如何选择正确的chirp参数

Poulen

4111人浏览 · 2022-10-15 22:18:12

Poulen · 2022-10-15 22:18:12 发布

1.介绍

频率调制连续波(FMCW)毫米波雷达传感器在汽车和工业应用中越来越受欢迎。这些应用程序中的系统需求和关注点可能非常不同。距离要求、距离分辨率、最大速度要求、传感器视场、数据存储、处理器MIPS等都是基于最终应用需要分析的一些方面。了解FMCW Chirp配置与系统性能参数之间的关系有助于选择正确的Chirp配置。TI公司的毫米波雷达设备(MMIC)在配置Chirp参数方面提供了很大的灵活性，也允许在单个帧中配置多个Chirp。定时参数由数字定时引擎和内置的无线电处理器精确控制，没有严重的实时软件干扰。本文档描述了Chirp参数的编程，并解释了决定这些参数值的各种系统考虑因素。

2.设置Chirp对系统参数的影响

线性FMCW雷达中，发射(TX)信号是单音信号，其频率随时间线性变化。一个扫频周期通常被称作为"Chirp",一组这样的Chirp形成一个“帧”，这可以用作雷达处理的观察窗口。chirp斜坡的各种参数(如频率斜率、扫描带宽等)影响系统性能。如图1 所示描述单个Chirp和相关的定时参数。图2 显示由一系列Chirp组成的帧结构，随后是帧间时间（inter frame time）。这表示“Fast FMCW”调制，其中每个chirp通常是持续时间为10µs。

以下部分列出了在任何雷达应用中通常要考虑的关键系统性能参数，以及chirp配置如何影响它们。

2.1 测量范围和距离分辨率

雷达传感器探测目标的最大和最小距离是雷达传感器的一个重要参数。此外，距离分辨率(区分两个附近物体的能力)是另一个重要指标。

2.1.1 最大距离

在汽车自适应巡航控制(ACC)等应用中，能够看到远处的物体(>150米)是很重要的。检测一个遥远的目标可能会受到接收信号的信噪比或雷达设备支持的中频带宽的限制。最大距离与中频带宽的关系如公式1所示。TI公司的AWR2243雷达设备提供了20 MHz的大带宽，AWR1243提供了15 Mhz的带宽，允许使用更灵活的斜率，这将间接帮助提高最大速度，我们将在后面看到。

注意IFmax也依赖于使用的ADC采样频率(ADCsampling)。在complex 1x采样模式下，IF带宽被限制到0.9* (ADCsampling)。在complex 2x和real 采样模式下，中频带宽限制为0.9* (ADCsampling)/2。TI雷达设备的最大ADC采样频率为45MHz (AWR22xx)和37.5 MHz (AWR1xxx)。限制最大距离的另一个方面是接收机接收信号的信噪比(SNR)。这取决于:

1.雷达设备的射频性能，如TX输出功率，RX噪声数字，以及Chirp参数，如Chirp持续时间和帧内Chirp数。

2.天线参数如TX和RX天线感兴趣方向的增益

3.目标特征，如雷达截面(RCS)。RCS是物体反射回来的能量量的量度。这决定了雷达传感器对物体的探测程度。

4.通过检测算法来检测对象最低信噪比要求

2.1.2 距离分辨率

在许多应用中，重要的是能够将两个紧密间隔的物体分辨为两个独立的物体，而不是将它们检测为一个。两个物体之间允许它们作为独立物体被检测到的最小距离称为距离分辨率。这主要取决于雷达传感器所能提供的Chirp扫频带宽。扫描带宽越大，距离分辨率越好。TI的雷达设备支持4GHz的扫描带宽，允许低至约4cm的距离分辨率。

更好的距离分辨率也有助于探测非常近的物体，因此，提高了最小探测距离。

2.2 速度估计和速度分辨率

2.2.1 最大速度

除了距离，物体的相对速度是另一个感兴趣的关键参数。在FMCW调制雷达的最大可测速度取决于Chirp周期时间，即两个连续Chirp开始的时间差。这反过来又取决于频率扫描的速度和允许的最小inter-chirp时间。MMIC频率梯度越快，最大无模糊速度越高。TI的MMIC允许100 MHz/µs的快速上升。此外，闭环锁相环的设计，用以支持非常快的频率斜坡。因此，VCO从斜坡频率结束到重新启动下一个斜坡所需的时间非常低，允许更小的空闲时间(低至2µsec)。

利用更高层次的算法，可以将实际可测量的最大速度扩展到不明确的最大速度之外。

2.2.2 速度分辨率

在应用程序中，如停车辅助，你可能需要分离具有小速度差异的对象，这需要良好的速度分辨率。速度分辨率主要取决于传输帧的持续时间，即增加帧内Chirp的数量可以提高速度分辨率。

