使用毫米波雷達套件，快速開發高精密度的物體偵測設計

設計人員一直面臨著競爭的壓力，他們需要為智慧型大樓、工廠自動化、運輸和無人機等眾多行業應用，開發出更小、更精確以及偵測範圍更廣的動作感測器。雖然新興的毫米波 (mmWave) 技術是個頗具吸引力的動作偵測方案，但底層的雷達前端與高效能訊號鏈，對不熟悉毫米波技術的設計人員來說是一大挑戰。

如今，毫米波裝置和相關的開發套件能解決這些問題。這些產品能讓設計人員迅速佈署複雜精準的動作偵測系統。

本文將探討動作偵測系統日益增加的用途，並解釋為何毫米波是提高偵測範圍與準確度的良好選擇，接著會介紹合適的套件以及如何設定及使用。

動作偵測有越來越多的用途

在許多應用中，動作偵測功能已變得越來越重要。除了為智慧型大樓以及居家產品提供便利性，動作偵測還為汽車與工業應用提供極為重要的安全功能。越來越多應用講求更廣的偵測範圍和更高的偵測準確度，以往根據被動紅外線偵測器或飛時測距系統所建立的傳統方法，已不再適用。

出於這個原因，調頻連續波 (FMCW) 毫米波雷達技術逐漸受到更多的關注。此技術採用短波長訊號，能夠以次毫米準確度來偵測物體，並且能穿透塑膠、乾牆和衣物等材料，即使在下雨、起霧、灰塵和下雪等嚴苛的環境條件下，也能維持高效能的表現。

透過對毫米波能量的窄波束進行聚焦和轉向，可達到極高的物體偵測精密度，並能在多個物體移動接近時進行追蹤。

毫米波技術的運作原理

雖然毫米波雷達訊號的處理細節超出本文的討論範圍，但其偵測原理基於一個熟悉的概念，涉及到物體對能量的反射。在線性 FMCW 雷達中，這種能量是一種稱為啁啾 (chirp) 的毫米聲波，頻率隨時間呈線性變化。在雷達系統產生並傳送啁啾之後，會偵測從發射方向物體反射的啁啾訊號，並將訊號傳遞至混波器。混波器將 RX 和 TX 訊號結合在一起，產生中頻 (IF) 訊號。

該技術利用在送出啁啾與偵測到反射訊號之間的延遲，來計算雷達系統天線與物體之間的距離。若雷達系統在一段觀察期或範圍內產生多個啁啾，則可透過測量相對應反射啁啾的相位差，來判定物體的速度。如果使用多個接收器，雷達系統還能判定雷達系統和物體之間的相對入射角 (AoA)。高效能的雷達系統也是使用這些原理，但採用了更為複雜的計算，能夠追蹤多個以不同速度和軌跡移動的目標。

若想設計出能夠執行這些操作的系統，則需整合 RF、類比及數位子系統 (圖 1)。作為系統輸出訊號鏈的一部分，RF 訊號合成器會產生用於發射的啁啾。在系統輸入訊號鏈的第一個階段，RF 混波器將產生的啁啾與反射的啁啾合併在一起，產生 IF 訊號。而在後續的類比階段中，低通濾波器和類比數位轉換器 (ADC) 會產生數位數據流，以便使用快速傅立葉轉換 (FFT) 和其他演算法進行訊號處理。

圖 1：典型的調頻連續波 (FMCW) 毫米波雷達設計，依賴緊密整合的 RF、類比及數位子系統，來發射經過精確控制的能量突波 (稱為啁啾)，並處理反射訊號以解析發射方向物體的範圍、速度和相對角。(圖片來源：Texas Instruments)

儘管這種基礎架構適用於典型的 FMCW 雷達系統，但設計細節取決於具體應用對最大偵測範圍、範圍解析度和角度解析度等要素的要求。舉例來說，最大偵測範圍與 IF 成正比，與頻率斜率成反比。因此，對於汽車主動式巡航控制等遠距型應用，在設計上必須能夠支援高 IF，並產生出能快速掃頻的啁啾。

若設計人員想取得最佳化的雷達效能，則還須處理諸多設計特性，包括 TX 輸出功率、RX 靈敏度和雜訊指數、天線 TX 和 RX 增益曲線幾何特徵，以及反射訊號的訊噪比。此外，每個應用都有其獨特的要素組合，使開發人員面臨許多相互依存的複雜需求。

利用 Texas Instruments 的毫米波平台，設計人員能夠應對在設計和配置雷達系統時所面臨的諸多挑戰。

單晶片毫米波解決方案

Texas Instruments 的毫米波解決方案結合了毫米波 IC 和完善的軟體環境，可大幅簡化毫米波架構的動作偵測器應用實作。工業用毫米波裝置 (包括 Texas Instruments 的 IWR1443 和 IWR1642) 整合全套的 RF、類比及數位子系統，能產生、收發和處理 FMCW 雷達訊號。這些裝置將類似的 RF／類比前端與複雜的數位子系統相結合 (圖 2)。在這種前端架構中，這些裝置整合完整的 FMCW 76 至 81 GHz 波段收發器子系統，具有四個專用的 RX 訊號路徑以及多個 TX 通道 (IWR1443 有三個，IWR1642 有兩個)。

