Дельта-модуляция в автомобильной радаре и лидарной обработке сигналов

Понимание модуляции дельты

Дельта-модультация (DM) является формой аналого-цифрового преобразования (ADC), которая нашла новую актуальность в высокоскоростных автомобильных сенсорных системах. В отличие от обычной импульсно-кодовой модуляции (PCM), которая кодирует абсолютную амплитуду сигнала в каждой точке выборки, дельта-модульирование кодирует только разницу (дельта) между текущим образцом и прогнозируемым значением. Это создает однобитный выходной поток: «1» указывает, что сигнал увеличился относительно предсказания, а «0» указывает, что он уменьшился. Простота дельта-модуляции делает его исключительно хорошо подходящим для приложений, где высокие скорости передачи данных и низкая задержка имеют первостепенное значение - именно условия, найденные в автомобильной радиолокационной и лидарной обработке.

Базовый дельта-модулятор состоит из компаратора, локального интегратора и часов. Компаратор вычитает вход из прогнозируемого сигнала; если разница положительная, то выходной сигнал является «1», который затем подается обратно для приращения интегратора; если отрицательный, «0» уменьшает его. Интегратор эффективно реконструирует приближение входного сигнала. Основным ограничением стандартной дельта-модуляции является перегрузка наклона, которая возникает, когда входной сигнал изменяется быстрее, чем интегратор может следовать, вызывая искажение. Адаптивная дельта-модулирование (ADM) решает эту проблему путем динамической регулировки размера шага на основе последних битовых шаблонов, значительно улучшая динамический диапазон и делая DM практичным для сложных, быстро меняющихся сигналов, таких как сигналы от радара и лидарных датчиков.

Применение в автомобильном радаре

Автомобильные радиолокационные системы, работающие обычно в диапазонах 24 ГГц, 77 ГГц или 79 ГГц, полагаются на быструю выборку принимаемых сигналов для определения дальности, скорости и угла объектов. Необработанный сигнал средней частоты (IF) от радиолокатора с частотной модуляцией непрерывной волны (FMCW) должен быть оцифрован до того, как цифровая обработка сигнала (DSP) сможет извлечь информацию о цели. Модуляция дельты обеспечивает легкий метод ADC, который минимизирует площадь кремния и энергетический бюджет радиолокатора, что имеет решающее значение для экономически чувствительного автомобильного производства.

Принципы обработки радиолокационных сигналов

В типичном FMCW-радиолокаторе передаваемый сигнал представляет собой линейную частоту рампы. Отраженный сигнал от цели смешивается с передаваемым сигналом для получения частоты удара, пропорциональной дальности. Этот сигнал удара представляет собой аналоговый синусоид, частота которого изменяется с расстоянием цели и относительной скоростью. Чтобы точно оцифровать этот сигнал удара, ADC должен отбираться со скоростью, достаточной для захвата максимальной ожидаемой частоты удара (часто в десятках мегагерц). Стандартные ADC высокого разрешения (например, 12-битные или 14-битные трубопроводные ADC) потребляют значительную мощность и площадь. Модуляция дельты с ее однобитным выходом может работать с очень высокой тактовой частотой при использовании меньшего количества энергии на образец, что делает его сильным кандидатом для многоканальных радиолокационных массивов.

Преимущества и компромиссы

• Сниженная сложность данных: Однобитный поток резко снижает требуемую ширину цифровой шины и пропускную способность памяти, упрощая маршрутизацию на чипе и уменьшая электромагнитные помехи.
• Низкое энергопотребление: Поскольку для дельта-модуляции требуется только компаратор и интегратор, её аналоговое энергопотребление часто ниже, чем у Nyquist ADC с высоким разрешением. Цифровая сторона использует простую логику для реконструкции сигнала или передачи битового потока в фильтр децимации.
• Высокоскоростное получение данных: Скорость отбора проб выше 1 ГГц осуществима с дельта-модулированием, что позволяет захватывать широкополосные радиолокационные сигналы с тонким разрешением по времени. Это улучшает разрешение дальности и позволяет обнаруживать близко расположенные цели.
• Выделение: формирование шума: Стандартная дельта-модульция имеет шум квантования, который увеличивается с частотой (в отличие от сигма-дельта-модуляции, которая формирует шум вдали от полосы сигнала). Для радиолокационных приложений, где полоса пропускания сигнала ограничена, адаптивно фильтрованная дельта-модуль может достигать достаточного отношения сигнал-шум (SNR) без сложности полного сигма-дельта-преобразователя.

