MIMO-Radarentwurf und Komponentenauswahl

Erstellt: November 30, 2021
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

Die heutigen kommerziellen Radarsysteme erreichen Richtungskontrolle und Strahlformung mit Phased-Array-Antennen, was einem Systemdesigner die Möglichkeit gibt, Objekte über einen festen Winkel zu verfolgen. Diese Technologie ist nicht neu, Phased-Array-Antennen werden seit 1979 verwendet, als das US PAVE PAWS aktive Phased-Array-Ballistische-Raketen-Detektionsradarsystem in Alaska in Betrieb genommen wurde. Seitdem sind die nützlichen Frequenzen höher geworden, die Radarmodule kleiner und die Genauigkeit dieser Systeme hat stetig zugenommen.

Heute wird Radar in Systemen mit Zielen über die Objekterkennung oder Positionsbestimmungen hinaus verwendet. Gechirptes Radar wird für gleichzeitige Positions- und Geschwindigkeitsmessungen verwendet, wobei einige Signalverarbeitungstechniken genutzt werden, um genaue Ziele zu extrahieren und ihre Positionen zu verfolgen. Die heutigen Automobile verwenden derzeit gechirpte Radarmodule mit einem relativ kleinen Fußabdruck, wobei Module im K-Band für die Kurzstrecken-Zielverfolgung (~24 GHz) oder im W-Band für die Langstrecken-Zielverfolgung (~76-81 GHz) arbeiten. Die Schwierigkeit in aktuellen Systemen liegt im Bedarf an mehreren Sensormodulen, um die Objekterkennung über breite Winkelbereiche zu ermöglichen, doch die Auflösung ist niedrig, da es keine orchestrierte Strahlformung zwischen diesen Modulen gibt.

Andere Bereiche wie Robotik und Drohnen nutzen diese oder ähnliche Radarbänder, und es gibt Spezialanwendungen in der wissenschaftlichen Forschung und Bildgebung. In den letzten 10 Jahren haben wir die Integration einer weiteren Technik aus der Telekommunikation in Radarsysteme gesehen: Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Antennendesign und -orchestrierung. Nun wird der weitere Fortschritt in Radarsystemen, einschließlich MIMO-Radar, von automobilen Sensorsystemen und fortgeschrittenen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) vorangetrieben. Für Elektronikdesigner werden wir uns die Systemarchitektur ansehen, die benötigt wird, um fortschrittlichere Radare zu unterstützen, und einige aktuelle Chipsätze, die MIMO-Radar unterstützen.

Fortschritte im mmWave-Radar und Einführung von MIMO

Radarmodule und -systeme, die bei mmWave-Frequenzen arbeiten, finden derzeit weit verbreitete Verwendung in drei Hauptbereichen:

  • Automobil: Ich habe oben ADAS-Systeme erwähnt, die weiterhin im Fokus bleiben werden. Die Hauptmotivation ist die Ermöglichung einer genaueren Objektverfolgung, aber es besteht auch das Bedürfnis, die Gesamtzahl der Sensoren möglicherweise zu reduzieren und gleichzeitig eine in-situ Bildgebung mit Radarmessungen zu ermöglichen.

  • Robotik: In diesem Bereich gab es in den letzten 5 Jahren einige Schwerpunkte, und in diesem Zeitraum haben wir gesehen, wie Radarsensoren in Bereiche wie Fabrikautomation, Geschwindigkeits- und Positionssteuerung für kleine Roboter und Bildsegmentierung aus Radar-Punktwolken integriert wurden.

  • Aerospace: Die Präsenz von Radar ist hier offensichtlich, aber nun kommen Radarmodule für kleine autonome UAVs und Drohnen mit Live-Flugtests, die von der NASA durchgeführt werden, in den Fokus. Dies reduziert die Abhängigkeit von GNSS/GPS für die Navigation, was für die autonome Drohnennavigation in begrenzten Bereichen nicht nützlich ist.