2.3 角度范围和分辨率

为了在二维空间中定位目标，还需要目标的角度和距离。在雷达系统中，通过使用距离为d的多个接收器接收来自目标的反射信号来估计角度。

信号到达每一个连续的接收器时被d*sin(θ)延迟，这个“延迟”导致相移，每个接收机之间的相移用来估计目标的角度(θ)。

从MMIC角度可测量的无模糊角视场取决于接收机之间的间距(d)。

因此，对于最宽角度视场，接收天线的间距应为ƛ/2，理论上给出±90°的视场范围。除了天线间距外，不同角度下的可测距离也取决于天线增益图。

通常情况下，天线在一个角度上会有一个峰值增益(大部分在0°，即直接面对天线的前端)，然后增益会随着角度的增加而减少。图4 展示了一个天线图示例，在90°角时增益比在0°角时低> 15 dB。

2.3.1 角度分辨率

除了角度视场，分辨两个近角度的物体也很重要，即具有良好的角度分辨率。例如，在汽车雷达用例中，重要的是检测两辆在两个不同车道上相距很远的汽车，而不是检测一辆汽车。一般来说，角分辨率的测量取决于可用的接收天线的数量。天线数量越多，分辨率越好。

角分辨率可以进一步提高使用多个发射器。如果有多个可用的发射器，那么发射天线可以以这样的方式间隔，使每一个发射器与一组接收器配对，一起创建一个虚拟接收阵列。例如，如果有3个TX和4个RX，那么MIMO雷达系统可以产生12个虚拟信道的等效角分辨率。

3 常见应用的Chirp配置

雷达在汽车领域最常见的应用包括短程雷达(通常安装在角落)和中程或远程雷达(通常面向前方)。本节展示22米USRR、45米SRR、125米MRR和225米LRR的Chirp配置。需要注意的是，这些只是通用的示例配置，可以根据客户的特定系统性能要求更改参数。适用于各种TI毫米波雷达设备的Chirp配置样本.

4 Chirp时间参数

表2提供控制Chirp定时的参数列表。它还显示了这些参数之间的关系，以形成Chirp。

以下部分列出了在确定每个参数的值时需要考虑的系统因素。这些参数的实际数字可以使用DFP包中的Radar Studio应用程序中的Chirp定时参数配置计算器实用程序导出。

4.1 空闲时间(Idle Time)

所需的最小空闲时间主要由合成器的斜坡下降稳定时间决定，这是斜坡带宽的函数。表3列出了一些典型带宽下合成器斜坡下降的时间。

表3可以直接用于设置最小空闲时间，对于ADC采样率为5Msps或更高的情况。然而，对于低采样率(< 5 Msps)，在设计最小空闲时间时，还需要记住另一个约束。这来自于sigma-delta ADC抽取链中的数字管道延迟。因此，最小空闲时间可能需要略高于表3中显示的值。chirp参数配置计算单元实用程序(Radar Studio工具的一部分，www.ti.com/tool/mmwave-dfp)也会处理这个限制，并提供总体建议的空闲时间。

4.2 ADC Start Time（ADC采样开始时间）

ADC开始时间对正确的芯片功能没有硬性的最低要求，然而，在该参数的值与“Chirp开始”信号包络确定的质量之间存在权衡，这取决于以下因素:

1.合成器锁相环的升程时间，是升程斜率的函数

2.高频滤波器阶跃响应的确定，是高频滤波器角频率的函数

3.LPF的稳定时间与DFE输出模式和采样率有关。

Chirp定时参数配置计算单元实用程序在计算推荐值时考虑到这些方面。

用户还可能有其他考虑，如基于最终用例的目标反射的最大往返延迟，这可能被添加到实用程序的建议ADC开始时间中。客户也可以选择使用比推荐值更小的值，以减少总Chirp间隙，通过权衡解决质量。

4.3 Ramp End Time(斜坡结束时间)

Ramp End Time 包括三部分组成

1.ADC start time (ADC采样开始时间）

2. ADC sampling time (ADC采样时间)

3.the excess ramping time （多余的斜率提升时间）

这里对于额外的斜率提升时间没有硬性要求，然而，在过度斜坡量和“chrip结束”信号包络解决性能之间又有一个权衡。决定所需的过度渐变的主要因素是IF/DFE滤波延迟，这也是DFE输出模式和采样率的函数。Chirp定时参数配置计算单元实用程序在到达此参数的推荐值时考虑到这些方面。

4.4 使用计算单元计算时间的示例

Ramp时间计算单元可在mmWave Studio工具中使用，它根据用户配置(斜率、ADC采样、采样率)提供正确的定时参数值建议。这些建议是基于TI雷达设备的最低要求。

你可以基于特定的用例对这些进行进一步的考虑。这些因素需要单独考虑。

例如，如果通过CSI或LVDS路径对原始ADC数据进行设置，则空闲时间设置需要确保在下一个chirp数据可用之前在CSI/LVDS接口上完成传输。数据传输的可用时间=“Ramp End Time”+“Idle Time”。对于CSI，由于MIPI协议造成的开销时间也需要考虑在内。

5 Advanced Chirp Configurations(高级Chirp配置)

5.1 多模式雷达的应用

正如你所看到的，基于所需的应用程序，需要对chirp配置进行不同的设置。但是如果我们需要支持多种模式，例如短距离和中距离，同时使用一个雷达设备呢?德州仪器雷达提供的先进帧配置允许在单个帧中具有多个Chirp配置的灵活性。该帧可以使用“子帧”序列构成，其中每个子帧代表不同的雷达模式。rlSetAdvFrameConfig API帮助启用这种配置。具体请参见DFP包中的《mmWave雷达接口控制文档》:www.ti.com/tool/mmwave-dfp

