External Use

TM

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

D E C . 0 4 . 2 0 1 4

Mac Fujimoto | Senior Application Engineer, Analog Sensor Group

Yusuke Takemoto | Marketing & Biz development, Auto MCU Group

TM

External Use 2

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

TM

External Use 3

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 4

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 5

Evolution of Advanced Driver Assistance Systems

事故の緩和 Passive

Systems

事故の防止Reactive

Systems

自動制御 Predictive

Actuators

事故の予測Predictive and

Warning

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。

シートベルト

エアバッグなど

ABS

横滑り防止など

レーダ検知

カメラ認識など

TM

External Use 6

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

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

TM

External Use 7

レーダ・アプリケーションの分野

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

死角検知

アダプティブ・クルーズコントロール 後部衝突検知

衝突軽減 衝突警告

ストップ&ゴー

緊急ブレーキ

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

TM

External Use 8

車載レーダの基礎技術

TM

External Use 9

車載レーダ・システム

送信MMIC／PLL

伝送線路

受信MMIC／

伝送線路

マイコン - 制御

- 信号処理

- 物標認識

- 物標識別

LO

Pt

Pr

Gt

Ar

s

距離 (Range)

相対速度

(Range Rate)

角度 (DOA)

RADAR (Radio Angle Detection And Ranging)

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 10

距離の検出 （パルスレーダ方式）

1000 meters 100 meters 10 meters 1 meter

6.6us 667ns 67ns 6.7ns

パルスレーダ

t

f

tf

距離と伝搬時間

• 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）

送信波 受信波

TM

External Use 11

• 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

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

TM

External Use 12

0

0

0

0

0

0

0

2( ) ( )

2( ) sin

2( ) sin

2 2

R

R

C

RC C R

C R RD

R v tr t s t t s t

c

R v tr t t

c

vr t t t

c

f v vf

c

Christian Johann Doppler

* 1803/11/29ｻﾞﾙﾂﾌﾞﾙｸﾞ; † 1853/3/17ﾍﾞﾆｽ

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）

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

相対速度の検出

TM

External Use 13

f1

f2

fTX

t tchirp

BW

fB = fIF = 2 R / c0 x BW / tchirp

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

fDoppler = 2 |Dv| / c0 fTx

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

DR = 0.5 c0 /BW

A/D サンプリング: 1MHz

（従来の一般的な逐次比較）

FFT：2048 points

距離周波数とドプラ周波数

分離困難

TM

External Use 14

fBEAT = | fTX – fRX |

f0

ドプラシフト

反射波

伝搬時間

送信波

t

fd

fu fBEAT

距離 ∝（fu + fd）

相対速度∝（fu‐fd）

距離周波数とドプラ周波数の分離

Fuとfdで、同一物標か別物標かの推定演算負荷

TM

External Use 15

f1

f2

fTX

t tchirp

BW

fB = fIF = 2 R / c0 BW / tchirp

fDoppler = 2 |Dv| / c0 fTx

parameters 従来FMCW 高速ﾁｬｰﾌﾟ

tchirp 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

fDoppler 7.08 kHz 7.08 kHz

DR 0.3 m 0.3 m

DR = 0.5 c0 /BW

高速チャープ（ ファスト・モジュレーション）による解決

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

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

TM

External Use 16

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 17

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

二次元FFTのイメージ

相対速度 距離

信号強度

TM

External Use 18

アプリケーション／

システム要求 利点 課題

SRR, MRR, & LRR レーダ 全方式サポート

高速ADC、大量データ、高速信号処理、高CPU能力を必要とする

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比向上

同上

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波の同期必要

IF 周波数帯幅

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

消費電力 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

特になし

高速FMCW（ファスト・モジュレーション）まとめ

SDADC,

DMA,SPT

SDADC

DAC,

CTE,WGM,

PLL+WFG

TM

External Use 19

A

D

C

BBFilter,

Amplifier

RF_Rx

RF_TxFPGA

Signal Processing

Timing Controller

Chirp Generation

A

D

C

D

A

C

SRAM

RF_Rx

MPC567xK

V

C

O

MRD2001

Rx

MPC577xKMRD2001

TxMRD2001

VCO

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

• 利点:

