成像雷達芯片技術(shù)揭秘：Vayyar第一代RF片上系統(tǒng)進行拆解與分析

作者：Maurizio Di Paolo Emilio，Junko Yoshida

隨著雷達的應(yīng)用越來越廣（在消費產(chǎn)品中都用到了雷達），技術(shù)和成本分析公司System PlusConsulting對其實施方式充滿好奇，決定對雷達芯片進行拆解。但是，選哪一款雷達芯片呢？出于多種原因，最終選擇了Vayyar的第一代RF片上系統(tǒng)。

System PlusConsulting公司的興趣主要在Vayyar如何設(shè)計出這樣一款高度集成的單芯片RF SoC，Vayyar SoC創(chuàng)建高分辨率4D圖像的能力也吸引了System Plus Consulting的分析師。

雷達市場一度增長緩慢，因為只需滿足軍事等成熟應(yīng)用的需求。現(xiàn)在情況發(fā)生了很大變化，雷達（尤其是“成像雷達”）的熱度也越來越高。汽車和消費類應(yīng)用激發(fā)了系統(tǒng)設(shè)計人員的想象力，推動雷達達到兩位數(shù)增長。

雷達在軍事基地和航空母艦等應(yīng)用中仍然至關(guān)重要，同時也開始大量進入家庭、家用汽車甚至智能手機應(yīng)用。針對汽車應(yīng)用，汽車OEM廠商和一級供應(yīng)商正在研究用于高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）和車內(nèi)占位檢測的成像雷達。

雷達技術(shù)供應(yīng)商密切關(guān)注雷達在智能手機領(lǐng)域的應(yīng)用機會。例如，去年英飛凌與Google宣布合作，利用英飛凌的雷達技術(shù)在Google Pixel 4智能手機中實現(xiàn)手勢控制。是否每部手機都會在不久的將來采用雷達技術(shù)尚不得而知，但雷達的應(yīng)用領(lǐng)域正在迅速擴大。

Vayyar在其Walabot產(chǎn)品線中采用了RF SoC設(shè)計。Walabot Home跌倒檢測系統(tǒng)可幫助家庭成員和看護者密切關(guān)注家里可能跌倒的老人，該系統(tǒng)使用雷達，可以透過墻壁和窗簾感知人的情況，被看管者無需配備可穿戴設(shè)備。

Vayyar的這顆芯片可以分析集成式收發(fā)器發(fā)送和接收的大量信號，并由SoC中的高速DSP處理這些信號，因此Yole Développement旗下的System Plus Consulting公司對該芯片很感興趣。

筆者采訪了System Plus Consulting的成本分析專家Stéphane Elisabeth，他向我們解釋說，Vayyar設(shè)計的是一塊包含RF SoC和MCU的小板子，RF SoC可以與系統(tǒng)供應(yīng)商選擇的任何外部應(yīng)用處理器配合使用。

Vayyar的第一代芯片（即本文要拆解的芯片）基于3~10GHz RF SoC。由于不同國家/地區(qū)對頻率范圍的限制不同，Vayyar設(shè)計了一些后續(xù)產(chǎn)品，包括工作在57~64 GHz的產(chǎn)品，最大帶寬和分辨率范圍都提高了。另外還有基于77~81GHz的產(chǎn)品。

根據(jù)System Plus Consulting，RF SoC采用了一個片上DSP，其收發(fā)器裸片中有多個SRAM存儲器。RF SoC將數(shù)據(jù)提供給Walabot板上的MCU，MCU只是將SRAM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)流類型。這一步十分重要，因為它使Vayyar的RF SoC具有中立性和靈活性，因此可與系統(tǒng)設(shè)計師選擇的任何外部CPU或應(yīng)用處理器——無論是高通的Snapdragon還是其他廠商的應(yīng)用處理器——配合使用。如果需要，它還可以執(zhí)行復(fù)雜的成像算法。

圖1：RF電路板上有21個天線。（圖片來源：System Plus Consulting）

Walabot Home系統(tǒng)之外

除了Walabot Home系統(tǒng)，Vayyar又開始進軍汽車市場。2018年，Vayyar與領(lǐng)先的一級供應(yīng)商Valeo達成了交易。Valeo當(dāng)時宣布計劃使用Vayyar的雷達傳感器，監(jiān)視嬰兒呼吸并在緊急情況下觸發(fā)警報，尤其是將嬰兒單獨留在車內(nèi)時。

