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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
DEC.04.2014
TM
External Use
Outline
1.
2.
3.
4.
5.
6.
このセッションを通じて得られること
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
車載レーダの基礎技術
フリースケールのレーダ・ RF のラインナップ
フリースケールのレーダ・MCU の特長とラインナップ
まとめ
TM
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
TM
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
TM
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。
自動制御
事故の予測
事故の防止
Predictive and
Warning
レーダ検知
カメラ認識など
Reactive
Systems
ABS
事故の緩和 横滑り防止など
Passive
Systems
シートベルト
エアバッグなど
TM
External Use
5
Predictive
Actuators
ADAS マーケット・トレンド
安全走行
快適な運転
走行制御
周辺監視
•
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
•
例.
►車線維持
•
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
•
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
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.
►駐車支援
►周辺監視
►横切り警報
►死角検知
►ACC
►緊急ブレーキ
TM
External Use
6
走行支援
後方・側方カメラ、周辺
監視レーダ、ソナーを使
用
•
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
自動運転へ
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
衝突軽減
衝突警告
ストップ&ゴー
緊急ブレーキ
死角検知
後部衝突検知
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
TM
External Use
7
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
車載レーダの基礎技術
TM
External Use
8
車載レーダ・システム
RADAR (Radio Angle Detection And Ranging)
Gt
送信MMIC／PLL
伝送線路
マイコン
-
制御
信号処理
物標認識
物標識別
Pt
角度 (DOA)
Ar 距離 (Range)
LO
受信MMIC／
伝送線路
Pr
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)
TM
External Use
9
相対速度
(Range Rate)
s
距離の検出 （パルスレーダ方式）
パルスレーダ
f
tf
t
送信波
受信波
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）
TM
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 = fTX – fRx = 2R/c x BW / tchirp
ホモダイン受信により、周波数差を抽出
TM
External Use
11
相対速度の検出
 2  R0  vR t  
r (t )  s (t  t0 )  s  t 

