自動(dòng)駕駛下半場(chǎng)：DCM 技術(shù)如何突破雷達(dá)感知瓶頸？

作為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的“眼睛”，雷達(dá)通過(guò)對(duì)目標(biāo)物體發(fā)射并接收電磁波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、多普勒頻率、方位角、仰角等信息。相比攝像頭等其他傳感器，雷達(dá)幾乎不受天氣與光線的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)全天時(shí)、全天候探測(cè)，因此也是實(shí)現(xiàn)高級(jí)別自動(dòng)駕駛技術(shù)的關(guān)鍵傳感器。
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在過(guò)去的30年，大部分汽車(chē)?yán)走_(dá)采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)，雷達(dá)信號(hào)處理是在模擬電路中完成的。近幾年隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)向更高級(jí)別過(guò)渡，對(duì)汽車(chē)?yán)走_(dá)的分辨率和準(zhǔn)確度提出了更高要求，更為先進(jìn)的數(shù)字編碼調(diào)制（DCM）技術(shù)受到了關(guān)注。在DCM中，信號(hào)處理主要以數(shù)字方式進(jìn)行。本文將從多個(gè)維度探討DCM 雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
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FMCW 與 DCM 雷達(dá)技術(shù)

FMCW 和 DCM 雷達(dá)的基本區(qū)別在于它們傳輸?shù)男盘?hào)。FMCW 傳輸信號(hào)的短脈沖，在其傳輸周期內(nèi)頻率會(huì)增加。在當(dāng)前的汽車(chē)?yán)走_(dá)中，F(xiàn)MCW 信號(hào)通常占用 50MHz 的帶寬。而DCM 雷達(dá)傳輸包含特殊編碼序列的較長(zhǎng)脈沖信號(hào)，占用 1GHz 至 2GHz 的帶寬。
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對(duì)比度

對(duì)比度是指雷達(dá)區(qū)分兩個(gè)近距離目標(biāo)的能力。也就是說(shuō)，雷達(dá)能夠檢測(cè)到并分辨兩個(gè)緊密間隔目標(biāo)之間的反射信號(hào)差異。典型的例子是檢測(cè)站在汽車(chē)旁邊的兒童。相對(duì)汽車(chē)（強(qiáng)反射物）而言，兒童是弱反射物。
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雷達(dá)發(fā)射和接收信號(hào)的天線是使用多個(gè)輻射元件構(gòu)建的，具有較少天線元件的雷達(dá)具有較寬的主瓣和相對(duì)較高的旁瓣，因而對(duì)比度較低，無(wú)法區(qū)分距離很近的兒童和汽車(chē)。而具有較多天線元件的雷達(dá)，例如 Uhnder 的 DCM 雷達(dá)，會(huì)產(chǎn)生更窄的天線波束和相對(duì)較低的旁瓣（相對(duì)于主瓣），從而提供更高的對(duì)比度。
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此外，DCM 雷達(dá)的對(duì)比度優(yōu)勢(shì)還來(lái)自于 DCM 波形。DCM 使用調(diào)制到射頻載波相位的擴(kuò)頻序列，這些擴(kuò)頻序列具有所謂的“處理增益”。也就是說(shuō)，當(dāng)接收信號(hào)與發(fā)出的信號(hào)相關(guān)時(shí)，接收到的信號(hào)會(huì)被放大。因此，回波也隨著傳輸?shù)臄U(kuò)頻波形而被放大。這有效提高了雷達(dá)檢測(cè)小目標(biāo)（例如兒童）的能力。
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抗干擾

隨著新車(chē)上搭載的雷達(dá)數(shù)量越來(lái)越多，雷達(dá)間的信號(hào)干擾問(wèn)題也日益引起重視。想象在兩條車(chē)道上往相反方向行駛的兩輛汽車(chē)，當(dāng)它們靠近時(shí)，車(chē)上雷達(dá)發(fā)出的信號(hào)會(huì)相互干擾，從而影響探測(cè)目標(biāo)的能力。基于 DCM 技術(shù)的雷達(dá)能夠通過(guò)以下三種方式解決干擾問(wèn)題。
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• 感應(yīng)和監(jiān)測(cè)干擾：DCM 雷達(dá)可以感應(yīng)干擾源是來(lái)自 FMCW 還是 DCM 雷達(dá)的信號(hào)，并監(jiān)測(cè)干擾，以減輕或避免干擾。

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• 減輕干擾：如果干擾信號(hào)在同一頻段，并且與雷達(dá)接收回波的時(shí)隙重合，DCM雷達(dá)可以抑制或減輕這種干擾的影響。 例如，搭載 Uhnder 當(dāng)前芯片版本的 DCM 雷達(dá)可同時(shí)減輕多達(dá)八個(gè) FMCW 干擾。此外，由于每個(gè) DCM 雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)都有獨(dú)特的擴(kuò)頻序列，具有相同序列的信號(hào)會(huì)被放大，而具有不同序列號(hào)的信號(hào)會(huì)被抑制，從而有助于 DCM 雷達(dá)減輕信號(hào)干擾。