Diese Systeme verwenden gechirpte Sendesignale, um gleichzeitige Positions- und Geschwindigkeitsverfolgung zu ermöglichen sowie mehrere Ziele im Sichtfeld zu interpretieren. Dies geschieht durch Strahlformung in einem einzigen Phased-Array, gefolgt von einigen standardmäßigen Signalverarbeitungsschritten zur Ziel-Extraktion und -Verfolgung über die Zeit.

Die heute kommerziell verfügbaren Radar-Module verwenden kein MIMO, zumindest nicht nach meinem Wissen zum Zeitpunkt des Schreibens. Allerdings führen große Komponentenhersteller mmWave-Chipsätze ein, um einzigartige Anwendungen von FMCW-Radar zu unterstützen, einschließlich MIMO-Radar und kaskadiertem Radar. Kommerzielle Radar-Module, Evaluierungsboards und Transceiver verwenden weiterhin die bewährte Architektur mit zentral gespeister Patch-Antenne, einen COTS-Radar-Transceiver und einige Standard-Signalverarbeitungsalgorithmen. Dies umfasst die neuesten Radar-Module, die mein Unternehmen für UAV-Anwendungen entworfen hat.

Grundlegende Phased-Array-Antennenarchitektur für heutige Radare. Der hier gezeigte Board-Abschnitt stammt aus dem Texas Instruments AWR6843 Evaluierungsmodul. Dieses Design verwendet einen Hybrid-Stackup mit einem Rogers-Laminat auf der obersten Schicht, um eine verlustarme Signalübertragung zu den Antennen zu unterstützen.

Die Signalverarbeitungsschritte, die zur Unterscheidung und Verfolgung von Zielen erforderlich sind, sind etwas komplex, und es gibt viele Anleitungen in Lehrbüchern zur Signalverarbeitung zu diesen Themen. Bei diesen Systemen liegt der Nachteil des aktuellen Ansatzes im begrenzten Sichtfeld und der groben Auflösung. Aus diesem Grund verwenden viele Systeme eine enge Strahlformung mit geringer Divergenz für gezielte Positions- und Geschwindigkeitsmessungen und erweitern einfach das Sichtfeld mit mehreren Modulen. Aktuelle Automobile verwenden mehrere Kurz- und Langstrecken-Radar-Module mit der oben gezeigten Architektur, um als Teil des ADAS-Systems ein weites Sichtfeld zu bieten, wie unten gezeigt.

 

Solange diese Systeme weiterhin auf Kurzstreckenradar angewiesen sind und gleichzeitig für größere Autonomie konzipiert werden, muss die gesamte Sensorik dieser Produkte verbessert werden, um eine höhere Auflösung zu haben. MIMO-Radar ist einer der großen Fortschritte in diesem Bereich, der noch nicht stark kommerzialisiert wurde.

Warum MIMO in ein Radarsystem integrieren, wenn wir einfach mehr Module verwenden können, um das Sichtfeld zu erweitern und mehr Ziele zu verfolgen? Es ist eine berechtigte Frage, und es mag nicht offensichtlich sein, wie MIMO-Techniken im Radar-Design nützlich sind. Natürlich ermöglicht die Erhöhung der Anzahl der Antennenarrays die Verfolgung von mehr Zielen, aber die Auflösung in diesen Systemen ist immer noch mangelhaft. MIMO-Radar löst dieses Problem ohne größere Steigerungen der Komplexität.

MIMO-Radar bietet höhere Winkelauflösung

Es gibt einige überzeugende Gründe, MIMO-Radarsysteme für die oben genannten Anwendungen aufzubauen. Der Grund für die Verwendung von MIMO liegt nicht in der Erhöhung der Anzahl der verfolgten Ziele, sondern in der Auflösung der Zielverfolgung, insbesondere in der Winkelauflösung innerhalb des Sichtfeldes.

