有新車都必須加裝AEB系統。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,各車載雷達系統的波形設計往往由汽車一級供應商根據自身系統和算法來設置。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。

雷達干擾對系統的危害主要有兩個結果:由于噪底大幅提升導致雷達系統無法識別障礙物;由于干擾信號與受干擾雷達系統的發(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飽和而無法工作。

第二種是在處理器上通過數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字信號處理方法將有效信號恢復。

第三種方法也是在數字域進行處理,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的平衡點。但雷達裝配率會不斷提高,最終還是會需要更系統的解決方法。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中的多個單元,在這個系統中,不同的雷達傳感器協同工作,構建成完整的雷達生態(tài)系統,用戶或自主駕駛系統可看到由本車雷達、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為例,該系統采用恩智浦TF82系列微波集成電路(MMIC)兩片級聯來實現更高雷達性能,兩片MMIC芯片通過LO相連,實現芯片間的同步。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),理論上級聯數量越多,性能越好,級聯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多于4顆射頻前端的級聯。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四顆,構成一個12發(fā)16收的系統,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6發(fā)8收也能構成一個低成本的4D雷達系統。

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。