c
0


  2  R0  vR t   
r (t )  sin  C  t 
 

c
0

 
VR = 相対速度
R0 = 物標までの距離
fC = レーダに使用する周波数（76.5GHz）


2v
r (t )  sin  C t  C R t   R 
c0


2 f C vR
2vR
fD  

c0

fc = 76.5 GHz
vR
1 m/s
30 km/h
120 km/h
250 km/h
fD
510 Hz
4250 Hz
17 kHz
35.42 kHz
Christian Johann Doppler
* 1803/11/29ｻﾞﾙﾂﾌﾞﾙｸﾞ; † 1853/3/17ﾍﾞﾆｽ
TM
External Use
12
距離周波数とドプラ周波数
fTX
f2
BW
f1
fB = 差周波数（ビート周波数）
R = 物標までの距離
c0 = 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
t
tchirp
fB = fIF = 2 R / c0 x BW / tchirp
fDoppler = 2 |Dv| / c0 fTx
DR = 0.5 c0 /BW
TM
External Use
13
特性値
従来FMCW
tchirp
2.5ms
BW
500 MHz
fTx
76.5 GHz
R
10 m
Dv
50 km/h
fB
13 kHz
fDoppler
7.08 kHz
DR
0.3 m
A/D サンプリング: 1MHz
（従来の一般的な逐次比較）
FFT：2048 points
分離困難
距離周波数とドプラ周波数の分離
送信波
反射波
f0
t
伝搬時間
fBEAT = | fTX – fRX |
fBEAT
fu
ドプラシフト
距離 ∝（fu + fd）
相対速度∝（fu‐fd）
fd
Fuとfdで、同一物標か別物標
かの推定演算負荷
TM
External Use
14
高速チャープ（ ファスト・モジュレーション）による解決
fTX
fB = 差周波数（ﾋﾞｰﾄ周波数）
R = 物標までの距離
c0 = 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
f2
BW
f1
t
tchirp
parameters
fB = fIF = 2 R / c0 BW / tchirp
fDoppler = 2 |Dv| / c0 fTx
DR = 0.5 c0 /BW
2.5 ms
100 us
BW
500 MHz
500 MHz
fTx
76.5 GHz
76.5 GHz
R
10 m
10 m
Dv
50 km/h
50 km/h
fB
13 kHz
300kHz
7.08 kHz
7.08 kHz
0.3 m
0.3 m
DR
External Use
15
高速ﾁｬｰﾌﾟ
tchirp
fDoppler
TM
従来FMCW
A/D サンプリング: 10MHz
（∑⊿ADC）
FFT:512 points
ドプラシフトは相対
速度演算に用いない
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）
TM
External Use
16
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
信号強度
•
相対速度
距離
二次元FFTのイメージ
TM
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
利点
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
SRR, MRR, & LRR レーダ
全方式サポート
複数物標認識, SN比
速度、距離分離容易
高速多サンプリングによるSN比 同上
向上
物標分離、フェーズノイズ
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
VCO,ADC,FMCW波の同期
DAC,
必要
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
高速ADCが必要
IF 周波数帯幅
SDADC,
DMA,SPT
CTE,WGM,
PLL+WFG
SDADC
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
消費電力
TM
External Use
18
特になし
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
Filter,
Amplifier
MPC567xK
RF_Tx
V
C
O
利点:
−
PCBのサイズの縮小
−
製造コストの低減
AA
DD
CC
BB
D
A
C
FPGA
Previous
Generation
Signal Processing
Timing Controller
Chirp Generation
SRAM
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
−
高信頼、高RF性能の
MRD2001
Tx
RCPパッケージング技術
−
•
MRD2001
Rx
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
TM
External Use
19
Next
Generation
MPC577xK
MRD2001
VCO
Radar RF-MMIC ロードマップ
TM
External Use
20
The Radar MCU
TM
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
マルチコ
アMCU
DSP
機能
機能安全
MPC
5775k
− 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
TM
External Use
22
レーダ
アナログ・
フロントエ
ンド
信号処理
の
専用回路
大容量
SRAM・
フラッ
シュ
MPC5775K : 2x Z7 + 2x Z4LS – 4 MByte
Radar Processing Platform
ADC Input
8 x SD – 10MHz
Signal processing
toolbox
4x 12bit SAR -1MHz
FFT
COPY
Z7 dual is. @266MHz
16kB I-cache
2 way
16kB D-cache
2 way
VFPU & SPE2-SIMD
Z7 dual is. @266MHz
DAC
Scheduler
DMA
2Ms/s 8 bit DAC
16kB I-cache
2 way
16kB D-cache
2 way
Vehicle and ECU Network
CPU Platform
Master Comm Bus
Z4LS @ 133MHz
16kB I-cache
2 way
16kB D-cache
2 way
Z4 LS @ 133MHz
8kB I-cache
2 way
128 msg FlexRay
100base T Ethernet
SFPU
4kB D-cache
2 way
SFPU
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
Data Input I/F
Safety & Support
PMU
OSC and PLL
Connectivity
T-Sensor
16 bit PDI
2 x Cross Trig Unit
3 x IIC
Safe Memory
2 x FlexPWM (12 ch)
4 x LinFlex Ctrl
4 x dSPI
MEMU
3 x eTimers – 6 ch. each
4 x Flex CAN (1FD)
SWT & STM
FCCU & CRC
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 mm2 body

Temp Range (Ta): -40 to 125C, 150 C Tj, AEC-Q100 Grade 1

Main Supply: 3.3V IO and 1.2V Core (ext or PMU)
TM
External Use
23
Safe DMA
DEBUG Nexus 3+
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)
レーダ・アプリケーション (ファスト・モジュレーション)
ADC/DSP/FPGA
 MPC577xK
MMIC
Signal
conditioning
Receiver
• Antenna
• Mixer
•
•
•
•
Signal
analysis
Detection
LNA
• Power
• Window
HP/LPF • FFT
AAF
Range/Doppler
ADC
Radar Processing Platform
ADC Input
8 x SD – 10MHz
Signal processing
toolbox
4x 12bit SAR -1MHz
FFT
COPY
• Clustering
• Kalman Filter
Z7 dual is. @266MHz
16kB I-cache
2 way
16kB D-cache
2 way
VFPU & SPE2-SIMD
Z7 dual is. @266MHz
DAC
Scheduler
2Ms/s 8 bit DAC
DMA
Decision
Tracking
16kB I-cache
2 way
16kB D-cache
2 way
• Safety
Decision
CPU Platform
Z4LS @ 133MHz
16kB I-cache
2 way
16kB D-cache
2 way
Z4 LS @ 133MHz
8kB I-cache
2 way
SFPU
4kB D-cache
2 way
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
TM
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
•
TM
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)
MPC564xL
MPC567xK
55 nm MCU
(次世代)
MPC574xP
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
TM
External Use
26
まとめ
TM
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
TM
External Use
28
TM
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