TI 第二代雷达芯片深度剖析_暗记_芯片

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近期，TI公司正式上线下一代车规级高性能车载雷达芯片，AWR2944，同时发布与之配套的SDK，mmwave_mcuplus_sdk_04_02_00_01，参考设计工具箱toolbox, mmwave_automotive_toolbox_3_5_0，以及demo参考板 AWR2944 EVM，那么这次发布带来哪些调度与升级，代表TI公司哪些雷达芯片产品设计思路，可能会对车载雷达行业产生哪些影响，我们来个deep dive。

AWR2944 TI定义为第二代车规级高性能车载雷达芯片，目前处于Preview阶段。
也便是可以供应芯片样品或者可供评估的demo板，未正式规模量产。

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▲ AWR2944

（图片来自网络侵删）

先来个关键点Device Overview

AWR2944依旧是祖传45nm RFCMOS工艺，支持76-81GHz频段，最高5GHz带宽。
同时芯片支持4Tx4Rx，这也是TI迄今为止单芯片收发天线数目最多的芯片；相位噪声掌握较之前的AWR1xxx系列略有提升，达到 -96 dBc/Hz [76 to 77 GHz]以及-95 dBc/Hz [76 to 81 GHz]（Phase Noise @ 1MHz）；全新发射端移相器；DSS集成自家DSP，只不过型号由之前的C674x，调度为C66x。
MSS中的处理器由ARM R4F升级为ARM R5F，硬件加速器(HWA)升级为2.0；片上RAM提升至4MB；首次集成硬件安全模块(Hardware Security Module，HSM)，HSM本身紧张由一个可编程的ARM Cortex M4核构成，此外，还对boot加入认证及加密机制（Secure authenticated and encrypted boot support）以及支持加密HWA，进一步加强雷达硬件安全；车载通信接口方面，2路CAN全部调度为CAN-FD，并首次支持百兆以太网（10/100 Mbps RGMII/RMII/MII Ethernet）;ADC采样率37.5Msps，通道数提升至9路，UART提升至4路，新增CSI2 Rx interface用于采集数据回放；吸收端TI抛弃了上一代普遍采取的I/Q正交混频构造，采取I路混频构造(如下图)

▲ Receive Subsystem (Per Channel)

硬件架构如下图，AWR2944依旧是清晰的模块设计，前面先容的各种调度与升级基本一览无余。
我也放了AWR1843 的框图，大家方便比拟。

▲ Functional Block Diagram(AWR2944)

▲ Functional Block Diagram(AWR1843)

由此可见，作为第二代高性能雷达芯片，AWR2944调度升级的地方确实还蛮多。
但是参数功能究竟只是表面，我们还得看看这些调度升级背后的深层次逻辑。

我在“下一代角雷达-从SRR600提及”先容过Conti下一代角雷达样态，在大FoV条件下实现远间隔目标高精度感知是基本哀求，这对雷达测距性能，角度FoV，分辨率及精度提出新寻衅。

2944较前代又多集成一起发送通道，以实现更高角度分辨率及精度，同时也为更多繁芜天线布局设计供应芯片层面支持。

常日远间隔感知紧张由天线设计办理，相对聚焦的波束测得更远，同时压缩了FoV，在大FoV条件下实现远间隔测距是比较困难的，一种路子便是多天线同时发送，比如4路天线同时发射，叠加的宽波束能够在担保宽FoV条件下，间隔测得更远。
但同发的问题在于吸收端对叠加的波束可靠分离较为困难。
2944采取了全新的DDM-MIMO通道分离方案(下文会详述)，在同发的根本上实现可靠的通道分离，基本实现大FoV条件下远间隔目标高精度感知。
并且这统统险些全由硬件加速器实现（只有部分少量打算由DSP参与），因此TI 将HWA顺势升级为2.0。

同时提高RAM容量以平衡通道数提升以及算法繁芜度提升带来的内存开销增大。
以太网接口的加入也是应对雷达输出点云等数据量提升问题。

1代芯片中，打头阵的是1642，DSP是绝对的打算核心，用于险些全部的旗子暗记处理及数据处理任务。
MCU基本只用于配置，掌握及管理等，这是TI对ARM MCU的基本定位。
以是MSS及DSS的处理办法并不平衡，用TI的原话便是

In most use cases the MSS is defined as a control domain while the DSS actually executes the DPC.

/ti/mmwave_mcuplus_sdk_04_02_00_01/mmwave_mcuplus_sdk_04_02_00_01/ti/control/dpm/docs/doxygen/html/index.html

而到了第2代，打头阵的2944中，DSP地位被相称弱化，耗时耗力的旗子暗记处理部分基本由HWA代劳，事实上，只要你乐意，全体RSP处理链路皆由HWA实现，TI也希望你多多利用HWA，也因此调低了DSP规格，C66x处理频率只有360MHz，远低于上代C67x的600MHz。
并且ARM也被加强，不仅用于配置及掌握，也用于上层数据处理，比如tracking，classification也可由ARM处理，进一步分担了DSP的处理任务，这是DSP规格低落的情由。

