過往雷達（RADAR）系統大多應用在航空設備，但業界也發現雷達在汽車應用中極具發展潛力，因而紛紛投入設計。特別是以毫米波段中77GHz頻率實現的方案最受青睞，因該頻段可最大限度吸收水分子，已獲業界證明適合用于開發汽車雷達元件和短距離雷達（相對航空航天而言）。

　　盡管大多數短距離雷達仍在24GHz頻段上運行，但長期來看，該頻段無法保證全球通用性，77GHz雷達將有一定的發揮空間。目前，77GHz雷達感應技術在先進駕駛輔助系統（ADAS）中已占有一席之地。為持續提升ADAS系統品質并優化設計成本，應用設計師須了解發送和接收雷達波所需的77GHz射頻 （RF）技術、具備基頻信號處理功能的雷達感應器，以及雷達系統功能安全等設計方式。

　　提升雷達RF元件性價比　硅鍺碳BiCMOS制程崛起

　　毫米波雷達系統相當依賴III-V半導體元件，現大多汽車雷達系統均使用砷化鎵（GaAs）技術實現RF前端電路；然而，用于制造手機元件的硅鍺碳 （SiGe:C）技術，亦能以極低成本打造媲美砷化鎵的RF功能，讓消費者以合理價格安裝汽車ADAS。此外，透過快速、高性能的互補式金屬氧化物半導體 （CMOS）制程，元件性能更可大幅超越以90納米（nm）制程產出的芯片方案。

　　表1解析各種雷達元件制程技術的性能優勢。雖然GaAs具有良好的基板隔離效益，每個芯片可實現較高的電路密度，然而，可達成的邏輯密度（用于控制電路）卻非常低；再者，與主流芯片技術實現的高效率相比，GaAs晶圓材料仍較為昂貴。

　　事實上，與一般硅晶片相比，III-V材料更加難以處理，III-V晶圓或基板的大小通常不足硅晶圓的一半，至于進入處理設施的砷化鎵晶片成本也會高出十到二十倍，但在經過制造、封裝和測試后成本差異將縮小。

　　與此同時，屬于高級技術節點的CMOS制程可提供非常好的邏輯密度和成本，但其針對高效能運算而設計的低擊穿電壓，卻難以符合汽車業者要求可靠且須支援中長距離運行所需的功率等級。

　　至于硅鍺碳技術選項對雷達元件而言并沒有嚴重缺點，使用經毫米波製程模組增強的傳統BiCMOS製程后，即能有效克服上述所有問題。該制程模組通過硅鍺碳材料提供雙載子電晶體（Heterojunction Bipolar Transistor， HBT）結構，達到更高的電子移動性，以轉化為更快的運行速度。

　　BiCMOS制程提供足夠的高效率，可為鎖相回路（PLL）和串列周邊界面（SPI）等數字控制界面添加經濟高效的控制結構。擊穿和功率增益資料以高于13dBm的功率等級支援發射電路，同時提供足夠的隔離，以便在一個芯片上整合多個接收器通道。

　　采用FMCW機制　雷達系統設計大幅簡化

　　在汽車雷達信號調變方面，大多數方案采調頻連續波（FMCW）機制，進而簡化系統復雜度并提高效能。使用連續載波信號，其頻率將根據預定義調度表變化，例如時間斜坡等，該頻率變化發生的范圍定義雷達系統的頻寬。對于普通77GHz雷達來說，有一個圍繞著76.5GHz分配的1GHz時隙，以及一個圍繞著 79GHz的4GHz時隙。通常，77GHz頻率范圍對應長距離雷達感應器；79GHz頻率范圍則與短距離雷達系統有關。

　　雷達發射器通常搭載一個可通過PLL連續調諧的本地振蕩器（LO），由此產生出頻率掃描速率。圖1顯示高度整合的雷達感應器架構圖，在發射器芯片上，壓控振蕩器（VCO）生成傳輸77GHz頻率的信號，并由功率放大器（PA）放大后再送至傳輸天線。VCO的調諧電壓則由發射器芯片中的集成PLL電路生成，因此，高頻率掃描速率對實現高目標速度精度非常重要。

