Thiết kế Radar MIMO và Lựa chọn Linh kiện

Created: Tháng Mười Một 30, 2021
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Hệ thống radar thương mại ngày nay đạt được khả năng kiểm soát hướng và tạo chùm sóng với ăng-ten mảng pha, cho phép nhà thiết kế hệ thống có khả năng theo dõi các vật thể trên một góc rắn. Công nghệ này không phải là mới, ăng-ten mảng pha đã được sử dụng từ năm 1979 khi hệ thống radar phát hiện tên lửa đạn đạo pha hoạt động PAVE PAWS của Mỹ đi vào hoạt động tại Alaska. Kể từ đó, các tần số hữu ích đã trở nên cao hơn, các mô-đun radar đã trở nên nhỏ hơn, và độ chính xác của các hệ thống này đã liên tục tăng lên.

Ngày nay, radar được sử dụng trong các hệ thống với mục tiêu vượt ra ngoài việc phát hiện vật thể hoặc đo lường vị trí. Radar chirped được sử dụng cho việc đo lường vị trí và vận tốc đồng thời, với một số kỹ thuật xử lý tín hiệu được sử dụng để trích xuất mục tiêu chính xác và theo dõi vị trí của chúng. Các ô tô hiện nay sử dụng các mô-đun radar chirped với kích thước tương đối nhỏ, với các mô-đun hoạt động trong băng tần K cho theo dõi mục tiêu cự ly ngắn (~24 GHz) hoặc trong băng tần W cho theo dõi mục tiêu cự ly dài (~76-81 GHz). Khó khăn trong các hệ thống hiện tại là nhu cầu về nhiều mô-đun cảm biến để cung cấp khả năng phát hiện vật thể trên các quét góc rộng, nhưng độ phân giải thấp vì không có sự điều phối tạo chùm sóng giữa các mô-đun này.

Các lĩnh vực khác như robot và máy bay không người lái đang sử dụng các băng tần radar này hoặc tương tự, và có các ứng dụng chuyên biệt trong nghiên cứu khoa học và hình ảnh. Trong 10 năm qua, chúng ta đã thấy sự tích hợp của một kỹ thuật khác từ viễn thông vào hệ thống radar: thiết kế và điều phối ăng-ten đa vào đa ra (MIMO). Bây giờ, tiến bộ hơn nữa trong hệ thống radar, bao gồm radar MIMO, đang được thúc đẩy bởi bộ cảm biến ô tô và hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS). Đối với các nhà thiết kế điện tử, chúng ta sẽ xem xét kiến trúc hệ thống cần thiết để hỗ trợ radar tiên tiến hơn và một số bộ vi xử lý hiện tại có sẵn để hỗ trợ radar MIMO.

Tiến bộ trong Radar mmWave và Giới thiệu MIMO

Các mô-đun và hệ thống radar hoạt động ở tần số mmWave hiện đang được sử dụng rộng rãi trong ba lĩnh vực chính:

Ô tô: Tôi đã đề cập đến hệ thống ADAS ở trên, sẽ tiếp tục được tập trung. Động lực chính là để cho phép theo dõi vật thể chính xác hơn, nhưng cũng có nhu cầu giảm tổng số cảm biến trong khi cho phép tạo hình ảnh tại chỗ với các phép đo radar.
Robot: Đã có một số tập trung vào lĩnh vực này trong khoảng 5 năm qua, và trong khoảng thời gian đó, chúng ta đã thấy cảm biến radar được tích hợp vào các lĩnh vực như tự động hóa nhà máy, kiểm soát tốc độ và vị trí cho các robot nhỏ, và phân đoạn hình ảnh từ đám mây điểm radar.
Hàng không vũ trụ: Sự hiện diện của radar ở đây là điều hiển nhiên, nhưng bây giờ các mô-đun radar cho các UAV và máy bay không người lái tự động nhỏ đang được tập trung với các bài kiểm tra bay trực tiếp được NASA tiến hành. Điều này giảm sự phụ thuộc vào GNSS/GPS cho việc điều hướng, điều mà không hữu ích cho việc điều hướng máy bay không người lái tự động trong các khu vực hạn chế.

