先 進 運 転 支 援 システム(ADAS)を 実 現 するための76/79GHz 帯 ミリ 波 レーダ システム ソリューション FTF-AUT-F0736 Mac Fujimoto Senior Application Engineer, Analog Sensor Group Yusuke Takemoto Marketing & Biz development, Auto MCU Group D E C. 0 4. 2 0 1 4 TM External Use
Outline 1. このセッションを 通 じて 得 られること 2. ADAS 分 野 でのマーケットトレンド その 中 でのレーダ システ ムの 位 置 づけ 重 要 性 3. 車 載 レーダの 基 礎 技 術 4. フリースケールのレーダ RF のラインナップ 5. フリースケールのレーダ MCU の 特 長 とラインナップ 6. まとめ External Use 2
このセッションで 得 られること 1. ADAS 分 野 で 中 心 を 担 うレーダの 位 置 づけ 重 要 性 2. レーダで 物 体 検 知 ができる 仕 組 みと 高 性 能 レーダ システムを 構 築 するための 必 要 な 要 素 技 術 3. フリースケールの 提 供 するレーダ RF とMCUの 特 長 External Use 3
ADAS 分 野 でのマーケットトレンド レーダ システムの 重 要 性 External Use 4
Evolution of Advanced Driver Assistance Systems 交 通 事 故 が 原 因 で 120 万 人 以 上 の 人 が2010 年 亡 くなっていますが 2020 年 には190 万 人 にものぼるとの 推 測 がなされています (WHO 予 測 ) 1 先 進 運 転 支 援 システム (ADAS: Advanced Driver Assistance Systems) は 先 進 国 での 安 全 に 関 する 規 制 に 大 きく 関 わっています 事 故 の 緩 和 Passive Systems シートベルト エアバッグなど 事 故 の 防 止 Reactive Systems ABS 横 滑 り 防 止 など 事 故 の 予 測 Predictive and Warning レーダ 検 知 カメラ 認 識 など 自 動 制 御 Predictive Actuators External Use 5
ADAS マーケット トレンド 快 適 な 運 転 安 全 走 行 自 動 運 転 へ 走 行 制 御 カメラ レーダを 使 用 特 徴 点 抽 出 や 物 体 識 別 の ための 認 識 アルゴリズム ブレーキ ハンドル 操 作 を 伴 う 危 険 回 避 のために 機 能 安 全 要 求 周 辺 監 視 後 方 側 方 カメラ 周 辺 監 視 レーダ ソナーを 使 用 3 次 元 技 術 による 周 辺 画 像 作 成 安 全 性 能 を 伴 う 自 動 駐 車 走 行 支 援 自 動 運 転 を 可 能 とする3 次 元 空 間 のモデリング 自 己 推 定 機 能 全 水 平 方 向 からの 動 作 予 測 をするための 高 い 機 能 安 全 性 多 方 向 からの 特 徴 抽 出 例. 車 線 維 持 ACC 緊 急 ブレーキ External Use 6 例. 駐 車 支 援 周 辺 監 視 横 切 り 警 報 死 角 検 知 例. 自 動 走 行 センサ フュージョン
レーダ アプリケーションの 分 野 後 部 衝 突 検 知 死 角 検 知 衝 突 軽 減 衝 突 警 告 ストップ&ゴー 緊 急 ブレーキ アダプティブ クルーズコントロール レーダ システムの 強 み 視 界 不 良 や 天 候 不 良 に 左 右 されにくい 遠 距 離 の 物 体 検 知 機 能 先 行 車 両 の 予 測 検 知 機 能 レーダ システムの 課 題 各 国 で 異 なる 電 波 の 法 規 制 への 対 応 省 スペース 化 検 知 能 力 を 上 げるための 高 速 演 算 External Use 7
車 載 レーダの 基 礎 技 術 External Use 8
車 載 レーダ システム RADAR (Radio Angle Detection And Ranging) マイコン - 制 御 - 信 号 処 理 - 物 標 認 識 - 物 標 識 別 送 信 MMIC/PLL 伝 送 線 路 LO 受 信 MMIC/ 伝 送 線 路 P t P r G t A r 角 度 (DOA) 距 離 (Range) 相 対 速 度 (Range Rate) s 車 載 レーダとして 得 るべき 物 標 物 情 報 距 離 (Range) 角 度 (DOA: Direction Of Arrival) 相 対 速 度 (Range Rate) External Use 9
