毫米波雷达系统构成以及部分主要指标思考
雷达天线是用以对外辐射电磁波并感应接收电磁波的传感器,毫米波雷达多以贴片天线为主,也有波导缝隙天线,射频器件AIP封装集成天线等。对于天线主要有发射\接收、天线方位\俯仰等、S11、角度分辨率等指标。天线(阵列\单元)增益及方向图需要根据场景需求,覆盖范围要求、栅瓣抑制、特殊阵列信号处理算法等需求设计。例如在应用场景中存在固定方向的强反射物体,则天线方向图对应方向的旁瓣要低于某个值。方向图与天线单
天线
雷达天线是用以对外辐射电磁波并感应接收电磁波的传感器,毫米波雷达多以贴片天线为主,也有波导缝隙天线,射频器件AIP封装集成天线等。
对于天线主要有发射\接收增益、天线方位\俯仰方向图、TX\RX、RX\RX、TX\TX隔离度等、S11回波、角度分辨率等指标。
天线(阵列\单元)增益及方向图需要根据场景需求,覆盖范围要求、栅瓣抑制、特殊阵列信号处理算法等需求设计。例如在应用场景中存在固定方向的强反射物体,则天线方向图对应方向的旁瓣要低于某个值。方向图与天线单元方向图和天线阵列排布相关。
天线间的隔离度影响天线发射\接收信号的纯度,例如发射方向图的形状、接收阵列信号测角精度,TX\RX泄露导致后级接收机射频器件或ADC饱和等等、从影响整机的端到端性能。
S11回波是与天线驻波相关的参数,影响天线的总体辐射效率,进而影响天线的增益、从而雷达的EIRP、最终影响雷达的覆盖威力。
对于接收阵列还有角度分辨率需求,主要依赖其天线阵列孔径大小。
射频模拟前端\数字前端
在发射端,射频模拟前端\数字前端用于发射信号的发生,并由TX管脚输出信号,经由馈线馈电到天线,从而辐射雷达波形。某些集成的MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)也采用AIP(Antenna-in-Package)封装,将天线集成在芯片内部。
在接收端,天线感应接收电磁信号,并经由馈线输入射频前端的RX端口,经混频、放大、滤波、ADC采样得到数字中频信号,并通过高速数据链路传递到后级数字信号处理器DSP或FPGA、MCU等器件进行进一步的算法处理。
射频前端的指标非常多,RX\RX、TX\TX、TX\RX端口隔离度、Tx输出功率、中频带宽、调频信号线性度、相噪分布水平、接收机噪声系数、接收增益调节、ADC相关指标如Sample Rate(一般为中频带宽2倍)\Bits\ENOB\SFDR\SNR、TX\RX phase\Amplitude Drift。针对复杂波形\阵列设计,MMIC选型还要兼顾支持的波形调制方式、MMIC级联方式等。
端口隔离度对雷达性能的影响同天线。中频带宽一般会影响波形所限制探测距离范围、即相同调频斜率下,中频带宽越大,可探测目标距离越远(忽略灵敏度相关指标对覆盖的影响)。
相位噪声分布影响接收机噪声水平,一般是伴随强反射目标出现在接收端的RV谱上,设计时要保证其低于底噪15dB水平,才不会明显抬升底噪。
根据雷达方程接收机噪声系数变大会直接影响接收机灵敏度,这个不用赘述。
调频信号线性度指标依据引入的频率偏差非线性模型,在RV谱上有不同的表现形式,产生不同的端到端性能影响,以单周期三角函数非线性模型为例,其会导致目标的谱峰展宽,降低测距离精度、测距分辨率,引发目标大压小漏检。非线性度(瞬时最大频偏误差/射频带宽)应保证在千分之二以下为优。
ADC主要考虑量化噪声以及时钟抖动造成的噪声,应尽量小于底噪15dB,不会产生明显的信噪比恶化。链路的增益调节同样重要,需要结合场景确定,既不会让后级ADC饱和、又不会过小,使得ADC的“有效位数”降低,等效抬升"量化噪声"。
TX\RX 的相位幅度漂移主要影响阵列方向图增益、RX测角精度收到影响(MMIO 体制TX的漂移同样影响测角)。
同时功耗也是需要考虑的,例如大疆无人机搭载的毫米波雷达,续航是必然是其需要考虑的重要因素。
数字信号处理器
数字信号处理器承载信号处理、数据处理等计算任务,好的算法需要强大的算力支撑。可以采用在端计算方式、或者端边协同计算的方式。在端侧可选的解决方案为FPGA+DSP+MCU、MCU+DSP、甚至可以将雷达信号处理流程硬编码,与射频前端继承到一颗ASIC的解决方案。
在边侧可以使用CPU+GPU的边缘服务其提供更强大的算力支撑,可以与其它传感器数据进行进一步的融合。
该类器件需要考虑的最重要的一点就是算力是否足够,能否充分发挥算法优势,配合整机达到最优的平衡配置。结合其支持的Hac加速器,核心架构(核心数量、主频支持、流水线数量、SIMD支持、分支预测、Cache等机制)、存储架构(Cache + SRAM + DDR)考虑。
第二需要考虑其外设高速数据传输接口例如rapidIO、LVDS、MIPI、GE接口等等。用于对接射频前端吐出的ADC数据(注意接口兼容性,是否需要额外硬件的接口适配),多片处理器互联时算法中间数据互传,通过千兆网口与边缘服务器的互联以吐出点云数据,进行进一步融合等。
第三需要考虑芯片的功耗。
一些基本的硬件功能一般不会有重要缺失、进行简单检查即可。例如CAN、IIC、SPI、ESPI、UART、DMA、SFC、硬件semphore机制等等。
在进行编程时,编程技巧也十分重要,例如理解芯片底层架构、善用Cache、DMA等外设隐藏访存延迟,DDR bank交织访存、地址对齐访存,将DDR数据搬移到片内SRAM再计算、无锁编程等技巧的使用。 编译器支持的优化相关编译宏使用,例如静态分支预测、循环展开、变量地址对齐定义等,以及编译器内建SIMD指令的使用,编译优化选项的开启等。必要时甚至可以编写汇编代码对特定算子进行指令级的编排,提高指令吞吐量。
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