SensPro-Radar：適用于 L2/L2+ 級(jí)及更高級(jí)別汽車(chē)?yán)走_(dá)的整體架構(gòu)平臺(tái)

引言：下一款熱門(mén) ADAS 產(chǎn)品并非 L3 級(jí)汽車(chē)，而是 L2+ 級(jí)汽車(chē)。L2+ 級(jí)汽車(chē)減少了繁瑣程序和安全問(wèn)題，但增加了許多炫酷新功能：半自動(dòng)駕駛、攝像頭和高清雷達(dá)遙測(cè)配合導(dǎo)航，并采用傳感器融合技術(shù)最大限度地延長(zhǎng)平均故障間隔時(shí)間 (MTBF)，性能優(yōu)于 L2 級(jí)自動(dòng)駕駛汽車(chē)。

我們現(xiàn)在仍在等待全自動(dòng)駕駛汽車(chē)的出現(xiàn)，但同時(shí)也意識(shí)到，目前的形勢(shì)發(fā)展已遠(yuǎn)超原始預(yù)期。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈目前已經(jīng)領(lǐng)先一步，進(jìn)入 B 計(jì)劃，從采用傳統(tǒng) ADAS 方案的 SAE 2 級(jí)自動(dòng)駕駛汽車(chē)積極進(jìn)階到如今稱(chēng)為 L2+ 級(jí)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)。這是一個(gè)大好機(jī)會(huì)，原始設(shè)備制造商 (OEM) 與一級(jí)制造供應(yīng)商 (Tier 1s) 可以抓住此次機(jī)會(huì)，投資研發(fā)采用全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的車(chē)型，賺取高額回報(bào)，預(yù)計(jì)這款車(chē)型最早將于 2023 年投入生產(chǎn)。盡管 L2+ 級(jí)汽車(chē)相較 L3 級(jí)汽車(chē)略有不足，比如說(shuō)，很多時(shí)候仍需要人工駕駛，因此系統(tǒng)相比 L2 級(jí)汽車(chē)系統(tǒng)而言，額外安裝的傳感器數(shù)量還不夠多，但 L2+ 級(jí)汽車(chē)仍可在經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 ADAS 系統(tǒng)中支持全新先進(jìn)安全功能。由于雷達(dá)傳感器的平均價(jià)格在可接受的范圍內(nèi)，并在極端照明和天氣條件下，對(duì)攝像頭傳感器的不足之處提供顯著的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，因此有望在 L2+ 級(jí)汽車(chē)得到采用作為攝像頭傳感器基礎(chǔ)套件的補(bǔ)充。L2+ 級(jí)汽車(chē)在城市駕駛、高速公路自動(dòng)駕駛、變道和并道方面的表現(xiàn)要大大優(yōu)于目前采用 L2 ADAS 方案的汽車(chē)。而且實(shí)現(xiàn) L2+ 級(jí)要快得多，也無(wú)需規(guī)章制度、基礎(chǔ)設(shè)施和社會(huì)可接受度發(fā)生根本性變化。

盡管在遙遠(yuǎn)的將來(lái)，自動(dòng)駕駛計(jì)算平臺(tái)將最終自然而然地遷移至中央計(jì)算架構(gòu)，由該架構(gòu)通過(guò)大量覆蓋 360 度范圍的傳感器和傳感器模態(tài)，承擔(dān)起傳感器融合的重任，但目前仍會(huì)出現(xiàn)各種各樣的 L2+ 級(jí)汽車(chē)系統(tǒng)。有些人預(yù)計(jì)，未來(lái)的中央計(jì)算平臺(tái)會(huì)對(duì)各種傳感器進(jìn)行早期融合，但大多數(shù)情況下仍會(huì)使用分散的智能傳感器在邊緣完成大部分傳感器處理負(fù)載任務(wù)（特別是作為基于攝像頭的基礎(chǔ)系統(tǒng)的補(bǔ)充的雷達(dá)傳感器）。因此，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年里，大多數(shù)雷達(dá)設(shè)備仍將在其內(nèi)部執(zhí)行大部分雷達(dá)鏈路處理任務(wù)，并且還將需要有強(qiáng)大的計(jì)算平臺(tái)。