距 離 の 検 出 (パルスレーダ 方 式 ) パルスレーダ f t f 送 信 波 受 信 波 t 距 離 と 伝 搬 時 間 1000 meters 100 meters 10 meters 1 meter 6.6us 667ns 67ns 6.7ns 超 短 パルス 発 生 の 困 難 さ (6.7ns=150MHz) 電 波 法 割 り 当 て 周 波 数 帯 域 を 逸 脱 する 危 険 性 相 対 速 度 はドプラシフトにより 算 出 短 距 離 では 送 信 波 と 受 信 波 が 干 渉 良 好 なS/Nが 得 にくい ( 空 中 線 電 力 の 制 限 ) External Use 10
距 離 の 検 出 FMCW 方 式 伝 搬 時 間 ホモダイン 受 信 により 得 られる 周 波 数 差 伝 搬 時 間 = 2R / c (2: 往 復 距 離 ) 周 波 数 差 = f TX f Rx = 2R/c x BW / tchirp ホモダイン 受 信 により 周 波 数 差 を 抽 出 External Use 11
相 対 速 度 の 検 出 V R = 相 対 速 度 R 0 = 物 標 までの 距 離 f C = レーダに 使 用 する 周 波 数 (76.5GHz) r( t) s( t t0) s t r( t) sin C t 2v R r( t) sin Ct C t R c0 2 fv C R 2vR fd c 0 2 R 2 0 c 0 R 0 c R v t 0 v t R f c = 76.5 GHz v R 1 m/s 30 km/h 120 km/h 250 km/h f D 510 Hz 4250 Hz 17 khz 35.42 khz Christian Johann Doppler * 1803/11/29サ ルツフ ルク ; 1853/3/17ヘ ニス External Use 12
距 離 周 波 数 とドプラ 周 波 数 f TX f 2 BW f B = 差 周 波 数 (ビート 周 波 数 ) R = 物 標 までの 距 離 c 0 = 光 速 BW = FM 変 調 周 波 数 幅 tchirp = チャープ 時 間 Dv = 相 対 速 度 DR = 距 離 分 解 能 f 1 t t chirp f B = f IF = 2 R / c 0 x BW / t chirp 特 性 値 t chirp 従 来 FMCW 2.5ms A/D サンプリング: 1MHz ( 従 来 の 一 般 的 な 逐 次 比 較 ) FFT:2048 points BW 500 MHz f Doppler = 2 Dv / c 0 f Tx f Tx 76.5 GHz R 10 m DR = 0.5 c 0 /BW Dv f B f Doppler 50 km/h 13 khz 7.08 khz 分 離 困 難 DR 0.3 m External Use 13
距 離 周 波 数 とドプラ 周 波 数 の 分 離 送 信 波 反 射 波 f 0 t 伝 搬 時 間 ドプラシフト f BEAT fu f BEAT = f TX f RX fd 距 離 (fu + fd) 相 対 速 度 (fu fd) External Use 14 Fuとfdで 同 一 物 標 か 別 物 標 かの 推 定 演 算 負 荷
高 速 チャープ( ファスト モジュレーション)による 解 決 f TX f 2 f 1 t chirp BW parameters 従 来 FMCW 高 速 チャーフ t f B = 差 周 波 数 (ヒ ート 周 波 数 ) R = 物 標 までの 距 離 c 0 = 光 速 BW = FM 変 調 周 波 数 幅 tchirp = チャープ 時 間 Dv = 相 対 速 度 DR = 距 離 分 解 能 A/D サンプリング: 10MHz ( ADC) FFT:512 points f B = f IF = 2 R / c 0 BW / t chirp f Doppler = 2 Dv / c 0 f Tx DR = 0.5 c 0 /BW t chirp 2.5 ms 100 us BW 500 MHz 500 MHz f Tx 76.5 GHz 76.5 GHz R 10 m 10 m Dv 50 km/h 50 km/h f B 13 khz 300kHz f Doppler 7.08 khz 7.08 khz DR 0.3 m 0.3 m ドプラシフトは 相 対 速 度 演 算 に 用 いない External Use 15
信 号 処 理 距 離 算 出 距 離 FFT 高 速 多 数 回 サンプリングによるS/N 向 上 (10 倍 サンプリングで10dB) External Use 16
信 号 強 度 TM 信 号 処 理 相 対 速 度 速 度 FFT Complex to complex チャープ 間 の 角 度 差 より 速 度 算 出 多 数 回 サンプリングによるS/N 向 上 相 対 速 度 距 離 二 次 元 FFTのイメージ External Use 17
