Sensori mmWave per ADAS, Robotica e Sicurezza

L'elettronica di oggi sta diventando sempre più integrata con il mondo che ci circonda grazie all'uso ubiquo di sensori e sistemi HMI. I sensori mmWave di oggi si presentano sia in forma di IC che di modulo, e entrambi offrono soluzioni compatte per molti sistemi, inclusi robotica, UAV, ADAS e sicurezza. L'applicazione più riconoscibile della rilevazione mmWave si divide in due aree: radar e wireless, specificamente i sistemi 5G e i futuri sistemi 6G.

Sebbene queste due aree siano le più riconoscibili, non sono le uniche aree di opportunità per gli ingegneri mmWave e i progettisti di sistemi. I sensori mmWave sono utili anche per altri compiti come il riconoscimento dei gesti, la rilevazione di occupanti o oggetti, la misurazione dei segni vitali e persino l'imaging. In queste aree di applicazione, i trasmettitori e i sensori mmWave sono gli abilitatori tecnologici di cui gli ingegneri di sistema hanno bisogno per costruire i loro prodotti.

Se stai progettando sistemi che necessitano di un sensore mmWave, troverai sul mercato molteplici opzioni che abilitano diverse funzionalità per i sistemi mmWave.

Esempi di Sensori mmWave e Aree di Applicazione

Ci sono molteplici aree di applicazione per la radiazione e la rilevazione mmWave oltre al 5G e al radar per auto, e alcuni componenti sono disponibili che sono personalizzati per sistemi specifici in queste aree. Altri componenti sono per uso generale nei sistemi mmWave, rendendoli strumenti decenti per la ricerca su nuovi design e architetture di sistema.

Di seguito, esplorerò alcune delle principali aree commercializzabili dove i sensori mmWave sono utilizzati oggi, così come dove qualcuno potrebbe trovare opportunità per costruire nuovi prodotti.

Radar Automobilistico

La prima area è nei sistemi di assistenza alla guida automobilistica (ADAS), dove il radar è utilizzato insieme a molteplici sensori (ottici, ultrasonici e radar a corto/lungo raggio) per la sicurezza dell'automobile. I sensori mmWave operanti a 24 GHz sono utilizzati per radar a corto raggio nei veicoli per applicazioni come il monitoraggio dell'angolo cieco, la rilevazione di ostacoli e l'evitamento delle collisioni. Questi radar a corto raggio hanno utilizzato la banda ISM a 24 GHz o la banda ultra-wide (UWB) da 21,65 a 26,65 GHz. Tuttavia, la banda UWB diventerà obsoleta entro il 2022 a causa dei vincoli normativi statunitensi ed europei.

I radar odierni a campo visivo ampio e i radar a lungo raggio focalizzati operano con portanti a 77 GHz, questi ultimi possono fornire una portata fino a circa 250 m. I moduli radar commerciali utilizzano antenne patch alimentate al centro per la trasmissione e la ricezione di segnali radar chirpati a onda continua modulata in frequenza (FMCW). L'uso di un'antenna patch alimentata al centro fornisce la direzionalità, la rilevazione direzionale e il campo visivo ampio necessari per questi radar.

Droni e Robotica

Gli UAV e i robot hanno entrambi bisogno del radar per "vedere" il mondo intorno a loro e tracciare oggetti esterni nell'ambiente. I droni e altri robot, come quelli industriali o domestici, possono operare a 24 GHz nella banda ISM, oppure possono operare a 60 GHz per applicazioni ad alta risoluzione. Proprio come con il radar automobilistico, questi sistemi devono fondere dati da più sensori con algoritmi di elaborazione sofisticati per sfruttare al meglio i segnali e i sensori mmWave.

Sicurezza

Questo settore è ancora meno conosciuto, ma il radar può essere integrato nei sistemi di sicurezza per il conteggio delle persone, il rilevamento di oggetti e il tracciamento di oggetti. L'infrastruttura intelligente è un'area più generale dove i sensori mmWave possono essere utilizzati per il rilevamento e il tracciamento di oggetti. I radar e i sensori mmWave sono stati fondamentali per portare la percezione computazionale ai sistemi di edge computing con una principale applicazione nella sicurezza. Questi radar hanno successo dove soluzioni come quella ottica (ad esempio, il riconoscimento di oggetti con una telecamera) falliscono semplicemente a causa del costo e del campo visivo; un riconoscimento ottico preciso degli oggetti a lunga distanza richiede di sacrificare il campo visivo e necessita di un montaggio ottico più costoso. I radar e i sensori mmWave nei sistemi di telecamere di sicurezza creano una soluzione utile per il tracciamento degli oggetti.

Sistemi ad Alta Risoluzione e di Imaging

Sebbene gli emettitori e i ricevitori mmWave siano molto utili per rilevare bersagli, questi sistemi tipicamente non sono stati efficaci per l'imaging. Ci sono diverse ragioni per questo, principalmente la necessità di beamforming ad alta risoluzione. Il problema difficile con il beamforming in termini di progettazione di sistemi è la relazione tra risoluzione e numero di emettitori. L'imaging ad alta risoluzione richiede più emettitori, che a loro volta richiedono la sincronizzazione tra più emettitori per impostare un ritardo di fase tra i segnali trasmessi per la direzione di propagazione desiderata.

