Czujniki mmWave dla systemów ADAS, robotyki i bezpieczeństwa

Utworzono: lipiec 11, 2022
Zaktualizowano: lipiec 1, 2024

Dzisiejsza elektronika staje się coraz bardziej zintegrowana ze światem wokół nas dzięki wszechobecnemu wykorzystaniu czujników i systemów HMI. Obecna gama czujników mmWave jest dostępna w formie układów scalonych oraz modułów, a obie formy oferują kompaktowe rozwiązania dla wielu systemów, w tym robotyki, UAV, ADAS i bezpieczeństwa. Najbardziej rozpoznawalne zastosowania czujników mmWave to radar i bezprzewodowe systemy, szczególnie 5G i nadchodzące systemy 6G.

Chociaż te dwa obszary są najbardziej rozpoznawalne, nie są one jedynymi obszarami możliwości dla inżynierów mmWave i projektantów systemów. Czujniki mmWave są przydatne również do innych zadań, takich jak rozpoznawanie gestów, wykrywanie obecności osób lub obiektów, pomiar funkcji życiowych, a nawet obrazowanie. W tych obszarach zastosowań, nadajniki i czujniki mmWave są technologicznymi umożliwiającymi, których inżynierowie systemów potrzebują do budowania swoich produktów.

Jeśli projektujesz systemy, które potrzebują czujnika mmWave, znajdziesz na rynku wiele opcji umożliwiających różnorodną funkcjonalność dla systemów mmWave.

Przykładowe czujniki mmWave i obszary zastosowań

Istnieje wiele obszarów zastosowań dla promieniowania i czujników mmWave poza 5G i radarem samochodowym, a niektóre komponenty są dostosowane do konkretnych systemów w tych obszarach. Inne komponenty są przeznaczone do ogólnego użytku w systemach mmWave, co czyni je przyzwoitymi narzędziami do badań nad nowym projektem systemu i architekturą.

Poniżej przyjrzymy się niektórym z głównych komercyjnych obszarów, w których dzisiaj używane są czujniki mmWave, oraz gdzie można znaleźć możliwości budowania nowych produktów.

Radar samochodowy

Pierwszy obszar to systemy wspomagania kierowcy w samochodach (ADAS), gdzie radar jest używany obok wielu czujników (optycznych, ultradźwiękowych i radarów krótkiego/długiego zasięgu) dla bezpieczeństwa samochodów. Czujniki mmWave pracujące na 24 GHz są używane do radarów krótkiego zasięgu w pojazdach do zastosowań takich jak monitorowanie martwego pola, wykrywanie przeszkód i unikanie kolizji. Te krótkozasięgowe radary korzystały z pasma ISM na 24 GHz lub z ultra szerokiego pasma (UWB) od 21,65 do 26,65 GHz. Jednak pasmo UWB stanie się przestarzałe do 2022 roku dzięki ograniczeniom regulacyjnym w USA i Europie.

Dzisiejsze radary o szerokim polu widzenia i skupione na długim zasięgu działają z nośnikami 77 GHz, z których ostatnie mogą zapewnić zasięg do około 250 m. Komercyjne moduły radarowe używają anten patch z zasilaniem centralnym do transmisji i odbioru sygnałów radarowych FMCW z modulacją częstotliwościową. Użycie anteny patch z zasilaniem centralnym zapewnia wymagane sterowanie wiązką, wykrywanie kierunkowe i szerokie pole widzenia potrzebne dla tych radarów.

Drony i robotyka

Bezzałogowe statki powietrzne (UAV) i roboty potrzebują radaru, aby „widzieć” świat wokół siebie i śledzić zewnętrzne obiekty w środowisku. Drony i inne roboty, takie jak roboty przemysłowe czy domowe, mogą działać na 24 GHz w paśmie ISM, lub mogą operować na 60 GHz dla aplikacji o wyższej rozdzielczości. Podobnie jak w przypadku radarów samochodowych, te systemy muszą łączyć dane z wielu czujników z zaawansowanymi algorytmami przetwarzania, aby jak najlepiej wykorzystać sygnały i czujniki mmWave.