Các hệ thống này sử dụng tín hiệu phát sóng chirped để cho phép theo dõi vị trí và tốc độ đồng thời, cũng như để giải thích nhiều mục tiêu trong tầm nhìn. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng tạo chùm sóng trong một mảng pha đơn, tiếp theo là sử dụng một số bước xử lý tín hiệu tiêu chuẩn để trích xuất và theo dõi mục tiêu theo thời gian.

Các mô-đun radar có sẵn trên thị trường hiện nay không sử dụng MIMO, ít nhất là theo như tôi biết tại thời điểm viết bài. Tuy nhiên, các nhà sản xuất linh kiện chính đang giới thiệu bộ vi xử lý mmWave để hỗ trợ các ứng dụng độc đáo của radar FMCW, bao gồm radar MIMO và radar xếp chồng. Các mô-đun radar thương mại, bảng đánh giá và bộ thu phát vẫn sử dụng kiến trúc ăng-ten vá trung tâm đã được kiểm nghiệm, một bộ thu phát radar COTS và một số thuật toán xử lý tín hiệu tiêu chuẩn. Điều này bao gồm các mô-đun radar mới nhất mà công ty tôi đã thiết kế cho các ứng dụng UAV.

Kiến trúc ăng-ten mảng pha cơ bản cho radar hiện nay. Phần bảng được hiển thị ở đây là từ mô-đun đánh giá AWR6843 của Texas Instruments. Thiết kế này sử dụng một bộ chồng hỗn hợp với một lớp laminate Rogers ở lớp trên cùng để hỗ trợ sự truyền tải tín hiệu ít mất mát đến các ăng-ten.

Các bước xử lý tín hiệu liên quan đến việc phân biệt và theo dõi mục tiêu khá phức tạp, và có nhiều hướng dẫn trong các sách giáo trình về xử lý tín hiệu về các chủ đề này. Trong các hệ thống này, nhược điểm của cách tiếp cận hiện tại là trong tầm nhìn hạn chế và độ phân giải thô. Vì lý do này, nhiều hệ thống sử dụng việc hình thành chùm tia chặt chẽ với độ lệch thấp cho các phép đo vị trí và tốc độ mục tiêu, và họ chỉ mở rộng tầm nhìn bằng cách sử dụng nhiều mô-đun. Các xe hơi hiện tại sử dụng nhiều mô-đun radar tầm ngắn và tầm xa với kiến trúc được hiển thị ở trên để cung cấp một tầm nhìn rộng như một phần của hệ thống ADAS, như được hiển thị dưới đây.

Chừng nào những hệ thống này tiếp tục dựa vào radar tầm ngắn trong khi cũng được thiết kế cho sự tự chủ lớn hơn, thì toàn bộ bộ cảm biến trên những sản phẩm này sẽ cần được cải thiện để có độ phân giải cao hơn. Radar MIMO là một trong những tiến bộ lớn trong lĩnh vực này mà vẫn chưa được thương mại hóa rộng rãi.

Tại sao tích hợp MIMO vào một hệ thống radar khi chúng ta có thể chỉ sử dụng thêm nhiều mô-đun để mở rộng tầm nhìn để theo dõi nhiều mục tiêu hơn? Đó là một câu hỏi công bằng và có thể không rõ ràng làm thế nào kỹ thuật MIMO hữu ích trong thiết kế radar. Rõ ràng, việc tăng số lượng mảng ăng-ten cho phép theo dõi nhiều mục tiêu hơn, nhưng độ phân giải trong các hệ thống này vẫn còn thiếu. Radar MIMO giải quyết vấn đề này mà không cần tăng độ phức tạp đáng kể.

Radar MIMO Cung Cấp Độ Phân Giải Góc Cao Hơn

Có một số lý do thuyết phục để xây dựng các hệ thống radar MIMO cho các ứng dụng trên. Lý do sử dụng MIMO không tập trung vào việc tăng số lượng mục tiêu được theo dõi, mà là về độ phân giải của việc theo dõi mục tiêu, cụ thể là độ phân giải góc trong tầm nhìn.

