Fahrerassistenzsysteme mit 28-nm-CMOS-Technologie Mit zuverlässigen Radarmodulen sicher durch den Verkehr

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Zuverlässige Fahrerassistenzsysteme werden immer wichtiger – sowohl für den Fahrkomfort als auch für die Verkehrssicherheit. Sie basieren auf zahlreichen Sensoren, wobei insbesondere Radarsensoren viele Vorteile bieten, wie etwa der Radar-Transceiver CTRX8181 von Infineon.

Fahrassistenzsysteme (Advanced Driver-Assistance Systems; ADAS) haben in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Speziell Funktionen wie der Spurhalte- und der Spurwechselassistent sowie der Abstandstempomat und der Bremsassistent konnten sich durchsetzen und gehören bei Fahrzeugen egal welcher Marke inzwischen zur Grundausstattung. Kein Wunder, schließlich erhöhen ADAS neben dem Fahrkomfort die Verkehrssicherheit und können sogar Menschenleben retten. Für bestimmte Fahrzeugtypen wie LKWs sind Systeme wie das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP), das Spurhaltewarnsystem (Lane Departure Warning System, LDWS) sowie der Notbremsassistent (Advanced Emergency Braking System, AEBS) mittlerweile vorgeschrieben, und weitere sollen in den nächsten Jahren folgen.

Darüber hinaus verbessern Hersteller kontinuierlich sowohl den Funktionsumfang als auch die Effizienz von ADAS, wobei ihre Zuverlässigkeit und funktionale Sicherheit durch Organisationen, wie Euro NCAP (European New Car Assessment Programme), eine Gesellschaft europäischer Verkehrsministerien, Automobilclubs und Versicherungsverbänden mit Sitz in Brüssel, überprüft und bewertet wird.

Auch Infineon ist seit über 15 Jahren ein wichtiger Treiber für die Weiterentwicklung von Fahrassistenzsystemen: Als führender Hersteller von monolithischen integrierten Mikrowellenschaltungen (MMIC) für Radarsysteme unterstützt das Unternehmen die Umsetzung von fortschrittlichen Radarmodulen für zahlreiche Anwendungen – vom Eckradar bis zum hochauflösenden Radar. Das Unternehmen war Pionier bei der Integration von Transceivern (Sender und Empfänger in einem Chip) und stellte 2009 den weltweit ersten 77-GHz-Automotive-Radar-Chip auf SiGe-Basis vor. Mit der Einführung des RASIC™ CTRX8181 Transceiver, ermöglicht Infineon nun noch zuverlässigere ADAS, denn bei dem Sensor handelt es sich um das erste Produkt einer Serie von neuen 76- bis 81-GHz-Radar-MMICs auf Basis der 28-nm-CMOS-Technologie.

Funktion und Nutzen von ADAS

Bei einem Fahrassistenzsystem handelt es sich um elektronische Zusatzeinrichtungen in Fahrzeugen, die die fahrende Person in bestimmten Situationen unterstützen. Sie basieren in erster Linie auf Umgebungs- und Fahrzeugsensoren, die viele nützliche Informationen erfassen, beispielsweise über die Umgebung des Fahrzeugs, also die Fahrbahn, über andere Fahrzeuge, die Infrastruktur und Hindernisse, und über das Fahrzeug selbst, zum Beispiel die genaue Position und Orientierung, aber auch über die Geschwindigkeit und Fahrtrichtung (Bild 1). Die erfassten Informationen werden an eine oder mehrere Fahrassistenzsteuereinheiten gesendet und ausgewertet – abhängig vom Systemkonzept geschieht das zentral oder dezentral. Je nach Konfiguration und Art der Implementierung gibt die Recheneinheit anschließend entweder Warnsignale an die fahrende Person oder greift über elektromechanische Aktuatoren aktiv ein, zum Beispiel in die Lenkung oder die Geschwindigkeitsregelung.

Was kann ein Radarsensor?

Insbesondere Radarsensoren bieten einige Vorteile, wenn es um die Umsetzung von ADAS geht, denn die Sensoren sind im Vergleich zu den anderen Technologien weniger anfällig für Witterungsbedingungen und können auch bei Regen, Schnee, Nebel, Rauch und Staub zuverlässig Daten erfassen (Bild 2). Zudem haben sie eine hohe Reichweite und können Objekte in einer Entfernung von mehreren hundert Metern erkennen. Radarsensoren, in Kombination mit den Farb- und Objekterkennungseigenschaften von Kamerasensoren, ermöglichen somit eine zuverlässige Objektklassifizierung für ADAS-Anwendungen aufgrund der Fähigkeit Objekte durch Laufzeitmessung in Entfernung, Winkel und Geschwindigkeit direkt zu erfassen.