Per sincronizzare più segnali su un gran numero di emettitori, sarebbe necessario avere più chip trasmettitori/ricevitori sincronizzati da un orologio a frequenza inferiore, idealmente un oscillatore a frequenza intermedia (IF). Questo oscillatore di sincronizzazione sarà disponibile solo su determinati componenti; questo tipo di sistema è un sistema a cascata a causa dell'orchestrazione dell'emissione d'onda da più componenti.

Un esempio di diagramma a blocchi che mostra la sincronizzazione Tx/Rx in un singolo sensore mmWave è mostrato di seguito. Multipli di questi diagrammi a blocchi sono posti in parallelo e sono sincronizzati con lo stesso oscillatore (LO) e orologio (CLK). Questo ti dà la molteplicità di emettitori che emettono in modo fase sincrono.

L'altro fattore importante nell'imaging è gestire l'enorme quantità di dati che si generano nel sistema. Trasmettere questi dati a un controllore di sistema (solitamente un FPGA con IP appropriato) richiede il routing di alcuni protocolli con tassi di dati molto elevati; lo stato dell'arte nei sistemi di imaging radar utilizza Ethernet da 10G o superiore per il trasferimento dei dati.

Sensore mmWave vs. Ricevitore Radar

Qual è la differenza tra i prodotti commercializzati come trasmettitori radar e sensori mmWave? Francamente, non c'è molta differenza a parte l'area di applicazione che mirano a colpire, come vengono generati e utilizzati i segnali, e il numero di funzionalità che sono integrate in un componente mmWave. I moduli radar di oggi utilizzeranno un trasmettitore radar specializzato per la loro particolare applicazione, dove i trasmettitori radar per automobili sono un ottimo esempio. I sensori mmWave saranno commercializzati per applicazioni più generali come la rilevazione di oggetti e livelli, il conteggio e il tracciamento delle persone, o altri compiti.

L'altra principale differenza è il livello di integrazione delle funzionalità. I componenti che mirano ad applicazioni molto specifiche includeranno quelle funzionalità necessarie per l'applicazione (sia in termini di architettura hardware che di firmware). Cercare di adattare un sensore mmWave di uso generale a un'applicazione più specifica potrebbe richiedere l'integrazione con un MCU esterno o altro componente.

Alcuni Sensori mmWave di Uso Generale

Texas Instruments IWR1642

Il sensore mmWave IWR1642 di Texas Instruments è un esempio di sensore mmWave di uso generale che può anche funzionare come trasmettitore radar. Include 4 canali Rx e 2 canali Tx per il controllo direzionale se necessario. Tutte le funzionalità sono programmabili tramite un MCU esterno tramite interfacce standard (SPI, I2C, UART, GPIO) o un'interfaccia LVDS a 2 canali per l'accesso ai dati ADC grezzi. Questo sensore è progettato per operare da 76 a 81 GHz e fornisce capacità integrate di elaborazione del segnale FMCW per applicazioni come la sicurezza e il monitoraggio industriale.

Texas Instruments IWR6843

Il sensore IC mmWave IWR6843 di Texas Instruments è ancora più di uso generale rispetto al componente precedente. Questo componente è destinato ad applicazioni nella gamma da 60 a 64 GHz, come le applicazioni di sicurezza funzionale e automazione. Questo sensore mmWave include un blocco DSP on-chip per l'elaborazione avanzata del segnale e un acceleratore hardware per le funzioni FFT, filtraggio e elaborazione CFAR per l'identificazione e il tracciamento degli oggetti. È disponibile anche un modulo antenna plugin basato su questo componente da Texas Instruments (MPN: IWR6843ISK).

Il sensore mmWave BGT24LTR11 di Infineon è destinato alle applicazioni a 24 GHz in un ingombro molto ridotto. Questo componente utilizza solo 1 canale Tx e 1 Rx, quindi non c'è controllo direzionale tramite beamforming con un singolo componente. Tuttavia, l'eliminazione di interfacce antenna Tx/Rx extra fornisce un ingombro molto più piccolo rispetto ad altri sensori mmWave o trasmettitori radar, quindi potrebbe essere utilizzato per un semplice emettitore/rilevatore. Qualsiasi applicazione che richiede un ingombro ridotto, nessuna direzionalità e un basso consumo energetico a 24 GHz può beneficiare di questo componente.

L'altra opzione per questo tipo di componente è implementare il beamforming di un segnale a 24 GHz altamente stabile e coerente attraverso il cascading. Sistemi MIMO unici sono anche possibili con questi componenti. A parte la coppia di canali singoli Rx/Tx, il principale vantaggio di questi componenti è la compensazione della deriva di frequenza guidata dalla temperatura tramite un pin di tensione di sintonizzazione in ingresso. Questo elimina la necessità di un PLL/MCU per compensare la deriva di temperatura.

Altri Componenti per Prodotti mmWave

Le applicazioni mmWave sono ancora in fase di sviluppo e le frequenze vengono spinte a limiti superiori. Le applicazioni sopra menzionate necessitano anche di una gamma di altri componenti per costruire un sistema completo. Alcuni altri componenti che i progettisti potrebbero necessitare includono:

• IC di gestione dell'alimentazione per garantire la stabilità della potenza RF

• MCU/FPGA per l'integrazione dei sensori e l'elaborazione dei dati

• ADC per l'acquisizione dei dati dei sensori

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