設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)傳感器時(shí)面臨著持續(xù)的競爭壓力。傳感器不僅要體積更小、更精確，并且還要在智能建筑、工廠自動(dòng)化、交通運(yùn)輸和無人機(jī)等多種行業(yè)應(yīng)用中具有更遠(yuǎn)的檢測范圍。雖然毫米波 (mmWave) 技術(shù)正逐漸成為一種極具吸引力的運(yùn)動(dòng)檢測選擇，但不熟悉毫米波技術(shù)的設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，底層的雷達(dá)前端以及高性能信號(hào)鏈頗具挑戰(zhàn)性。

為解決這些問題，市面上現(xiàn)已推出毫米波器件及相關(guān)開發(fā)套件，使設(shè)計(jì)人員能夠快速部署復(fù)雜精確的運(yùn)動(dòng)檢測系統(tǒng)。

本文將討論運(yùn)動(dòng)檢測系統(tǒng)日益重要的作用，并解釋為什么毫米波是滿足范圍和精度需求的好選擇。然后將介紹一款合適的套件，并展示如何開始使用該套件。

運(yùn)動(dòng)檢測日益重要的作用

運(yùn)動(dòng)檢測功能在很多應(yīng)用中已變得越來越重要。除了為智能建筑和家居產(chǎn)品提供便利功能以外，運(yùn)動(dòng)檢測還可為汽車和工業(yè)應(yīng)用提供關(guān)鍵的安全功能。在越來越多的應(yīng)用中，擴(kuò)大檢測范圍以及提高檢測精度變得至關(guān)重要，以往基于無源紅外傳感器或飛行時(shí)間系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法已不再適用。

因此，調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 毫米波雷達(dá)技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。此技術(shù)使用短波長信號(hào)，能夠以亞毫米的精度檢測目標(biāo)。并且，還能穿透塑料、石膏板和衣物等材料，同時(shí)在下雨、起霧、灰塵和下雪等惡劣的環(huán)境條件下，還能保持其高性能。

緊密的毫米波能量束可以進(jìn)行聚焦和操縱，從而提供高度精確的目標(biāo)檢測，并且可在多個(gè)目標(biāo)彼此靠近移動(dòng)時(shí)對(duì)其進(jìn)行跟蹤。

毫米波技術(shù)的工作原理

雖然毫米波雷達(dá)信號(hào)處理的細(xì)節(jié)超出了本文的討論范圍，但檢測原理基于一個(gè)熟悉的概念，其中涉及目標(biāo)的能量反射。在線性 FMCW 雷達(dá)中，這種能量是一種稱為“啁啾”的毫米波音調(diào)，其頻率隨時(shí)間呈線性變化。雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生并發(fā)射啁啾之后，會(huì)檢測順發(fā)射方向目標(biāo)反射的啁啾信號(hào)并將其傳遞給混頻器。混頻器會(huì)將 RX 和 TX 信號(hào)組合在一起，產(chǎn)生中頻 (IF) 信號(hào)。

啁啾傳輸與反射信號(hào)檢測之間的延遲，可用于計(jì)算雷達(dá)系統(tǒng)天線與目標(biāo)之間的距離。如果雷達(dá)系統(tǒng)在一個(gè)觀測窗口或幀中產(chǎn)生多個(gè)啁啾，則可通過測量相應(yīng)反射的啁啾中的相位差來確定某個(gè)目標(biāo)的速度。如果使用多個(gè)接收器，雷達(dá)系統(tǒng)還可確定雷達(dá)系統(tǒng)與目標(biāo)之間的相對(duì)到達(dá)角 (AoA)。通過使用這些相同的原理和更復(fù)雜的計(jì)算，高性能雷達(dá)系統(tǒng)可以跟蹤以不同速度和軌跡移動(dòng)的多個(gè)目標(biāo)。

若要設(shè)計(jì)能夠執(zhí)行這些操作的系統(tǒng)，則需結(jié)合射頻、模擬和數(shù)字子系統(tǒng)（圖 1）。作為系統(tǒng)輸出信號(hào)鏈的組成部分，射頻信號(hào)合成器可產(chǎn)生用于傳輸?shù)倪薄Ｔ谙到y(tǒng)輸入信號(hào)鏈的第一級(jí)，射頻混頻器可將產(chǎn)生的啁啾與反射的啁啾結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生 IF 信號(hào)。在后續(xù)的模擬級(jí)中，低通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，以便利用快速傅里葉變換 (FFT) 和其他算法進(jìn)行信號(hào)處理。

