Cảm biến sóng mm cho ADAS, Robot và An ninh

Created: Tháng Bảy 11, 2022
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Ngày nay, các thiết bị điện tử đang trở nên tích hợp nhiều hơn với thế giới xung quanh nhờ vào việc sử dụng phổ biến các cảm biến và hệ thống HMI. Bộ cảm biến mmWave hiện nay có dạng IC và dạng mô-đun, và cả hai đều cung cấp giải pháp gọn nhẹ cho nhiều hệ thống, bao gồm robot, UAV, ADAS và an ninh. Ứng dụng dễ nhận biết nhất của cảm biến mmWave rơi vào hai lĩnh vực: radar và không dây, cụ thể là 5G và các hệ thống 6G sắp tới.

Mặc dù hai lĩnh vực này là dễ nhận biết nhất, chúng không phải là những cơ hội duy nhất cho các kỹ sư mmWave và nhà thiết kế hệ thống. Cảm biến mmWave hữu ích cho các nhiệm vụ khác như nhận dạng cử chỉ, phát hiện người hoặc vật thể, đo các dấu hiệu sinh học, và thậm chí là hình ảnh hóa. Trong những lĩnh vực ứng dụng này, bộ thu phát mmWave và cảm biến là những công nghệ hỗ trợ mà các kỹ sư hệ thống cần để xây dựng sản phẩm của họ.

Nếu bạn đang thiết kế hệ thống cần cảm biến mmWave, bạn sẽ tìm thấy nhiều lựa chọn trên thị trường cho phép chức năng đa dạng cho các hệ thống mmWave.

Ví dụ về Cảm biến mmWave và Lĩnh vực Ứng dụng

Có nhiều lĩnh vực ứng dụng cho bức xạ và cảm biến mmWave ngoài 5G và radar ô tô, và một số linh kiện được thiết kế riêng cho các hệ thống cụ thể trong những lĩnh vực này. Các linh kiện khác dành cho việc sử dụng chung trong hệ thống mmWave, làm cho chúng trở thành công cụ tốt cho nghiên cứu về thiết kế và kiến trúc hệ thống mới.

Dưới đây, tôi sẽ khám phá một số lĩnh vực thương mại hóa chính nơi cảm biến mmWave đang được sử dụng ngày nay, cũng như nơi một người có thể tìm thấy cơ hội để xây dựng sản phẩm mới.

Radar Ô tô

Lĩnh vực đầu tiên là trong hệ thống hỗ trợ lái xe ô tô (ADAS), nơi radar được sử dụng cùng với nhiều cảm biến (quang học, siêu âm, và radar tầm ngắn/dài) cho an toàn ô tô. Cảm biến mmWave hoạt động ở 24 GHz được sử dụng cho radar tầm ngắn trong xe hơi cho các ứng dụng như giám sát điểm mù, phát hiện chướng ngại vật, và tránh va chạm. Những radar tầm ngắn này đã sử dụng băng tần ISM ở 24 GHz hoặc băng tần siêu rộng (UWB) từ 21.65 đến 26.65 GHz. Tuy nhiên, băng tần UWB sẽ trở nên lỗi thời vào năm 2022 do các hạn chế quy định của Mỹ và Châu Âu.

Radar có tầm nhìn rộng và radar tập trung tầm xa ngày nay hoạt động với bộ đàm 77 GHz, cái sau có thể cung cấp phạm vi lên đến khoảng 250 m. Các mô-đun radar thương mại sử dụng ăng-ten vá trung tâm để truyền và nhận tín hiệu radar sóng liên tục điều chế tần số (FMCW) chirped. Việc sử dụng ăng-ten vá trung tâm cung cấp khả năng điều khiển chùm tia, phát hiện hướng và tầm nhìn rộng cần thiết cho các radar này.

Drone và Robot

UAV và robot đều cần radar để “nhìn” thế giới xung quanh và theo dõi các vật thể bên ngoài trong môi trường. Máy bay không người lái và các loại robot khác, như robot công nghiệp hoặc robot gia đình, có thể hoạt động ở băng tần ISM 24 GHz, hoặc có thể hoạt động ở 60 GHz cho các ứng dụng độ phân giải cao hơn. Giống như radar ô tô, các hệ thống này cần kết hợp dữ liệu từ nhiều cảm biến với các thuật toán xử lý phức tạp để tận dụng tối đa tín hiệu và cảm biến mmWave.