圖 2：Texas Instruments 的 IWR1443 和 IWR1642 毫米波裝置以類似的前端架構作為基礎，提供四個獨立的 RX 通道和多個 TX 通道 (IWR1443 有三個，IWR1642 有兩個)。(圖片來源：DigiKey，選自 Texas Instruments 的原始資料)

對於其數位子系統，兩個裝置都整合 Arm® Cortex®-R4F 處理器內核，將其用作主控制系統中的裝置主機，負責更新、啟動裝置的周邊裝置和韌體並執行其他主機功能。這個主控制系統採用整合的 ROM 和程式／數據記憶體，能夠讓 TI 毫米波裝置在更大的系統設計中實現自主運作。

對於其整合的雷達處理子系統，兩個裝置都採用以 128 位元、200 MHz 匯流排作為基礎的類似架構，可在共享記憶體資源 (包括 ADC 緩衝器、雷達 L3 數據記憶體、快取以及記憶體) 之間提供高速的傳輸量，實現與主控制系統主機的通訊。連接到同一個匯流排的增強型 DMA (EDMA) 模組，能向處理器獨立傳輸數據，加快了數據在處理管線各個階段的傳輸速度。

對於其雷達訊號處理子系統，IWR1443 和 IWR1642 使用兩種不同的方法。IWR1443 採用專用的加速器，用來加速 FFT 運算以及雷達訊號處理的其他底層計算 (圖 3)。此外，該產品還採用獨立的 Arm Cortex-R4F 處理器 (雷達系統) 作為專用的主機，來配置前端以及控制和校正雷達子系統。

圖 3：除了 RF 和類比前端外，Texas Instruments 的 IWR1443 毫米波裝置還整合數位子系統，其中包含一個基於 Arm Cortex-R4F 的主控制系統、一個基於 Arm Cortex-R4F 的獨立雷達系統，以及一個能加快雷達訊號處理速度的 FFT 加速器。(圖片來源：Texas Instruments)

IWR1642 則為其雷達訊號處理器整合 Texas Instruments 的 C674x 數位訊號處理器 (DSP) 內核 (圖 4)。IWR1642 的 DSP 專為 FMCW 訊號處理而設計，採用受 32 KB L1 程式快取 (L1P) 和數據快取 (L1d) 支援的 600 MHz 時脈，以及 256 KB L2 通用程式／數據快取，可加快 DSP 的處理速度。如有必要，開發人員可以將 IWR1642 僅用作雷達訊號處理器。

圖 4：除了 RF／類比前端外，Texas Instruments 的 IWR1443 毫米波裝置還整合數位子系統，其中包括一個用作主處理器的 Arm Cortex-R4F，以及一個用於雷達訊號處理的 Texas Instruments C674x 數位訊號處理 (DSP) 內核。(圖片來源：Texas Instruments)

主控制和雷達子系統內建的硬體迴路 (HIL) 模組，允許開發人員使用裝置的數據修改模組 (DMM) 輸入埠繞過 RF 前端，並將原始雷達數據載入 IWR1642 中進行訊號處理。

雷達訊號處理鏈

雖然選擇 IWR1443 的硬體加速器或 IWR1642 的 C674x DSP 內核需取決於各應用的獨特要求，但選定的裝置對於大多數開發人員而言，其在應用中的運作效果都是明確可見的。在 Texas Instruments 的毫米波解決方案架構中，TI 毫米波軟體環境可使用任一裝置的資源來執行稱為數據處理單元 (DPU) 的功能模組，這些模組將負責轉換通常會在雷達訊號處理中使用的個別數據。在 TI 的毫米波 DPU 中，核心功能包括：

• 範圍 FFT：此功能會在有效的採集窗期內讀取啁啾數據，以產生計算範圍所用的一維 FFT，並產生雷達數據立方體。此立方體是一個融合了範圍、啁啾和天線數據的三維 (3D) 矩陣，儲存在專用的 L3 雷達數據記憶體中。
• 靜態雜波移除：此功能會從樣組中減去樣本的平均值。
• 都卜勒 FFT：此功能會執行二維 FFT 計算，改善不同窗期中的雷達立方體數據，並產生雷達物體偵測演算法所使用的偵測矩陣。
• CFAR：此功能會執行常用於物體偵測的恆虛警報率 (CFAR) 演算法。
• CFAR 單元平均：此功能將 AoA 與 CFAR 模組相結合，可實作 CFAR 單元平均 (CFAR-CA) 演算法，雷達系統常用此演算法來偵測雜訊背景下的物體。
• 提供額外的 DPU 來處理聚類、群體追蹤和分類，可針對應用進一步改善雷達訊號數據。

