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Die Rolle der 77 GHz Single-Chip-Radarsensoren im Kfz

| Autor/ Redakteur: Sandeep Rao; Adeel Ahmad; Dr. June Chul Roh; Sachin Bharadwaj / Benjamin Kirchbeck

Welche Rolle spielen 77 GHz Single-Chip-Radarsensor für Anwendungen im Karosserie- und Chassisbereich von Kraftfahrzeugen? In diesem Grundlagenbeitrag bekommen Sie von der Einführung in die FMCW-Technik bis hin zu den Möglichkeiten der Präsenz- und Gestenerkennung einen detaillierten Einblick.

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Das FMCW-Radar löst Objekte nach ihrer Entfernung und Geschwindigkeit auf (Symbolbild).
Das FMCW-Radar löst Objekte nach ihrer Entfernung und Geschwindigkeit auf (Symbolbild).
( Bild: Clipdealer )

Das Spektrum der etablierten Anwendungen für FMCW-Radar (Frequency-Modulated Continuous-Wave) im Automobilbereich umfasst Sicherheits- und Komfortfunktionen wie etwa Totwinkelerkennung, Spurwechselassistent, Abstandsregeltempomat und Einparkhilfe. All diese Funktionen stützen sich auf die Fähigkeit eines Radarsystems, etwaige Hindernisse zuverlässig und präzise und vor allem unabhängig von Wetterbedingungen und Lichtverhältnissen zu detektieren und zu orten.

Es gibt darüber hinaus jedoch auch im Automobilbereich noch eine ganze Reihe weiterer Anwendungen, die ebenfalls von den einzigartigen Vorteilen der Radartechnik profitieren können. Dies sind:

  • Freiraum-Erkennung
  • Überwachung der Vitalzeichen des Fahrers
  • Gestenerkennung
  • Präsenzerkennung

FMCW-Radar löst Objekte nach ihrer Entfernung und Geschwindigkeit auf. Seine Leistungsfähigkeit ist unabhängig von den herrschenden Lichtverhältnissen, und es sind keine Investitionen in eine zusätzliche Signalquelle zum Ausleuchten der Szene erforderlich. Die hohe Betriebsfrequenz von 77 GHz sorgt unmittelbar für eine kompaktere Gesamtlösung. Da die FMCW-Radarsignale Kunststoffe durchdringen können, lässt sich der Sensor hinter einer Verkleidung anbringen, also zum Beispiel hinter einem Stoßfänger, der Armaturentafel oder einer Verkleidung, um die Lösung ästhetischer zu machen.

Die von TI angebotene Serie von Millimeterwellen-Radarsensoren (mmWave) in Single-Chip-Ausführung macht die Vorteile der FMCW-Radartechnik in Sensoren verfügbar, die kleine Abmessungen haben, wenig Leistung aufnehmen, eine klassenbeste Bandbreite aufweisen (4 GHz Bandbreite ergeben 4 cm Auflösung) und mit den notwendigen chipintegrierten Rechen- und Speicherressourcen ausgestattet sind, um die Anforderungen der soeben aufgelisteten Anwendungen zu erfüllen. Der Sensor AWR1443 besitzt ein HF-Frontend, das drei Sendeantennen (TX) und vier Empfangsantennen (RX) unterstützt.

Der Baustein enthält einen programmierbaren Arm Cortex-R4F mit 200 MHz Taktfrequenz, 0,5 MB On-Chip-Speicher sowie einen Hardwarebeschleuniger für die elementare Verarbeitung der Radarsignale. Das HF-Frontend des Sensors AWR1642 unterstützt dagegen zwei Sende- und vier Empfangsantennen. Integriert sind ferner ein Arm Cortex-R4F (200 MHz), ein mit 600 MHz getakteter DSP-Core (Digitaler Signalprozessor) vom Typ C6748, der umfassende Flexibilität bei der Implementierung von Signalverarbeitungs-Algorithmen bietet, sowie 1,5 MB On-Chip-Speicher.

Einführung in die FMCW-Technik

Bild 1 zeigt ein Blockschaltbild eines FMCW-Radarsystems mit je einer repräsentativen TX- und RX-Kette (in Wirklichkeit sind mehrere dieser Ketten vorhanden, um mehrere TX- und RX-Antennen zu unterstützen). Der Lokaloszillator (LO) erzeugt ein als Chirp bezeichnetes Signal mit linear ansteigender Frequenz, das von der TX-Antenne ausgestrahlt wird. Das von der Szenerie vor dem Radar reflektierte Empfangssignal erreicht die RX-Antenne und wird mit dem Sendesignal gemischt, wodurch eine Zwischenfrequenz (ZF) erzeugt wird. Anschließend digitalisiert ein A/D-Wandler (ADC) das ZF-Signal für die Weiterverarbeitung.

