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技术揭秘:一款能产生高分辨率4D图像的成像雷达芯片

2020-11-25 Maurizio Di Paolo Emilio,Junko Yoshida 阅读:
雷达市场一度增长缓慢,只需满足军事等成熟应用的需求。现在情况发生了很大变化,除了军事基地和航空母舰等应用,雷达也开始大量进入家庭、家用汽车甚至智能手机应用。本文出于多种考虑,专门选择了一款雷达芯片——Vayyar的第一代RF片上系统进行拆解与分析。

随着雷达的应用越来越广(在消费产品中都用到了雷达),技术和成本分析公司System Plus Consulting对其实施方式充满好奇,决定对雷达芯片进行拆解。但是,选哪一款雷达芯片呢?出于多种原因,最终选择了Vayyar的第一代RF片上系统。ouxednc

System Plus Consulting公司的兴趣主要在Vayyar如何设计出这样一款高度集成的单芯片RF SoC,Vayyar SoC创建高分辨率4D图像的能力也吸引了System Plus Consulting的分析师。ouxednc

雷达市场一度增长缓慢,因为只需满足军事等成熟应用的需求。现在情况发生了很大变化,雷达(尤其是“成像雷达”)的热度也越来越高。汽车和消费类应用激发了系统设计人员的想象力,推动雷达达到两位数增长。ouxednc

雷达在军事基地和航空母舰等应用中仍然至关重要,同时也开始大量进入家庭、家用汽车甚至智能手机应用。针对汽车应用,汽车OEM厂商和一级供应商正在研究用于高级辅助驾驶系统(ADAS)和车内占位检测的成像雷达。ouxednc

雷达技术供应商密切关注雷达在智能手机领域的应用机会。例如,去年英飞凌与Google宣布合作,利用英飞凌的雷达技术在Google Pixel 4智能手机中实现手势控制。是否每部手机都会在不久的将来采用雷达技术尚不得而知,但雷达的应用领域正在迅速扩大。ouxednc

Vayyar在其Walabot产品线中采用了RF SoC设计。Walabot Home跌倒检测系统可帮助家庭成员和看护者密切关注家里可能跌倒的老人,该系统使用雷达,可以透过墙壁和窗帘感知人的情况,被看管者无需配备可穿戴设备。ouxednc

Vayyar的这颗芯片可以分析集成式收发器发送和接收的大量信号,并由SoC中的高速DSP处理这些信号,因此Yole Développement旗下的System Plus Consulting公司对该芯片很感兴趣。ouxednc

笔者采访了System Plus Consulting的成本分析专家Stéphane Elisabeth,他向我们解释说,Vayyar设计的是一块包含RF SoC和MCU的小板子,RF SoC可以与系统供应商选择的任何外部应用处理器配合使用。ouxednc

Vayyar的第一代芯片(即本文要拆解的芯片)基于3~10GHz RF SoC。由于不同国家/地区对频率范围的限制不同,Vayyar设计了一些后续产品,包括工作在57~64 GHz的产品,最大带宽和分辨率范围都提高了。另外还有基于77~81GHz的产品。ouxednc

根据System Plus Consulting,RF SoC采用了一个片上DSP,其收发器裸片中有多个SRAM存储器。RF SoC将数据提供给Walabot板上的MCU,MCU只是将SRAM数据转换为USB数据流类型。这一步十分重要,因为它使Vayyar的RF SoC具有中立性和灵活性,因此可与系统设计师选择的任何外部CPU或应用处理器——无论是高通的Snapdragon还是其他厂商的应用处理器——配合使用。如果需要,它还可以执行复杂的成像算法。ouxednc

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图1:RF电路板上有21个天线。(图片来源:System Plus Consulting)ouxednc

Walabot Home系统之外

除了Walabot Home系统,Vayyar又开始进军汽车市场。2018年,Vayyar与领先的一级供应商Valeo达成了交易。Valeo当时宣布计划使用Vayyar的雷达传感器,监视婴儿呼吸并在紧急情况下触发警报,尤其是将婴儿单独留在车内时。ouxednc

