Под капотом: 4D радар для построения изображений от Vayyar

В наши дни радары стали применяться даже в потребительских товарах, и сотрудники System Plus Consulting интересуются их внедрением. Компания, занимающаяся анализом технологий и их стоимости решила разобрать и изучить какой-нибудь радарный чип, но какой именно? В качестве устройства для анализа была выбрана RF-система на чипе первого поколения от Vayyar, и на то есть несколько причин.

Во-первых, аналитикам System Plus Consulting стало интересно каким образом Vayyar удалось разработать столь высокоинтегрированную однокристалльную RF-систему на чипе. Также эксперты были заинтригованы тем фактом, что это устройство может создавать четырехмерные изображения в высоком разрешении.

Раньше рынок радаров рос очень медленно, а сами датчики применялись в очень зрелых отраслях (вроде военной). Сейчас положение дел значительно изменилось. Радары (особенно те, которые могут формировать изображения) стягивают на себя больше внимания, чем Кардашьяны. Автомобильные и потребительские приложения разжигают воображение инженеров, в результате чего количество новых устройств и их применений растет двузначными числами.



Хоть радары и остаются критически важными для военных баз и авианосцев, они также массово внедряются в умные дома, семейные автомобили и даже смартфоны. Что касается автомобильных приложений, Tier-1 и OEM-производители сейчас работают над радарами с функциями визуализации как для систем ADAS, так и для обнаружения активности в салоне.

Компании, занимающиеся радарами, также следят за функциональностью смартфонов. Так, например, центральным моментом сотрудничества Infineon и Google (о котором было объявлено в прошлом году) стало внедрение технологии управления жестами в Google Pixel 4 – эта функция основана на радарных разработках Infineon. Хоть пока и не вполне ясно, будут ли радары использоваться во всех телефонах, сфера применения этих датчиков значительно расширяется.

Компания Vayyar разработала собственный RF-чип в рамках своей продуктовой линейки Walabot. Система контроля за падениями Walbot Home позволяет членам семьи и опекунам следить за пожилыми родственниками, которые могут иметь проблемы с устойчивостью.



Система, основанная на радарах, может распознавать людей сквозь стены и занавески. Одно из преимуществ этой технологии заключается в том, что человеку, за которым ведется наблюдение, не требуется иметь на себе никаких носимых устройств.

Эксперты компании System Plus Consulting (входящей в группу Yole Développement) были заинтригованы микросхемой Vayyar, анализирующей множество сигналов, полученных с интегрированных трансиверов, и обрабатывающей их c помощью цифровых сигнальных процессоров.

Когда мы говорили со Стефаном Элизабет, экспертом по анализу затрат в System Plus Consulting, он объяснил нам, что Vayyar удалось разработать небольшую плату, в которой размещена как RF-система на чипе, так и микроконтроллер. Такая компоновка позволяет этому устройству работать с любым внешним процессором, установленным поставщиком системы.



Микросхемы Vayyar первого поколения, о которых идет речь, были основаны на RF-чипах, работающих на частотах от 3 до 10 ГГц. Учитывая ограничения диапазонов частот, действующие в разных странах, Vayyar уже разработала устройства, работающие в диапазоне от 57 до 64 ГГц, таким образом обеспечивая максимальную пропускную способность и высокий спектр разрешения. Также в линейке есть устройство, работающее в диапазоне от 77 до 81 ГГц.

По данным System Plus Consulting, RF-система на чипе поставляется с «встроенным сигнальным процессоров с большим объемом SRAM-памяти в кристалле трансивера». RF-система передает данные на микроконтроллер, размещенный на плате Walabot. «Микроконтроллер лишь преобразует данные из SRAM-памяти в поток данных для интерфейса USB». Этот шаг критически важен, поскольку именно он делает систему от Vayyar универсальной и гибкой, что позволяет использовать ее с любым внешним процессором или процессором, выбранным разработчиками конкретного устройства. Неважно, будет это процессор Snapdragon от Qualcomm или процессор для каких-то других приложений. Также чип от Vayyar может реализовывать сложные алгоритмы визуализации (если это необходимо).

За пределами системы Walabot Home

Помимо реализации домашней системы Walabot Home, компания Vayyar также выходит на автомобильный рынок. Два года назад Vayyar заключила партнерское соглашение с Valeo, ведущим Tier-1 поставщиком. В то же время Valeo объявила о планах использовать датчики от Vayyar для наблюдения за дыханием младенцев и активации сигналов тревоги в случае чрезвычайной ситуации (особенно если младенец остался в автомобиле один).