據(jù)市場(chǎng)預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)將從 2023 年開(kāi)始加大 L2+ ADAS 系統(tǒng)的批量生產(chǎn)規(guī)模，并最早將于 2026-2027 年開(kāi)始初步部署更高級(jí)別（L3 級(jí)及以上）的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。就雷達(dá)而言，高清雷達(dá)將主要應(yīng)用于 L3 及更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛汽車(chē)，并且這一趨勢(shì)將會(huì)至少持續(xù)至其價(jià)格下降至足以在 L2+ ADAS 系統(tǒng)集成此雷達(dá)，不過(guò)預(yù)計(jì)這一點(diǎn)在 2028 年之前是不會(huì)實(shí)現(xiàn)的。也就是說(shuō)，從現(xiàn)在算起，至少會(huì)有 6 年的重大市場(chǎng)機(jī)遇。在這段時(shí)間里，標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)設(shè)備仍將是市場(chǎng)主導(dǎo)產(chǎn)品，并在 L2+ ADAS 系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。每輛汽車(chē)還會(huì)部署更多雷達(dá)節(jié)點(diǎn)，以提供更先進(jìn)的駕駛員輔助功能，并實(shí)現(xiàn) 360o 覆蓋范圍。

圖1 L2+ 級(jí)和更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛汽車(chē)的雷達(dá)覆蓋范圍達(dá) 360 度

它是如何工作的？

雷達(dá)的基本原理為干涉測(cè)量。信號(hào)從發(fā)射天線陣列發(fā)出，通過(guò)接收天線陣列接收。目標(biāo)和障礙物的距離、速度及方向均可通過(guò)已接收信號(hào)的相對(duì)相位估算出來(lái)。如此一來(lái)，雷達(dá)就可以利用高度確定性的處理技術(shù)提取深度相關(guān)特征，提供感知相關(guān)的直接輸入。這一點(diǎn)與同樣需要進(jìn)行復(fù)雜的（盡管這一點(diǎn)眾所周知且經(jīng)過(guò)多番嘗試）CV 和 AI 處理的攝像頭傳感器有所不同?！疤摂M”雷達(dá)有效通道的數(shù)量等于發(fā)射和接收天線數(shù)量的乘積。以目前 L2/L2+ 級(jí)車(chē)輛中使用的典型雷達(dá)設(shè)備為例，此類(lèi)雷達(dá)中有 3TX 和 4RX 天線，既共計(jì)有 12 個(gè)虛擬通道。這一通道數(shù)量足以支持基本的 L2/L2+ 功能，如自動(dòng)緊急制動(dòng) (AEB) 和自適應(yīng)巡航控制 (ACC)。而未來(lái)，我們則將會(huì)在 L2+ 級(jí)和更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中看到的雷達(dá)設(shè)備將會(huì)有 12Tx16R（共計(jì) 192 個(gè)虛擬通道），甚至還會(huì)有 48Tx48R（共計(jì)達(dá)到驚人的 2304 個(gè)虛擬通道）。人們將這些較大規(guī)模的配置稱(chēng)為高清雷達(dá)成像或 4D 雷達(dá)（因?yàn)樗軌蛱崛【嚯x、速度、方位和海拔這四項(xiàng)數(shù)據(jù)）。增加通道的主要好處是可以提高雷達(dá)精度，特別是提高方位角和仰角的角度分辨率。高清雷達(dá)對(duì)于遠(yuǎn)距離目標(biāo)（可以甚至達(dá)到 200 米之遠(yuǎn)）的角度分辨率可以達(dá)到 1 度以下。方位角分辨率支持檢測(cè)目標(biāo)（如行人），而海拔分辨率則可區(qū)分車(chē)輛和懸垂在外的街道設(shè)施。提高分辨率可以減少由寬帶旁瓣引起的誤報(bào)，這是常見(jiàn)小型雷達(dá)設(shè)備的已知缺陷之一。