2019年11月,Vayyar在D轮融资中筹集了1.09亿美元资金,由美国跨国公司Koch Industries的投资子公司Koch Disruptive Technologies(KDT)领投。Koch成为Vayyar的战略投资者意义重大,因为Koch及其子公司可能为Vayyar打开了一扇大门,使Vayyar的成像传感器进入更多细分市场。ouxednc

2020年初,Vayyar宣布与总部位于日本的汽车零部件供应商Aisin Seiki建立合作伙伴关系,共同开发汽车4D高分辨率短距离外部传感器,用于盲点检测等应用。ouxednc

Walabot Home系统构成

Walabot Home是一个跟踪人们的活动、监控人们是否跌倒以及是否需要帮助的智能系统。这一轻薄设备采用的传感器系统可以处理类似Wi-Fi信号的低功率无线电波,以确定人的位置。ouxednc

作为系统核心的RF SoC结合了3~81GHz发射器和接收器,无需外部CPU,通过对发送和接收的多种信号进行分析来创建高分辨率4D图像。Vayyar技术集成了收发器和可以高速处理数据的DSP,因此能够创建精确的场景。ouxednc

通过Walabot Home系统,Vayyar技术可以显示人员及物体的大小、位置和移动,无需使用摄像头即可实时对环境进行完整分类。不用摄像头意味着减少了可能侵犯个人隐私的途径。ouxednc

Walabot Home是一个跌倒警报系统,用于监控人员,防止可能发生的危险和事故。这款智能家居设备可以检测一个人在家里时是否意外摔倒并需要帮助。ouxednc

RF SoC

该系统包含一个UWB(超宽带)频段系统,利用持续时间极短的射频能量脉冲(从几十皮秒到几纳秒)发送和接收信号,可检测人员及其空间位置。它实际上是一种无线协议,可使用功率不到1W的天线达到每秒千兆比特的带宽(当频带大于500MHz或分数频带大于20%时,FCC将其定义为UWB)。该技术的优点在于,由于脉冲很短,UWB对反射波本身引起的干扰不太敏感。ouxednc

“Vayyar的单个RF SoC用于发送/接收3.3~10GHz RF信号。该系统使用了两块板子:一块用于RF收发器(图2中的黄线框)、SRAM数据收集和USB类数据流;另一块(图2中的绿线框)用于数据处理和BT/Wi-Fi连接。”System Pluc Consulting的Elisabeth说。ouxednc

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图2:Walabot Home系统的X射线透视图。(图片来源:System Plus Consulting 公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷达成像SoC报告)ouxednc

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图3:Walabot Home系统框图。(图片来源:System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷达成像SoC报告)ouxednc

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图4:Walabot Home系统主板。(图片来源:System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷达成像SoC报告)ouxednc

从图3可以看到,两块板子通过Flex PCB结构连接,具有更好的柔性,与采用刚性基座的类似解决方案相比,其空间、重量和成本都大大降低。ouxednc

散热管理采用两种方式:“一种是在应用处理器上,另一种直接在散热器上,”Elisabeth说,“我们推测散热器是用A380型铝合金制成的。”ouxednc

A380是最常用的一种铝合金,具有出色的流动性、耐压性和抗热裂性,特别是使用铝合金380进行压铸时,可以生产出质优价㾾的耐用零件和产品。ouxednc

RF SoC从裸片到封装下方的焊球有48个输入/输出路径。Elisabeth说:“在这48个RF I/O中,只有42个用于连接天线。RF SoC的收发器裸片中集成了一个DSP和多个SRAM存储器,将数据提供给MCU。MCU仅将SRAM数据转换为USB数据流类型。由于采用了片上DSP,因此无需任何外部CPU即可执行复杂的成像算法。”ouxednc

