【導(dǎo)讀】俗話說(shuō)“汽車賣的就是安全性”，現(xiàn)在這句話比任何時(shí)候都更加正確。在全球新車評(píng)價(jià)規(guī)范(NCAP)的引領(lǐng)下，行業(yè)對(duì)汽車安全的監(jiān)管不斷加強(qiáng)，旨在盡可能降低駕駛員和乘客的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高消費(fèi)者對(duì)先進(jìn)高科技安全功能的意識(shí)。
恩智浦的 MCU 產(chǎn)品在性能和功耗之間達(dá)到了良好平衡，可用于硬件加速的高分辨率雷達(dá)系統(tǒng)，打造更安全、更智能的汽車。
俗話說(shuō)“汽車賣的就是安全性”，現(xiàn)在這句話比任何時(shí)候都更加正確。在全球新車評(píng)價(jià)規(guī)范(NCAP)的引領(lǐng)下，行業(yè)對(duì)汽車安全的監(jiān)管不斷加強(qiáng)，旨在盡可能降低駕駛員和乘客的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高消費(fèi)者對(duì)先進(jìn)高科技安全功能的意識(shí)。在從當(dāng)前一代的 L2 級(jí)別汽車演進(jìn)到全自動(dòng)化的 L5 級(jí)別汽車的過(guò)程中，安全問題成為消費(fèi)者和汽車 OEM 最關(guān)注的頭等大事， 汽車安全系統(tǒng)的誤差容限變得越來(lái)越小。
圖 1，汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE)自動(dòng)化級(jí)別
(資料來(lái)源:美國(guó)國(guó)家高速交通安全管理局(NHTSA))
汽車 OEM 和一級(jí)供應(yīng)商正在努力滿足這些不斷提高的要求，同時(shí)推動(dòng)安全功能成本的下降，以達(dá)到消費(fèi)者樂于接受的價(jià)位，增強(qiáng)各自的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)加快整體的市場(chǎng)接受度。在汽車傳感器級(jí)別上，必須充分考慮攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)技術(shù)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，謹(jǐn)慎的在它們之間達(dá)到性價(jià)比平衡。
這三種技術(shù)都展示了它們對(duì)汽車安全應(yīng)用的獨(dú)特價(jià)值，但其中沒有任何一種技術(shù)能夠獨(dú)自全面地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛或高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)功能。但是如果涉及到成本，那么激光雷達(dá)傳感器的成本仍然是非常高昂的，只有在 L4 和 L5 級(jí)別的汽車上，這種技術(shù)對(duì)于履行必要法律責(zé)任和達(dá)到最低保險(xiǎn)條件才變得不可或缺。除了降低車載激光和光學(xué)系統(tǒng)的成本之 外，機(jī)械旋轉(zhuǎn)式的 LiDAR 系統(tǒng)還需要不斷演進(jìn)，消除因移動(dòng)組件導(dǎo)致的可靠性難題。
在可以預(yù)見到的未來(lái)，雷達(dá)和攝像頭傳感器將是汽車安全應(yīng)用的理想組合，其具有經(jīng)濟(jì)性、可靠性和組合功能，幫助打造更安全、更智能的下一代汽車。雖然攝像頭傳感器對(duì)于目標(biāo)識(shí)別和分類至關(guān)重要，但其缺陷是低光照和惡劣天氣會(huì)限制它們的效率，而雷達(dá)傳感器不會(huì)受到這些因素的影響，可以提供高精度的汽車周圍物體的相對(duì)距離和速度信息，這是攝像頭傳感器所無(wú)法做到的。
圖 2，當(dāng)今自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的傳感器功能
攝像頭和雷達(dá)傳感器在處理器層面有一點(diǎn)類似之處：它們都會(huì)產(chǎn)生很大的計(jì)算工作負(fù)載。隨著像素大小縮減，像素密度增加，攝像頭的圖像分辨率可以不斷提高。但是，要提高雷達(dá)傳感器的分辨率，對(duì)底層處理平臺(tái)的需求將呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。
