01、前言

近幾年汽車產(chǎn)業(yè)的智能化技術(shù)發(fā)展迅速，各大廠商對車規(guī)級(jí)傳感器的需求量呈指數(shù)級(jí)增加，對相關(guān)產(chǎn)品的功能水平也提出了更高的要求。在L2及以上智能駕駛領(lǐng)域，車載毫米波雷達(dá)已經(jīng)成為標(biāo)配。數(shù)據(jù)顯示，2021年中國乘用車前雷達(dá)、后角雷達(dá)、前角雷達(dá)的前裝滲透率分別為34%、14%、2%。進(jìn)入2023年以來，汽車智能化進(jìn)一步提速，再加上高性能4D毫米波雷達(dá)商用落地，整個(gè)市場體量進(jìn)一步擴(kuò)容。具行業(yè)權(quán)威機(jī)構(gòu)評估，預(yù)計(jì)今年我國乘用車市場毫米波雷達(dá)安裝量將超1800萬個(gè)，到2025年，安裝量更是有望突破2400萬個(gè)，市場規(guī)模將突破200億元！

毫米波雷達(dá)，是指工作在毫米波波段（一般為30～300GHz頻域，波長1～10mm）探測的雷達(dá)。毫米波雷達(dá)體積小、質(zhì)量輕、空間分辨率高，穿透“霧煙灰”的能力強(qiáng)，還具備全天候全天時(shí)工作的優(yōu)勢。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車體系中，毫米波雷達(dá)是系統(tǒng)感知層不可或缺的重要硬件，能讓智能駕駛感知系統(tǒng)立體化。

雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，它的仿真和分析涉及Digital、Analog、射頻和數(shù)據(jù)處理等諸多領(lǐng)域。這些域涵蓋整個(gè)信號(hào)鏈：從天線陣列到雷達(dá)信號(hào)處理算法，再到數(shù)據(jù)處理和控制。由此產(chǎn)生的系統(tǒng)級(jí)復(fù)雜性推動(dòng)了在開發(fā)周期的所有階段進(jìn)行建模和仿真的需求。MATLAB雷達(dá)工具箱功能強(qiáng)大，擁有成熟的信號(hào)處理和雷達(dá)工具箱，是設(shè)計(jì)、仿真、分析和測試多功能雷達(dá)系統(tǒng)算法的優(yōu)秀工具。

02、基于MATLAB的微波雷達(dá)系統(tǒng)開發(fā)

用MATLAB和Simulink作為雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的建模和仿真工具平臺(tái)可以改善雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作流程的各個(gè)方面，例如：雷達(dá)參數(shù)選擇；利用匹配濾波、自適應(yīng)波束成形、目標(biāo)檢測、空時(shí)自適應(yīng)處理、環(huán)境和雜波建模以及到達(dá)方向估計(jì)等算法庫加速開發(fā)；對場景進(jìn)行建模；多功能相控陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)；標(biāo)記雷達(dá)信號(hào)并仿真雷達(dá)數(shù)據(jù)；集成射頻組件和復(fù)雜天線設(shè)計(jì)的模型，提高雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)保真度；項(xiàng)目早期階段調(diào)試和測試完整的雷達(dá)模型，以降低代價(jià)高昂的重新設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)；MATLAB和Simulink模型自動(dòng)生成代碼，以部署到DSP和可編程門陣列硬件。

同時(shí)，MATLAB和Simulink可設(shè)計(jì)不同規(guī)模和保真度的復(fù)雜對象，包括地面、空中和太空等。在建模時(shí)可根據(jù)需要選擇系統(tǒng)層級(jí)、波形層級(jí)、目標(biāo)類別層級(jí)進(jìn)行最大程度的模擬真實(shí)對象。隨著人工智能的技術(shù)逐漸趨于成熟，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)開發(fā)上，例如基于雷達(dá)散射截面/微多普勒的目標(biāo)分類、基于射頻指紋進(jìn)行分類、對接收到的波形進(jìn)行分類、檢測異常情況、識(shí)別合成孔徑雷達(dá)圖像中的目標(biāo)等。