− PCBのサイズの縮小

− 製造コストの低減

Previous

Generation

Next

Generation

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

RCPパッケージング技術

− 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 20

Radar RF-MMIC ロードマップ

TM

External Use 21

The Radar MCU

TM

External Use 22

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

DSP

機能

マルチコアMCU

レーダ

アナログ・フロントエ

ンド

大容量

SRAM・

フラッシュ

機能安全

信号処理の

専用回路

MPC

5775k

TM

External Use 23

NV Memory

CPU Platform

Z4LS @ 133MHz

16kB I-cache

2 way

SFPU

16kB D-cache

2 way

Data Input I/F

4MB with ECC

16 bit PDI

Volatile Emb. Memory

1.5MB RAM with ECC

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

Safety & Support

OSC and PLL

T-Sensor

FCCU & CRC

Safe DMA

DEBUG Nexus 3+

Fabric

64 bit XBAR with E2E ECC

ADC Input

8 x SD – 10MHz

DAC

2Ms/s 8 bit DAC

4x 12bit SAR -1MHz

Signal processing

toolbox

Scheduler

COPY FFT

DMA

Radar Processing Platform Master Comm Bus

128 msg FlexRay

100base T Ethernet

Intra ECU connectivity

LFAST

Vehicle and ECU Network

Z7 dual is. @266MHz

16kB I-cache

2 way

VFPU & SPE2-SIMD

16kB D-cache

2 way

Z7 dual is. @266MHz

16kB I-cache

2 way

VFPU & SPE2-SIMD

16kB D-cache

2 way

Z4 LS @ 133MHz

8kB I-cache

2 way

SFPU

4kB D-cache

2 way

PMU

Safe Memory

MEMU

MPC5775K : 2x Z7 + 2x Z4LS – 4 MByte

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 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)

TM

External Use 24

レーダ・アプリケーション (ファスト・モジュレーション)

Re-

ceiver

Signal

analysis

Detec-

tion

Signal

condi-

tioning

Tracking

ADC/DSP/FPGA

MPC577xK

• Antenna

• Mixer

• LNA

• HP/LPF

• AAF

• ADC

• Window

• FFT

Range/Doppler

• Power • Clustering

• Kalman Filter

MMIC

Decision

• Safety

Decision

レーダ・システムの集積 高速演算機能の強化 機能安全

CPU Platform

Z4LS @ 133MHz

16kB I-cache

2 way

SFPU

16kB D-cache

2 way

ADC Input

8 x SD – 10MHz

DAC

2Ms/s 8 bit DAC

4x 12bit SAR -1MHz

Signal processing

toolbox

Scheduler

COPY FFT

DMA

Radar Processing Platform Z7 dual is. @266MHz

16kB I-cache

2 way

VFPU & SPE2-SIMD

16kB D-cache

2 way

Z7 dual is. @266MHz

16kB I-cache

2 way

VFPU & SPE2-SIMD

16kB D-cache

2 way

Z4 LS @ 133MHz

8kB I-cache

2 way

SFPU

4kB D-cache

2 way

CPU Platform

Z4LS @ 133MHz

16kB I-cache

2 way

SFPU

16kB D-cache

2 way

ADC Input

8 x SD – 10MHz

DAC

2Ms/s 8 bit DAC

4x 12bit SAR -1MHz

Signal processing

toolbox

Scheduler

COPY FFT

DMA

Radar Processing Platform Z7 dual is. @266MHz

16kB I-cache

2 way

VFPU & SPE2-SIMD

16kB D-cache

2 way

Z7 dual is. @266MHz

16kB I-cache

2 way

VFPU & SPE2-SIMD

16kB D-cache

2 way

Z4 LS @ 133MHz

8kB I-cache

2 way

SFPU

4kB D-cache

2 way

TM

External Use 25

レーダ ・アプリケーションの実行フロー

• 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

レーダ RFの

受信データ

レーダ RFの

送信制御

高速FFT

TM

External Use 26

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 27

まとめ

TM

External Use 28

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

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