在本文中，我們將評(píng)估一些推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)創(chuàng)新的技術(shù)趨勢(shì)、挑戰(zhàn)和機(jī)遇，以及高級(jí)汽車安全功能對(duì)高分辨率雷達(dá)日益增加的依賴性。
圖 3，雷達(dá)場(chǎng)景
高分辨率雷達(dá)的高速處理
隨著 24 GHz 頻段變得越來(lái)越擁擠，監(jiān)管機(jī)構(gòu)在逐步淘汰用于該頻段的汽車?yán)走_(dá)，同時(shí)開放了毫米波(mmW) 77GH 頻段 (76-81GHz)以供汽車?yán)走_(dá)使用，充分發(fā)揮調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)的作用。這對(duì)于可用頻率的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了多達(dá) 5GHz 的掃頻帶寬，而以前的 24GHz 窄帶雷達(dá)的帶寬僅限 200MHz，兩者在可用頻率帶寬上存在很大差異。
這一變化使得距離分辨率提高了 25 倍，距離分辨率決定了物體之間相隔多遠(yuǎn)才能被辨別為不同的目標(biāo)，在有緊密聚集的鄰近目標(biāo)的環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn)更好的檢測(cè)和跟蹤功能。要基于已知運(yùn)動(dòng)模式和兩個(gè)“目標(biāo)”類別的屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)更高階的自動(dòng)決策，能夠辨別多個(gè)目標(biāo)（例如汽車和行人）的能力顯得至關(guān)重要。
汽車?yán)走_(dá)是經(jīng)過(guò)整體優(yōu)化來(lái)計(jì)算距離、速度 / 多普勒效應(yīng)、水平波達(dá)角和俯仰角等參數(shù)。如果底層處理平臺(tái)性能和 / 或存儲(chǔ)器受到限制，為了讓雷達(dá)以更高的分辨率來(lái)測(cè)量其中某個(gè)參數(shù)，那就需要在其他參數(shù)方面做出犧牲。
雷達(dá)功能
測(cè)量
與被測(cè)目標(biāo)的距離
相對(duì)徑向速度
水平波達(dá)角
雷達(dá)截面積(被測(cè)目標(biāo)尺寸)
圖 4，雷達(dá)功能
汽車供應(yīng)商堅(jiān)定不移地致力于提高雷達(dá)分辨率。但是，在多個(gè)參數(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡仍然是一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，特別是在角度分辨率方面，它是辨別相鄰車道汽車的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，也是自適應(yīng)巡航控制(ACC)和自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)應(yīng)用中不可或缺的功能。要能夠在大型目標(biāo)周圍檢測(cè)和分辨出鄰近的行人，這會(huì)對(duì)傳感器的水平分辨率有很高的要求。
此外，高分辨雷達(dá)能夠精確地測(cè)量隧道、橋梁和標(biāo)志桿，以及給汽車留出相應(yīng)的凈空余地，同時(shí)這種能力也可以用于檢測(cè)道路上的小型障礙物。這種新功能對(duì)俯仰角檢測(cè)的分辨率提出了更嚴(yán)格的要求，需要具有真正 2D 角度測(cè)量功能(水平方向角和俯仰角)的傳感器。
制造商可以利用多入多出(MIMO)技術(shù)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。在這種技術(shù)中，N 個(gè)物理發(fā)射天線和 M 個(gè)物理接收天線形成 N x M 虛擬接收天線陣。這種方法的優(yōu)勢(shì)是不會(huì)給系統(tǒng)增加過(guò)多的額外成本，但在角度分辨率方面實(shí)現(xiàn)了顯著改進(jìn)，同時(shí)盡可能地減少發(fā)射雷達(dá)的啁啾序列的數(shù)量。由于啁啾序列減少，就可以加快掃描速度，消除一些影響傳感器延遲的劣化效應(yīng)，從而增強(qiáng)目標(biāo)檢測(cè)敏捷性，縮短 ADAS 響應(yīng)時(shí)間。