Bezpieczeństwo

Ten obszar jest nadal mniej znany, ale radar może być zintegrowany z systemami bezpieczeństwa do liczenia osób, wykrywania obiektów i śledzenia obiektów. Inteligentna infrastruktura to bardziej ogólny obszar, gdzie czujniki mmWave mogą być używane do wykrywania i śledzenia obiektów. Radary i czujniki mmWave odegrały kluczową rolę w przenoszeniu percepcji obliczeniowej na systemy edge computing, z głównym zastosowaniem w bezpieczeństwie. Te radary odnoszą sukces tam, gdzie rozwiązania optyczne (np. rozpoznawanie obiektów za pomocą kamery) zawodzą, głównie z powodu kosztów i pola widzenia; dokładne optyczne rozpoznawanie obiektów na tak dużej odległości wymaga poświęcenia pola widzenia i wymaga droższego zestawu optycznego. Radary mmWave i czujniki w systemach kamer bezpieczeństwa tworzą użyteczne rozwiązanie do śledzenia obiektów.

Systemy o wysokiej rozdzielczości i obrazowania

Chociaż emitory i odbiorniki mmWave są bardzo użyteczne do wykrywania celów, te systemy zazwyczaj nie były skuteczne w obrazowaniu. Istnieje kilka powodów tego stanu rzeczy, przede wszystkim potrzeba wysokiej rozdzielczości formowania wiązki. Wyzwaniem związanym z formowaniem wiązki pod względem projektowania systemów jest związek między rozdzielczością a liczbą emiterów. Obrazowanie o wyższej rozdzielczości wymaga większej liczby emiterów, co z kolei wymaga synchronizacji między wieloma emiterami, aby ustawić opóźnienie fazy między sygnałami nadawczymi dla pożądanego kierunku propagacji.

Aby zsynchronizować więcej sygnałów na dużą liczbę emiterów, potrzebne byłoby posiadanie wielu układów nadawczo-odbiorczych synchronizowanych przez zegar o niższej częstotliwości, idealnie oscylator częstotliwości pośredniej (IF). Ten oscylator synchronizujący będzie dostępny tylko w niektórych komponentach; ten typ systemu jest systemem kaskadowym ze względu na orkiestrację emisji fal z wielu komponentów.

Przykładowy schemat blokowy pokazujący synchronizację Tx/Rx w pojedynczym czujniku mmWave jest pokazany poniżej. Wielokrotności tych schematów blokowych są umieszczane równolegle i są synchronizowane z tym samym oscylatorem (LO) i zegarem (CLK). To daje Ci wielokrotność emiterów, które emitują w sposób synchroniczny fazowo.

Inny ważny czynnik w obrazowaniu to radzenie sobie z ogromną ilością danych, które generujesz w systemie. Przesyłanie tych danych z powrotem do kontrolera systemu (zazwyczaj FPGA z odpowiednim IP) wymaga trasowania protokołów o bardzo wysokiej przepustowości danych; stan techniki w systemach obrazowania radarowego wykorzystuje Ethernet 10G lub wyższy do transferu danych.

Sensor mmWave a odbiornik radarowy

Jaka jest różnica między produktami reklamowanymi jako nadajniki-odbiorcy radarowe a sensorami mmWave? Szczerze mówiąc, nie ma dużej różnicy poza obszarem zastosowań, do którego są one przeznaczone, sposobem generowania i wykorzystywania sygnałów oraz liczbą funkcji zintegrowanych w komponencie mmWave. Dzisiejsze moduły radarowe będą używać specjalistycznego nadajnika-odbiorcy radarowego przeznaczonego dla ich konkretnego zastosowania, gdzie nadajniki-odbiorcy radarowe do zastosowań motoryzacyjnych są świetnym przykładem. Sensory mmWave będą reklamowane do bardziej ogólnych zastosowań, takich jak wykrywanie obiektów i poziomu, liczenie i śledzenie osób lub inne zadania.