Bild 1: Blockschaltbild eines FMCW-Radarsystems.
Bild 1: Blockschaltbild eines FMCW-Radarsystems.
( Bild: TI )

Durch FFT-Verarbeitung (Fast Fourier Transform) der digitalisierten Signalproben werden Objekte nach ihrer Entfernung aufgelöst. Die Frequenz der Spitzen im Entfernungs-FFT-Diagramm entspricht dabei direkt den Entfernungen der verschiedenen Objekte in der Szenerie, wie rechts in Bild 1 dargestellt. Die Frequenz einer Spitze im Entfernungs-FFT-Diagramm korrespondiert also mit der Entfernung, in der sich dieses Objekt befindet. Die Phase dieser Spitze ist allerdings äußerst empfindlich selbst gegenüber geringen Änderungen der Entfernung dieses Objekts. Wenn sich beispielsweise die Position des Objekts nur um eine Viertelwellenlänge (bei 77 GHz also um rund 1 mm) ändert, resultiert dies in einer vollständigen Phasenumkehr von 180°. Diese Phasenempfindlichkeit bildet die Grundlage für die Fähigkeit des Radarsystems, die Schwingfrequenz eines vibrierenden Objekts zu bestimmen, sowie für seine Fähigkeit zur Schätzung von Geschwindigkeiten.

Um Szenen in Bezug auf die Geschwindigkeit aufzulösen, sendet ein Radarsystem in der Regel eine als Frame bezeichnete Folge von Chirps in gleichen zeitlichen Abständen aus (Bild 2). Anhand der Phasendifferenz zwischen den Chirps lässt sich die Geschwindigkeit der Objekte in einer Szene auflösen und messen.

Bild 2: Darstellung eines Frames mit N Chirps mit gleichen Zeitabständen.
Bild 2: Darstellung eines Frames mit N Chirps mit gleichen Zeitabständen.
( Bild: TI )

In einer typischen Signalverarbeitungskette führt der verwendete Baustein eine Entfernungs-FFT-Operation mit den digitalisierten Signalproben durch, die jeweils einem Chirp entsprechen, und speichert die Resultate als aufeinanderfolgende Zeilen einer Matrix ab (Matrix A in Bild 3). Hat der Baustein alle Einzel-Chirps eines Frames empfangen und verarbeitet, führt er eine zweite Serie von FFT-Operationen (Geschwindigkeits-FFT) mit den Chirps aus (über die Spalten in Matrix A). Die Kombination aus (zeilenweiser) Entfernungs-FFT und einer anschließender (spaltenweiser) Geschwindigkeits-FFT lässt sich als eine zweidimensionale FFT-Operation der digitalisierten Signalproben eines Frames betrachten. Diese 2D-FFT-Operation löst Objekte hinsichtlich ihrer Entfernung und ihrer Geschwindigkeit auf, sodass die Lage der Spitzen im 2D-FFT-Diagramm direkt der Entfernung und Geschwindigkeit der vor dem Radar befindlichen Objekte entspricht (Matrix B in Bild 3).

Bild 3: Entfernungs- und Doppler-Verarbeitung in einem FMCW-Radarsystem.
Bild 3: Entfernungs- und Doppler-Verarbeitung in einem FMCW-Radarsystem.
( Bild: TI )

Um Objekte hinsichtlich ihres Winkels aufzulösen, sind mehrere RX-Antennen erforderlich. Hierfür verarbeitet der Baustein zunächst die an den einzelnen Antennen empfangenen Signale für eine 2D-FFT-Operation, wie zuvor in Bezug auf Bild 3 beschrieben. Die Verarbeitung der für die verschiedenen Antennen erstellten 2D-FFT-Matrizen ergibt dann eine Information über den Winkel, in dem die verschiedenen Objekte detektiert wurden.

Radar kann Objekte also in Bezug auf Entfernung, Geschwindigkeit und Winkel auflösen. Die Leistungsfähigkeit eines Radarsystems hängt von gewählten Sendesignal ab. Zum Beispiel verbessert sich die Entfernungsauflösung, wenn die von einem Chirp abgedeckte Bandbreite erhöht wird, und die Geschwindigkeitsauflösung wird umso besser, je länger ein Frame dauert. Die maximal messbare Geschwindigkeit wiederum ist umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Chirps. Entscheidend für die Winkelauflösung schließlich ist die Anzahl der verwendeten TX/RX-Antennen. Fundiertere Abhandlungen über die Arbeitsweise eines FMCW-Radarsystems finden Sie hier.

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