An ninh

Lĩnh vực này vẫn còn ít được biết đến, nhưng radar có thể được tích hợp vào hệ thống an ninh để đếm người, phát hiện vật thể và theo dõi vật thể. Cơ sở hạ tầng thông minh là một lĩnh vực tổng quát hơn nơi mà cảm biến mmWave có thể được sử dụng để phát hiện và theo dõi vật thể. Radar và cảm biến mmWave đã đóng vai trò quan trọng trong việc đưa nhận thức tính toán ra hệ thống tính toán biên với ứng dụng chính là trong an ninh. Các radar này thành công nơi mà giải pháp quang học (tức là, nhận dạng vật thể bằng camera) thất bại đơn giản do chi phí và tầm nhìn; nhận dạng vật thể quang học chính xác ở khoảng cách xa như vậy đòi hỏi phải hy sinh tầm nhìn, và nó đòi hỏi một bộ phận quang học đắt tiền hơn. Radar và cảm biến mmWave trong hệ thống camera an ninh tạo ra một giải pháp theo dõi vật thể hữu ích.

Hệ thống Độ Phân Giải Cao và Hình Ảnh

Trong khi các bộ phát và bộ thu mmWave rất hữu ích để phát hiện mục tiêu, những hệ thống này thường không hiệu quả cho việc tạo hình ảnh. Có một số lý do cho điều này, chủ yếu là nhu cầu về beamforming độ phân giải cao. Vấn đề khó khăn với beamforming về mặt thiết kế hệ thống là mối quan hệ giữa độ phân giải và số lượng bộ phát. Hình ảnh độ phân giải cao đòi hỏi nhiều bộ phát hơn, điều này đồng nghĩa với việc cần phải đồng bộ hóa giữa nhiều bộ phát để thiết lập độ trễ pha giữa các tín hiệu phát sóng cho hướng truyền dẫn mong muốn.

Để đồng bộ hóa nhiều tín hiệu trên một số lượng lớn bộ phát, bạn sẽ cần phải có nhiều chip thu phát được đồng bộ bởi một đồng hồ tần số thấp, lý tưởng là một dao động tần số trung gian (IF). Dao động đồng bộ này chỉ có sẵn trên một số linh kiện; loại hệ thống này là một hệ thống xếp chồng do sự điều phối phát sóng từ nhiều linh kiện.

Một ví dụ sơ đồ khối cho thấy đồng bộ Tx/Rx trong một cảm biến mmWave được hiển thị dưới đây. Nhiều sơ đồ khối như vậy được đặt song song và được đồng bộ với cùng một dao động (LO) và đồng hồ (CLK). Điều này tạo ra sự đa dạng của các bộ phát đang phát sóng một cách đồng bộ về pha.

Yếu tố quan trọng khác trong việc chụp ảnh là xử lý lượng dữ liệu khổng lồ mà bạn tạo ra trong hệ thống. Việc truyền dữ liệu này trở lại bộ điều khiển hệ thống (thường là FPGA với IP phù hợp) đòi hỏi phải định tuyến một số giao thức tốc độ dữ liệu cao rất cao; công nghệ tiên tiến trong hệ thống chụp ảnh radar sử dụng Ethernet 10G hoặc cao hơn cho việc chuyển dữ liệu.

Cảm biến mmWave so với Máy thu Radar

Sự khác biệt giữa các sản phẩm được quảng cáo là bộ thu phát radar và cảm biến mmWave là gì? Thực sự không có nhiều sự khác biệt ngoài lĩnh vực ứng dụng mà chúng nhắm đến, cách tín hiệu được tạo ra và sử dụng, và số lượng tính năng được tích hợp vào một thành phần mmWave. Các mô-đun radar hiện nay sẽ sử dụng một bộ thu phát radar chuyên biệt cho ứng dụng cụ thể của họ, nơi mà bộ thu phát radar ô tô là một ví dụ điển hình. Cảm biến mmWave sẽ được quảng cáo cho các ứng dụng chung hơn như phát hiện vật thể và mức độ, đếm và theo dõi người, hoặc các nhiệm vụ khác.