2.1 雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)涵蓋從需求分析開始的一系列任務(wù)，首先使用Radar Designer應(yīng)用程序以交互方式執(zhí)行鏈路預(yù)算分析并評估設(shè)計(jì)權(quán)衡。其次連接雷達(dá)工作流程，包括需求和架構(gòu)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，使用統(tǒng)計(jì)模型和信號(hào)級(jí)模型對雷達(dá)進(jìn)行仿真，對閉環(huán)多功能雷達(dá)進(jìn)行建模，最后將雷達(dá)信號(hào)處理算法部署到可編程門陣列硬件和處理器。

基于MATLAB的雷達(dá)設(shè)計(jì)界面如下圖，包括雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)、目標(biāo)參數(shù)設(shè)計(jì)以及環(huán)境設(shè)計(jì)等功能。

圖1 基于MATLAB的雷達(dá)設(shè)計(jì)界面

2.1.1天線/天線陣列設(shè)計(jì)

天線/天線陣列設(shè)計(jì)包含三個(gè)工具箱：天線工具箱、相控陣系統(tǒng)工具箱以及地圖工具箱。天線工具箱為天線元件和陣列的設(shè)計(jì)、分析和可視化提供了功能和應(yīng)用程序。相控陣系統(tǒng)工具箱在MATLAB和Simulink中提供算法和應(yīng)用程序，用于設(shè)計(jì)和模擬無線通信、雷達(dá)、聲納和聲學(xué)應(yīng)用中的傳感器陣列和波束形成系統(tǒng)。地圖工具箱提供了用于轉(zhuǎn)換地理數(shù)據(jù)和創(chuàng)建地圖顯示的算法和功能，可以在地理環(huán)境中可視化數(shù)據(jù)，并將來自各種來源的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一致的地理坐標(biāo)系。

2.1.2RF/ADC/DAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

RF/ADC/DAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括射頻工具箱、射頻模塊庫、射頻印刷電路板工具箱以及混合信號(hào)模塊庫。射頻工具箱提供用于設(shè)計(jì)、建模、分析和可視化射頻組件網(wǎng)絡(luò)的功能、對象和應(yīng)用程序。該工具箱支持無線通信、雷達(dá)和信號(hào)完整性項(xiàng)目。射頻模塊庫提供用于設(shè)計(jì)射頻通信和雷達(dá)系統(tǒng)的Simulink模型庫和模擬引擎。射頻印刷電路板工具箱提供用于設(shè)計(jì)、分析和可視化高速和射頻多層印刷電路板的功能和應(yīng)用程序?？梢栽O(shè)計(jì)具有參數(shù)化或任意幾何圖形的零部件，包括分布式無源結(jié)構(gòu)，如跡線、折彎和過孔。使用矩的頻域方法，可以對耦合、色散和寄生效應(yīng)進(jìn)行建模?；旌闲盘?hào)模塊庫用于設(shè)計(jì)和驗(yàn)證混合信號(hào)集成電路的組件和損傷模型、分析工具和測試臺(tái)。

2.2 雷達(dá)信號(hào)處理算法的HDL實(shí)現(xiàn)

雷達(dá)數(shù)字后端數(shù)據(jù)帶寬非常大，必須通過定制的硬件才能實(shí)現(xiàn)，可編程門陣列/專用集成芯片是必然的選擇。將基于可編程門陣列的平臺(tái)連接到MATLAB和Simulink后，可以為平臺(tái)上運(yùn)行的算法自動(dòng)生成HDL和C代碼，以進(jìn)行天線算法原型設(shè)計(jì)。

2.2.1 面向硬件的模型設(shè)計(jì)