圖 1：典型的毫米波調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 雷達(dá)設(shè)計(jì)依靠緊密集成的射頻、模擬和數(shù)字子系統(tǒng)，來傳輸精確控制的能量突發(fā)（稱為啁啾），并處理反射的信號(hào)，從而解析靶場目標(biāo)的距離、速度和相對(duì)角度。（圖片來源：Texas Instruments）

盡管這種基本架構(gòu)適用于典型的 FMCW 雷達(dá)系統(tǒng)，但其設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)取決于最大檢測范圍、范圍分辨率，角度分辨率和其他應(yīng)用級(jí)要求。例如，最大檢測范圍與 IF 成正比，與頻率斜率成反比。因此，對(duì)于諸如汽車自適應(yīng)巡航控制之類遠(yuǎn)范圍應(yīng)用，設(shè)計(jì)既要能夠支持高 IF，又要能夠產(chǎn)生具有快速掃頻時(shí)間的啁啾。

如果設(shè)計(jì)人員希望優(yōu)化雷達(dá)性能，還必須處理許多設(shè)計(jì)特性，包括 TX 輸出功率、RX 靈敏度和噪聲系數(shù)、天線 TX 和 RX 增益外形幾何以及反射信號(hào)的信噪比。此外，每個(gè)應(yīng)用都有獨(dú)特的因素組合，這為開發(fā)人員帶來了一系列相互依存的復(fù)雜要求。

Texas Instruments 依托其毫米波平臺(tái)，可幫助設(shè)計(jì)人員擺脫雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置的諸多挑戰(zhàn)。

單芯片毫米波解決方案

Texas Instruments 的毫米波解決方案結(jié)合了毫米波 IC 和全面的軟件環(huán)境，可極大地簡化基于毫米波的運(yùn)動(dòng)檢測器應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。工業(yè)毫米波器件（包括 Texas Instruments 的IWR1443和IWR1642）集成了所需的全套射頻、模擬和數(shù)字子系統(tǒng)，用來產(chǎn)生、傳輸、接收和處理 FMCW 雷達(dá)信號(hào)。這些器件將類似的射頻/模擬前端以及復(fù)雜的數(shù)字子系統(tǒng)結(jié)合在一起（圖 2）。在這種前端架構(gòu)中，這些器件集成了一個(gè)完整的 FMCW 76 - 81 千兆赫 (GHz) 頻段收發(fā)器子系統(tǒng)，具有四個(gè)專用 RX 信號(hào)路徑和多個(gè) TX 通道（IWR1443 有三個(gè)，IWR1642 有兩個(gè)）。

圖 2：Texas Instruments 的 IWR1443 和 IWR1642 毫米波器件具有類似的前端架構(gòu)，可提供四個(gè)獨(dú)立的 RX 通道和多個(gè) TX 通道（IWR1443 有三個(gè)通道，IWR1642 有兩個(gè)通道）。（圖片來源：Digi-Key Electronics，使用 Texas Instruments 提供的原始資料）

對(duì)于其數(shù)字子系統(tǒng)，這兩款器件都集成了 Arm? Cortex?-R4F 處理器內(nèi)核，該內(nèi)核作為主控制系統(tǒng)中的設(shè)備主機(jī)，負(fù)責(zé)設(shè)備外設(shè)、固件更新、啟動(dòng)和其他主機(jī)功能。該主控制系統(tǒng)使用集成的 ROM 和程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，主要作用是使 TI 毫米波器件能夠在更大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中自主運(yùn)行。

對(duì)于其集成的雷達(dá)處理子系統(tǒng)，兩款器件均采用基于 128 位、200 兆赫 (MHz) 總線構(gòu)建的類似架構(gòu)，可在共享的存儲(chǔ)器資源（包括 ADC 緩沖器、雷達(dá) L3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、緩存和存儲(chǔ)器）之間提供高速數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)與主控制系統(tǒng)主機(jī)的通信。連接到同一總線的增強(qiáng)型 DMA (EDMA) 模塊可提供獨(dú)立于處理器的傳輸，從而加快通過各級(jí)處理管線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

對(duì)于其雷達(dá)信號(hào)處理子系統(tǒng)，IWR1443 和 IWR1642 使用了兩種不同的方法。IWR1443 配有一個(gè)專門的加速器，用于加速 FFT 計(jì)算和雷達(dá)信號(hào)處理所需的其他計(jì)算（圖 3）。此外，獨(dú)立的 Arm Cortex-R4F 處理器（雷達(dá)系統(tǒng)）可作為用于前端配置、雷達(dá)子系統(tǒng)控制和校準(zhǔn)的專用主機(jī)。