Radarsensoren für automobile Anwendungen

In der Automobilelektronik sind Radarsensoren, genauer gesagt Millimeterwellen-Radarsensoren, seit vielen Jahren vertreten. Sie funktionieren ähnlich wie herkömmliche Radarsysteme, jedoch verwenden sie Wellen in einem höheren Frequenzbereich, zwischen 24 GHz und 81 GHz, wodurch eine höhere Auflösung und Genauigkeit möglich ist. Dadurch können sie sowohl statische als auch sich schnell bewegende Objekte auf kurze und lange Entfernungen erkennen. Die überwiegende Mehrheit der heutigen Kfz-Radare basiert auf dem FMCW-Prinzip (Frequency Modulated Continuos Wave), das im Gegensatz zu Pulsradaren kostenoptimiert, hoch integrierbar und dennoch mit ausreichender Genauigkeit realisiert werden kann. FMCW-Radare werden in der Automobilindustrie zur Abstandsmessung und Kollisionsvermeidung eingesetzt.

Wie funktioniert ein FMCW-Radar?

Das Radar sendet über eine oder mehrere Sendeantennen ein Signal aus, das eine linear frequenzmodulierte Rampe bei einer Frequenz von 77 GHz darstellt. Das Signal wird reflektiert, wenn es auf ein Hindernis trifft, zum Beispiel ein anderes Auto, ein LKW oder einen Fußgänger. Die reflektierten Signale werden anschließend von einer oder mehreren Empfangsantennen empfangen und zum Empfangsteil des Radars weitergeleitet (Bild 3).

Durch die Propagationszeit des Signals ergibt sich ein Frequenzunterschied zwischen Sende- und Empfangssignal, der proportional zum Abstand ist. Das Signal wird durch einen Mischer zu einer Zwischenfrequenzkette heruntergemischt und anschließend digitalisiert. Die digitale Signalverarbeitung nutzt die Fast Fourier Transformation (FFT), um die Frequenz und damit den Abstand zum Ziel zu bestimmen. Zusätzlich wird die Phase des Signals ermittelt, die durch den Doppler-Effekt Aufschluss über die Geschwindigkeit des Ziels gibt.

Durch den relativen Phasenunterschied zwischen Signalen von mehreren Empfangsantennen kann das Radar außerdem den horizontalen (Azimuth) oder vertikalen (Elevation) Einfallswinkel vom Signal bestimmen und so die genaue Position des Ziels relativ zum Sensor berechnen.

Die Qualität des Signals wird durch Rampenlinearität und Phasenrauschen beeinflusst. Rampenlinearität bezieht sich auf die kontinuierliche Steigerung der Frequenz des Radarsignals, um Entfernungs- und Geschwindigkeitsinformationen zu erfassen. Phasenrauschen hingegen bezieht sich auf unerwünschte Schwankungen in der Phase des Signals, die die Genauigkeit der Ziellokalisierung beeinträchtigen können. Die Anzahl und Anordnung der Antennen wie auch die Entfernungen zwischen den Antennen bestimmen das Sichtfeld und die Auflösung des Sensors. Eine größere Anzahl von Antennen und deren Positionierung erhöht die Genauigkeit der Ziellokalisierung und ermöglicht eine höhere Auflösung.

Der Radarsensor kann auch als 4D-Radar bezeichnet werden, da er Entfernung, Geschwindigkeit, horizontale und vertikale relative Position des Ziels in allen Dimensionen gleichzeitig bestimmen kann. Zusätzlich wird die Entfernungsauflösung durch die Bandbreite der Frequenzrampe bestimmt und die Antennenanordnungen mit mehreren Senderantennen erfordern eine Trennfähigkeit/Erkennung der einzelnen Sendersignale bei jedem Empfängerkanal, um die Genauigkeit des Sensors zu erhöhen. Die Trennfähigkeit der einzelnen Senderantennen – also die Orthogonalität – wird entweder durch Time Division Multiplex (TDM) oder andere Verfahren wie Phasenmodulation oder Doppler Division Multiplex (DDM) sichergestellt.

Welche Anforderungen muss ein Radarsensor erfüllen?

Neue Radarsensoren, die in modernen Fahrzeugen eingesetzt werden, müssen einige Anforderungen erfüllen. Während Long Range Front Radar (LRR) für eine große Reichweite von bis zu 300 m ausgelegt ist, benötigt das Corner Radar (CR) größere Öffnungswinkel von über 150 Grad bei Reichweiten von 100 bis 150 m (Bild 4). Die Effektivität der digitalen Signalverarbeitung spielt dabei eine entscheidende Rolle bei der Reichweitenbestimmung, die durch die Reflektivität des Ziels für 77 GHz Signale (Radar Cross Section, RCS) und die RF-Eigenschaften des Transceivers beeinflusst wird. Schwach reflektierende Ziele wie Fußgänger stellen eine größere Herausforderung für die Sensoren dar als starke Reflektoren wie Autos und LKWs. Demnach ist ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis für beide Sensortypen wichtig, um starke und schwache Signale zuverlässig voneinander zu trennen. Digitale Signalverarbeitung und Objektverfolgung sind wichtige Funktionen, die auf dem im Sensor integrierten Mikrocontroller ausgeführt werden, bevor die Daten über eine Netzwerkschnittstelle ausgegeben werden.