In einem MIMO-System haben Sie ein Array von Tx-Antennen, die orthogonale Signale senden. Das Set von Tx-Antennen ist nicht darauf ausgerichtet, Beamforming zu erzeugen, wie Sie es bei einem Phased-Array tun würden. Wenn Sie jedoch Ihr MIMO-Radarsystem aufladen möchten, können Sie einzelne Phased-Arrays für Tx-Sender verwenden, wobei jedes Tx-Array mit einem der Signale aus Ihrem orthogonalen Set sendet. Wenn jeder Tx-Sender ein Array ist, dann wird Beamforming unter Verwendung der standardmäßigen Phasensteuerung zwischen jedem Element im Array erreicht, wobei die Phase zwischen jedem Sender in einem Tx-Array verzögert wird, um Beamforming und Steuerung zu kontrollieren.

Die Signalkette im MIMO-Radar ist der im Phased-Array-Radar sehr ähnlich.

Es gibt auch ein Rx-Array, das alle Signale von den Tx-Antennen empfängt, was eine Multiplexierung erfordert, um jedes orthogonale Signal, das von den Tx-Antennen ausgesendet wird, zu trennen. Da die empfangenen Signale von jedem Tx-Sendevorgang orthogonal sind, haben Sie eine Reihe von Messungen, die jeweils mit einem spezifischen Sendewinkel verknüpft sind. Das ist es, was die höhere Auflösung ermöglicht: Der interferierte Strahl am Rx-Array kann unter Verwendung der gleichen Signalverarbeitungsschritte wie in einem typischen Phased-Array interpretiert werden, wobei der Empfangswinkel zusammen mit den Geschwindigkeits- und Positionsparametern aus einer Dopplermessung extrahiert wird. Sie erfassen jedoch jetzt mehrere orthogonale Signale, die mit einem spezifischen Sender verknüpft sind. Es ist dann eine einfache trigonometrische Berechnung, um jedes empfangene Signal wieder mit dem spezifischen Sender zu verknüpfen und die Zielposition mit sehr hoher Genauigkeit zu extrahieren.

Sie können die Arrays auch zweidimensional anordnen, was eine Reihe von Patch-Antennen auf der Leiterplatte bietet, die eine azimutale und polare Strahlinterpretation ermöglichen. Dies ist nützlich für neuere 4D-Radarmodule, die für hochmoderne ADAS-Systeme entwickelt werden, die dann zur Erfassung der Objekthöhe verwendet werden können.

Wichtig zu erkennen ist hier, dass wir ein Array von M mal N Sendern verwenden, die mit einem Satz orthogonaler Signale arbeiten (mehrere Frequenzen oder mehrere Chirps), was der Schlüssel zur erhöhten Sendungsauflösung ist. Betrachten Sie den Fall, in dem wir ein typisches FMCW-Automobilradar nehmen und dessen Auflösung verdoppeln möchten. Dies könnten wir erreichen, indem wir einfach die Anzahl der Antennenelemente verdoppeln. Wir könnten jedoch das gleiche Ergebnis erzielen, indem wir einfach eine weitere Tx-Antenne hinzufügen. Es ist diese Multiplexierung zwischen mehreren Antennen, die die Auflösung auf der Rx-Seite und der Tx-Seite erhöht.

Komponenten für MIMO-Radar

Moderne Radare verwenden linear gechirpte Signale (bekannt als FMCW-Radar), um gleichzeitig Position und Geschwindigkeit zu verfolgen sowie hochgenaue Zielentnahmen zu ermöglichen. Der Signalverarbeitungsblock und der Transceiver-Block sind die kritischen Komponenten, die hier ausgewählt werden müssen, da sie für die Erzeugung und Interpretation der im System verwendeten Signale verantwortlich sein werden. Es ist auch möglich, einen softwaredefinierten Radioansatz zur Signalerzeugung für jeden Tx-Sender zu nehmen.

Wie Sie FMCW-Radarimpulse erzeugen, bleibt Ihnen überlassen, aber es gibt COTS-Komponenten, die Sie zur Unterstützung Ihres Systems verwenden können. Da diese Systeme noch nicht hochintegriert sind, müssen Sie mehrere mmWave-Komponenten zusammenfügen, um MIMO-Radarsysteme zu erstellen.