為了在硬件上高效的執(zhí)行程序，需要進(jìn)行時(shí)鐘定時(shí)、并行化、流水線、流處理、資源映射等設(shè)置。時(shí)鐘是系統(tǒng)中的基準(zhǔn)信號(hào)，用于同步各個(gè)部件的操作，定時(shí)器是一種硬件設(shè)備，用于生成精確的時(shí)間間隔；并行是通過在硬件級(jí)別上同時(shí)執(zhí)行多個(gè)計(jì)算任務(wù)來提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能；流水線是將每條指令分解為多步，并讓各步操作重疊，從而實(shí)現(xiàn)幾條指令并行處理；流處理是指連續(xù)的數(shù)據(jù)流，并以高效的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，因此可以看出Simulink非常契合硬件體系架構(gòu)。

2.2.2 基于Simulink的雷達(dá)信號(hào)處理

發(fā)射LFM波形、接受反射波、系統(tǒng)定時(shí)控制室雷達(dá)系統(tǒng)的三個(gè)基本組件，其實(shí)現(xiàn)原理如下圖：

圖2 Simulink雷達(dá)信號(hào)處理流程

NCO模塊生成實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)正弦信號(hào)，而提供硬件友好的控制信號(hào)。NCO累加相位增量并使用累加器的量化輸出，定點(diǎn)累加器和量化器數(shù)據(jù)的環(huán)繞類型提供正弦波的周期性，量化減小了必要的尺寸給定頻率分辨率的表。相位增加計(jì)算公式為

phase increment = round(F0TS2N) (1)

其中：F0為波長，TS為周期，N為累計(jì)長度。

2.2.3 HDL代碼生成

HDL代碼生成是通過點(diǎn)擊MATLAB建模界面命令框的HDL Coder并選中左上角WorkflowAdvisor可生成Verilog或VHDL代碼。HDL Coder支持包可進(jìn)行Xilinx RFSoC雷達(dá)原型及信號(hào)處理的硬件設(shè)計(jì)，生成HDL IP core并自動(dòng)集成到用于ZCU111和ZCU216 RFSoC evaluation Kits參考設(shè)計(jì)中，并支持MATLAB和IP核通信，傳輸數(shù)據(jù)，配置射頻前端Transceiver設(shè)計(jì)。IP核生成流程是使用HDL Workflow Advisor配置Transceiver，定義Simulink模型端口與參考設(shè)計(jì)的接口，生成Vivado工程，并編譯。完成以上工作后可進(jìn)行MATLAB與硬件的交互運(yùn)行。

03、案例介紹

案例介紹一種用MATLAB新方法學(xué)來驗(yàn)證汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該方法學(xué)將規(guī)格書級(jí)別指標(biāo)的早期驗(yàn)證與虛擬現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合，此外，通過在虛擬現(xiàn)場試驗(yàn)中仿真路試場景，我們可以使用真實(shí)測試激勵(lì)對雷達(dá)IC硬件進(jìn)行環(huán)境在環(huán)驗(yàn)證。

一線汽車供應(yīng)商最關(guān)心的就是規(guī)格書中的各項(xiàng)性能指標(biāo)，比如信噪比和總諧波失真。另外，利用現(xiàn)場試驗(yàn)和真實(shí)駕駛場景來評估完整的雷達(dá)系統(tǒng)，而IC驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)則使用與真實(shí)信號(hào)相去甚遠(yuǎn)的測試圖形來評估單個(gè)射頻、模擬和數(shù)字組件（圖3）。

圖3 包含射頻、模擬和數(shù)字子系統(tǒng)的汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)架構(gòu)

通過開發(fā)MATLAB算法，不僅能計(jì)算SNR、THD和功率譜密度等高級(jí)設(shè)計(jì)指標(biāo)，還能計(jì)算濾波器和其他組件的指標(biāo)，如阻帶衰減和通帶波紋。使用HDL Verifier基于這些 MATLAB算法生成SystemVerilog DPI組件，并將它們集成到HDL測試平臺(tái)用于Cadence仿真環(huán)境（圖4）。

圖4 使用MATLAB驗(yàn)證函數(shù)的測試環(huán)境，函數(shù)借助HDL Verifier通過DPI-C在SystemVerilog封裝中實(shí)現(xiàn)