Trong hệ thống MIMO, bạn có một dãy anten phát Tx phát sóng trực giao. Bộ anten Tx không được điều phối để tạo ra chùm tia như bạn sẽ làm trong một dãy pha. Tuy nhiên, nếu bạn muốn tăng cường hệ thống radar MIMO của mình, bạn có thể sử dụng các dãy pha riêng lẻ cho các bộ phát Tx, nơi mỗi dãy Tx phát sóng với một trong các tín hiệu trực giao trong bộ của bạn. Nếu mỗi bộ phát Tx là một dãy, thì việc tạo chùm tia được thực hiện bằng cách sử dụng điều khiển pha tiêu chuẩn giữa từng phần tử trong dãy, nơi pha giữa mỗi bộ phát trong một dãy Tx được trì hoãn để kiểm soát việc tạo chùm tia và điều khiển hướng.

Chuỗi tín hiệu trong radar MIMO rất giống với radar dãy pha.

Cũng có một dãy Rx, nhận tất cả tín hiệu từ các anten Tx, yêu cầu ghép kênh để tách biệt từng tín hiệu trực giao phát ra từ các anten Tx. Bởi vì các tín hiệu nhận được từ mỗi phát sóng Tx là trực giao, bạn có một bộ các phép đo mỗi cái liên kết với một góc phát sóng cụ thể. Đây là điều tạo ra độ phân giải cao hơn: chùm tia bị nhiễu tại dãy Rx có thể được giải thích sử dụng cùng các bước xử lý tín hiệu như trong dãy pha tiêu biểu, nơi góc nhận được được trích xuất cùng với các tham số tốc độ và vị trí từ phép đo Doppler. Tuy nhiên, bạn giờ đây đang cảm nhận nhiều tín hiệu trực giao liên kết với một bộ phát cụ thể. Sau đó, chỉ cần một phép tính lượng giác đơn giản để liên kết mỗi tín hiệu nhận được trở lại với bộ phát cụ thể và trích xuất vị trí mục tiêu với độ chính xác rất cao.

Bạn cũng có thể bố trí các dãy theo hai chiều, tạo ra một bộ anten vá trên PCB cung cấp giải thích chùm tia theo phương vị và cực. Điều này hữu ích cho các mô-đun radar 4D mới đang được phát triển cho các hệ thống ADAS tiên tiến, sau đó có thể được sử dụng để cảm nhận độ cao của vật thể.

Điều quan trọng cần nhận ra ở đây là chúng ta đang sử dụng một dãy các bộ phát M bởi N hoạt động với một bộ tín hiệu trực giao (nhiều tần số, hoặc nhiều chirp), đây là chìa khóa cho độ phân giải phát sóng tăng lên. Xem xét trường hợp chúng ta muốn tăng gấp đôi độ phân giải của radar ô tô FMCW tiêu biểu. Chúng ta có thể làm điều này bằng cách đơn giản là tăng gấp đôi số lượng phần tử anten. Tuy nhiên, chúng ta có thể đạt được kết quả tương tự chỉ bằng cách thêm 1 anten Tx nữa. Chính sự ghép kênh giữa nhiều anten tăng độ phân giải ở phía Rx và phía Tx.

Thành phần cho Radar MIMO

Radar hiện đại sử dụng tín hiệu chirp tuyến tính (được biết đến là radar FMCW) để cho phép theo dõi vị trí và tốc độ đồng thời, cũng như trích xuất mục tiêu chính xác cao. Khối xử lý tín hiệu và khối bộ thu phát là các thành phần quan trọng cần lựa chọn ở đây vì chúng sẽ chịu trách nhiệm tạo ra và giải thích các tín hiệu được sử dụng trong hệ thống. Cũng có thể áp dụng cách tiếp cận radio định nghĩa bằng phần mềm cho việc tạo ra tín hiệu cho mỗi bộ phát Tx.

Cách bạn chọn để tạo ra các xung radar FMCW phụ thuộc vào bạn, nhưng có các thành phần COTS mà bạn có thể sử dụng để giúp thiết kế hệ thống của mình. Bởi vì những hệ thống này chưa được tích hợp cao, bạn sẽ phải kết hợp nhiều thành phần mmWave để tạo ra hệ thống radar MIMO.