雷達(dá)芯片組 – 傳感器和信號(hào)處理器

雷達(dá)芯片組通常由兩個(gè)主要部件組成。傳感器或雷達(dá)收發(fā)機(jī)負(fù)責(zé)處理從毫米波天線到基帶信號(hào)的射頻信號(hào)，而雷達(dá) MCU 則負(fù)責(zé)數(shù)字雷達(dá)信號(hào)處理。雷達(dá)收發(fā)機(jī)和 MCU 通常為兩種不同芯片，分別采用對(duì)其而言最佳且最符合經(jīng)濟(jì)效益的工藝節(jié)點(diǎn)制造而成。顯然，雷達(dá)收發(fā)機(jī)的復(fù)雜度與天線或物理射頻鏈的數(shù)量呈線性關(guān)系，而雷達(dá) MCU 處理信號(hào)的復(fù)雜度則與虛擬通道的數(shù)量有關(guān)，因此雷達(dá)芯片組與天線的數(shù)量呈二次方關(guān)系。

下圖所示為典型雷達(dá)處理鏈路。射頻前端安裝在雷達(dá)收發(fā)機(jī)中。信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)換之后，在雷達(dá) MCU 中得到處理。雷達(dá)處理鏈通常分為兩個(gè)主要部分：雷達(dá)前端處理（輸出為雷達(dá)點(diǎn)云）和雷達(dá)后處理（負(fù)責(zé)處理目標(biāo)分類(lèi)和跟蹤）。這兩個(gè)本質(zhì)完全不同的工作負(fù)載需要不同類(lèi)型的處理元素和技術(shù)。根據(jù) MCU 架構(gòu)的不同，或者是雷達(dá)前端處理和雷達(dá)后處理這兩個(gè)部分均可集成到單個(gè) MCU 中，又或者是可以在中央 ECU 中處理鏈路的后半部分。

信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)域數(shù)字前端預(yù)處理（主要是濾波）后，再由雷達(dá)前端模塊進(jìn)行處理。對(duì)于常見(jiàn)調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 類(lèi)雷達(dá)而言，這是一種典型的處理方式。前端處理首先涉及距離-多普勒 FFT 和雷達(dá)數(shù)據(jù)立方體（積累了多個(gè)天線和雷達(dá)脈沖的數(shù)據(jù)）的構(gòu)造，其次是使用 CFAR（恒虛警率）算法變量進(jìn)行首次目標(biāo)探測(cè)，然后再估算 DoA/AoA 角度。雷達(dá)前端處理的輸出稱(chēng)為雷達(dá)點(diǎn)云，它包括各個(gè)探測(cè)點(diǎn)的 3D 或 4D 距離/多普勒/角度信息。

對(duì)于高清雷達(dá)而言，雷達(dá)前端處理的計(jì)算量非常之大，且通常是在經(jīng)過(guò)優(yōu)化的硬件中進(jìn)行的。而小規(guī)模的雷達(dá)前端（如具有 12-16 個(gè)虛擬通道的雷達(dá)）則更適合使用軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并且對(duì)于是使用硬件還是軟件來(lái)計(jì)算的劃分界限更加靈活。處理引擎需要處理各種類(lèi)型的計(jì)算。通過(guò)采用定點(diǎn)運(yùn)算，可有效實(shí)施 FFT 和 CFAR，而角度估計(jì)算法則通常廣泛使用矩陣分解，并且需要進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。