采樣信號(hào)數(shù)據(jù)通過DUT進(jìn)行采集，然后傳遞給MATLAB驗(yàn)證代碼所產(chǎn)生的DPI-C函數(shù)。繪制測試結(jié)果圖（圖5），并與系統(tǒng)需求進(jìn)行對比，以確保設(shè)計(jì)符合規(guī)格書。

圖 5 采樣信號(hào)（上）和MATLAB計(jì)算得出的功率譜密度圖（下）

在過渡到指標(biāo)驅(qū)動(dòng)的驗(yàn)證方法時(shí)，使用真實(shí)駕駛場景數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬現(xiàn)場試驗(yàn)。利用自動(dòng)駕駛工具箱中的駕駛場景設(shè)計(jì)器（圖 6）構(gòu)建駕駛場景。該App中的預(yù)置場景代表了Euro NCAP測試協(xié)議。這些協(xié)議正是客戶評估雷達(dá)系統(tǒng)性能的基準(zhǔn)。

圖6 Automated Driving Toolbox中的駕駛場景設(shè)計(jì)器

然后用相控陣工具箱構(gòu)建一個(gè)雷達(dá)傳感器模型。為了讓此模型符合實(shí)際所用傳感器的規(guī)格書，調(diào)整有關(guān)天線孔徑、峰值發(fā)射功率、接收機(jī)噪聲系數(shù)以及天線單元數(shù)量的參數(shù)。此外還調(diào)整了影響調(diào)頻連續(xù)波波形的某些參數(shù)，比如最大距離、線性調(diào)頻時(shí)長、掃描帶寬和采樣率。把這個(gè)傳感器模型集成到之前構(gòu)建的駕駛場景中，將雷達(dá)傳感器虛擬地安裝在自主車輛上（圖 7）。

圖7 用于管理自主車輛上雷達(dá)傳感器位置的界面

接下來執(zhí)行這個(gè)駕駛場景，并捕獲傳感器的混頻器輸出，即場景中目標(biāo)的雷達(dá)反射的解線性調(diào)頻信號(hào)。使該解線性調(diào)頻信號(hào)通過ADC設(shè)計(jì)中的Simulink模型以生成數(shù)字IQ數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)饋入數(shù)字基帶處理鏈。就可以生成基于Euro NCAP駕駛場景的IQ數(shù)據(jù)，并在研發(fā)的早期階段（可能早于初次流片一年甚至更多）進(jìn)行數(shù)字處理鏈的虛擬現(xiàn)場試驗(yàn)（圖 8）。

圖8 虛擬現(xiàn)場試驗(yàn)的跟拍視圖（左上）和鳥瞰圖（右）

04、結(jié)論

通過上文的介紹可以得出如下結(jié)論MATLAB/Simulink可用于智能座艙微波雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與芯片開發(fā)；可提供天線、射頻系統(tǒng)、算法、場景建模仿真工具和環(huán)境；可從模型生成HDL代碼，用于可編程門陣列/專用集成芯片設(shè)計(jì)和原型驗(yàn)證；可從模型生成DPI-C，用于芯片的UVM驗(yàn)證。

由于基礎(chǔ)科研實(shí)力相對較弱，過去我國傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)市場長期受到海外巨頭的壟斷。直到近年來，在利好政策驅(qū)動(dòng)下，細(xì)分賽道的頭部科研單位、生產(chǎn)企業(yè)開始持續(xù)加大產(chǎn)業(yè)投入，越來越多的企業(yè)進(jìn)入車載毫米波雷達(dá)賽道，市場競爭愈發(fā)激烈，推動(dòng)了車載毫米波雷達(dá)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步。在中國市場，國內(nèi)毫米波雷達(dá)廠商逐漸打破了國外汽車零部件巨頭的壟斷，實(shí)現(xiàn)了前裝量產(chǎn)突圍，在小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。在4D成像雷達(dá)技術(shù)上，國內(nèi)和國外廠商已經(jīng)站在同一個(gè)起跑線上，國內(nèi)毫米波雷達(dá)廠商實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)“超越”成為可能，有望在新一輪產(chǎn)業(yè)變革中破局。