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• 避免干擾：在感應(yīng)和監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，DCM 雷達(dá)可以改變其工作頻段或傳輸時(shí)隙，以避免與工作在相同時(shí)隙和頻段的另一臺(tái)雷達(dá)發(fā)生沖突。

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尺寸

雷達(dá)的尺寸很大程度上取決于天線的尺寸（發(fā)射和接收元件的數(shù)量）、印刷電路板（PCB）上的元件數(shù)量和散熱要求。如果雷達(dá)消耗的功率更高，則需要更大的散熱器（表面積），雷達(dá)尺寸也會(huì)更大。
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我們知道，體積大的雷達(dá)很難安裝在車(chē)上。為了減小雷達(dá)尺寸，一些設(shè)計(jì)人員考慮使用稀疏陣列來(lái)減小天線的尺寸。稀疏陣列具有更少的元件，但也意味著元件需要處理的信號(hào)更密集。大多數(shù) FMCW 雷達(dá)無(wú)法支持這種處理能力，需要外部數(shù)字處理器支持，這在一定程度上增加了功耗、尺寸和成本。
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搭載 Uhnder 芯片的 DCM 雷達(dá)外形小巧，從而為 OEM 及雷達(dá)供應(yīng)商在設(shè)計(jì)傳感方案時(shí)提供更大的靈活性。例如，汽車(chē)制造商可以并排使用3個(gè)超薄 DCM 雷達(dá)：使用1個(gè)用于短程探測(cè)，2個(gè)聯(lián)合使用可作中程探測(cè)，3個(gè)聯(lián)合使用可作遠(yuǎn)程探測(cè)。
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模塊化

模塊化將有助于降低工程開(kāi)發(fā)成本，并簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈和制造流程。通過(guò)模塊化，制造商可以使用基本的雷達(dá)芯片構(gòu)建短程（SRR）、中程（MRR）、遠(yuǎn)程（LRR）和超遠(yuǎn)程（SLRR）雷達(dá)，并通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)不同的分辨率。
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實(shí)現(xiàn)模塊化有兩種方法。一是將基本雷達(dá)芯片與額外的數(shù)字處理芯片級(jí)聯(lián)，以構(gòu)建更復(fù)雜的雷達(dá)。使用這種方法能夠優(yōu)化最簡(jiǎn)單且便宜的雷達(dá)解決方案，但同時(shí)整體成本和功率也會(huì)更高。許多 FMCW 雷達(dá)都采用這種方法。
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第二種方法是構(gòu)建功能更強(qiáng)大的、且支持編程的雷達(dá)芯片。使用這種方法，芯片成本會(huì)略微增加，但產(chǎn)品的總體擁有成本（TCO）依舊非常具有吸引力。這也是 Uhnder 的DCM 雷達(dá)芯片遵循的方法。Uhnder 的DCM 雷達(dá)芯片可通過(guò)編程選擇發(fā)射器與接收器的數(shù)量。此外，芯片附帶的可編程軟件堆?？梢詭椭圃焐探档拖嚓P(guān)工程開(kāi)發(fā)成本。
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功率

目前市面上商用的 FMCW 芯片支持 3 或 4 個(gè)發(fā)射器和 4 個(gè)接收器（3x4 或 4x4），而 Uhnder 的 DCM 雷達(dá)芯片支持 12 個(gè)發(fā)射器和 16 個(gè)接收器（12x16）。雷達(dá)波的波束寬度與發(fā)射元件和接收元件數(shù)量的乘積成反比，波束越窄，分辨率越高，因此Uhnder的DCM雷達(dá)能夠提供更高的分辨率。
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雖然，3x4 或 4x4 FMCW 雷達(dá)芯片可以通過(guò)級(jí)聯(lián)（3 或 4 個(gè)芯片）提高分辨率。 但在這種情況下，雷達(dá)需要 3-4 個(gè)雷達(dá)芯片和一個(gè)單獨(dú)的數(shù)字處理器芯片，將各個(gè) FMCW 雷達(dá)芯片的輸出有效地組合起來(lái)。這意味著這種解決方案總共需要 4 或 5 個(gè)芯片，這些芯片還需要更精細(xì)的電源子系統(tǒng)，這樣整體配置會(huì)比單個(gè) DCM 雷達(dá)芯片及其電源消耗更多的功率。
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關(guān)于功率，還存在一個(gè)誤解是，由于 DCM 雷達(dá)的帶寬較寬，它需要一個(gè)復(fù)雜的高功率 A/D 轉(zhuǎn)換器。對(duì)一般的A/D 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)而言確實(shí)如此，但Uhnder 使用獨(dú)特的交錯(cuò)式 A/D 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，能夠以低功耗提供高動(dòng)態(tài)范圍，并可針對(duì)不同的帶寬進(jìn)行調(diào)諧。
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成本