В ноябре прошлого года Vayyar удалось привлечь 109 миллионов долларов инвестиций в рамках инвестиционного раунда D, проводимого Koch Disruptive Technologies (KDT), инвестиционной дочерней компанией американской транснациональной корпорации Koch Industries. Привлечение KDT в роли стратегического инвестора сыграло очень большую роль, поскольку Koch и ее дочерние компании потенциально могут вывести датчики от Vayyar на различные сегменты рынка.

Система Walabot Home

Walabot Home — это интеллектуальная система, которая отслеживает передвижения людей и определяет, упали ли они и нуждаются ли в помощи. В весьма небольшом и тонком устройстве используется сенсорная система, обрабатывающая радиоволны малой мощности (аналогичные сигналу Wi-Fi), которые позволяют определить местоположение человека.

RF-система на чипе, лежащая в основе системы, сочетает в себе передатчики и приемники, работающие в диапазоне от 3 до 81 ГГц, которые позволяют создавать 4D-изображения высокого разрешения путем анализа множества отправленных и полученных сигналов (и все это без внешнего процессора). Благодаря интеграции трансиверов и высокой скорости обработки данных сигнальным процессором, система от Vayyar способна описывать точные сценарии различных ситуаций.

С помощью своей системы Walabot Home компания Vayyar может отображать размер, положение, передвижения и положение людей и объектов. Это позволяет полностью распознавать и классифицировать окружающую среду в реальном времени без использования камер. Отсутствие камер для обработки изображений означает, что в системе отсутствует одна из потенциальных угроз конфиденциальности.

Walabot Home – это система для уведомления о падениях, которая отслеживает людей, которым требуется уход, и постоянно предотвращает потенциально опасные ситуации и несчастные случаи. Эта система для умного дома может определить упал ли человек, перемещаясь по дому, и нужна ли ему помощь.

RF-система на чипе

Система поддерживает работу с технологией UWB (сверхширокая полоса), что позволяет ей распознавать людей и определять их положение в пространстве. UWB передает и принимает сигналы с помощью высокочастотных импульсов энергии чрезвычайно короткой длительности (от нескольких десятков пикосекунд до нескольких наносекунд). На практике же UWB – это беспроводной протокол, который позволяет достигать пропускной способности порядка гигабита в секунду при мощности антенны в десятые доли ватт (FCC причисляет сигнал к UWB, если его полоса > 500 МГц или если его относительная полоса превышает 20%). Преимущество этой технологии заключается в том, что малая длина импульса делает сигнал UWB менее чувствительным к помехам из-за отражений самой волны.

«Один RF-чип от Vayyar используется для приема/передачи RF-сигнала в диапазоне от 3.3 до 10 ГГц. В системе используются две платы: одна для RF-трансивера (желтый контур на рисунке 1), сбора данных из SRAM-памяти и передачи данных по интерфейсу USB, и одна (зеленый контур на рисунке 1) для обработки данных и подключения к Bluetooth/Wi-Fi» – так нам объяснил Стефан Элизабет из System Plus Consulting.



Рисунок 1: Рентгеновский снимок системы Walabot Home (источник: отчет о Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020).



Рисунок 2: Блок-схема Walabot Home System (источник: отчет о Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020).



Рисунок 3: Основная плата системы Walabot Home (источник: отчет о Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020).

Две платы, представленные на рисунке 2, соединены с помощью Flex PCB для большей гибкости. Благодаря этой гибкости снижается занимаемое пространство, вес и стоимость (по сравнению с аналогичным решением на жесткой базе).

По словам Стефана Элизабет, управление тепловым рассеиванием осуществляется двумя способами: «Теплопроводящий материал размещен в двух местах: над процессором и непосредственно на радиаторе". Он также предположил, что «радиатор изготовлен из алюминиевого сплава типа A380».

A380 — один из наиболее часто используемых алюминиевых сплавов. A380 обладает отличной текучестью, герметичностью и устойчивостью к образованию трещин. В частности, литье под давлением из алюминиевого сплава A380 позволяет получать высококачественные, экономичные детали и долговечные изделия.

RF-чип имеет 48 входов / выходов, связывающих матрицу с шарами под корпусом. «Из 48 входов и выходов в чипе только 42 используются для связи в антеннах. RF-система на чипе использует интегрированный сигнальный процессор с большим объемом SRAM-памяти в кристалле трансивера и передает данные на микроконтроллер. Микроконтроллер, в свою очередь, преобразует данные из SRAM-памяти в поток данных для интерфейса USB. Встроенный сигнальный процессор убирает необходимость в использовании внешнего процессора для выполнения сложных алгоритмов визуализации», сказал Стефан Элизабет.

В RF-системе на чипе используется 6-слойная подложка печатной платы, которая припаяна к другой, 10-слойной подложке (рисунок 4). Упаковка выполнена по технологии FCBGA без крышки. MMIC (микроволновая монолитная интегральная схема) состоит из двух квадратурных генераторов, которые производят на кристалле сигнал промежуточный сигнал, обрабатываемый с помощью АЦП.



