Beamsteering for Corner Radar Reference Design
本文为TI“Beamsteering for Corner Radar Reference Design"的设计指南。介绍TI应用在BSD、LCA、TJA和SRR的单芯片雷达原理，对天线架构、波形设计，以及数据处理流程做了简要介绍，最后补充了毫米波雷达波束赋形原理；
关于自动驾驶领域，主动安全技术大致可分成报警提示类和主动干预类；
A、报警提示类：
图1：主动安全技术
图片来源Report: Intel Inside New Audi Autonomous Car System | Intel Newsroom
TI_AWR1843性能参数如下表，基于此开发板，可开发出当前市面上智能驾驶领域应用较为广泛的产品，如盲区检测（Blind Spot Detection，BSD）、两侧来车警告系统Cross Traffic Alert，CTA）变道辅助（Lane Change Assist，LCA）、自适应巡航（Adaptive Cruise Control，ACC）以及交通阻塞辅助系统（Traffic Jam Assist，TJA）；具备方位和俯仰面的估计、跟踪定位，在FoV范围内实现150m的探测距离，支持波束赋形功能，TX Beamforming（波束赋形）通过3个TX天线同时发射和芯片内6-bit-Tx移相功能，可实现方位面不同角度探测；
TI_AWR1843器件是一款能够在76至81GHz 频带中运行的集成式单芯片FMCW雷达传器该器件采用TI的低功耗45nmRFCMOS工艺进行构建，并且在超小封装中实现了出色的集成度。AWR1843是适用于汽车领域中的低功耗、自监控、超精确雷达系统的理想解决方案。AWR1843器件是一种自包含FMCW雷达传感器单芯片解决方案，能够简化76至81GHz频带中的汽车雷达传感器实施。它基于TI的低功耗45nmRF_CMOS工艺构建，从而实现了一个具有内置PLL和ADC转换器的单片实施3TX、4RX系统。它集成了DSP子系统，该子系统包含TI用于雷达信号处理的高性能C674xDSP。该器件包含一个 BIST处理器子系统，该子系统负责无线电配置、控制和校准。此外，该器件还包含用于汽车连接的用户可编程ARM R4F。硬件加速器区块(HWA)可执行雷达处理，并且有助于以更高级的算法在DSP上节省MIPS。
图2：AWR1843参数
传感器特征
应用于BSD、LCA、TJA和SRR的单芯片雷达；
长达150m的探测距离；
实现30米范围内4.3cm的距离分辨率（大于30m范围内分辨率范围在35-75cm）;
可输出目标聚类和跟踪信息；
约120°的FoV，具备15°的角度分辨率
3TX同时发射和TX上6Bit移相器实现波束赋形；
距离和多普勒FFT在集成的硬件加速器上完成；
图3：AWR1843_EVM
系统参数特征
市场基于多模式雷达的应用有两类，第一类是实现150m最大探测距离的BSD、LCA和TJA的单芯片方案；第二类是30m范围内的超短距离探测雷达（Ultra Short Range Radar：USSR）方案；
表一：关键系统指标
参数 | 标准 | 备注 |
最大探测距离 | 150m(BSD、LCA、TJA)，30m（USRR） | 参数是根据可视范围内的10m2的目标RCS计算； |
距离分辨率 | 78cm（BSD、LCA、TJA），4.3cm（USRR） | 距离分辨率是衡量雷达系统能区分两个物体的最小间距的能力； |
最大探测速度 | 144kmph（BSD、LCA、TJA），36kmph（USRR） | 最大探测速度基于2维FFT获得； |
速度分辨率 | 0.52m/s（BSD、LCA、TJA）、0.32m/s（USRR） | 衡量雷达系统区分两个或两个以上具有相同距离但速度不一样的能力； |
图4：BSD, LCA, TJA系统架构
系统理论设计
天线布局
AWR1843采用3T4R天线布局，两套Chirp配置；第一种Chirp配置用于BSD、LCA和TJA，非MIMO发射，TX1、TX2和TX3同时发射。第二种用于USRR，采用时分MIMO（Time division multiplexed MIMO，TDM-MIMO），3根发射天线交替发射同一帧内不同的chirp；虚拟天线如下图，相比如单天线发射，采用3T4R，天线虚拟孔径得到加大，能提升雷达的角度分辨率；
图5：天线布局
Chirp波形配置及系统性能
首先，Chirp是FMCW雷达的基本信号单元，频率随着时间线性增加（也可以线性减小），最多可以定义512个chirp；
图6：Chirp参数
其次，针对上图的波形演示，其关键参数如下：
Idle time：上一次chirp结束时间和下一次chirp开始时间之间的时间； Tx start time：从斜坡开始到发射器打开的时间； ADC start time：从斜坡开始到ADC开始对数据进行采集这段时间 Ramp end time：从斜坡开始到chirp持续上升的时间。在这段时间之后，合成器的频率就被重置为下一个chirp的起始频率；
表2：chirp配置信息
Parameter | Specifications (BSD,LCA,TJA/USRR) |
Idle time(us) | 5/ 7 |
ADC start time(us) | 4.8/ 5 |
Ramp end time(us) | 60 / 87.3 |
Number of ADC samples | 256/ 512 |
Frequency slope(MHz/us) | 4/ 42 |
ADC sampling frequency(ksps) | 4652 / 6250 |
MIMO(1:yes) | 0/ 1 |
Number of chirps per profile | 256/ 54 |
Effective of chirp time(usec) | 55/ 82 |
Bandwidth(MHz) | 240/ 3456 |
Frame length(ms) | 16.6/ 6.03 |
表3：系统性能参数
Parameter | Specifications (BSD,LCA,TJA/USRR) |
Range resolution(m) | 0.75/ 0.043 |
Maximum distance(m) | 150/ 30 |
Maximum velocity(kmph) | 144 / 36 |
Profile是chirp的模板，用来定义不同的参数；为同时满足USRR和BSD、LCA、TJA对雷达性能的要求，AWR1843提供了如上所述的高级帧封装配置（Advanced frame configuration）；在每一帧里设置更多的子帧，用不同的子帧结构满足不同的应用需求，也即多模式雷达。在本例设计中，子帧一用于BSD、LCA、TJA，子帧二用于USRR。其中，子帧一包含两种Chirp配置：Fast Chirp和Slow chirp，两者的斜率一致，但是slow chirp有更长的重复周期。当经过二维FFT处理时，slow chirp由于有较长的Tc，因此比fast chirp有更小的不模糊速度。此外，两种chirp不交替发送，而是在一种波形配置的信号发送一段时间后，另一种配置的信号发送同样一段时间。
USRR的子帧包含三种chirp配置，采用TDM-MIMO体制，所以三种chirp配置的信号可以经由三个TX天线交替发射。，通过处理8个虚拟天线接收到的回波数据，可以实现14.32°的方位面角度分辨率。
数据处理流程
图8：数据处理流程
调制信号由射频前端发送（BIST subsystem，BSS）；
接收回波数据；
对ADC Buffer中从天线接收的回波数据进行1d（Range）FFT（通过HWA） ，并通过EDMA（Enhanced Direct Memory Access）将数据传输至L3 RAM处理；
对上一步中的数据进行2d(velocity)FFT处理，存储输出数据；在多普勒域进行CFAR检测，其中距离检测用mm Wave library，其余处理在DSP中完成；
峰值聚合（Doppler 和range）；
方位面来波检测（X-Y），俯仰面估计（Y-Z）；
dBScan算法用于聚类；
Kalman滤波用于目标跟踪；
Chirp周期内的处理流程如下所示：
图9：Chirp周期内的处理流程
Tx波束赋形
图10：Beam forming 示意图
图11：探测距离对比
相位计算，最终的输入TX的相位信息是根据阵列因子和目标角度计算；
图12：波束偏转
图13：帧结构