要實(shí)現(xiàn)高分辨率，F(xiàn)MCW 系統(tǒng)往往需要更多的芯片（3-4 個(gè)雷達(dá)芯片、一個(gè)數(shù)字處理器芯片和一個(gè)更昂貴的電源管理芯片）。此外，這些芯片還需要更復(fù)雜的印刷電路板（PCB）布局和更大的 PCB 面積。76-81 GHz 的 PCB 需要特殊材料并且價(jià)格昂貴。
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芯片數(shù)量越多，意味著周?chē)慕M件數(shù)量越多，例如去耦電容器。而且由于高分辨率 FMCW 系統(tǒng)會(huì)消耗更多功率，因此需要更復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)。也就是說(shuō)，芯片產(chǎn)生的熱量必須以有效的方式散發(fā)。這增加了整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、尺寸和成本。
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傳感器融合

除了雷達(dá)以外，攝像頭也是當(dāng)前車(chē)輛 ADAS 系統(tǒng)的重要傳感器。攝像頭擅長(zhǎng)識(shí)別物體的形狀和顏色，但在惡劣的天氣或黑暗的環(huán)境中表現(xiàn)不佳，而雷達(dá)則可以全天時(shí)、全天候提供場(chǎng)景中目標(biāo)的距離和速度信息。通過(guò)使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）等算法融合雷達(dá)+攝像頭的信息，能夠進(jìn)一步提升自動(dòng)駕駛的安全性能。
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根據(jù)信息論，更多的信息可以幫助改進(jìn)決策。雷達(dá)獲取的新信息量（H(Y)）取決于雷達(dá)的分辨率，而雷達(dá)的分辨率又取決于天線元件的數(shù)量。在雷達(dá)中，發(fā)射和接收天線元件的數(shù)量就是它的眼睛。 如果雷達(dá)有更多的發(fā)射和接收天線元件（虛擬通道），就可以看得更遠(yuǎn)，并在視場(chǎng)中的不同角度檢測(cè)到更多物體。
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Uhnder 的單個(gè) DCM 雷達(dá)芯片提供 192 個(gè)虛擬通道，而市場(chǎng)上常見(jiàn)的 FMCW 雷達(dá)提供 12 到 16 個(gè)虛擬通道。少數(shù)較新的 FMCW 雷達(dá)有 288 個(gè)虛擬接收器，但并未普及。FMCW雷達(dá)芯片可以通過(guò)級(jí)聯(lián)提供更多的虛擬通道，有的供應(yīng)商使用級(jí)聯(lián)提供 192 到 2300 個(gè)通道。不過(guò)，DCM 雷達(dá)也可以通過(guò)級(jí)聯(lián)四顆芯片來(lái)提供 3072 個(gè)通道。但聯(lián)芯片的時(shí)候，雷達(dá)系統(tǒng)的復(fù)雜性、成本和功耗都會(huì)顯著增加。
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綜上所述，基于 DCM 技術(shù)的雷達(dá)在對(duì)比度、抗干擾性、尺寸、功率和成本等方面具有優(yōu)勢(shì)。此外，由于 DCM 雷達(dá)設(shè)計(jì)支持軟件編程，及其本身的模塊化特性，能夠?yàn)?strike>當(dāng)今的汽車(chē)設(shè)計(jì)提供更靈活的解決方案。
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2015 年成立的 Uhnder 率先將 DCM 技術(shù)引入汽車(chē)?yán)走_(dá)，并成功開(kāi)發(fā)了首款車(chē)規(guī)級(jí) 4D 數(shù)字成像雷達(dá)芯片及相關(guān)軟件，為自動(dòng)駕駛技術(shù)提供更精確的數(shù)字感知。2018年，麥格納（Magna）采用 Uhnder 的雷達(dá)芯片推出了 ICON 數(shù)字雷達(dá)，并于2021年宣布電動(dòng)汽車(chē)制造商菲斯克（Fisker）的Ocean SUV將搭載這款數(shù)字雷達(dá)。此外，Uhnder 還與黑芝麻智能、歐菲光、復(fù)睿智行等眾多領(lǐng)先的企業(yè)建立合作關(guān)系，共同推動(dòng)基于 DCM 技術(shù)雷達(dá)產(chǎn)品的應(yīng)用，助力自動(dòng)駕駛安全。
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