Рисунок 4: Поперечное сечение платы RF-системы на чипе (источник: отчет о Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020).

В дополнение к процессору VYYR2401-A3 RF на блок-схемах на рис. 2 и 3 мы можем увидеть процессор MSM8909, обеспечивающий экстренную мобильную связь между устройством и кодеком/аудиоинтерфейсом с помощью устройства для управления динамиком и микрофоном от Qualcomm. Qualcomm 210 MSM8909 — это система на чипе начального уровня, предназначенная для планшетов и смартфоном на Android. Процессор оснащен четырьмя ядрами ARM Cortex-A7 с частотой 1.1 ГГц.

Система на чипе оснащена модулями Bluetooth 4.1 + BLE, 802.11n (2,4 ГГц) WiFi и 4G-LTE-модемом категории 4 (LTE FDD, LTE TDD, WCDMA (DC-HSDPA, HSUPA), CDMA1x, EV-DO Rev. B, TD-SCDMA и GSM / EDGE) и может работать с максимальной скоростью 150 Мбит / с.

Контроллер Cypress CYUSB2014 отправляет данные, обработанные системой, через интерфейс USB. CYUSB2014 – это периферийный SuperSpeed-контроллер, обеспецивающий гибкость и интегрированность различных функций. Данный контроллер имеет полностью настраиваемый параллельный программируемый интерфейс GPIF II, который может быть подключен к любому процессору (ASIС или FPGA). GPIF II – это улучшенная версия GPIF из FX2LP, флагманского устройства от Cypress с интерфейсом USB 2.

Антенна

Плата управления радиолокационным сигналом состоит из 21 антенны, обеспечивающих высокое разрешение. «Размер одной антенны предполагает, что для работы с 21 антенной в системе есть большая RF-плата», сказал Стефан Элизабет. Поскольку система работает на частотах от 3 до 10 ГГц, размер антенны велик (λ / 4 = ~ 15 мм). Также он добавил, что «количество подключенных антенн напрямую связано с разрешением. Впрочем, поскольку данное устройство работает на низких частотах, размер антенн весьма велик».

«Рабочая частота этой системы составляет около 9,6 гигагерца – она основана на параметрах bow tie антенны», — добавил Стефан Элизабет.



Рисунок 5: RF-плата с 21 антенной (источник: отчет о чипе Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging, System Plus Consulting, 2020).

Конструкция Bow-Tie широко используется в приложениях для получения изображений, в радарах, точках доступа Wi-Fi и импульсных антеннах благодаря своим характеристикам: низкому профилю, высокой пропускной способности, низкому уровню потерь и высокой эффективности излучения (рисунок 6).



Рисунок 6: геометрия bow-tie антенны (источник: отчет о Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020).

Конструкция bow-tie антенны представляет собой проволочную аппроксимацию (варианты планарного типа) биконической дипольной топологии. Конструкция антенны идеальна по размеру и стоимости, отличается простой геометрией и надежностью. Bow-tie антенна обеспечивает хороший контроль входного сопротивления, и ее легко сделать.

Стоимость и анализ

Компания System Plus Consulting провела оценку стоимости всей системы, подчеркнув, что на RF-чип ушло только 10% от всей стоимости системы (рисунок 7).



Рисунок 7: Анализ стоимости системы Walabot Home (источник: отчет о Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020).

«Поскольку система большая, почти 30% стоимости приходится на печатную плату (RF-плату, антенну Wi-Fi / BT и т. Д.) и межкомпонентные соединения. Память (RAM, Flash) и процессор (Qualcomm Snapdragon 210) берут на себя почти 20% стоимости. 30% стоимости уходят на дискретные компоненты – датчики, PMIC, интерфейсы подключения. Еще 10% уходят на дисплей», сказал Стефан Элизабет.



Рисунок 8: Другие версии чипов VYYR (источник: отчет Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020).

Vayyar актже разработала другие версии чипов, которые уже представлены на рынке. Рабочие частоты этих моделей варьируются от 60 до 80 ГГц. VYYR7201-A0 работает на частотах 57-64 ГГц, а VYYR7202-A1 — на 77-81 ГГц. Первый представлен в системе Vayyar V60G-Home, он подходят для приложений распознавания жестов, а также обнаружения людей в комнатах и младенцев, оставленных в машинах. В него встроены 46 антенн с линейной поляризацией на печатной плате. В VYYR7202-A1 встроены 40 поляризованных антенн, этот чип используется в Vayyar V80G. Он подходит для использования в автомобилях и за их пределами, а также для обнаружения потенциальных вторжений.

---

• Первая в России серийная система управления двухтопливным двигателем с функциональным разделением контроллеров
• В современном автомобиле строк кода больше чем…
• Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive