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【芯智驾】6款4D成像毫米波雷达芯片方案,谁是智驾担当?

来源:爱集微

#芯智驾#

#成像雷达#

10-03 13:00

芯智驾──集萃产学研企名家观点,全面剖析AI芯片、第三代半导体等在汽车“大变形”时代的机会与挑战!

集微网消息,毫米波雷达因其全天候工作的优秀表现,已经成为汽车辅助驾驶系统的核心传感器之一,根据高工研究报告,预计前向毫米波雷达至2025年在L2级以上车辆的搭载率有望突破50%。

不过传统毫米波雷达的角分表率过低,对目标检测不灵敏的特性,让其无法在L4级及以上的自动驾驶中继续担当主角。为解决技术瓶颈,4D成像毫米波雷达应运而生,其同时兼顾了传统毫米波雷达全天候工作和激光雷达精准扫描的特性,获得了包括大陆、博世、华为等一众Tier 1的认可并投入研发,4D成像毫米波雷达也借此东风正式崛起,据行业预测,至2023年,4D成像毫米波雷达的搭载量或突破100万颗。

针对目前自动驾驶感知系统不同技术路线的现存优缺点,4D成像毫米波雷达被寄予厚望。只是,在业内人士看来,4D成像毫米波雷达还处于起步阶段,目前只能替代低线束激光雷达,未来若要实现对分辨率更高的激光雷达的替代,解决自动驾驶成本高、量产难的问题,毫米波雷达仍需继续突破技术瓶颈。

据了解,毫米波雷达的分辨率取决于天线数量、处理性能以及接收面积,因此,拥有一款合适的芯片方案成为了4D成像毫米波雷达发展的关键。今天,笔者就给大家介绍几款适于开发4D成像毫米波雷达的可选芯片方案。

1、恩智浦:S32R45/S32R294

2020年12月,恩智浦推出了一套完整的汽车传感器芯片组解决方案,该方案包括新款恩智浦雷达处理器以及77GHz收发器,能满足车辆角落雷达以及前置雷达的NCAP要求,首次为4D成像雷达实现商业化量产提供了可行道路。

据了解,该套方案其实为两种新型雷达解决方案。

一种是成像雷达解决方案,结合了新款专用S32R45雷达处理器和TEF82xx收发器,能够提供优良的角分辨率,具备所需的处理能力和探测范围,不仅能够区分近距离的小物体,还能够在拥挤的环境中准确地区分车辆以及骑行者或行人等弱势道路使用者。

另一种是角雷达和前置雷达解决方案,基于恩智浦新款S32R294雷达处理器并结合了恩智浦TEF82xx收发器,能够实现远距离前置雷达以及高端多模态用例,如同步盲点探测、变道辅助以及高程传感等。其中,S32R294是一款雷达信号处理器,目前采用16nm制程工艺,未来将有可能采用台积电的5nm工艺打造,可以处理4D点云雷达信号,将为主机厂提供扩展性解决方案所需的效能。

基于S32R45、S32R294 两款处理器,能够满足行业打造全新4D成像毫米波雷达的开发需求。

2、德州仪器:AWR1642/AWR2243

德州仪器于2016年曾推出基于CMOS工艺的高集成度77GHz毫米波雷达传感器AWR1642系列,欲打破恩智浦和英飞凌两家企业对传统毫米波雷达芯片的垄断格局,但事与愿违。

在洞悉到毫米波雷达要获得更高角分辨率,就要增加天线数量这一需求后,德州仪器于2018年推出基于AWR2243 FMCW(调频连续波)单芯片收发器的4片级联4D毫米波雷达全套设计方案。

公开资料显示,AWR2243采用45nm RFCMOS工艺,能够在76至81 GHz频段内工作,该器件以极小的尺寸实现高度集成,并支持5G带宽,提供有三个发射通道和四个接收通道,TX功率和RX噪声系数分别为13dB和12dB,采用了包括多普勒分割多址和波束控制等2000多种芯片调制功能,探测距离>220米,可区分附近的大小目标。