高 速 FMCW(ファスト モジュレーション)まとめ アプリケーション/ システム 要 求 SRR, MRR, & LRR レーダ 複 数 物 標 認 識, SN 比 物 標 分 離 フェーズノイズ IF 周 波 数 帯 幅 消 費 電 力 全 方 式 サポート 利 点 速 度 距 離 分 離 容 易 高 速 多 サンプリングによるSN 比 向 上 高 IF 周 波 数 使 用 (500 khz~10 MHz) のため 低 1/fノイズ 領 域 活 用 オープンループVCOも 使 用 可 能 高 IF 周 波 数 使 用 (500 khz~10 MHz) のため BPF IF 可 変 ゲ インアンプのMMIC 内 蔵 が 可 能 低 デューティーサイクル 運 転 に よる 低 消 費 電 力 化 が 可 能 課 題 高 速 ADC 大 量 データ 高 速 信 号 処 理 高 CPU 能 力 を 必 要 とする 同 上 VCO,ADC,FMCW 波 の 同 期 必 要 高 速 ADCが 必 要 特 になし SDADC, DMA,SPT DAC, CTE,WGM, PLL+WFG SDADC External Use 18
76GHz 車 載 レーダ チップセット MR2001 MPC577xK 車 載 レーダ システムにて 業 界 トップクラスのシステム インテグレーション Qorivva MPC577xK 等 価 なモジュール: 8 ADC 1 DAC 1 FPGA 外 部 l SRAM モジュール MCU RF_Rx RF_Tx BB Filter, Amplifier V C O D A C A A D D C C FPGA Signal Processing Timing Controller Chirp Generation MPC567xK Previous Generation 利 点 : PCBのサイズの 縮 小 SRAM 製 造 コストの 低 減 MR2001 76 GHz チップセット 高 集 積 化 パッケージソリューション : ベアダイイ 置 き 換 え MRD2001 Rx Next Generation 高 信 頼 高 RF 性 能 の RCPパッケージング 技 術 MRD2001 Tx MRD2001 VCO MPC577xK マイコンのSDADCに 最 適 化 した BPF IFアンプを 内 蔵 利 点 : 低 アセンブリコスト 低 PCBコストの 実 現 External Use 19
Radar RF-MMIC ロードマップ External Use 20
The Radar MCU External Use 21
MPC577xK の 特 長 デジタル 演 算 処 理 を 得 意 とするマイクロコントローラ レーダ 信 号 処 理 を 高 速 演 算 できる 専 用 モジュールを 搭 載 該 当 処 理 のソフトウェアライブラリは 不 要 DSP 向 けコンパイラは 不 要 マルチコアアーキテクチャ 高 速 演 算 処 理 向 け: 2コア 機 能 安 全 に 向 けたロックステップコア: 1コア 大 容 量 SRAMとフラッシュメモリ 車 載 ネットワークインタフェース FD-CAN/FLEXSRAY/ETHERNET 機 能 安 全 に 適 用 する 設 計 レーダ アナログ フロントエンド 高 速 ADC, DAC, 高 精 度 PLL 機 能 安 全 DSP 機 能 レーダ アナログ フロントエ ンド MPC 5775k マルチコ アMCU 大 容 量 SRAM フラッ シュ 信 号 処 理 の 専 用 回 路 External Use 22
MPC5775K : 2x Z7 + 2x Z4LS 4 MByte ADC Input 8 x SD 10MHz 4x 12bit SAR -1MHz DAC 2Ms/s 8 bit DAC Radar Processing Platform Signal processing toolbox FFT Scheduler COPY DMA Z7 dual is. @266MHz 16kB I-cache 16kB D-cache VFPU & SPE2-SIMD Z7 dual is. @266MHz 16kB I-cache 16kB D-cache CPU Platform Z4LS @ 133MHz 16kB I-cache SFPU 16kB D-cache Z4 LS @ 133MHz 8kB I-cache SFPU 4kB D-cache Vehicle and ECU Network Master Comm Bus 128 msg FlexRay 100base T Ethernet Intra ECU connectivity LFAST VFPU & SPE2-SIMD Volatile Emb. Memory 1.5MB RAM with ECC NV Memory 4MB with ECC Fabric 64 bit XBAR with E2E ECC Safety & Support PMU Data Input I/F 16 bit PDI Safe