Neben den technischen Anforderungen müssen Radarsensoren außerdem die strengen Qualitätskriterien der Automobilelektronik und als Teil des ADAS-Systems die noch strengeren Anforderungen der ISO26262 im Bereich der funktionalen Sicherheit erfüllen.

Hochintegrierter Radarsensor von Infineon

Der Infineon RASIC CTRX8181 auf Basis der 28-nm-CMOS-Technologie erfüllt diese Anforderungen und ermöglicht den breiteren Einsatz von fortschrittlichen und zuverlässigen ADAS-Funktionen in Fahrzeugen. Der CTRX8181 erfüllt höchste Qualitätsanforderungen und erfüllt Sicherheitsaspekte bis zum Automotive Safety Integrity Level (ASIL) C. Daneben trägt auch der 1dB-Kompressionspunkt des CTRX8181 zur Zuverlässigkeit des Radarsensors bei.

Der Radarsensor im Detail

Bei dem CTRX8181 (Bild 5) handelt es sich um einen hochintegrierten Radarsensor, der aus vier Sendekanälen mit dedizierten Phasenschiebern, vier Empfangskanälen einschließlich Frequenzumwandlung, Analog-Digital-Wandlern und digitalen Filtern sowie der Phasenregelschleife (PLL) zur Signalerzeugung und Ablaufsteuerung besteht. Die digitalisierten Radardaten werden über die LVDS- oder CSI-2-Schnittstelle an den Mikrocontroller übertragen. Darüber hinaus verfügt der CTRX8181 über kontinuierliche Überwachungsfunktionen, die ebenfalls der Einhaltung des ASIL-C-Standards dienen.

Das Signal-Rausch-Verhältnis wurde beim CTRX8181 noch weiter verbessert – um bis zu 25 Prozent im Vergleich zum heutigen Standard. Dadurch sind noch größere Reichweiten und breitere Öffnungswinkel möglich. Für einen Frontradar bedeutet das zum Beispiel eine Erhöhung der Reichweite von 250 m auf 300 m.

Keine Chance für Geisterziele

Eine weitere Besonderheit des CTRX8181 ist, dass er dank des hohen 1dB-Kompressionspunkt im Empfangspfad hohe Eingangssignalpegel verzerrungsfrei verarbeiten kann. Ein Lastwagen im Sichtfeld des Radarsensors reflektiert aufgrund seines großen Radarquerschnitts ein Signal mit hohem Pegel. Wenn Radarsensoren hinter einem Stoßfänger installiert sind, wie es bei Kurvenradaren üblich ist, kann die Beschaffenheit und Lackierung des Stoßfängers ebenfalls zu Reflexionen mit hohen Signalpegeln führen. Aufgrund des hohen 1dB-Kompressionspunktes kann der CTRX8181 diese hohen Signale empfangen, ohne die Empfangssignalkette zu übersteuern und ohne Geisterziele in den Radardaten aufzuzeigen.

Die Phasenregelschleife (PLL) des CTRX8181 ermöglicht noch kürzere Rücklaufzeiten bei der Rampengenerierung – bis zu viermal kürzer als bei derzeit verfügbaren Sensoren. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Effizienz oder die Pulswiederholrate des Sensors zu erhöhen. Bei letzterem erhöht sich der Eindeutigkeitsbereich der Geschwindigkeitsschätzung. Darüber hinaus wurde die Rampenlinearität des Phasenregelkreises weiter verbessert. Mithilfe der Integrationsverstärkung über mehrere Rampen wird so die Ziellokalisierung und Trennbarkeit von Fußgängern und Objekten weiter verbessert. Der Phasenregelkreis des CTRX8181 verbessert folglich die Trennbarkeit von Objekten in Bezug auf Ort und Geschwindigkeit und erhöht damit die Sicherheit der Verkehrsteilnehmer.

CTRX8181 ermöglicht Radarsensoren der nächsten Generation

Die Zuverlässigkeit von Radarmodulen ist der Schlüssel zur Verkehrssicherheit, da nur ein einsatzbereiter Sensor Verkehrsteilnehmer schützen kann. Mit dem Millimeterwellen-Radarsensor CTRX8181 adressiert Infineon die hohen Anforderungen des Automotive-Bereichs und unterstützt Hersteller bei der Entwicklung moderner Fahrassistenzsysteme: Der CTRX8181 basiert auf der neuesten 28nm-CMOS-Technologie und ermöglicht mit seinem hervorragenden Signal-Rausch-Verhältnis, dem exzellenten 1dB-Kompressionspunkts und der schnellen und genauen Phasenregelschleife eine zuverlässige Objekttrennung und -erkennung, die für den Schutz von sonst schwierig erkennbaren und ungeschützten Verkehrsteilnehmern wie Motorradfahrern, Radfahrern oder Fußgängern notwendig ist.  (mbf)

* Vjekoslav Matic ist Senior Director, Technical Marketing für Automotive Radar bei Infineon.

* Thorsten Uhlenkamp ist Senior Manager, Product Marketing für Automotive Radar MMICs bei Infineon.

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