圖 3：除射頻和模擬前端外，Texas Instruments 的 IWR1443 毫米波器件還集成了一個(gè)數(shù)字子系統(tǒng)，其中包括一個(gè)基于 Arm Cortex-R4F 的主控制系統(tǒng)、一個(gè)基于 Arm Cortex-R4F 的獨(dú)立雷達(dá)系統(tǒng)，以及一個(gè)用于加速雷達(dá)信號(hào)處理的 FFT 加速器。（圖片來源：Texas Instruments）

IWR1642 集成了 Texas Instruments 的 C674x 數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 內(nèi)核（圖 4），作為其雷達(dá)信號(hào)處理器。IWR1642 DSP 專為 FMCW 信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，采用 600 MHz 運(yùn)算時(shí)鐘頻率，支持 32 KB 的 L1 程序 (L1P) 和數(shù)據(jù) (L1d) 緩存，以及可加速 DSP 運(yùn)算的 256 KB 統(tǒng)一程序/數(shù)據(jù) L2 緩存。如有必要，開發(fā)人員可以嚴(yán)格將 IWR1642 用作雷達(dá)信號(hào)處理器。

圖 4：除射頻/模擬前端外，Texas Instruments 的 IWR1443 毫米波器件還集成了一個(gè)數(shù)字子系統(tǒng)，包括一個(gè)用作主控處理器的 Arm Cortex-R4F ，以及一個(gè)用于處理雷達(dá)信號(hào)的 Texas Instruments C674x 數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 內(nèi)核。（圖片來源：Texas Instruments）

由于主控制和雷達(dá)子系統(tǒng)配備了硬件在環(huán) (HIL) 模塊，因此能夠讓開發(fā)人員使用器件的數(shù)據(jù)修改模塊 (DMM) 輸入端口來繞過射頻前端，并將原始雷達(dá)數(shù)據(jù)加載到 IWR1642 中進(jìn)行信號(hào)處理。

雷達(dá)信號(hào)處理鏈

盡管 IWR1443 的硬件加速器或 IWR1642 的 C674x DSP 內(nèi)核的選擇取決于每個(gè)應(yīng)用的獨(dú)特要求，但所選器件在應(yīng)用中的運(yùn)行對(duì)大多數(shù)開發(fā)人員來說基本上是透明的。在 Texas Instruments 的毫米波解決方案架構(gòu)中，TI 毫米波軟件環(huán)境可以使用任一器件的資源來執(zhí)行功能模塊（稱為數(shù)據(jù)處理單元 (DPU)），這些模塊負(fù)責(zé)雷達(dá)信號(hào)處理中通常使用的單個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在 TI 的毫米波 DPU 中，核心功能包括：

范圍 FFT：此功能可在活動(dòng)幀內(nèi)的數(shù)據(jù)采集期間讀取啁啾數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生用于范圍計(jì)算的一維 FFT，并生成雷達(dá)數(shù)據(jù)立方體。這是存儲(chǔ)在專用 L3 雷達(dá)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的范圍、啁啾和天線數(shù)據(jù)的三維 (3D) 矩陣。

靜態(tài)雜波消除：此功能可從樣本集中減去樣本的平均值。

多普勒 FFT：此功能可執(zhí)行 2D FFT 計(jì)算，以細(xì)化幀之間的雷達(dá)立方體數(shù)據(jù)，并生成雷達(dá)目標(biāo)檢測算法使用的檢測矩陣。

CFAR：此功能執(zhí)行通常用于目標(biāo)檢測的恒虛警率 (CFAR) 算法。

CFAR 單元平均：此功能結(jié)合了 AoA 與 CFAR 模塊，可執(zhí)行雷達(dá)系統(tǒng)常用的 CFAR 單元平均 (CFAR-CA) 算法，以檢測噪聲背景下的目標(biāo)。

用于聚類、群組追蹤和分類的其他 DPU 可以為雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供具體改進(jìn)。

利用 TI 的毫米波軟件開發(fā)套件 (SDK)，開發(fā)人員使用數(shù)據(jù)路徑管理器 (DPM) 應(yīng)用編程接口 (API) 調(diào)用，可將不同的 DPU 結(jié)合到所需的檢測（或數(shù)據(jù)）處理鏈 (DPC) 中。例如，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測的 DPC（圖 5）僅需幾個(gè)基本調(diào)用即可，如 Texas Instruments 的毫米波 SDK 發(fā)行版中包含的示例代碼所示（清單 1）。

圖 5：典型的目標(biāo)檢測處理鏈組合了單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理單元 (DPU)，該單元可執(zhí)行雷達(dá)信號(hào)處理功能，例如在數(shù)據(jù)采集期間進(jìn)行范圍 FFT 計(jì)算，以及在幀間期間進(jìn)行其他數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。（圖片來源：Texas Instruments）