Texas Instruments, AWR1642

Der AWR1642 Radar-Transceiver von Texas Instruments zielt auf Automobilanwendungen ab und ist eine ihrer Standard-Transceiver-Komponenten für FMCW-Radarsysteme. Diese Komponente kann auf eine räumlich multiplexierte Weise verwendet werden, bei der mehrere zentral gespeiste Patch-Antennenarrays verwendet werden, um Signale zu senden und zu empfangen. MIMO-Radar wird dann implementiert, indem mit verschiedenen Subträgern von jedem Tx-Abschnitt gesendet wird.

Blockdiagramm für den AWR1642-Transceiver, aus dem AWR1642-Datenblatt

Der IWR6843 Radar-Transceiver von Texas Instruments zielt auf industrielle Anwendungen und Bildgebungsanwendungen ab, die bei 60 bis 64 GHz arbeiten. Dieser neuere Transceiver erweitert die Radaroptionen für Systemdesigner, und MIMO-Radar kann immer noch mit räumlicher Multiplexierung mit mehreren Transceivern implementiert werden. Diese spezielle Komponente bietet extrem niedriges Phasenrauschen von -93 dBc bei 1 MHz, hohe Tx-Leistung von 12 dBm, einen integrierten PLL und einen integrierten ADC. Die Konfiguration wird über standardmäßige digitale Schnittstellen mit niedriger Geschwindigkeit implementiert. Funktional ist die Komponente weitgehend identisch mit dem oben gezeigten Automobiltransceiver.

Mehr Innovation mit MIMO-Radarsystemen

Wie ich zuvor erwähnt habe, ist eines der kommenden Gebiete im MIMO-Radar das 4D-Radar. Diese Systeme verwenden Dutzende von Strahlungselementen, die bei mmWave-Frequenzen arbeiten, wobei Tx-Strahlen über polare und azimutale Winkel gescannt werden. Azimutales Scannen wird verwendet, um die vertikale Spannweite eines Ziels und vertikale Bewegungen zu erkennen. 4D-Radar wird derzeit für die neuesten ADAS-Systeme entwickelt, aber diese Radare werden auch für Roboter, die in komplexen Umgebungen operieren, sowie für kleine Drohnen, die eine sehr präzise Objekterkennung benötigen, nützlich sein. Mit hoher Winkelauflösung und azimutalem Scannen könnte es möglich sein, die Abhängigkeit von visuellen Kameras und optischer Bildverarbeitung zu reduzieren und sich vollständig auf das Radar zu verlassen.

Die neuen Komponenten zur Unterstützung dieser Bereiche sind hochintegrierte SoCs, bei denen der Transceiver, ADC, Signalverarbeitungsblock und MCU auf demselben Die gefertigt sind. Dies wird helfen, die Gesamtgröße des Systems zu reduzieren und neuere MIMO-Radarsysteme viel wettbewerbsfähiger mit Standard-Phased-Array-Radaren zu machen.

Weitere Komponenten zur Unterstützung von MIMO-Radarsystemen

MIMO-Systeme benötigen mehr als nur Transceiver für einzelne Arrays, da aktuelle Radar-Chipsätze für MIMO-Anwendungen noch nicht hochintegriert sind. Aufgrund der fehlenden Integration müssen Designer mehrere Komponenten zu einem größeren System verbinden, um MIMO-Radar-Anwendungen zu unterstützen. Einige andere wichtige Komponenten, die Sie benötigen könnten, umfassen:

Mit der Verfügbarkeit neuer Transceiver für MIMO-Radardesigns können Sie diese und andere wichtige Komponenten mit den fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen in Octopart finden. Die Suchmaschinenfunktionen in Octopart bieten Ihnen Zugang zu aktualisierten Distributorenpreisdaten, Teilebeständen, Teilespezifikationen und CAD-Daten, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

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