RF SoC采用无盖FCBGA封装,使用6层PCB衬底,焊接在10层PCB衬底上(图5)。MMIC包含两个正交振荡器,可以在芯片上生成直接由模数转换器(ADC)处理的中频信号。ouxednc

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图5:RF SoC封装的剖面图。(图片来源:System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷达成像SoC报告)ouxednc

除了SoC处理器VYYR2401-A3 RF,在图3和4的框图中,还可以看到支持紧急移动通信的MSM8909处理器,以及用于扬声器和麦克风管理的高通编解码器/音频器件。高通骁龙210 MSM8909是一款入门级SoC,有四个1.1GHz的ARM Cortex-A7 CPU内核(四核),可用于Android平板电脑和智能手机。该SoC集成了蓝牙4.1+BLE、802.11n(2.4GHz)WiFi,以及最高速度达150Mbps的Cat4 4G-LTE调制解调器(LTE FDD、LTE TDD、WCDMA(DC-HSDPA,HSUPA)、CDMA1x、EV-DO版本B、TD-SCDMA和GSM/EDGE)。ouxednc

Cypress CYUSB2014控制器是一种SuperSpeed外围控制器,提供灵活的集成功能,可将SoC RF分析的数据发送到USB协议。该控制器有一个称为GPIF II的完全可配置并行通用可编程接口,可以连接到任何处理器、ASIC或FPGA。GPIF II是Cypress的旗舰USB 2.0产品FX2LP中GPIF的增强版。ouxednc

天线

雷达信号管理板由21根天线组成,可确保高分辨率。由于系统在3~10GHz的频率下工作,因此天线的尺寸较大(λ/4=~15mm)。“天线尺寸较大意味着需要一块大RF板来支持21个天线,”Elisabeth说,“多个天线连接可提供更好的分辨率。但是由于天线不仅支持高频,还支持低频,因此尺寸非常大。”ouxednc

“该系统的高工作频率约为9.6GHz,天线尺寸取决于蝶形的大小。”Elisabeth补充说。ouxednc

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图6:具有21个天线的RF板。(图片来源:System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷达成像SoC报告)ouxednc

蝶形设计由于外形小巧、带宽大、损耗低和辐射效率高等特点而被广泛应用于成像、雷达、Wi-Fi接入点和脉冲天线(图7)。ouxednc

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图7:蝶形天线的几何外形。(图片来源:System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷达成像SoC报告)。ouxednc

蝶形设计是双锥形偶极拓扑的线性近似(平面类型的变化)。这种天线设计具有简单的几何形状和牢固性,可实现较为理想的尺寸和成本。蝶形可以很好地控制其输入阻抗,而且易于制造。ouxednc

成本与分析

System Plus Consulting公司评估了整个系统的成本,重点分析了为何RF SoC仅占系统成本的10%(图8)。ouxednc

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图8:Walabot Home的成本分析。(图片来源:System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷达成像SoC报告)ouxednc

“由于系统很大,因此几乎30%的成本都是由PCB(RF板、WiFi/BT天线等)和互连产生的。内存(RAM、闪存)和处理器(高通骁龙210)几乎占了成本的20%;30%的成本来自传感器、PMIC、连接前端等分立器件;另外10%来自显示器。”Elisabeth说。ouxednc

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图9:其他版本的VYYR SoC。(图片来源:System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷达成像SoC报告)ouxednc

Vayyar还开发了其他版本,工作频率为60~80GHz,这些版本现已投放市场。VYYR7201-A0工作于57~64GHz,VYYR7202-A1工作于77~81GHz。前者在Vayyar V60G-Home中使用,包含46个线性极化PCB嵌入式天线,适合手势识别、检测室内人员及留在车内的婴儿等应用。后者包含40个线性极化天线,在Vayyar V80G中使用,适合车内/车外应用及检测可能的入侵。ouxednc

(原文刊登于EETimes美国版,参考链接:Under the Hood: Vayyar’s 4D Imaging Radar,由Jenny Liao编译。)ouxednc

本文为《电子技术设计》2020年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里ouxednc

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