副本 for(i = 0; i < RL_MAX_SUBFRAMES; i++) ??? { ??????? subFrmObj = &objDetObj->subFrameObj[i]; subFrmObj->dpuRangeObj = DPU_RangeProcHWA_init(&rangeInitParams, errCode); if (*errCode != 0) { goto exit; } subFrmObj->dpuStaticClutterObj = DPU_StaticClutterProc_init(errCode); if (*errCode != 0) { goto exit; } subFrmObj->dpuCFARCAObj = DPU_CFARCAProcHWA_init(&cfarInitParams, errCode); if (*errCode != 0) { goto exit; } subFrmObj->dpuDopplerObj = DPU_DopplerProcHWA_init(&dopplerInitParams, errCode); if (*errCode != 0) { goto exit; } subFrmObj->dpuAoAObj = DPU_AoAProcHWA_init(&aoaInitParams, errCode); if (*errCode != 0) { goto exit; } }

清單 1：包含在 Texas Instruments 毫米波 SDK 發(fā)行版中的示例代碼（如這段代碼），顯示了通過向ObjDetObj結(jié)構(gòu)添加一組 DPU 來創(chuàng)建 DPC 的基本設(shè)計(jì)模式。（代碼來源：Texas Instruments）

分層軟件環(huán)境中的軟件服務(wù)使用 DSP 子系統(tǒng) (DSS)、主子系統(tǒng) (MSS) 和加速器（或它們的組合）來自動(dòng)實(shí)現(xiàn) DPU（圖 6）。在應(yīng)用層面，開發(fā)人員可使用毫米波 API 從完全配置的 DPC 訪問 DPU 結(jié)果，或通過 mmWaveLink API 直接訪問毫米波前端。

圖 6：Texas Instruments 的毫米波環(huán)境提供多個(gè)應(yīng)用編程接口 (API)，這些接口可隱藏雷達(dá)系統(tǒng)操作的細(xì)節(jié)，從而簡化了運(yùn)動(dòng)檢測應(yīng)用的開發(fā)。（圖片來源：Texas Instruments）

對(duì)于特定應(yīng)用，mmWaveLink 提供的其中一項(xiàng)關(guān)鍵服務(wù)是配置內(nèi)部雷達(dá)定時(shí)引擎，該引擎可生成 FMCW 啁啾和啁啾幀。如前所述，啁啾和啁啾幀的特性決定了目標(biāo)的檢測性能，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，選擇某些性能設(shè)置會(huì)對(duì)其他設(shè)置產(chǎn)生限制。

例如，由于最大檢測范圍與頻率斜率成反比，所以需要遠(yuǎn)范圍檢測的開發(fā)人員需要最大限度減少頻率斜率。這樣做會(huì)影響啁啾掃頻的帶寬，進(jìn)而導(dǎo)致分辨率降低，原因是檢測范圍分辨率與帶寬特征成比例。實(shí)際上，經(jīng)過優(yōu)化的啁啾和啁啾幀操作規(guī)范是雷達(dá)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，需要開發(fā)人員平衡許多啁啾特性（圖 7）。

圖 7：目標(biāo)檢測范圍和分辨率主要取決于所傳輸啁啾的特征，需要開發(fā)人員仔細(xì)優(yōu)化啁啾發(fā)生器配置中的設(shè)置。（圖片來源：Texas Instruments）

除了提供用于評(píng)估啁啾設(shè)置的在線毫米波檢測估算器工具外，Texas Instruments 還提供一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中帶有針對(duì)其毫米波傳感器工業(yè)工具箱中特定用例所推薦的啁啾配置。開發(fā)人員可以找到包括高分辨率手勢識(shí)別、遠(yuǎn)程交通監(jiān)控等應(yīng)用在內(nèi)的參考設(shè)計(jì)和示例代碼。基于毫米波 BoosterPacks 構(gòu)建的樣例應(yīng)用，可使開發(fā)人員快速評(píng)估毫米波性能，并針對(duì)自己的定制應(yīng)用來擴(kuò)展參考設(shè)計(jì)。例如，若要評(píng)估手勢控制，開發(fā)人員可將 IWR1443 BoosterPack (IWR1443BOOST) 評(píng)估模塊 (EVM) 連接到其 Windows PC 上的 USB 接口，上傳預(yù)先構(gòu)建的固件，然后探索復(fù)雜手勢（例如手指快速轉(zhuǎn)動(dòng)）的檢測（圖 8）。