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1、77G毫米波雷达ADAS应用及方案分析近年来ADAS功能逐步趋向于自动驾驶场景。面对复杂的交通环境、天气及昼夜的变化，亳米波雷达表现卓越的性能更加抢眼、使之成为当前自动驾驶技术方案的标配。本文基于亳米雷达技术特点和应用场景，对比目前主流芯片厂商的集成方式，以及雷达模组厂商的主要产品，给出毫米波雷达选择准则和配置规律。本文主要包括部分内容，第一节介绍毫米波雷达的工作原理和前端电路结构。第二节介绍7681GHz毫米波雷达在ADAS功能和AD自动驾驶中的角色和功能，重点介绍相较激光雷达和摄像头两种技术方案毫米波雷达的技术特点和优势。第三节重点介绍和对比主要雷达前端半导体厂商的77GHZ雷达方案和特点
2、，为汽车雷达研发人员提供方案选型依据。毫米波雷达3个主要的测量能力和特点作为ADAS或AD自动驾驶汽车空间感知系统的重要组件，毫米波雷达可为主机车辆提供多种高精度的路面空间信息，如目标车辆的距离、方位角和相对速度等。这些信息对车辆主动控速、避让其他车辆，甚至执行紧急安全措施都具有非常重大的意义。图1为例:展示了车载雷达的3个主要的测量能力，即与目标车辆（物体）的距离、方位角和相对径向速度。而对于高分辨率雷达还具有一定物体特征的检测能力，从而判断目标的性质，比如轿车、卡车、行人、路灯杆、冰面路等。从原理上说，传统的脉冲雷达是通过测量发射波和反射波之间的传输延时求得与目标物体的距离参数；通过水平旋
3、转雷达天线的发射面实现机械扫描来获取目标的方位角度；对于被测目标的速度，则必须采用发射连续波，经过测量反射波的多普勒频移并计算获得。可以看出，单一测量目的的雷达原理并不复杂，但是如何将它们集成到一具雷达组件上，并且具有的小型化、轻量化、低功耗和耐震动的特点就是一个不小的挑战了。这也成为各大厂商摒弃机械雷达，不约而同的选择固态亳米波雷达的主要原因。首先，毫米波波长短，收发天线尺寸小，组件装置就可以做的很小；其次，伴随着射频技术的发展，毫米波半导体技术己经比较成熟，雷达前端电子器件集成度很高，雷达模组重量轻，抗震性能理想。而且随着雷达芯片的大规模量产，组件成本低，可以在车身上安装多组、级联和拼接后
4、实现360环视，这样就无需复杂而精密的机械扫描构造；而且从信号处理的角度，亳米波雷达采用的特殊调制方式，可以在极短时间内完成距离和角度的双重测量，效率非常高。而且通过反射波的微多普勒特征，通过算法可以判断目标物体属性，实现目标识别。车载雷达收发器结构传统的脉冲雷达是通过测量收发信号的脉冲时间差来算出与目标距离。但是三角FMCW或Chirp雷达却是要测量发射信号和接收信号之间的频率差，这就需要在雷达收发器中加入一个混频器，将收发信号进行混频得到频率差（也可称为IF中频信号）。毫米波雷达组件是如何实现它的功能的呢？下边需要介绍一下雷达的电路结构。如图5展示了基本的毫米波雷达原理框图。三角波发生器通
5、过控制锁相环PLL内的VOC压控振荡器产生一个周期性的调频信号。经过n倍频器将其变换到76GHZ81GHz的发射频率。经过PA放大，由TX天线将雷达波束发射出去照射目标物体。雷达波经物体反射回到RX天线。微弱的反射信号再经过LNA低噪声放大器再与Tx信号进行混频，从而得到IF差频信号fBo以上在整个毫米波雷达系统中被称为“射频前端”（RFFE）。而后模拟的IF信号通过“数字前端”的ADC电路进行采样和量化转换数字基带信号。接下来的数字型号通过总线接口传输给执行FFT运算的数字信号处理器DSP,最终计算获得目标物体的距离、方位和速度等信息。从电路结构来看，在数字处理之前是被称为“雷达收发器”的部