另外還存在“距離走動(dòng)”效應(yīng)，在這種效應(yīng)中，運(yùn)行中的目標(biāo)在啁啾序列中會(huì)跨越距離分辨單元，從而導(dǎo)致模糊的多普勒測(cè)量，降低檢測(cè)和跟蹤精確度。通過(guò)產(chǎn)生更快的啁啾頻率，可以抑制這些效應(yīng)，但提高啁啾頻率需要更快的采樣率，目的是保持最大 FFT 探測(cè)距離。更高的采樣率會(huì)加大底層處理器的存儲(chǔ)帶寬的壓力，并需要更快的多普勒 FFT 處理能力，從而對(duì)板載存儲(chǔ)器容量產(chǎn)生了很大需求，另外還有其他一些不利因素。
虛擬天線陣列的 MIMO 波束成形對(duì)處理器性能提出了要求，從根本上需要高性能的處理平臺(tái)，擁有充足的存儲(chǔ)器、帶寬和信號(hào)處理能力，這樣才能實(shí)現(xiàn)上文所述的角度分辯率的提升。
雷達(dá)具有兩個(gè)主要功能模塊
射頻傳感器(射頻“前端”)
天線
信號(hào)產(chǎn)生和發(fā)射
信號(hào)接收和信號(hào)調(diào)節(jié)
模數(shù)采樣
計(jì)算(雷達(dá) MCU)
將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信息
識(shí)別“目標(biāo)”
計(jì)算 1)距離，2)相對(duì)徑向速度，3)目標(biāo)角度
高級(jí)功能，例如分類和跟蹤
圖 5，雷達(dá)的功能模塊
雷達(dá)傳感器信號(hào)鏈引入的所有新自動(dòng)決策功能都會(huì)增加計(jì)算工作負(fù)載。隨著汽車制造商部署功能更強(qiáng)大的雷達(dá)傳感器系統(tǒng)，以滿足日趨嚴(yán)格的全球安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)算力的需求只會(huì)一路增加。例如，全球 NCAP 標(biāo)準(zhǔn)預(yù)期將在 2020 年制定和實(shí)施 針對(duì)高級(jí)雷達(dá)驅(qū)動(dòng)功能的嚴(yán)格安全等級(jí)要求。這些安全要求涉及到眾多功能，從十字路口自動(dòng)緊急制動(dòng)，遮擋物分類， 到低光照條件下的行人檢測(cè)等等。
圖 6，自動(dòng)駕駛汽車感知需求
在處理層，對(duì)基于雷達(dá)的主動(dòng)安全功能倚重日益增加，這就使得當(dāng)今汽車?yán)走_(dá)處理器的性能成為關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)汽車?yán)走_(dá)處理器性能的關(guān)注，揭示了不同競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品之間的關(guān)鍵架構(gòu)差異。OEM 和一級(jí)供應(yīng)商必須認(rèn)識(shí)到這些差異，從而確保盡可能高效地利用所有可用的雷達(dá)處理能力，增強(qiáng) ADAS 響應(yīng)，最大程度上保護(hù)駕駛員和乘客的安全。
出眾的性能和卓越的性能功耗比
對(duì)于每種汽車傳感器應(yīng)用而言，性能功耗比都是一個(gè)至關(guān)重要的考慮因素。無(wú)論是燃油動(dòng)力，新能源，還是混動(dòng)考慮到雷達(dá)相關(guān)的 RF 功率輸出，受限的安裝位置，散熱出口，對(duì)于一個(gè)使用多個(gè)雷達(dá)發(fā)射器的車輛來(lái)說(shuō)，熱管理的限制是十分明顯的。隨著車載傳感器網(wǎng)絡(luò)的密度日益增加，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可用的氣流冷卻口減少，散熱和熱管理因素讓實(shí)現(xiàn)高性能功耗比變得更為嚴(yán)峻。
因此，在傳感器以內(nèi)，僅通過(guò)簡(jiǎn)單地增加高功耗通用處理器內(nèi)核數(shù)量，來(lái)滿足日益增加的雷達(dá)性能要求，并非明智的做法。雷達(dá)傳感器處理流要求開發(fā)者對(duì)每瓦特性能指標(biāo)，高性能功耗比，給予高度關(guān)注，而正是在這個(gè)領(lǐng)域，恩智浦在業(yè)內(nèi)樹立了明顯優(yōu)勢(shì)。
作為車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域的技術(shù)和市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，恩智浦的高度集成式雷達(dá)處理器能為客戶提供可擴(kuò)展的硬件和軟件兼容產(chǎn)品系列，如 S32R27 和 S32R37 雷達(dá) MCU。這些器件集成了高效的專用硬件加速器，即恩智浦專有的雷達(dá)信號(hào)處理加速器(SPT)，與傳統(tǒng) DSP（依據(jù)恩智浦基準(zhǔn)測(cè)試和公開發(fā)布的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品信息）相比，每瓦特性能得到了顯著改進(jìn)。另外，恩智浦雷達(dá)產(chǎn)品支持更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，更高的距離和角度分辨率和精度，這將顯著提升基于雷達(dá)的主動(dòng)安全應(yīng)用的性能，如防撞、變道輔助、自動(dòng)緊急制動(dòng)等。