　　圖1 雷達感應器設計架構圖

　　為降低系統成本，RF前端芯片組以半發射頻率（38GHz）支援LO分布。表2所示為一些重要的接收器（Rx）參數。當出現寄生信號耦合時，大于40dB 的高IF-IF隔離對于使用多通道雷達架構極為重要。另外，表3所示為關鍵發射器TxPLL參數，結合高動態控制范圍的輸出功率后，最多可用于四個輸出通道（但一次只有一個通道啟動）。最高7.8MHz/100ns的升降速度，可實現高解析度雷達系統所需極低的線性調頻脈衝倍數。

　　已接收信號的解調通過混合已接收信號和本地振蕩器的頻率在零差式接收器中執行。由此產生的IF頻率將包含與不同距離的反射物體對應的頻率分量。接近基頻的所有RF下行轉換都在一個接收器芯片中執行，該芯片從發射器中接收本地振蕩器頻率。

　　為以更低頻率探索TxPLL功能，須采用一個包含核心TxPLL射頻板卡和輔助板卡（提供電源電壓和SPI介面）的評估包，以9.5GHz交付輸出（Tx 輸出訊號除以8）。另外還要提供MCU和Windows XP軟件，應用圖形化使用者界面（GUI）控制TxPLL芯片。

　　感應器系統的其余部分在MCU中對中頻（IF）頻率分量進行分析。在大多數情況下只有IF信號的有功分量須做評估，故使用多個接收天線使感應器能確定目標方向；不過，其中的傅立葉轉換（Fourier Transformation， FT）就須考慮復雜的相位信號內容。

　　優化調制與演算法　雷達信號處理暢所無阻

　　FMCW雷達的目標檢測通過分析每個目標中以IF信號呈現的跳動頻率實現。圖2所示為發射信號顯示頻率fmax（例如77GHz）和fmin（例如 76GHz）之間的掃頻信號配置，以及周期Tm的基本塬理。一個目標中的反射信號如2號線顯示，指出因距離而出現的時間延遲△t，以及因目標的多普勒速度而出現的頻移△f。

　　圖2 FMCW調制機制示意圖

　　IF信號包含距離和目標速度資訊，但兩個參數都包含在一個跳動頻率fIF中，多普勒頻移△f=fTXmax–fRxmax因目標徑向速度而導致頻率分量 fD=-2Vradial/C0×ftransmit。徑向距離d從IF頻率更改fR=Sf×d/c0中產生，其中調制速率由Sf=2×fsweep /Tm提供；IF信號由分量fIF=fD-fR組成，導致信號處理任務模煳。

　　有多種方式可解決此一模煳問題，最常見的是使用多個調制調度表，即頻率上升后緊跟下降（圖2）。該方法允許中度IF頻寬，并已廣泛用于現有汽車雷達系統，對1公尺的范圍解析度和1km/h的速度解析度，50MHz/ms的中等掃描速率便已足夠。200公尺檢測范圍和-180-360km/h的相對速度將 IF頻寬限制在100kHz以內。因此，基頻信號處理可將模擬數字轉換器（ADC）嵌入汽車MCU，實現高整合度。

　　最近，Range-Doppler演算法已在汽車應用領域引發熱烈討論，透過在單一發射周期Tm中應用多個線性調頻脈衝，該技術為IF模煳問題提供直接解析度，因此在跳動頻率中引出更高的范圍分量，并將多普勒分量限制在IF信號的相位中。檢測目標的角度方向需要多個天線，到達方向只須透過對已接收目標波形的相位差進行幾何分析便可確定。該方法稱為數位波束形成（DBF），因為每個方向的波束都可以使用陣列天線的孔徑長度計算。在汽車應用中，孔徑長度通常由天線覆蓋范圍范本限制，由汽車制造商自行定義。