2019年11月，Vayyar在D輪融資中籌集了1.09億美元資金，由美國跨國公司Koch Industries的投資子公司Koch Disruptive Technologies（KDT）領(lǐng)投。Koch成為Vayyar的戰(zhàn)略投資者意義重大，因為Koch及其子公司可能為Vayyar打開了一扇大門，使Vayyar的成像傳感器進入更多細分市場。

2020年初，Vayyar宣布與總部位于日本的汽車零部件供應(yīng)商Aisin Seiki建立合作伙伴關(guān)系，共同開發(fā)汽車4D高分辨率短距離外部傳感器，用于盲點檢測等應(yīng)用。

Walabot Home系統(tǒng)構(gòu)成

Walabot Home是一個跟蹤人們的活動、監(jiān)控人們是否跌倒以及是否需要幫助的智能系統(tǒng)。這一輕薄設(shè)備采用的傳感器系統(tǒng)可以處理類似Wi-Fi信號的低功率無線電波，以確定人的位置。

作為系統(tǒng)核心的RF SoC結(jié)合了3~81GHz發(fā)射器和接收器，無需外部CPU，通過對發(fā)送和接收的多種信號進行分析來創(chuàng)建高分辨率4D圖像。Vayyar技術(shù)集成了收發(fā)器和可以高速處理數(shù)據(jù)的DSP，因此能夠創(chuàng)建精確的場景。

通過Walabot Home系統(tǒng)，Vayyar技術(shù)可以顯示人員及物體的大小、位置和移動，無需使用攝像頭即可實時對環(huán)境進行完整分類。不用攝像頭意味著減少了可能侵犯個人隱私的途徑。

Walabot Home是一個跌倒警報系統(tǒng)，用于監(jiān)控人員，防止可能發(fā)生的危險和事故。這款智能家居設(shè)備可以檢測一個人在家里時是否意外摔倒并需要幫助。

RF SoC

該系統(tǒng)包含一個UWB（超寬帶）頻段系統(tǒng)，利用持續(xù)時間極短的射頻能量脈沖（從幾十皮秒到幾納秒）發(fā)送和接收信號，可檢測人員及其空間位置。它實際上是一種無線協(xié)議，可使用功率不到1W的天線達到每秒千兆比特的帶寬（當(dāng)頻帶大于500MHz或分?jǐn)?shù)頻帶大于20％時，F(xiàn)CC將其定義為UWB）。該技術(shù)的優(yōu)點在于，由于脈沖很短，UWB對反射波本身引起的干擾不太敏感。

“Vayyar的單個RF SoC用于發(fā)送/接收3.3~10GHz RF信號。該系統(tǒng)使用了兩塊板子：一塊用于RF收發(fā)器（圖2中的黃線框）、SRAM數(shù)據(jù)收集和USB類數(shù)據(jù)流；另一塊（圖2中的綠線框）用于數(shù)據(jù)處理和BT/Wi-Fi連接?！盨ystem Pluc Consulting的Elisabeth說。

圖2：Walabot Home系統(tǒng)的X射線透視圖。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

圖3：Walabot Home系統(tǒng)框圖。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

圖4：Walabot Home系統(tǒng)主板。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

從圖3可以看到，兩塊板子通過Flex PCB結(jié)構(gòu)連接，具有更好的柔性，與采用剛性基座的類似解決方案相比，其空間、重量和成本都大大降低。

散熱管理采用兩種方式：“一種是在應(yīng)用處理器上，另一種直接在散熱器上，”Elisabeth說，“我們推測散熱器是用A380型鋁合金制成的?！?/p>

A380是最常用的一種鋁合金，具有出色的流動性、耐壓性和抗熱裂性，特別是使用鋁合金380進行壓鑄時，可以生產(chǎn)出質(zhì)優(yōu)價?的耐用零件和產(chǎn)品。

RF SoC從裸片到封裝下方的焊球有48個輸入/輸出路徑。Elisabeth說：“在這48個RF I/O中，只有42個用于連接天線。RF SoC的收發(fā)器裸片中集成了一個DSP和多個SRAM存儲器，將數(shù)據(jù)提供給MCU。MCU僅將SRAM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)流類型。由于采用了片上DSP，因此無需任何外部CPU即可執(zhí)行復(fù)雜的成像算法?！?/p>

RF SoC采用無蓋FCBGA封裝，使用6層PCB襯底，焊接在10層PCB襯底上（圖5）。MMIC包含兩個正交振蕩器，可以在芯片上生成直接由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）處理的中頻信號。

圖5：RF SoC封裝的剖面圖。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

除了SoC處理器VYYR2401-A3 RF，在圖3和4的框圖中，還可以看到支持緊急移動通信的MSM8909處理器，以及用于揚聲器和麥克風(fēng)管理的高通編解碼器/音頻器件。高通驍龍210 MSM8909是一款入門級SoC，有四個1.1GHz的ARM Cortex-A7 CPU內(nèi)核（四核），可用于Android平板電腦和智能手機。該SoC集成了藍牙4.1+BLE、802.11n（2.4GHz）WiFi，以及最高速度達150Mbps的Cat4 4G-LTE調(diào)制解調(diào)器（LTE FDD、LTE TDD、WCDMA（DC-HSDPA，HSUPA）、CDMA1x、EV-DO版本B、TD-SCDMA和GSM/EDGE）。

CypressCYUSB2014控制器是一種SuperSpeed外圍控制器，提供靈活的集成功能，可將SoC RF分析的數(shù)據(jù)發(fā)送到USB協(xié)議。該控制器有一個稱為GPIF II的完全可配置并行通用可編程接口，可以連接到任何處理器、ASIC或FPGA。GPIF II是Cypress的旗艦USB 2.0產(chǎn)品FX2LP中GPIF的增強版。

天線

雷達信號管理板由21根天線組成，可確保高分辨率。由于系統(tǒng)在3~10GHz的頻率下工作，因此天線的尺寸較大（λ/4=~15mm）。“天線尺寸較大意味著需要一塊大RF板來支持21個天線，”Elisabeth說，“多個天線連接可提供更好的分辨率。但是由于天線不僅支持高頻，還支持低頻，因此尺寸非常大。”

“該系統(tǒng)的高工作頻率約為9.6GHz，天線尺寸取決于蝶形的大小。”Elisabeth補充說。

圖6：具有21個天線的RF板。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

蝶形設(shè)計由于外形小巧、帶寬大、損耗低和輻射效率高等特點而被廣泛應(yīng)用于成像、雷達、Wi-Fi接入點和脈沖天線（圖7）。

圖7：蝶形天線的幾何外形。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）。

蝶形設(shè)計是雙錐形偶極拓?fù)涞木€性近似（平面類型的變化）。這種天線設(shè)計具有簡單的幾何形狀和牢固性，可實現(xiàn)較為理想的尺寸和成本。蝶形可以很好地控制其輸入阻抗，而且易于制造。

成本與分析

System Plus Consulting公司評估了整個系統(tǒng)的成本，重點分析了為何RF SoC僅占系統(tǒng)成本的10％（圖8）。

圖8：Walabot Home的成本分析。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

“由于系統(tǒng)很大，因此幾乎30％的成本都是由PCB（RF板、WiFi/BT天線等）和互連產(chǎn)生的。內(nèi)存（RAM、閃存）和處理器（高通驍龍210）幾乎占了成本的20％；30％的成本來自傳感器、PMIC、連接前端等分立器件；另外10％來自顯示器?！盓lisabeth說。

圖9：其他版本的VYYR SoC。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

Vayyar還開發(fā)了其他版本，工作頻率為60~80GHz，這些版本現(xiàn)已投放市場。VYYR7201-A0工作于57~64GHz，VYYR7202-A1工作于77~81GHz。前者在Vayyar V60G-Home中使用，包含46個線性極化PCB嵌入式天線，適合手勢識別、檢測室內(nèi)人員及留在車內(nèi)的嬰兒等應(yīng)用。后者包含40個線性極化天線，在Vayyar V80G中使用，適合車內(nèi)/車外應(yīng)用及檢測可能的入侵。
編輯：hfy