这样的变革喜忧参半，文末再叙。

虽然2944调度升级丰富，带来全新雷达体验，但由于DSP规格降落，以及吸收端单路混频方案ADC数量降落等成分, 2944芯片本钱不会提高很多。

软件及demo参考设计方面

TI供应了适配2944的SDK及Toolbox。

Toolbox中包含知足NCAP R79功能需求的2944参考设计，支持BSD， FCTA，LCA等。
demo实现水平FoV ±80°下200m测距，角度分辨率9.5°。
比较故意思的是，TI在reference design 的feature栏中加入了这么一句值得玩味的话：Builds customer confidence on mmWave device capabilities，看来毫米波雷达还是比较卑微啊。

▲ AWR2944 EVM

EVM与DCA1000结合供应raw data采集能力，为剖析原始ADC数据供应支持。

Demo板天线MIMO布局等效阵为

▲ Virtual Antenna Array

天线频段覆盖76GHz至81GHz，增益13dBi, 3dB波束宽度水平±30°，俯仰±3°。
6dB波束宽度水平±45°，俯仰±5°。

▲ Azimuth Radiation Pattern

▲ Elevation Radiation Pattern

TI在SDK 3.x之后设计了全新的SW Framework，引入DPC，DPM，DPU等观点，使得全体软件架构虽繁芜但逻辑较为清晰，开拓者能够快速上手开拓。
Framework不是本文重点，不再赘述，聊聊核心升级DDM-MIMO。

我在“4D雷达之MIMO通道”分离中谈论过，FDM，TDM，CDM等MIMO通道分离技能。
与TDMA不同，FDMA可以实现同发，并利用发射端天线与频率偏移位置之间的映射关系确定通道分离方案。

个中FDM可以由下图大略总结：

(A) 如果各待分离通道之间的频率偏移量是多普勒分辨率的倍数，则是DDMA;

(B) 如果各待分离通道之间的频率偏移量是dechirp后旗子暗记带宽的倍数，则是RDMA；

(D) 如果各待分离通道之间的频率偏移量是chirp带宽的倍数，则是FT-FDMA。

▲ MIMO channel separation

由此可见，DDM可以认为是FDM的一种情形。

▲ range-Doppler map(DDM)

TI实现的是 The empty-band DDMA，供应RangeProc DDMA DPU，以及Doppler DDMA DPU构成DDMA核心实现模块。
我大略看了下TI 目前硬件实现的DDMA Demodulation，整体完成度还是可以的。

▲ DDMA principle

从DDMA modulation可见，DDM-MIMO对移相器哀求很高，TI的移相器精度也须要仔细评估。

▲ Object Detection Data Path Processing Chain

不过DDMA也不是无忧无虑的方案，DDMA潜在问题包括但不限于，

相位校准峰值混叠不屈衡幅值

下图为demo实测效果，其测距性能，点云密度，FoV等方面效果还可以，比1代确实有较大提升。
希望能够“Builds customer confidence on mmWave device capabilities”。

▲ 2944demo Test

小结

我们再上升一个台阶，剖析TI 2944的发布可能会对车载雷达行业产生哪些影响。

若仅从技能角度剖析雷达竞争力，最主要在于天线，MMIC，算法。
芯片厂商供应MMIC，雷达厂商因天线及算法上的上风逐渐建立自身壁垒，而这一状态彷佛逐步发生变革。

1、毫米波雷达正逐渐从“旗子暗记处理环节差异性”转向“数据处理环节差异性”，也即是对点云数据处理办法的差异性。
TI倡导HWA的利用，将诸多前辈旗子暗记处理算法固化，用户只需按需取用，旗子暗记处理算法正在被标准化，构建雷达底层标准品。

降落DSP的处理频率，提高ARM核心主频，一方面变相勾引用户强化对HWA的利用，另一方面也有利于均衡本钱。
TI也表示：

The Hardware Accelerator block (HWA 2.0) supplements the DSS and MSS by offloading common radar processing such as FFT, Constant False Alarm rate (CFAR), scaling, and compression. This saves MIPS on the DSS and MSS, opening up resources for custom applications and higher level algorithms.

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/awr2944.pdf?ts=1637431154585

雷达厂商的沙场逐步向数据处理，包括跟踪，目标分类，场景理解，边缘AI，数据领悟等环节。

2、我始终认为旗子暗记处理才是毫米波雷达最迷人的地方。
这样的举措无疑导致，雷达厂商从ADC原始数据输出到雷达点云数据输出的所有中间环节掌控将越来越弱。
降落RSP层灵巧性。
也会进一步降落了雷达技能门槛，冲破原有雷达厂商部分技能壁垒。
由此可见，芯片供应商对雷达厂商的影响会越来越大，芯片厂商顶层的“平权”策略进一步降落雷达厂商之间产品差异性，势必进入低价竞争。

至于后续雷达的升级方向，我以为旗子暗记处理部分会在芯片厂商的影响下部分淡化，由HWA依旧会加强，RSP部分终极可能便是标准品，你须要怎么样的运用，配置下寄存器就好了，竞争可能越来越集中在上层数据处理，整合全新的AI Engine也是很有可能的，某种程度上，毫米波雷达除了频段，会越来越像激光雷达。