6、分，也是各车载雷达芯片公司主要的战场。而之所以将车载毫米波雷达系统划分成射频前端、数字前端和数字处理这三部分。主要是因为各雷达半导体厂商通过对这三部分电路的集成和分割体现各自在半导体工艺、雷达性能和集成度方面的差异化和优势化。最新车载亳米波雷达的分类和应用ADAS/AD对车载雷达的需求从市场角度，全球汽车工业朝着电动化、智能化、网联化的方向发展，市场对具有ADAS功能的汽车需求增加，也带来了车载雷达需求总量的激增。这期间各大IC厂商纷纷进入，与汽车部件供应商和车厂一起建立了一套完整的车载雷达技术与供给产业链。同时单车雷达的数量、性能和安装位置也已经与具体的ADAS任务之间产生了特定关系。从雷达
7、装备数量来看，表1展示了NXP恩智浦半导体公司预估自动驾驶LevelI-Level5各级车载雷达及其他传感器数量需求。ADAS至自动驾驶LevelI-Level5级的进阶是汽车驾驶朝着自动化和智能化升级的过程，它同时伴随着车身雷达Radar和摄像头Camera数量的增加。可以看出毫米波雷达和摄像头的数量远大于同程度的激光雷达LiDARo这不只是原理和用途上的差异，更是成本的考量。可以说未来车载毫米波雷达使用的普遍性、总装数量和市场都会非常的庞大。车载雷达及传感器种类亳米波雷达是通过电磁波束对目标进行探测的，因为发射功率与探测距离，天线排布与探测角度之间制约关系，很难让一具雷达同时具备大角度和远
8、距离的性能。所以毫米波雷达根据不同的探测需要被分为远距LRR中距MRR和近距SRR3个类型，如表2所示。作为ACC自适应巡航功能的前视雷达采用LRR,它要看的足够远以保证车辆在高速行驶过程中有足够的减速时间和制动距离，但LRR的波束集中限制了它的视场角。而MRR中距雷达主要支持如LCA变道辅助等功能。它可以提前检测目标车道的路面情况，确定其他车辆的位置和速度，车载计算机通过计算就可以制定变道时机、切入角度和速度等行驶动作策略。SSR则和当前很多车辆的超声波雷达的功能有一定重合，主要支持车身环视、自动泊车和障碍物检测功能。同时较UltraSoniC超声波雷达，SRR其探测范围更大，可以精确定位车
9、身周围行人或障碍物的位置。除了上述提到的从功能上划分，当前车载毫米波雷达还可以从波段和带宽上划分（表3）备注：由于欧洲24G频段占用卫星/航天服务共享频段，车载24G雷达频段将于2022年取消车载毫米波雷达中心频率从24G提高到77G除了考虑各国频段资源分配的法规，更重要的是77G可以承载的更高的工作带宽，从而提供更高分辨率和目标检测能力。比如，77G雷达在IG的带宽时，在前方25Om的范围内分辨行人和车辆，这对车辆驾驶决策具有非常重要的意义。最新车载毫米波雷达在ADAS上对应的具体功能当前带有高级辅助驾驶功能的汽车，会根据其支持的项目来部署车载雷达和其他传感器(表4)。表4总结了当前已经实现
10、的L3级ADAS的主要功能。其中9项需采用毫米波雷达的支持。可以说亳米波雷达是未来高级辅助驾驶和自动驾驶系统的“标配工亳米波雷达在全天候条件下，测量效率和系统成本优势远高于激光雷达和摄像头。但其在交通标志、标线和物体识别方面的缺陷，则要由摄像头传感器来支撑。如图6所示，当前车载毫米波雷达Radar都是固态的，安装在车身的固定位置，并探测车外相应区域，如前视MRR中距雷达、后视MRR中距雷达和近距SRR环视雷达。摄像头也同样采用固定职位安装，并监视相应的区域。而当前比较成熟激光雷达基本采用机械扫描方式，一般安装在车顶以此实现360扫描。77G亳米波雷达方案-典型ADAS/AD驾驶雷达方案为了更好
11、的了解最新毫米波雷达的硬件方案，我们先关注一下前沿的ADAS/自动驾驶感知系统的硬件拓扑结构。如图7展示，首先明确的将固态激光雷达、毫米波雷达和摄像头传感器分成独立的3个域，每个域一个单独的域控制器(SenSorDomainProcessor)o而一个域控制器下挂多个同类的传感器或雷达。比如，毫米波雷达域就有2组共6具雷达收发器。要说明的是最新的车载毫米波雷达支持级联技术，它通过将多个收发器串联在一起，增加某一方向上收发天线数量，通过域控制器的同步使这个方向的雷达具有更大的视场角度和探测能力。如图7中，6个SRR/MRR中短毫米波雷达就是3个一组的级联方式，2组分别负责不同的探测方向。同时LR