Sự khác biệt chính khác là mức độ tích hợp tính năng. Các thành phần nhắm đến các ứng dụng cụ thể sẽ bao gồm những tính năng cần thiết cho ứng dụng (cả về kiến trúc phần cứng và firmware). Cố gắng phù hợp một cảm biến mmWave chung chung vào một ứng dụng cụ thể hơn có thể yêu cầu bổ sung bằng một MCU bên ngoài hoặc thành phần khác.

Một số Cảm biến mmWave Đa Năng

Texas Instruments IWR1642

Cảm biến mmWave IWR1642 của Texas Instruments là một ví dụ về cảm biến mmWave đa năng có thể cũng hoạt động như một bộ thu phát radar. Nó bao gồm 4 kênh Rx và 2 kênh Tx cho việc điều khiển hướng nếu cần. Tất cả các tính năng đều có thể lập trình thông qua một MCU bên ngoài qua các giao diện tiêu chuẩn (SPI, I2C, UART, GPIO) hoặc giao diện LVDS 2 làn cho quyền truy cập dữ liệu ADC thô. Cảm biến này được thiết kế để hoạt động từ 76 đến 81 GHz và cung cấp khả năng xử lý tín hiệu FMCW tích hợp cho các ứng dụng như an ninh và giám sát công nghiệp.

Texas Instruments IWR6843

Cảm biến IC mmWave IWR6843 của Texas Instruments còn đa năng hơn thành phần trước. Thành phần này nhắm đến các ứng dụng trong phạm vi 60 đến 64 GHz, như các ứng dụng an toàn chức năng và tự động hóa. Cảm biến mmWave này bao gồm một khối DSP trên chip cho xử lý tín hiệu nâng cao và bộ tăng tốc phần cứng cho các chức năng FFT, lọc, và xử lý CFAR cho việc nhận dạng và theo dõi đối tượng. Cũng có một mô-đun ăng-ten dựa trên thành phần này có sẵn từ Texas Instruments (MPN: IWR6843ISK).

Infineon BGT24LTR11 Cảm biến mmWave BGT24LTR11 từ Infineon hướng đến các ứng dụng 24 GHz trong một kích thước nhỏ gọn. Linh kiện này chỉ sử dụng 1 kênh phát và 1 kênh nhận, do đó không có kiểm soát hướng thông qua beamforming với một linh kiện đơn lẻ. Tuy nhiên, việc loại bỏ các giao diện ăng-ten Tx/Rx phụ giúp giảm kích thước tổng thể so với các cảm biến mmWave hoặc bộ thu phát radar khác, do đó có thể được sử dụng cho một bộ phát/định vị đơn giản. Bất kỳ ứng dụng nào yêu cầu kích thước nhỏ gọn, không hướng và tiêu thụ năng lượng thấp ở 24 GHz đều có thể được hưởng lợi từ linh kiện này.

Lựa chọn khác cho loại linh kiện này là thực hiện beamforming của tín hiệu 24 GHz ổn định và đồng bộ cao thông qua việc nối tiếp. Các hệ thống MIMO độc đáo cũng có thể thực hiện được với những linh kiện này. Ngoài cặp kênh Rx/Tx đơn, ưu điểm chính của những linh kiện này là bù trừ lệch tần số do nhiệt độ thông qua một chân điều chỉnh điện áp đầu vào. Điều này loại bỏ nhu cầu sử dụng PLL/MCU để bù trừ cho sự lệch tần do nhiệt độ.

Các Linh Kiện Khác cho Sản Phẩm mmWave

Ứng dụng mmWave vẫn đang được mở rộng và tần số đang được đẩy lên giới hạn cao hơn. Các ứng dụng được liệt kê ở trên cũng cần một loạt các linh kiện khác để xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh. Một số linh kiện khác mà các nhà thiết kế có thể cần bao gồm:

Dù bạn cần một cảm biến mmWave hay một bộ thu phát radar tích hợp, bạn có thể tìm thấy các linh kiện bạn cần và cập nhật với tất cả các phát triển linh kiện mới nhất khi bạn sử dụng bộ đầy đủ các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trên Octopart. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu giá của nhà phân phối được cập nhật, hàng tồn kho, và thông số kỹ thuật, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang thiết bị RF của chúng tôi cho hệ thống RF tiếp theo của bạn.

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