利用 TI 的毫米波軟體開發套件 (SDK)，開發人員可調用數據路徑管理器 (DPM) 應用程式開發介面 (API)，將不同的 DPU 整合到所需的偵測處理鏈或數據處理鏈 (DPC) 中。例如，要實作用於物體偵測的 DPC (圖 5)，只要進行幾個基本的調用即可，具體請見 Texas Instruments 的毫米波 SDK 中隨附的範例程式碼 (清單 1)。

圖 5：典型的物體偵測處理鏈將獨立的數據處理單元 (DPU) 整合在一起，可執行各種雷達訊號處理功能，例如在採集期間執行範圍 FFT 計算，以及在非採集期間執行數據轉換等。(圖片來源：Texas Instruments)

複製
    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：此片段是 Texas Instruments 毫米波 SDK 中的範例程式碼，該程式碼說明基本的設計模式，透過為 ObjDetObj 結構體添加一組 DPU 來建立 DPC。(程式碼來源：Texas Instruments)

在分層的軟體環境下，軟體服務自動使用 DSP 子系統 (DSS)、主控子系統 (MSS) 和加速器或兩者的組合來實作 DPU (圖 6)。在應用層級，開發人員可使用毫米波 API 從經過完全配置的 DPC 存取 DPU 結果，或透過 mmWaveLink API 直接存取毫米波前端。

圖 6：Texas Instruments 的毫米波環境提供多個應用程式開發介面 (API)，這些介面隱藏了雷達系統作業的細節，可簡化動作偵測應用的開發。(圖片來源：Texas Instruments)

對於特定的應用，配置內部雷達定序引擎是 mmWaveLink 提供的重要服務之一，該引擎會產生 FMCW 啁啾和啁啾窗期。如前所述，啁啾和啁啾窗期特性決定了物體偵測的效能，但從實際來說，選擇某些效能設定會對其他設定產生限制。

例如，由於最大偵測範圍與頻率斜率成反比，因此需要實現遠距偵測功能的開發人員需將頻率斜率減到最小。這樣做會影響啁啾掃頻的頻寬，繼而導致解析度降低，其原因就在於偵測範圍解析度與該頻寬特性成正比。實際上，最佳化啁啾以及啁啾窗期作業的規格，是雷達設計中的關鍵因素，需要開發人員在多個啁啾特性中取得平衡 (圖 7)。

圖 7：物體偵測範圍和解析度主要取決於所發射啁啾的特性，需要開發人員謹慎地對啁啾產生器配置中的設定值進行最佳化。(圖片來源：Texas Instruments)

除了提供線上毫米波感測估算工具評估啁啾設定外，Texas Instruments 還提供龐大的啁啾資料庫，並在其毫米波感測器工業工具箱中為特定的用例推薦了一些啁啾配置。從高解析度手勢識別到遠距流量監控，開發人員可在其中找到適用於多種應用的公版設計和範例程式碼。這些以毫米波 BoosterPack 模組為基礎開發的範例應用程式，允許開發人員快速評估毫米波的效能，並擴展公版設計以將其用於專屬的應用中。例如，若想評估手勢控制，開發人員可將 IWR1443 BoosterPack (IWR1443BOOST) 評估模組 (EVM) 連接到 Windows PC 上的 USB 連接埠，然後上傳預先建立的韌體，並對轉動手指等複雜手勢的偵測進行探索 (圖 8)。

圖 8：利用 Texas Instruments 的 IWR1443BOOST EVM 及其隨附的範例程式碼，開發人員可探索使用毫米波技術以高解析度識別動態手勢之類的應用，例如探索如何透過轉動手指來控制成像系統。(圖片來源：Texas Instruments)

在手勢識別方面，IWR1443BOOST EVM 可以作為唯一的硬體平台。在其他範例中，Texas Instruments 展示了如何將毫米波 BoosterPack 模組與 LaunchPad 開發套件結合起來使用。例如，人員追蹤應用將 IWR1642BOOST EVM 與 LAUNCHXLCC1352R1 無線 MCU LaunchPad 相結合，展示了如何從遠端部署的雷達系統偵測和追蹤人員。這個公版設計展示在犧牲解析度來擴展最大的範圍距離時，不同的啁啾設定所產生的影響 (圖 9)。

圖 9：Texas Instruments 的毫米波應用範例提供多個啁啾配置，讓開發人員能夠研究啁啾特性和偵測效能之間的關係。(圖片來源：Texas Instruments)

結論

毫米波技術在偵測範圍和精確度方面的優勢已遠遠超出早期使用的方法。不過，開發人員在硬體和軟體層級面臨了許多挑戰，這些挑戰限制了毫米波技術的部署。Texas Instruments 提供的毫米波裝置、開發工具和完善的軟體環境，能大大降低開發人員使用毫米波技術實現複雜的物體偵測和追蹤應用的難度。