恩智浦的 S32R27 和 S32R37 是基于 Power Architecture 的 32 位 MCU，其設(shè)計(jì)目的是通過(guò)提供獨(dú)特的信號(hào)處理加速，結(jié)合性能強(qiáng)大的多核架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的雷達(dá)信號(hào)處理功能，滿足新型波束成形和快速調(diào)頻調(diào)制雷達(dá)系統(tǒng)的高性能計(jì)算要求。
圖 7，恩智浦雷達(dá)器件的產(chǎn)品參數(shù)簡(jiǎn)介
恩智浦汽車?yán)走_(dá) MCU 目標(biāo)應(yīng)用
恩智浦 S32R27 和 S32R37——中 - 短距雷達(dá)，包括側(cè)視和車身環(huán)繞感知、變道 / 車道保持輔助(LCA、LKA)、盲點(diǎn)檢測(cè)(BSD)、后方交通穿行提示(RTCA)。
恩智浦 S32R27 的其他功能——長(zhǎng)距雷達(dá)，包括前向防撞預(yù)警、自適應(yīng)巡航控制(ACC)、自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)、行人保護(hù)。
恩智浦的 SPT 支持高性能雷達(dá)信號(hào)處理，采用性能強(qiáng)大的專用引擎，集成了信號(hào)處理功能，提供各種必需的硬件模塊， 可為工程師提供幫助，具有以下特性：
在編程的采集窗口中進(jìn)行 ADC 采樣
硬件加速，用于快速傅立葉變換(FFT)、直方圖統(tǒng)計(jì)、2D 峰值搜索、矢量運(yùn)算
用于信號(hào)處理操作的高級(jí)別命令
用于 DMA 數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)壓縮 / 解壓
CPU 中斷通道和看門狗
SPT 是高度優(yōu)化的雷達(dá)處理子系統(tǒng)的一部分，采用先進(jìn)的高性能主機(jī)總線和外設(shè)總線。系統(tǒng)總線主接口用于 SRAM 和 ORAM 之間的快速數(shù)據(jù)傳輸，而外設(shè)接口的用途則是設(shè)置配置、獲取狀態(tài)信息、SPT 基本控制、觸發(fā)中斷，提供出色的汽車?yán)走_(dá)處理性能。SPT 可編程直接存儲(chǔ)器訪問(PDMA)是支持?jǐn)?shù)據(jù)流傳入和傳出 SPT 內(nèi)核的關(guān)鍵要素。恩智浦非常重視汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用領(lǐng)域，依托自身對(duì)系統(tǒng)的深入理解，為必要的方面進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)為客戶提供足夠的靈活性。
未來(lái)愿景
保障駕駛員、乘客和行人安全的措施事關(guān)重大，每一毫秒的汽車響應(yīng)時(shí)間都極為關(guān)鍵。市場(chǎng)對(duì)更高分辨率雷達(dá)傳感器的需求日益增加，需要利用它們來(lái)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的汽車安全功能，由于性能要求，底層處理平臺(tái)必須在計(jì)算敏捷性和能效之間達(dá)到良好平衡。
恩智浦推出了全面的汽車?yán)走_(dá) MCU 產(chǎn)品組合，結(jié)合業(yè)界領(lǐng)先的 SPT 硬件加速功能，構(gòu)建了可擴(kuò)展、簡(jiǎn)化、高度集成的獨(dú)特解決方案，專為提高雷達(dá)分辨率和增強(qiáng)傳感器數(shù)據(jù)融合而設(shè)計(jì)，幫助打造下一代更安全、更智能的汽車。恩智浦將繼續(xù)銳意創(chuàng)新，開發(fā)專門的專利技術(shù)，跟上不斷發(fā)展的 L3 以上級(jí)別要求，讓一級(jí)供應(yīng)商能夠構(gòu)建性能出眾的雷達(dá)解決方案。
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