圖2 雷達(dá)處理鏈 - 分為前端處理和后處理

獲取點(diǎn)云之后，雷達(dá)后處理會(huì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、分割、跟蹤和分類(lèi)。這樣一來(lái)就會(huì)涉及大量高精度浮點(diǎn)型矩陣運(yùn)算，并需要實(shí)施 Kalman 濾波等算法，包括進(jìn)行矩陣求逆、Cholesky 分解和非線性運(yùn)算等。此類(lèi)處理通常會(huì)被植入到 DSP 內(nèi)核之中，以實(shí)現(xiàn)最大的靈活性，并使不同的供應(yīng)商能夠?qū)ζ溥M(jìn)行區(qū)分和創(chuàng)新。

最后，目標(biāo)分類(lèi)和傳感器融合過(guò)程會(huì)多次利用人工智能推理技術(shù)，并需要進(jìn)行大量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理。

我們注意到現(xiàn)代雷達(dá)處理在實(shí)施端到端雷達(dá)處理鏈方面面臨重大計(jì)算（和反向?qū)嵤┨魬?zhàn)。由于此項(xiàng)技術(shù)仍在不斷發(fā)展，再考慮到未來(lái)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)級(jí)別，設(shè)計(jì)者們將既需要有靈活的軟件，還需要有可擴(kuò)展的高性能計(jì)算平臺(tái)，而這就需要借助基于強(qiáng)大矢量 DSP 的平臺(tái)了。

整合以上所有功能 - CEVA 雷達(dá)處理平臺(tái)

我們已經(jīng)看出，普通 12 通道設(shè)備和擁有數(shù)千個(gè)通道的高端成像雷達(dá)設(shè)備中的現(xiàn)代汽車(chē)?yán)走_(dá)設(shè)備的規(guī)模和尺寸可能存在很大差別。此外，每種設(shè)備還都需要執(zhí)行各種各樣的算法，支持不同的算法處理引擎，以應(yīng)對(duì)不同的工作負(fù)載。而這就是 CEVA SensPro 雷達(dá)架構(gòu)大展拳腳的時(shí)候了。該雷達(dá)架構(gòu)是在 CEVA 第二代 SensPro2 IP 系列基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的，是一種面向高性能傳感應(yīng)用的高度可擴(kuò)展的矢量 DSP 架構(gòu)。它是唯一一種能夠有效應(yīng)對(duì)各種雷達(dá)鏈信號(hào)處理所需工作負(fù)載的 DSP 架構(gòu)，使開(kāi)發(fā)人員可以在不同代系的產(chǎn)品中使用同一平臺(tái)、同一開(kāi)發(fā)工具來(lái)設(shè)計(jì)解決方案的各個(gè)部分。

可擴(kuò)展性和靈活性貫穿在兩個(gè)軸線劃分的體系中。其中一個(gè)軸線劃分的體系指矢量單元大小，介于 SP100 內(nèi)核和高達(dá) SP1000 內(nèi)核之間，前者在一個(gè)周期內(nèi)擁有 32 位 INT16 MAC（乘積累加運(yùn)算）單元，后者則擁有 256 位 INT16 MAC 單元。相關(guān)參考如下：標(biāo)準(zhǔn) 12 通道設(shè)備的完整雷達(dá)前端處理可輕松安裝至采用 SP250 內(nèi)核的模塊中。

第二個(gè)軸線劃分的靈活體系支持廣泛的向量算術(shù)運(yùn)算，包括 8 位、16 位和 32 位整數(shù)運(yùn)算，以及單精度和半精度浮點(diǎn)運(yùn)算。這些內(nèi)核是高度可配置的，并且浮點(diǎn)運(yùn)算是一種可選功能。

