TI 第二代雷達芯片深度剖析

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2022-03-18 02:43:03 4

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

近期，TI公司正式上線下一代車規級高性能車載雷達芯片，AWR2944，同時發布與之配套的SDK，mmwave_mcuplus_sdk_04_02_00_01，參考設計工具箱toolbox, mmwave_automotive_toolbox_3_5_0，以及demo參考板 AWR2944 EVM，那么這次發布帶來哪些調整與升級，代表TI公司哪些雷達芯片產品設計思路，可能會對車載雷達行業產生哪些影響，我們來個deep dive。

AWR2944 TI定義為第二代車規級高性能車載雷達芯片，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，未正式規模量產。

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▲ AWR2944

先來個關鍵點Device Overview

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

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

全新發射端移相器；

DSS集成自家DSP，只不過型號由之前的C674x，調整為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核構成，此外，還對boot加入認證及加密機制（Secure authenticated and encrypted boot support）以及支持加密HWA，進一步加強雷達硬件安全；

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

ADC采樣率37.5Msps，通道數提升至9路，UART提升至4路，新增CSI2 Rx interface用于采集數據回放；

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

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▲ Receive Subsystem (Per Channel)

硬件架構如下圖，AWR2944依舊是清晰的模塊設計，前面介紹的各種調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芯片，AWR2944調整升級的地方確實還蠻多。但是參數功能終究只是表面，我們還得看看這些調整升級背后的深層次邏輯。

我在（行業 I 下一代角雷達-從SRR600說起）介紹了Conti下一代角雷達樣態，在大FoV條件下實現遠距離目標高精度感知是基本要求，這對雷達測距性能，角度FoV，分辨率及精度提出新挑戰。

2944較前代又多集成一路發送通道，以實現更高角度分辨率及精度，同時也為更多復雜天線布局設計提供芯片層面支持。

通常遠距離感知主要由天線設計解決，相對聚焦的波束測得更遠，同時壓縮了FoV，在大FoV條件下實現遠距離測距是比較困難的，一種途徑就是多天線同時發送，比如4路天線同時發射，疊加的寬波束能夠在保證寬FoV條件下，距離測得更遠。但同發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)，在同發的基礎上實現可靠的通道分離，基本實現大FoV條件下遠距離目標高精度感知。并且這一切幾乎全由硬件加速器實現（只有部分少量計算由DSP介入），因此TI 將HWA順勢升級為2.0。

同時提高RAM容量以平衡通道數提升以及算法復雜度提升帶來的內存開銷增大。以太網接口的加入也是應對雷達輸出點云等數據量提升問題。

1代芯片中，打頭陣的是1642，DSP是*的計算核心，用于幾乎全部的信號處理及數據處理任務。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地位被相當弱化，耗時耗力的信號處理部分基本由HWA代勞，事實上，只要你愿意，整個RSP處理鏈路皆由HWA實現，TI也希望你多多使用HWA，也因此調低了DSP規格，C66x處理頻率只有360MHz，遠低于上代C67x的600MHz。并且ARM也被加強，不僅用于配置及控制，也用于上層數據處理，比如tracking，classification也可由ARM處理，進一步分擔了DSP的處理任務，這是DSP規格下降的理由。

這樣的變化喜憂參半，文末再敘。

雖然2944調整升級豐富，帶來全新雷達體驗，但由于DSP規格降低，以及接收端單路混頻方案ADC數量降低等因素, 2944芯片成本不會提高很多。

軟件及demo參考設計方面

TI提供了適配2944的SDK及Toolbox。

Toolbox中包含滿足NCAP R79功能需求的2944參考設計，支持BSD， FCTA，LCA等。demo實現水平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，看來毫米波雷達還是比較卑微啊。

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▲ AWR2944 EVM

EVM與DCA1000結合提供raw data采集能力，為分析原始ADC數據提供支持。

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之后設計了全新的SW Framework，引入DPC，DPM，DPU等概念，使得整個軟件架構雖復雜但邏輯較為清晰，開發者能夠快速上手開發。Framework不是本文重點，不再贅述，聊聊核心升級DDM-MIMO。

我在(4D雷達之MIMO通道分離)中討論過，FDM，TDM，CDM等MIMO通道分離技術。與TDMA不同，FDMA可以實現同發，并利用發射端天線與頻率偏移位置之間的映射關系確定通道分離方案。

其中FDM可以由下圖簡單總結。

(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，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，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，則是FT-FDMA。

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▲ MIMO channel separation

由此可見，DDM可以認為是FDM的一種情況。

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▲ range-Doppler map(DDM)

TI實現的是 The empty-band DDMA，提供RangeProc DDMA DPU，以及Doppler DDMA DPU構成DDMA核心實現模塊。我簡單看了下TI 目前硬件實現的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
峰值混疊
不均衡幅值

下圖為demo實測效果，其測距性能，點云密度，FoV等方面效果還可以，比1代確實有較大提升。希望能夠“Builds customer confidence on mmWave device capabilities”。

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▲ 2944demo Test

小結

我們再上升一個臺階，分析TI 2944的發布可能會對車載雷達行業產生哪些影響。

若僅從技術角度分析雷達競爭力，最重要在于天線，MMIC，算法。芯片廠商提供MMIC，雷達廠商因天線及算法上的優勢逐漸建立自身壁壘，而這一狀態似乎慢慢發生變化。

1、毫米波雷達正逐漸從“信號處理環節差異性”轉向“數據處理環節差異性”，也即是對點云數據處理方式的差異性。TI倡導HWA的使用，將諸多先進信號處理算法固化，用戶只需按需取用，信號處理算法正在被標準化，構建雷達底層標準品。

降低DSP的處理頻率，提高ARM核心主頻，一方面變相引導用戶強化對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

雷達廠商的戰場慢慢向數據處理，包括跟蹤，目標分類，場景理解，邊緣AI，數據融合等環節。

2、我始終認為信號處理才是毫米波雷達最迷人的地方。這樣的舉措無疑導致，雷達廠商從ADC原始數據輸出到雷達點云數據輸出的所有中間環節掌控將越來越弱。降低RSP層靈活性。也會進一步降低了雷達技術門檻，打破原有雷達廠商部分技術壁壘。由此可見，芯片供應商對雷達廠商的影響會越來越大，芯片廠商頂層的“平權”策略進一步降低雷達廠商之間產品差異性，勢必進入低價競爭。

至于后續雷達的升級方向，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，RSP部分最終可能就是標準品，你需要怎么樣的應用，配置下寄存器就好了，競爭可能越來越集中在上層數據處理，整合全新的AI Engine也是很有可能的，某種程度上，毫米波雷達除了頻段，會越來越像激光雷達。

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