Memory MEMU Connectivity 2 x Cross Trig Unit 3 x IIC 2 x FlexPWM (12 ch) 4 x LinFlex Ctrl 4 x dspi 3 x etimers 6 ch. each 4 x Flex CAN (1FD) SWT & STM OSC and PLL T-Sensor FCCU & CRC Safe DMA DEBUG Nexus 3+ Specifications: CPU: 3x PPC: 2x Z7 266 MHz Power dual issue with SPE2 and VFPU and Z4 133MHz in permanent lockstep SPT: FFT Accelerator, DMA Analog: Octal SD + 4 SAR, Ultra low jitter PLL, precision DAC Package: 356 PBGA 0.8 mm pitch 17 x 17 mm 2 body Temp Range (Ta): -40 to 125C, 150 C Tj, AEC-Q100 Grade 1 Main Supply: 3.3V IO and 1.2V Core (ext or PMU) Key Features: F. Safety: developed as per ISO26262 with target ASIL-D Safety Enablement: Safety Manual and FMEDA SPT: Radix4/2, r2c, c2c, 50 MHz 16 bit twiddle, 24 bit results, Copy, Transpose SRAM: Multi ported SRAM Ctrl and 1.5MB SRAM with ECC Top of Class Analogue IP: PLL, DAC, OSC and SD ADC SW Enablement: Safety MCAL ASIL B(D) External Use 23
レーダ アプリケーション (ファスト モジュレーション) MMIC ADC/DSP/FPGA MPC577xK Antenna Mixer Signal conditioning LNA HP/LPF AAF ADC ADC Input 8 x SD 10MHz 4x 12bit SAR -1MHz DAC 2Ms/s 8 bit DAC Signal analysis Window FFT Range/Doppler Radar Processing Platform Signal processing toolbox FFT Scheduler COPY DMA Receiver Detection Power Tracking Clustering Kalman Filter Z7 dual is. @266MHz 16kB I-cache 16kB D-cache VFPU & SPE2-SIMD Z7 dual is. @266MHz 16kB I-cache 16kB D-cache CPU Platform Decision Safety Decision Z4LS @ 133MHz 16kB I-cache 16kB D-cache Z4 LS @ 133MHz SFPU 8kB I-cache 4kB D-cache SFPU VFPU & SPE2-SIMD レーダ システムの 集 積 高 速 演 算 機 能 の 強 化 機 能 安 全 External Use 24
レーダ アプリケーションの 実 行 フロー 高 速 FFT レーダ RFの 受 信 データ レーダ RFの 送 信 制 御 高 速 データ 転 送 が 可 能 なバス 構 成 同 時 アクセスを 可 能 とする マルチポート SRAMとフラッシュメモリ External Use 25
レーダ 向 け MCUのラインナップ 車 載 レーダ システムに 向 けたMCUラインナップを 拡 充 Mid end High end 90 nm MCU ( 現 行 ) 55 nm MCU ( 次 世 代 ) MPC564xL MPC574xP MPC567xK MPC577xK 今 後 もレーダ 向 けMCUを 展 開 予 定 SPT ( 信 号 処 理 アクセラレータ) の 高 機 能 化 機 能 安 全 演 算 能 力 の 強 化 による データフュージョンへの 応 用 External Use 26
まとめ External Use 27
まとめ ADASにおけるレーダ アプリケーションの 重 要 性 レーダ アプリケーション 処 理 に 向 けたRFとMCUの 需 要 フリースケールのレーダ RFとMCUのラインナップとその 優 位 性 今 後 も 車 載 レーダに 向 けたソリューションの 強 化 External Use 28
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