12、R远距毫米波雷达被独立出来，因为前看雷达采用宽带高分辨率窄波束模式，专门负责ACC和AEB等高安全级别功能。其数据接口要满足大带宽和低延时要求，因此直接链接融合控制器，而不经由域控制器的分支。当然，这种以控制融合单元(COntrolFUSiOnUnite)为中心的拓扑结构，可以拓展多个域控制器，结构非常灵活。不同类型的雷达或传感器获取的空间数据在这个单元中进行融合计算，最终建立起一个三维空间地图，实现如安全预警、变道、环视和自动泊车等ADAS功能。77/79G雷达系统方案如1.4节所展示的，一个完整车载毫米波雷达收发器模块，包括射频前端(含天线)、数字前端、数字处理DSP以及电源这4个部分。毫
13、米波雷达作为整车前装部件，且单车装备数量多，所以整车厂对其成本非常敏感。早期的毫米波雷达方案，由于受到射频半导体工艺的限制，其电路主要由分离器件搭建，性能和质量并不稳定，成本也下不来。但随着MMIC微波芯片技术和制造工艺的提高，不同的半导体公司都提出各自特点的集成方案。如欧洲的英飞凌(Infineon)其车载雷达方案发展的较早，他们最早采用离散器件电路，后逐步集成形成今天基于BiCMOS工艺收发器+数字DSP的套片方案。欧洲的另外一个厂商恩智浦（NXP）2017年开始从BiCMOS转向集成度更高的RFCMOS收发器+数字DSP的方案。而大洋彼岸的美国德州仪器（Tl）则从一开始就采用RFCOMS
14、技术制造集成数字处理后端的单芯片方案。这里可以看出从工艺角度有BiCMOSvsRFCMOS两大流派；从结构上有“套片方案”VS“单芯片方案”2种方案。下面就从成本和优缺点来分析这3种典型毫米波雷达IC方案：BiCMOSVSRFCMOSBiCMoS主要为SiGe（硅钻）工艺，BiCoMS是当前MMIC领域一种比较成熟的模拟制程。它是将双极型BJT晶体管和0.5Um的CMOS技术结合在一起，让芯片既拥有硅工艺一定的集成度、较高的优良品率和较低的成本，又具备第3到第5类半导体在高截止频率、高功率、高线性度、低噪声等优良射频性能。BiCMOS非常适合制造毫米波雷达射频收发器ICo而采用RF-CMOS工
15、艺的优势是可以将射频前端，运算处理与存储器等数字组件制作在一块晶片上。这就意味着可以将雷达系统的模拟前端、数字前端和数字处理这3部分完全集成在一颗芯片里，实现雷达的单芯片化和低成本目标。但是由于将系统的模拟模块和数字模块集成在一起，引入的开关噪声和RFCMOS自身的高噪声问题与改善性能所需增加的成本等问题，成为摆在RFCMOS雷达芯片面前的突出障碍。从另一个角度也正是因为长期的积累和采用BiCMOS工艺，确立了英飞凌在LRR远距离亳米波雷达上的优势，包括兼备探测距离远和接收灵敏度高等特点。但是正如图7所示，LRR在ADAS系统上的需求有限，而环视和角雷达等SRR和MRR中近距离的亳米波雷达需求
16、数量很大，而RFCOMS的高集成度和高优良品率带来的成本优势将会在未来逐渐显现出来，所以恩智浦近年来改变BiCOMS路线，开始全面推广RFeoMS工艺的中近距离雷达方案。但是NXP不同于TI方案，没有直接一步迈入射频前端和数字后端集成在一起的单芯片方案，而是RFCOMS的收发器和数字处理分制在两个芯片上，这样既可以有效的隔离数字后端的噪声，保证雷达的灵敏度，防止假目标出现，又可以一定程度降低成本，创造一些价格优势。总结来看BiCOMS的车载毫米波雷达在探测距离和接收灵敏度上较RFCOMS雷达优势明显，但是RF-CoMS雷达成本低，在布置总量更大的中近距离雷达市场更有优势。1 .英飞凌RXS8160PL方案Infineon英飞凌方案采用3发4收天线阵列和BiCMOS制程（图8）。当前，英飞凌最新的77G车载雷达方案包括收发器前端（RF