为了在帧内提供Chirp的最大灵活性，高级帧配置API提供了将帧分解为不同的子帧(最多4个)的能力。每个子帧包含多个burst脉冲(最多burst个脉冲)。每个burst可以由512个Chirp组成，这些burst与4个Profile中的一个相关联，并且可以将开始Chirp指数编程为与前一个burst具有固定的偏移。一个子帧中的一组burst可以在软件中进一步循环多达64次。下图是一个如何形成子框架的例子。

该帧由最多四个子帧组成，每个子帧可以有一组不同的Chirp。不同的Chirp也可以使用不同的发射机(可能有不同的天线配置)。图9显示了可以形成一帧的不同chirp分布和子帧的示例。前置帧的定时要求为:burst间的µ秒≥50，子帧间的µ秒≥100，帧间的µ秒≥200。

5.2 个体发射机二进制相位调制(BPM)

德州仪器的雷达设备允许每个发射机输出以0°或180°的相位进行调制。这允许通过使用相互不相关的二进制码同时使用多个发射器。从而提高有效信噪比。相位配置通过rlSetBpmChirpConfig API接口。

6 基本chirp配置编程序列

TI的mmwave link APIs提供了简单的接口为MMIC提供充分的灵活性，可根据应用和要求配置所有啁啾参数。每个API的详细信息和参数说明可以在“mmWave雷达接口控制文档:》:www.ti.com/tool/mmwave-dfp.图10显示了配置chirp和帧所遵循的典型序列。

6.1 Device Manager APIs

这些APIs用于传感器上电和初始化:

1.rlDevicePowerOn

这个函数初始化驱动程序并为驱动程序分配必要的资源。它通过创建必要的操作系统服务(如信号量、互斥量、队列等)来初始化主机协议驱动程序。它还使雷达设备(级联时为多个设备)脱离复位，并使用这些设备打开通信通道(SPI、Mailbox等)。

2.DeviceFileDownload

这个函数将二进制文件从主机下载到雷达设备的内部RAM中。该文件可以是固件补丁文件、应用程序代码、校准数据或配置数据。

3.rlDeviceRfStart

这个函数初始化雷达设备中的射频(BIST)子系统。该函数立即返回，RF初始化完成由异步事件(RL_EVENT_AR_DEVICE_START_COMPLETE)指示。用户应用程序在调用任何雷达传感器控制api之前应该等待这个事件。

6.2 Radar RF Control APIs

这些API用于配置射频参数、Chirp Profile和帧配置

1.rlSetChannelConfig

该API允许配置TX天线的数量(3个)和RX天线的数量(4个)。它还允许选择是否在独立模式或级联模式下使用传感器。

2.rlSetAdcOutConfig

这个API允许配置每个样本的比特数(12/14/16)。它还允许选择ADC数据是否应该是real，Complex- 1x或Complex- 2x。

3.rlSetLowPowerModeConfig

此API允许设置低功耗ADC模式，以节省电能。在这种模式下，限制ADC的最大采样速率。

4.rlSetProfileConfig

这个API允许配置chirp“配置文件”，它定义了一个chirp的模板。这些配置包括chrip启动频率、空闲时间、ADC启动时间、调频斜率、chirp持续时间、chirp中的TX功率级别、每个chirp的ADC采样数、ADC采样率、高通滤波器截止频率和RX增益设置。最多可以定义四个配置文件，并且在一个特定的帧(可以有512个chirp)中，帧中的chirp可以属于这四个配置文件中的任何一个。由于单个配置文件可能不足以满足传感器的所有预期用例，灵活地拥有多个配置文件允许在多个场景/用例中使用单个传感器.

5.rlSetChirpConfig

一旦配置文件被定义，每一个chirp可以与这些配置文件中的一个相关联。除此之外，API还允许在一些重要参数(如启动频率、空闲时间和ADC启动时间)中有限的啁啾到啁啾变化(超出配置文件)。该API还允许在特定chirp中选择发射机。

6.rlSetFrameConfig

这个API允许选择形成帧的Chirp序列，需要传输的帧的数量和帧的周期性。周期性定义帧间时间(periodic - chirptime)，即传输的占空比。该帧可以是软件API触发的(通过rlSensorStart API)，也可以是使用SYNC_IN信号外部触发的。在HW触发选项的情况下，可以从SYNC_IN边缘设置可编程延迟。

6.3 Radar Data Control APIs

Chirp期间捕获的ADC数据通过高速调试接口或CSI传输出设备。数据控制接口支持配置需要外传的ADC数据，支持LVDS/CSI (high speed interface)配置。随着ADC数据的传递，一些与Chirp质量和Chirp参数(分别称为CQ (chirp quality)和CP (chirp parameter))有关的附加信息也可以传递出去。LVDS/ CSI配置、通道配置等可以使用这些API完成。