Texas Instruments, AWR1642

Bộ thu phát radar AWR1642 từ Texas Instruments nhắm đến các ứng dụng ô tô và là một trong những thành phần thu phát tiêu chuẩn của họ cho các hệ thống radar FMCW. Thành phần này có thể được sử dụng theo cách ghép nhiều không gian, nơi mà nhiều mảng ăng-ten vá trung tâm được sử dụng để phát và nhận tín hiệu. Radar MIMO sau đó được thực hiện bằng cách phát sóng với các bộ phận phụ khác nhau từ mỗi phần Tx.

Sơ đồ khối cho bộ thu phát AWR1642, từ tài liệu dữ liệu AWR1642

Bộ thu phát radar IWR6843 từ Texas Instruments nhắm đến các ứng dụng công nghiệp và ứng dụng hình ảnh hoạt động ở tần số 60 đến 64 GHz. Bộ thu phát mới này mở rộng các lựa chọn radar cho các nhà thiết kế hệ thống, và radar MIMO vẫn có thể được thực hiện với ghép nhiều không gian với nhiều bộ thu phát. Thành phần cụ thể này cung cấp độ nhiễu pha cực thấp là -93 dBc @ 1 MHz, công suất Tx cao 12 dBm, một PLL tích hợp, và một ADC tích hợp. Cấu hình được thực hiện qua các giao diện số tốc độ thấp tiêu chuẩn. Về chức năng, thành phần này giống như bộ thu phát ô tô được hiển thị ở trên.

Thêm Sự Đổi Mới Với Hệ Thống Radar MIMO

Như tôi đã đề cập trước đây, một trong những lĩnh vực sắp tới trong radar MIMO là radar 4D. Những hệ thống này sử dụng hàng chục phần tử bức xạ hoạt động ở tần số mmWave, nơi chùm tia Tx được quét qua các góc cực và góc phương vị. Quét phương vị được sử dụng để phát hiện phạm vi dọc của mục tiêu và chuyển động dọc. Radar 4D hiện đang được phát triển cho các hệ thống ADAS mới nhất, nhưng những radar này cũng sẽ hữu ích cho robot hoạt động trong môi trường phức tạp, cũng như cho các drone nhỏ yêu cầu nhận dạng vật thể chính xác cao. Với độ phân giải góc cao và quét phương vị, có thể giảm bớt sự phụ thuộc vào camera hình ảnh và xử lý hình ảnh quang học và hoàn toàn dựa vào radar.

Các thành phần mới để hỗ trợ những lĩnh vực này là các SoC tích hợp cao, nơi mà bộ thu phát, ADC, khối xử lý tín hiệu, và MCU được chế tạo trên cùng một vi mạch. Điều này sẽ giúp giảm kích thước tổng thể của hệ thống và làm cho các hệ thống radar MIMO mới cạnh tranh hơn nhiều so với các radar mảng pha tiêu chuẩn.

Các Thành Phần Khác để Hỗ Trợ Hệ Thống Radar MIMO

Các hệ thống MIMO cần nhiều hơn các bộ thu phát cho từng mảng vì các bộ chipset radar hiện tại không được tích hợp cao cho các ứng dụng MIMO. Do thiếu tích hợp, các nhà thiết kế cần phải kết nối nhiều thành phần vào một hệ thống lớn hơn để hỗ trợ các ứng dụng radar MIMO. Một số thành phần quan trọng khác bạn có thể cần bao gồm:

Khi các bộ thu phát mới cho thiết kế radar MIMO trở nên khả dụng, bạn sẽ có thể tìm thấy những linh kiện quan trọng này và các linh kiện khác bằng cách sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc nâng cao trên Octopart. Công cụ tìm kiếm điện tử trên Octopart cung cấp cho bạn quyền truy cập vào dữ liệu giá của nhà phân phối được cập nhật, hàng tồn kho, thông số kỹ thuật của linh kiện, và dữ liệu CAD, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.