Inna główna różnica polega na poziomie integracji funkcji. Komponenty przeznaczone do bardzo konkretnych zastosowań będą zawierać te funkcje, które są potrzebne dla aplikacji (zarówno pod względem architektury sprzętowej, jak i oprogramowania). Próba dopasowania ogólnego sensora mmWave do bardziej specyficznej aplikacji może wymagać uzupełnienia zewnętrznym MCU lub innym komponentem.

Niektóre ogólnego przeznaczenia sensory mmWave

Texas Instruments IWR1642

Sensor mmWave IWR1642 od Texas Instruments jest jednym z przykładów sensora mmWave ogólnego przeznaczenia, który może również funkcjonować jako nadajnik-odbiorca radarowy. Zawiera 4 kanały Rx i 2 kanały Tx do kontroli kierunkowej, jeśli jest to potrzebne. Wszystkie funkcje są programowalne przez zewnętrzny MCU za pośrednictwem standardowych interfejsów (SPI, I2C, UART, GPIO) lub 2-kanałowego interfejsu LVDS do dostępu do surowych danych ADC. Ten sensor jest zaprojektowany do pracy od 76 do 81 GHz i zapewnia zintegrowane możliwości przetwarzania sygnału FMCW dla aplikacji takich jak bezpieczeństwo i monitorowanie przemysłowe.

Texas Instruments IWR6843

Sensor IC mmWave IWR6843 od Texas Instruments jest jeszcze bardziej ogólnego przeznaczenia niż poprzedni komponent. Ten komponent jest przeznaczony do aplikacji w zakresie 60 do 64 GHz, takich jak aplikacje bezpieczeństwa funkcjonalnego i automatyzacja. Ten sensor mmWave zawiera wbudowany blok DSP do zaawansowanego przetwarzania sygnałów i akcelerator sprzętowy do funkcji FFT, filtrowania i przetwarzania CFAR do identyfikacji i śledzenia obiektów. Dostępny jest również moduł anteny plugin oparty na tym komponencie od Texas Instruments (MPN: IWR6843ISK).

Infineon BGT24LTR11 Czujnik mmWave BGT24LTR11 od Infineon jest przeznaczony do aplikacji 24 GHz i charakteryzuje się bardzo małymi wymiarami. Ten komponent wykorzystuje tylko 1 kanał nadawczy i 1 odbiorczy, więc nie ma możliwości sterowania kierunkowością przez formowanie wiązki z pojedynczym komponentem. Jednakże, eliminacja dodatkowych interfejsów anten Tx/Rx zapewnia znacznie mniejsze wymiary niż inne czujniki mmWave lub przetworniki radarowe, co może być wykorzystane dla prostego nadajnika/odbiornika. Każda aplikacja wymagająca małych wymiarów, braku kierunkowości i niskiego zużycia energii przy 24 GHz może skorzystać z tego komponentu.

Inną opcją dla tego typu komponentu jest implementacja formowania wiązki dla bardzo stabilnego, spójnego sygnału 24 GHz poprzez kaskadowanie. Możliwe są również unikalne systemy MIMO z tymi komponentami. Oprócz pojedynczej pary kanałów Rx/Tx, główną zaletą tych komponentów jest kompensacja dryfu częstotliwości spowodowanego temperaturą przez pin napięcia strojenia. Eliminuje to potrzebę stosowania PLL/MCU do kompensacji dryfu temperaturowego.

Inne komponenty do produktów mmWave

Aplikacje mmWave nadal się rozwijają, a częstotliwości są zwiększane do wyższych limitów. Wymienione powyżej aplikacje wymagają również szeregu innych komponentów do zbudowania kompletnego systemu. Inne komponenty, których mogą potrzebować projektanci, to między innymi:

Niezależnie od tego, czy potrzebujesz czujnika mmWave, czy zintegrowanego przetwornika radarowego, możesz znaleźć potrzebne części i być na bieżąco ze wszystkimi najnowszymi rozwojami komponentów, korzystając z kompletnego zestawu zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, masz dostęp do aktualizowanych danych o cenach dystrybutorów, zapasach części i specyfikacjach, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zobacz naszą stronę z komponentami RF dla Twojego kolejnego systemu RF.

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