强化射频与MCU性能　车用77GHz雷达性价比攀升

　　感应器系统的其余部分在MCU中对中频（IF）频率分量进行分析。在大多数情况下只有IF信号的有功分量须做评估，故使用多个接收天线使感应器能确定目标方向；不过，其中的傅立叶转换（Fourier Transformation， FT）就须考虑复杂的相位信号内容。

　　优化调制与演算法　雷达信号处理畅所无阻

　　FMCW雷达的目标检测通过分析每个目标中以IF信号呈现的跳动频率实现。图2所示为发射信号显示频率fmax（例如77GHz）和fmin（例如 76GHz）之间的扫频信号配置，以及周期Tm的基本塬理。一个目标中的反射信号如2号线显示，指出因距离而出现的时间延迟△t，以及因目标的多普勒速度而出现的频移△f。

　　图2 FMCW调制机制示意图

　　IF信号包含距离和目标速度资讯，但两个参数都包含在一个跳动频率fIF中，多普勒频移△f=fTXmax–fRxmax因目标径向速度而导致频率分量 fD=-2Vradial/C0×ftransmit。径向距离d从IF频率更改fR=Sf×d/c0中产生，其中调制速率由Sf=2×fsweep /Tm提供；IF信号由分量fIF=fD-fR组成，导致信号处理任务模煳。

　　有多种方式可解决此一模煳问题，最常见的是使用多个调制调度表，即频率上升后紧跟下降（图2）。该方法允许中度IF频宽，并已广泛用于现有汽车雷达系统，对1公尺的范围解析度和1km/h的速度解析度，50MHz/ms的中等扫描速率便已足够。200公尺检测范围和-180-360km/h的相对速度将 IF频宽限制在100kHz以内。因此，基频信号处理可将模拟数字转换器（ADC）嵌入汽车MCU，实现高整合度。

　　最近，Range-Doppler演算法已在汽车应用领域引发热烈讨论，透过在单一发射周期Tm中应用多个线性调频脉衝，该技术为IF模煳问题提供直接解析度，因此在跳动频率中引出更高的范围分量，并将多普勒分量限制在IF信号的相位中。检测目标的角度方向需要多个天线，到达方向只须透过对已接收目标波形的相位差进行几何分析便可确定。该方法称为数位波束形成（DBF），因为每个方向的波束都可以使用阵列天线的孔径长度计算。在汽车应用中，孔径长度通常由天线覆盖范围范本限制，由汽车制造商自行定义。

　　特殊解析度最少有两个接收通道，但是，将需要两个以上的接收天线实现合理的天线图。图3所示为采用两个接收天线（右）和十六个接收天线（左）配置的等效天线图，使用多个天线的主要优势是旁瓣抑制。

　　图3 使用两个接收通道（右）和十六个接收通道（左）的天线波束配置

　　图4所示为使用Range-Doppler演算法的典型六通道雷达感应器模组，系统元件用量少，可将所有RF发射功能结合在单一BiCMOS芯片中，包括 VCO、斜坡发生器和SPI介面，以便控制MCU，进而在合理成本下实现高性能系统。由于一个50MHz石英基板足以生成一个稳定的77GHz发射时钟基板，因此，LO输出信号可直接馈送至接收器芯片，进行相关解调，但只有一半的LO频率在印刷电路板（PCB）上发送，以免电磁相容（EMC）问题加剧。

　　图4 使用Range Doppler演算法处理的六通道雷达系统范例

　　接收器芯片在一个BiCMOS芯片上包含所有六个接收通道，并且将六个模拟IF通道发送至一个六通道50MHz模拟数字转换器。数字化的真实IF通道在汽车级高性能MCU中进一步处理，FlexRay或控制器区域网路（CAN）用于将物件清单发送至资料融合处理器，四个主要芯片元件中都可实施完整的感应器解决方案。

　　满足车规安全要求　MCU增强资料冗余处理

　　雷达感应器须透过MCU对塬始多通道雷达频段信号进行预处理和资料整合，才能向车载系统提供可靠的连线能力与功能安全性。随着77GHz雷达感应器设计臻于成熟，并大举应用在自适应巡航控制（ACC）系统上。要开发该类系统，缺乏漏检故障是一个主要问题，因此，ISO 26262遂定义汽车安全标准，电子系统须符合安全完整性等级（ASIL）和复制数量的要求。由于雷达感应器是唯一的正向感应器，故须进行大量除错工作，以便让系统本身达到所需的ASIL等级。

为简化此类高度容错系统的设计，MCU须提供大量内置的复制和监控元素，如图5所示，新型MCU须专门为具有ASIL-D功能的系统做设计。为以最经济高效的方式降低资料冗余（Redundancy），在复制区域中只有少量逻辑被复制，包括e200内核、eDMA通道、冗余中断控制器（INTC）和软件计时器（SWT）、冗余储存体管理单元（MMU）、冗余交叉桿单元（XBAR）和储存体保护单元（MPU），以及将界面上的冗余校验器（RC）单元连接至非冗余区域。储存体不是复制区域的一部分，可藉由除错码（ECC）针对故障提供保护。 其余元件则透过众多的监控电路针