需要说明的是,德州仪器针对AWR2243提供一站式解决方案,收发器平台解决方案包,包括参考硬件设计、软件驱动程序、示例配置、API指南和用户文档,同时提供2芯片级联和4芯片级联方案,能大大降低开发成本,同时因打造了集成度更高的天线片上集成(AoP)芯片,极大降低了用户的开发成本;该芯片方案也已成为目前4D成像毫米波雷达的主流方案,根据公开数据,华为、苏州豪米波等国内外多个毫米波雷达企业均基于该芯片开发各自的4D成像毫米波雷达。

3、赛灵思:Zynq UltraScale+ RFSoC

德国大陆在2016年开始研发4D成像毫米波雷达时,选用的芯片方案为恩智浦的S32R274,但该芯片无法让雷达小型化,最后选用赛灵思的Zynq UltraScale+ RFSoC系列FPGA。

该芯片方案发布于2019年2月21日,专为射频领域设计,第二、三代Zynq UltraScale+ RFSoC具有更高的射频性能及更强的可扩展能力,分别最高支持到5GHz和6GHz,从而满足新—代5G部署的关键需求。同时,还可支持针对采样率高达5GS/S的14位模数转换器(ADC)和10GS/S的14位数模转换器(DAC)进行直接RF采样,二者的模拟带宽均高达6GHz。

方案中,在SoC架构中集成数千兆采样RF数据转换器和软判决前向纠错(SD-FEC);配有ARM Cortex-A53处理子系统和UltraScale +可编程逻辑,是业界唯一单芯片自适应射频平台;可为模拟、数字和嵌入式设计提供适当的平台,从而可简化信号链上的校准和同步。

作为面向可扩展、多功能、相控阵雷达的单芯片TRX解决方案,Zynq UltraScale+ RFSoC能够在预警场景下实现低时延收发,获得最佳响应时间;可为部署5G无线通信系统、有线电视接入、高级相控阵雷达、汽车雷达以及包括测量测试和卫星通信在内的其它应用提供所需的更广泛的频段覆盖范围。

4、Arbe:RFIC/Phoenix芯片组

Arbe成立于2015年,总部位于以色列特拉维夫,并在北京和硅谷设有办事处,团队包括半导体工程师、汽车雷达专家和数据科学家等。

成立之初,Arbe主要依赖采购第三方芯片组来进行4D成像雷达解决方案的研发;但因第三方芯片存在算力、软件开发匹配度等问题,Arbe随后开始了自研芯片计划。2020年5月,Arbe发布4D成像雷达处理芯片——RFIC,采用格罗方德半导体公司22nm射频CMOS工艺,搭配了自研算法和原创天线设计,可提供比原来的图像精细100倍的图像精度,Arbe基于该芯片推出了车规级4D成像雷达芯片组解决方案——Phoenix。

该芯片组拥有2300个通道(48发射×48接收),相较于传统毫米波雷达的12个通道(3发射4接收)大幅提升;支持提供1°方位角和2°仰角物理分辨率,能够以每秒30帧的速度实时追踪数百个目标;视野范围达到100°方位角和30°仰角,探测距离达到300米可实现提供点云成像的功能;可以根据距离、方位角、仰角和速度追踪并分离对象,适用于L3级及以上的高级自动驾驶中应用。

除了Phoenix芯片组,2020年10月29日,Arbe还推出了首个2K高分辨率成像雷达开发平台,Tier 1和OEM厂商可以利用该平台,进行自动驾驶感知能力软件算法的迭代,可提供实时聚类、追踪、自定位、过滤错误警报、实时推断车速和定位、追踪/分类视野内的物体并识别其速度、提供自由空间地图等功能。

5、Vayyar:ROC

Vayyar也是来自以色列的一家传感器企业,成立于2011年,致力于开发低成本4D成像传感器。

2020年12月,Vayyar推出了一款新型单芯片4D成像雷达SoC——ROC,在单颗芯片上集成了72个发射器和72个接收器,覆盖了3 GHz~81 GHz雷达和成像频段,集成有一个内部数字信号处理器(DSP)和微控制器单元(MCU),可以进行实时信号处理,只需一个射频集成电路(RFIC)即可执行感测、计算、处理、映射和成像目标。

据Vayyar介绍,该单芯片解决方案能够看穿物体,并能在所有天气条件下有效运行,可以替代其他传感器,而无需昂贵的激光雷达和摄像头。方案支持跨3-81GHz的超宽带(UWB)和毫米波频率;同时搭载内部数字信号处理器(DSP)和实时信号处理微控制器单元(MCU)。RoC还可支持多种系统,包括入侵警报、儿童存在检测、增强型安全带提醒和eCall,在发生碰撞时向紧急服务部门报警。