　　特殊解析度最少有兩個接收通道，但是，將需要兩個以上的接收天線實現合理的天線圖。圖3所示為采用兩個接收天線（右）和十六個接收天線（左）配置的等效天線圖，使用多個天線的主要優勢是旁瓣抑制。

　　圖3 使用兩個接收通道（右）和十六個接收通道（左）的天線波束配置

　　圖4所示為使用Range-Doppler演算法的典型六通道雷達感應器模組，系統元件用量少，可將所有RF發射功能結合在單一BiCMOS芯片中，包括 VCO、斜坡發生器和SPI介面，以便控制MCU，進而在合理成本下實現高性能系統。由于一個50MHz石英基板足以生成一個穩定的77GHz發射時鐘基板，因此，LO輸出信號可直接饋送至接收器芯片，進行相關解調，但只有一半的LO頻率在印刷電路板（PCB）上發送，以免電磁相容（EMC）問題加劇。

　　圖4 使用Range Doppler演算法處理的六通道雷達系統范例

　　接收器芯片在一個BiCMOS芯片上包含所有六個接收通道，并且將六個模擬IF通道發送至一個六通道50MHz模擬數字轉換器。數字化的真實IF通道在汽車級高性能MCU中進一步處理，FlexRay或控制器區域網路（CAN）用于將物件清單發送至資料融合處理器，四個主要芯片元件中都可實施完整的感應器解決方案。

　　滿足車規安全要求　MCU增強資料冗余處理

　　雷達感應器須透過MCU對塬始多通道雷達頻段信號進行預處理和資料整合，才能向車載系統提供可靠的連線能力與功能安全性。隨著77GHz雷達感應器設計臻于成熟，并大舉應用在自適應巡航控制（ACC）系統上。要開發該類系統，缺乏漏檢故障是一個主要問題，因此，ISO 26262遂定義汽車安全標準，電子系統須符合安全完整性等級（ASIL）和復制數量的要求。由于雷達感應器是唯一的正向感應器，故須進行大量除錯工作，以便讓系統本身達到所需的ASIL等級。

　　為簡化此類高度容錯系統的設計，MCU須提供大量內置的復制和監控元素，如圖5所示，新型MCU須專門為具有ASIL-D功能的系統做設計。為以最經濟高效的方式降低資料冗余（Redundancy），在復制區域中只有少量邏輯被復制，包括e200內核、eDMA通道、冗余中斷控制器（INTC）和軟件計時器（SWT）、冗余儲存體管理單元（MMU）、冗余交叉桿單元（XBAR）和儲存體保護單元（MPU），以及將界面上的冗余校驗器（RC）單元連接至非冗余區域。儲存體不是復制區域的一部分，可藉由除錯碼（ECC）針對故障提供保護。 其余元件則透過眾多的監控電路針對常見故障提供保護，例如冗余電壓監控器、冗余溫度感應器和冗余時鐘監控器等。對于ADC等特定周邊元件來說，線上輔助硬體BIST系統說明在需要時實現無故障運行，所有檢測到的故障都由故障采集單元（FCC）采集，可指明獨立軟件運行外部環境中的錯誤，并使整個系統進入安全狀態。

　　圖5 77GHz雷達系統內建MCU的安全功能

　　高效又便宜　車用77GHz雷達應用正夯

　　硅鍺碳BiCMOS多通道77GHz雷達感應器非常經濟高效，可使用最先進的處理演算法實現數字波束形成。藉由此一技術設計RF元件，將能打造一個具有快速調變、出色線性度和高整合度的高功率發射器。

　　除此之外，特定MCU亦可為77GHz雷達接收器架構提供充足的信號處理資源，特別是低成本的數字波束成形將可由高性能信號處理庫實現。至于創新的雷達整合安全概念亦可使用鎖步多核架構輕松落實，讓77GHz雷達系統在汽車ADAS應用中擁有更多的發揮空間，且能以更低成本進一步搶攻中端價車種市場。