Von Millimeterwellen-Sensoren und ihren physikalischen Grundlagen

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Die Serie wird als Chirp-Frame bezeichnet. Die angewandte Verarbeitungstechnik wird nachfolgend am Beispiel zweier Objekte beschrieben, die gleich weit vom Radarsystem entfernt sind, sich aber mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (v₁ und v₂) bewegen (Bild 7).

Die Entfernungs-FFT verarbeitet die Reflexion des Chirp-Satzes und bringt einen Satz von N Spitzen hervor, die sich am selben Ort = gleiche Frequenz sind, aber wegen des Phasenanteils der beiden Objekte eine unterschiedliche Phasenlage aufweisen. Die einzelnen Phasenanteile jedes dieser Objekte werden durch die roten und blauen Phasoren in Bild 8 dargestellt. Eine zweite, als Doppler-FFT bezeichnete FFT-Operation, wird gemäß Bild 9 mit den N Phasoren durchgeführt, um die beiden Objekte aufzulösen.

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Ein FMCW-Radarsystem kann den Winkel eines reflektierten Signals in der horizontalen Ebene abschätzen. Dieser Winkel wird auch als „Angle of Arrival“ bezeichnet (Bild 10). Die Winkelabschätzung beruht auf der Beobachtung, dass eine geringfügige Änderung der Entfernung eines Objekts zu einer Phasenänderung der Spitze in der Entfernungs- oder Doppler-FFT führt. Diese Erkenntnis nutzt man für die Winkelabschätzung mithilfe von mindestens zwei Empfangsantennen (Bild 11). Der Entfernungsunterschied vom Objekt zu den verschiedenen Empfangsantennen ergibt eine Phasendifferenz in der FFT-Spitze. Anhand dieser Phasendifferenz lässt sich der AoA abschätzen.

Welche Vorteile die Sensoren auf CMOS-Technik bieten

Ein FMCW-Sensor mit einer Kombination aus elektronischen HF-, Analog- und Digitalbausteinen kann Entfernung, Geschwindigkeit und Winkel von in der Nähe befindlichen Objekten ermitteln. Die auf HF-CMOS-Technik beruhenden Millimeterwellen-Sensoren unterscheiden sich von traditionellen SiGe-basierten Entwicklungen dadurch, dass sie flexibel sind und sich das HF-Front-End sowie das aus MCU, Hardwarebeschleuniger und DSP bestehenden Verarbeitungs-Back-End programmieren lässt.

Eine Lösung aus SiGe kann nur eine begrenzte Anzahl Chirps speichern. Da Eingriffe in Echtzeit notwendig sind, um die Chirps und Chirp-Profile während eines Frames zu aktualisieren, sind die Millimeterwellen-Sensorlösungen von TI in der Lage, 512 Chirps mit vier Profilen abzuspeichern, bevor ein Frame beginnt. Deshalb lassen sich die mmW-Sensoren mit mehreren Konfigurationen versehen, um aus einer Szene viele aussagefähige Daten zu extrahieren kann. Die einzelnen Chirps und das Verarbeitungs-Back-End lassen sich bei laufendem Betrieb an die Anwendung anpassen.

Das Millimeterwellen-Sensorportfolio von Texas Instruments für industrielle Anwendungen besteht aus zwei Single-Chip-Produkten. Der Millimeterwellen-Sensor IWR1443 enthält einen Hardwarebeschleuniger und verarbeitet das Radarsignal, während der IWR1642 einen DSP für die Verarbeitungsabläufe verwendet. Ein DSP ist flexibler gestattet die Softwareintegration weiterer höherer Algorithmen. Die Single-Chip-Bausteine ermöglichen den Zugriff auf hochgenaue Objektdaten wie Entfernung, Geschwindigkeit und Winkel.

* Cesar Iovescu ist Radar Applications Manager und Sandeep Rao ist Radar Systems Architekt. Beide arbeiten bei Texas Instruments.

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