圖 3 SensPro2 矢量 DSP 系列 - 可進(jìn)行擴(kuò)展以適應(yīng)所有級(jí)別的傳感器計(jì)算

雷達(dá)前端處理可選擇采用可選的 SensPro-Radar ISA，它增加了可加快距離/多普勒 FFT 和復(fù)雜算術(shù)運(yùn)算速度的特殊指令。專(zhuān)用雷達(dá) ISA 的亮點(diǎn)是擁有一套強(qiáng)大的雷達(dá)探測(cè)指令，可用于進(jìn)行 1D/2D/3D CFAR 處理（包括先進(jìn)直方圖 ISA、支持靈活滑動(dòng)窗口、專(zhuān)用排序和最小/最大 ISA）。如此一來(lái)就大大加快了基于 K-th 有序統(tǒng)計(jì)/排序的 CFAR 算法的速度。SensPro-Radar ISA 提供一種獨(dú)特功能，可有效地將雷達(dá)前端的重要部分映射到 DSP 內(nèi)核，為芯片架構(gòu)師提供前所未有的實(shí)施靈活性和至關(guān)重要的 TTM，同時(shí)還能顯著減少其工作量。

圖4 雷達(dá)鏈上不同類(lèi)型的處理工作負(fù)載

要想處理大量數(shù)據(jù)，就需要根據(jù)虛擬通道數(shù)量，實(shí)施典型雷達(dá)鏈路。SensPro 架構(gòu)使用 CEVA 的高級(jí)內(nèi)存子系統(tǒng)，可跨越不同維度輕松訪問(wèn)具有“拼塊”的雷達(dá)數(shù)據(jù)立方體。該內(nèi)存帶寬十分強(qiáng)大，最大有效負(fù)載可以達(dá)到 2x1024 位，存儲(chǔ)空間可達(dá)到 1024 位。內(nèi)存子系統(tǒng)建立在 CEVA 高級(jí) SoC 集成機(jī)制之上，包括緩沖區(qū)和隊(duì)列管理器、增強(qiáng)型 3D DMA 引擎（支持分散/聚集）以及數(shù)據(jù)操作（包括轉(zhuǎn)置）與處理。借助這些機(jī)制，可輕松與外部硬件加速器及其他 DSP/CPU 進(jìn)行集成。

SensPro 系列是專(zhuān)門(mén)為有效處理人工智能和深度學(xué)習(xí)工作負(fù)載而設(shè)計(jì)的，并被廣泛用于加快計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的人工智能處理中。它具有用于 CNN 加速的特定 ISA，并且支持二進(jìn)制 NN 和各類(lèi)具有靈活非線性功能支持的激活層。該架構(gòu)整合了高級(jí)軟件、開(kāi)發(fā)工具及 CEVA 的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CDNN) 圖形編譯器框架。

為了對(duì)計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)充，CEVA 提供了包括 Eigen 線性代數(shù)庫(kù)在內(nèi)的一套豐富的軟件庫(kù)。CEVA 的 Radar SDK for SensPro 是一個(gè)完整的端到端軟件包，廣泛使用專(zhuān)用雷達(dá) ISA，為軟件開(kāi)發(fā)人員提供完整的雷達(dá)鏈實(shí)施參考

擁有一個(gè)可有效處理所有與雷達(dá)相關(guān)的工作負(fù)載（包括前端處理和后處理）的平臺(tái)，使雷達(dá)架構(gòu)師能夠自由選擇最佳的硬件/軟件分區(qū)，同時(shí)仍能保留足夠的軟件靈活度，以供將來(lái)驗(yàn)證解決方案。此外，在硅片生產(chǎn)后，不同種類(lèi)工作負(fù)載之間的平衡還可進(jìn)行動(dòng)態(tài)更改。這種架構(gòu)非常適合用于進(jìn)行 OTA 更新，并將在未來(lái)的自動(dòng)駕駛平臺(tái)和自動(dòng)即服務(wù)中占據(jù)非常重要的地位。 

總體而言，SensPro-Radar 是在一個(gè)統(tǒng)一的框架內(nèi)提供一系列可擴(kuò)展解決方案的獨(dú)特平臺(tái)。它使用一流的矢量 DSP 技術(shù)，并已獲得頂級(jí)汽車(chē)半導(dǎo)體供應(yīng)商和一級(jí)制造供應(yīng)商授權(quán)，是您制造下一代雷達(dá)和傳感器融合產(chǎn)品的首選平臺(tái)