Projektowanie radaru MIMO i dobór komponentów

Utworzono: listopad 30, 2021
Zaktualizowano: lipiec 1, 2024

Dzisiejsze komercyjne systemy radarowe osiągają kontrolę kierunkową i formowanie wiązki za pomocą anten fazowanych, dając projektantom systemów możliwość śledzenia obiektów w pełnym kącie bryłowym. Technologia ta nie jest nowa, anteny fazowane są używane od 1979 roku, kiedy to w Alasce uruchomiono system radarowy do wykrywania balistycznych pocisków rakietowych US PAVE PAWS z aktywną fazowaną anteną. Od tego czasu użyteczne częstotliwości stały się wyższe, moduły radarowe zmniejszyły swoje rozmiary, a dokładność tych systemów stale wzrastała.

Obecnie radar jest używany w systemach o celach wykraczających poza wykrywanie obiektów czy pomiary pozycji. Radar z modulacją częstotliwościową jest używany do jednoczesnych pomiarów pozycji i prędkości, przy czym niektóre techniki przetwarzania sygnałów są wykorzystywane do wydobywania dokładnych celów i śledzenia ich pozycji. Obecne samochody korzystają z modułów radarowych z chirpem o stosunkowo małym rozmiarze, z modułami pracującymi w paśmie K do śledzenia celów krótkiego zasięgu (~24 GHz) lub w paśmie W do śledzenia celów długiego zasięgu (~76-81 GHz). Trudność w obecnych systemach polega na potrzebie wielu modułów czujników do zapewnienia wykrywania obiektów na szerokich zakresach kątowych, jednak rozdzielczość jest niska, ponieważ nie ma zorchestrowanego formowania wiązki między tymi modułami.

Inne obszary, takie jak robotyka i drony, korzystają z tych lub podobnych pasm radarowych, a także istnieją specjalistyczne zastosowania w badaniach naukowych i obrazowaniu. W ciągu ostatnich 10 lat widzieliśmy integrację kolejnej techniki z telekomunikacji do systemów radarowych: projektowanie i orkiestrację anten wielowielodostępowych (MIMO). Teraz dalszy postęp w systemach radarowych, w tym radar MIMO, jest napędzany przez zestawy czujników samochodowych i zaawansowane systemy wspomagania kierowcy (ADAS). Dla projektantów elektroniki przyjrzymy się architekturze systemu potrzebnej do obsługi bardziej zaawansowanych radarów oraz niektórym dostępnym obecnie układom scalonym wspierającym radar MIMO.

Postęp w radarze mmWave i wprowadzenie MIMO

Moduły i systemy radarowe pracujące na częstotliwościach mmWave obecnie cieszą się szerokim zastosowaniem w trzech głównych obszarach:

Automotive: Wspomniałem powyżej o systemach ADAS, które będą nadal pozostawać w centrum uwagi. Główną motywacją jest umożliwienie dokładniejszego śledzenia obiektów, ale istnieje również potrzeba potencjalnego zmniejszenia całkowitej liczby czujników przy jednoczesnym umożliwieniu obrazowania in-situ za pomocą pomiarów radarowych.
Robotyka: W tej dziedzinie skupiono się na niej przez ostatnie 5 lat, i w tym czasie widzieliśmy integrację czujników radarowych w obszarach takich jak automatyzacja fabryczna, kontrola prędkości i pozycji małych robotów oraz segmentacja obrazu z chmur punktów radarowych.
Aerospace: Obecność radaru jest tutaj oczywista, ale teraz moduły radarowe dla małych autonomicznych UAV i dronów zyskują na znaczeniu z przeprowadzanymi przez NASA testami lotów na żywo. To zmniejsza zależność od GNSS/GPS do nawigacji, co nie jest przydatne dla autonomicznej nawigacji dronów w zamkniętych obszarach.

Te systemy używają sygnałów z modulacją chirp do jednoczesnego śledzenia pozycji i prędkości, jak również do interpretacji wielu celów w polu widzenia. Jest to realizowane za pomocą formowania wiązki w pojedynczej fazowanej antenie, a następnie za pomocą niektórych standardowych kroków przetwarzania sygnałów do ekstrakcji i śledzenia celów w czasie.

Dzisiejsze dostępne komercyjnie moduły radarowe nie wykorzystują technologii MIMO, przynajmniej nie z tego co wiem w momencie pisania tego tekstu. Jednak główni producenci komponentów wprowadzają chipsety mmWave wspierające unikalne zastosowania radaru FMCW, w tym radar MIMO i radar kaskadowy. Komercyjne moduły radarowe, płyty ewaluacyjne i nadajniki nadal korzystają ze sprawdzonej i prawdziwej architektury anteny patch z zasilaniem centralnym, radarowego nadajnika-odbiornika COTS oraz niektórych standardowych algorytmów przetwarzania sygnałów. Obejmuje to najnowsze moduły radarowe zaprojektowane przez moją firmę dla zastosowań UAV.

Podstawowa architektura anteny fazowanej dla dzisiejszych radarów. Sekcja płytki pokazana tutaj pochodzi z modułu ewaluacyjnego Texas Instruments AWR6843. Ta konstrukcja wykorzystuje hybrydowy układ warstw z laminatem Rogersa na górnej warstwie, aby wspierać niskie straty propagacji sygnału do anten.

Kroki przetwarzania sygnału związane z rozróżnianiem i śledzeniem celów są dość skomplikowane, a wiele poradników dotyczących tych tematów można znaleźć w podręcznikach do przetwarzania sygnałów. W tych systemach wadą obecnego podejścia jest ograniczone pole widzenia i przybliżona rozdzielczość. Z tego powodu wiele systemów używa ścisłego formowania wiązki z niską dywergencją do celowanych pomiarów pozycji i prędkości, a następnie rozszerza pole widzenia za pomocą wielu modułów. Obecne samochody wykorzystują wiele modułów radarowych krótkiego i długiego zasięgu z przedstawioną powyżej architekturą, aby zapewnić szerokie pole widzenia jako część systemu ADAS, jak pokazano poniżej.

Dopóki te systemy będą nadal polegać na radarach krótkiego zasięgu, będąc jednocześnie projektowane dla większej autonomii, cały zestaw czujników tych produktów będzie musiał zostać ulepszony, aby mieć wyższą rozdzielczość. Radar MIMO jest jednym z głównych postępów w tej dziedzinie, który jeszcze nie został szeroko skomercjalizowany.

Dlaczego integrować MIMO z systemem radarowym, kiedy możemy po prostu użyć więcej modułów, aby rozszerzyć pole widzenia i śledzić więcej celów? To uczciwe pytanie i może nie być oczywiste, jak techniki MIMO są przydatne w projektowaniu radarów. Oczywiście, zwiększenie liczby układów antenowych umożliwia śledzenie większej liczby celów, ale rozdzielczość w tych systemach nadal pozostaje niewystarczająca. Radar MIMO rozwiązuje ten problem bez znacznego zwiększenia złożoności.

Radar MIMO zapewnia wyższą rozdzielczość kątową

Istnieją przekonujące powody, aby rozwijać systemy radarowe MIMO dla powyższych zastosowań. Powód użycia MIMO nie skupia się na zwiększeniu liczby śledzonych celów, ale na rozdzielczości śledzenia celów, szczególnie w rozdzielczości kątowej w polu widzenia.

W systemie MIMO masz szereg anten Tx, które nadają ortogonalne sygnały. Zestaw anten Tx nie jest koordynowany w celu wytworzenia kształtowania wiązki, jak byś to robił w układzie fazowanym. Jednakże, jeśli chcesz zwiększyć możliwości swojego systemu radarowego MIMO, możesz użyć indywidualnych układów fazowanych dla nadajników Tx, gdzie każdy z układów Tx nadaje jeden z sygnałów z twojego ortogonalnego zestawu. Jeśli każdy nadajnik Tx jest układem, wtedy kształtowanie wiązki jest osiągane za pomocą standardowej kontroli fazy między każdym elementem w układzie, gdzie faza między każdym nadajnikiem w układzie Tx jest opóźniona, aby kontrolować kształtowanie i sterowanie wiązką.

Łańcuch sygnałowy w radarze MIMO jest bardzo podobny do tego w radarze z układem fazowanym.

Istnieje również układ Rx, który odbiera wszystkie sygnały z anten Tx, wymagając multipleksowania do oddzielenia każdego ortogonalnego sygnału emitowanego przez anteny Tx. Ponieważ odbierane sygnały z każdej emisji Tx są ortogonalne, masz zestaw pomiarów, każdy powiązany z konkretnym kątem emisji. To właśnie daje wyższą rozdzielczość: interferencyjna wiązka w układzie Rx może być interpretowana przy użyciu tych samych kroków przetwarzania sygnału co w typowym układzie fazowanym, gdzie kąt odbioru jest wydobywany wraz z parametrami prędkości i pozycji z pomiaru Dopplera. Jednak teraz wykrywasz wiele ortogonalnych sygnałów, które są powiązane z konkretnym nadajnikiem. Następnie jest to prosta kalkulacja trygonometryczna, aby powiązać każdy odbierany sygnał z powrotem do konkretnego nadajnika i wydobyć pozycję celu z bardzo wysoką dokładnością.

Możesz również rozmieścić układy w dwóch wymiarach, dając zestaw anten łatanych na PCB, które zapewniają interpretację wiązki azymutalnej i polarnej. Jest to przydatne dla nowszych modułów radarowych 4D, które są rozwijane dla najnowocześniejszych systemów ADAS, które mogą być następnie używane do wykrywania wysokości obiektu.

Co ważne, aby zdać sobie sprawę, używamy tutaj szeregu nadajników M na N, które działają z zestawem sygnałów ortogonalnych (wielu częstotliwości lub wielu chirpów), co jest kluczem do zwiększonej rozdzielczości emisji. Rozważ przypadek, gdy chcemy podwoić rozdzielczość typowego radaru samochodowego FMCW. Moglibyśmy to zrobić, po prostu podwajając liczbę elementów anteny. Jednakże, moglibyśmy uzyskać ten sam wynik, dodając tylko jedną antenę Tx. To właśnie multipleksowanie między wieloma antenami zwiększa rozdzielczość po stronie Rx i Tx.

Elementy dla radaru MIMO

Nowoczesne radary używają sygnałów liniowo chirpowanych (znanych jako radar FMCW) do jednoczesnego śledzenia pozycji i prędkości, jak również do bardzo dokładnego wydobywania celu. Blok przetwarzania sygnałów i blok nadajnik-odbiorca to kluczowe komponenty do wyboru tutaj, ponieważ będą odpowiedzialne za generowanie i interpretowanie sygnałów używanych w systemie. Możliwe jest również zastosowanie podejścia radia definiowanego programowo do generowania sygnałów dla każdego nadajnika Tx.

Wybór sposobu generowania impulsów radarowych FMCW zależy od Ciebie, ale istnieją komponenty COTS, które możesz wykorzystać, aby pomóc w projektowaniu twojego systemu. Ponieważ te systemy nie są jeszcze wysoko zintegrowane, będziesz musiał połączyć ze sobą wiele komponentów mmWave, aby stworzyć systemy radarowe MIMO.

Texas Instruments, AWR1642

Przetwornik radarowy AWR1642 od Texas Instruments jest przeznaczony do zastosowań motoryzacyjnych i jest jednym z ich standardowych komponentów przetwornikowych dla systemów radarowych FMCW. Ten komponent może być używany w sposób przestrzennie multipleksowany, gdzie wykorzystuje się wiele anten z centralnym zasilaniem w układzie patch, aby nadawać i odbierać sygnały. Radar MIMO jest następnie implementowany poprzez nadawanie z różnymi podnośnymi z każdej sekcji Tx.

Schemat blokowy przetwornika AWR1642, z karty katalogowej AWR1642

Przetwornik radarowy IWR6843 od Texas Instruments jest przeznaczony do zastosowań przemysłowych i aplikacji obrazowania działających w zakresie 60 do 64 GHz. Ten nowszy przetwornik rozszerza opcje radarowe dla projektantów systemów, a radar MIMO może być nadal implementowany z wykorzystaniem multipleksacji przestrzennej z wieloma przetwornikami. Ten konkretny komponent zapewnia bardzo niski szum fazowy -93 dBc @ 1 MHz, wysoką moc Tx 12 dBm, zintegrowany PLL oraz zintegrowany ADC. Konfiguracja jest implementowana za pomocą standardowych cyfrowych interfejsów niskiej prędkości. Funkcjonalnie, komponent jest bardzo podobny do przetwornika motoryzacyjnego pokazanego powyżej.

Więcej innowacji z systemami radarowymi MIMO

Jak wspomniałem wcześniej, jednym z nadchodzących obszarów w radarach MIMO jest radar 4D. Te systemy używają dziesiątek elementów promieniujących działających na częstotliwościach mmWave, gdzie wiązki Tx są skanowane pod kątami polarnymi i azymutalnymi. Skanowanie azymutalne jest używane do wykrywania pionowego zasięgu celu i ruchu pionowego. Radar 4D jest obecnie rozwijany dla najnowszych systemów ADAS, ale te radary będą również przydatne dla robotów działających w złożonych środowiskach, jak również dla małych dronów wymagających bardzo precyzyjnego rozpoznawania obiektów. Dzięki wysokiej rozdzielczości kątowej i skanowaniu azymutalnemu, może być możliwe zmniejszenie zależności od kamer wizyjnych i przetwarzania obrazu optycznego i poleganie całkowicie na radarze.

Nowe komponenty wspierające te obszary to wysoko zintegrowane SoC, gdzie przetwornik, ADC, blok przetwarzania sygnałów i MCU są fabrykowane na tym samym krzemie. Pomoże to zmniejszyć całkowity rozmiar systemu i uczynić nowsze systemy radarowe MIMO znacznie bardziej konkurencyjnymi w stosunku do standardowych radarów z fazowaną anteną.

Inne komponenty wspierające systemy radarowe MIMO

Systemy MIMO potrzebują więcej niż tylko przetworniki dla indywidualnych tablic, ponieważ obecne chipsety radarowe nie są wysoko zintegrowane dla aplikacji MIMO. Z powodu braku integracji, projektanci muszą łączyć ze sobą wiele komponentów w większy system, aby wspierać aplikacje radarowe MIMO. Niektóre inne ważne komponenty, których możesz potrzebować, to:

Gdy pojawią się nowe transceivery dla projektów radarowych MIMO, będziesz mógł znaleźć te i inne ważne komponenty, korzystając z zaawansowanego wyszukiwania i funkcji filtracji w Octopart. Wyszukiwarka elektroniki w Octopart daje dostęp do aktualizowanych danych o cenach dystrybutorów, zapasach części, specyfikacjach części oraz danych CAD, i wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zobacz naszą stronę z układami scalonymi, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Zostań na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.