Vayyar透露,RoC预计将于2023年集成到汽车中。不过,RoC并非应用于自动驾驶,而是一款应用于驾驶舱监控系统、儿童存在检测、安全带提醒、侵入者警报的辅助驾驶产品。

6、英飞凌:RXS816xPL/RXS8156PLA

行业龙头英飞凌虽然坐拥全球2/3车用77GHz雷达芯片市场,但在4D成像毫米波雷达芯片方面进展缓慢。2020年初,英飞凌宣布与美国傲酷合作,进入车规级成像雷达市场;同年7月,在英飞凌汽车电子开发者大会上,英飞凌继续表示,下一步会推出点云成像毫米波雷达芯片。

据分析,英飞凌推出的RXS816xPL系列芯片可满足成像雷达需求,支持在单个设备中执行雷达前端的所有功能,从FMCW信号调理到生成数字接收数据输出;满足了从AEB到自动驾驶中的高分辨率雷达等关键型应用的77-79 GHz雷达的需求;使用支持高达2GHz的高调制带宽,以实现精确的距离测量和MIMO的同步发射机操作,能够探测和识别300米范围内的物体。

据了解,RXS816xPL支持3个发射通道和4个接收通道;同时,英飞凌在77/79 GHz频段内,还提供有RXS8156PLA毫米波雷达芯片,该芯片支持2个发射通道和4个接收通道。

小结

目前,成像雷达的实现方式主要有三种方案,分别是标准芯片+软件算法、多收多发芯片组、超材料技术。而4D成像雷达尚处于起步阶段,不仅市面上推出的产品有限,可选用的芯片方案也非常有限,从公开信息看,目前可选芯片方案主要有TI、恩智浦、赛灵思、Arbe等少数几家。

部分传统毫米波雷达芯片大厂仍在观望中,意法半导体、ADI等均有布局77GHz车规级毫米波雷达芯片,但在4D成像毫米波雷达芯片领域进展缓慢。

其中,ADI拥有超过15年的雷达芯片开发经验,2018年3月收购由西门子公司剥离出来的德国Symeo公司后,具备了4D毫米波雷达芯片的开发实力。2019年,ADI系统解决方案事业部总经理赵轶苗透露,正在积极研发77GHz、79GHz的高分辨率成像毫米波雷达的射频芯片,计划于2020年完成量产准备,至今仍未有确切公开信息。

实际应用上,据行业统计,目前除了德国大陆推出的全球首款4D成像毫米波雷达(ARS540)选用的是FPGA方案外,其余方案基本都是基于德州仪器的芯片方案所开发。未来随着4D成像毫米波雷达的应用方向及技术方向愈发明确和清晰,主流芯片大厂将会择机推出更多适用于4D成像毫米波雷达的芯片方案。

与此同时,以现有芯片方案推出的4D成像毫米波雷达,仅能实现最大等效于8线束及以下激光雷达的效果,未来若要在L3级及以上更高级别的自动驾驶中应用,4D成像毫米波雷达芯片仍需寻求提高分辨率等核心技术突破。

为此,国际上已经涌现出一批专注于4D成像毫米波雷达方案的创新公司,除了本文提到的Arbe、Vayyar,还有Unhder、MetaWave、EchoDyne、Ainstein等一批企业,已经形成了较强的技术积累。同时,一批新的产品设计公司也不断基于现有方案进行创新,如美国傲酷推出的Eagle就采用了软件算法加载的方式,实现更高的分辨率;国内华为推出的4D成像毫米波雷达也是基于现有方案获得更高的分辨率。

而博世、日本电装、采埃孚、日本电产艾莱希斯、Smartmicro等老牌雷达企业也在加紧对4D成像毫米波雷达的推进进度。

另外需要说明的是,截至目前,国内企业仍需高度依赖国际芯片公司,随着森思泰克、加特兰、岸达科技、清能华波、微度芯创、矽杰微电子、晟德微集成电路等本土企业的成长,未来或有“芯”突破。(校对|James)

责编: wenbiao

Andy

作者

微信:ren378087210

邮箱:huangrg@lunion.com.cn

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