Автомобильные радарные чипы от ведущих поставщиков уже экспериментируют с дельта-модулированием в своих блоках ADC для достижения мгновенной полосы пропускания 5 ГГц, необходимой для радара 4D-изображения. Например, дельта-модулированный ADC может напрямую подавать цифровой луч-формер, позволяя в режиме реального времени оценивать угол прибытия с минимальной задержкой.

Применение в Automotive Lidar

Автомобильный лидар использует лазерные импульсы (обычно при 905 nm или 1550 nm) для создания 3D-точечных облаков высокого разрешения окружающей среды. Отраженный световой сигнал чрезвычайно слабый и должен быть усилен и оцифрован с высокой временной точностью. Дельта-модулирование особенно полезно для двух лидарных архитектур: лидара времени полета (ToF) и лидара с частотной модуляцией непрерывной волны (FMCW).

Характеристики сигнала лидара

В лидаре ToF датчик излучает короткий лазерный импульс и измеряет время прохождения туда и обратно, обнаруживая возвращение импульса. Аналоговый фронтальный включает в себя фотоприемник (например, лавинный фотодиод) и усилитель трансимпеданса. Полученный электрический импульс должен быть оцифрован для определения его точного времени прибытия. Любая задержка в процессе ADC или кодирования непосредственно ухудшает точность диапазона. Модуляция дельты с ее простой структурой на основе компаратора может быть вставлена сразу после усилителя для преобразования формы импульса в двоичный поток, который затем отметается по времени высокоскоростным счетчиком. Адаптация шаг-размер в ADM помогает точно захватывать края импульса, даже когда амплитуда импульса изменяется из-за отражения цели или расстояния.

В лидаре FMCW принцип аналогичен радару FMCW, но с использованием лазера с частотной стрелкой. Для обнаружения фазированных лучей требуется смешивание принятого лазерного света с локальным осциллятором, производящим битовый сигнал в диапазоне радиочастот. Этот битовый сигнал оцифровывается с помощью ADC - опять же, дельта-модулирование может снизить бюджет мощности для массива лидарного приемника, особенно когда несколько пикселей считываются параллельно.

Преимущества обработки сигналов Lidar

• Улучшенное пространственное разрешение : Благодаря более высокой частоте выборки, дельта-модульирование позволяет лидарному приемнику разрешать тонкие временные разделения, переводя непосредственно в лучшее разрешение глубины (например, точность субцентрометра).
• Быстрая передача данных: Однобитный выход из каждого пикселя может быть сериализован и передан вне чипа со скоростью многогигабитного сигнала.В лидаре вспышки (где одновременно освещается целая сцена) это массово снижает количество контактов и мощность по сравнению с параллельными высокобитными ADC.
• Улучшенный шумовой иммунитет: Поскольку дельта-модулирование является дифференциальным кодированием, оно по своей сути устойчиво к шуму в обычном режиме и колебаниям подачи. Это имеет решающее значение для лидарных приемников, которые работают в автомобильных электрических средах с высокими помехами от двигателей внутреннего сгорания, двигателей и других ЭБУ.

Исследовательские группы продемонстрировали лидарные приемники, которые интегрируют адаптивную дельта-модулирование непосредственно на чип фотоприемника, что позволяет оцифровывать на уровне пикселей. Такие «цифровые кремниевые фотоумножители» (dSiPM) используют дельта-модулирование для подсчета однофотонных событий с высоким разрешением по времени, вытесняя производительность лидара за рамки традиционных аналоговых подходов.

Сравнение с другими методами модуляции

Хотя дельта-модультация предлагает неоспоримые преимущества, это не единственная схема кодирования, используемая в передних концах датчиков. Наиболее распространенные альтернативы включают импульсно-кодовую модуляцию (PCM), сигма-дельта-модулирование (SDM) и модуляцию пульсовой плотности (PDM) .

• Модультация импульсного кода (PCM): PCM кодирует каждый образец как многобитное слово (например, 8-14 бит). Он обеспечивает отличную линейность и SNR, но требует высокоточного ADC, который является энергоемким и неэффективным для многоканальных массивов. Для автомобильных радаров с 4 или более каналами приема совокупная мощность ADC может превышать 1 W — запретительная для компактных модулей.
• Sigma-дельта модуляция (SDM): Sigma-дельта является родственной техникой, которая пересортирует и использует обратную связь для формирования шума квантования вдали от полосы сигнала. Она может достигать очень высокого эффективного разрешения (16-24 бита), но за счет более высокой сложности и задержки из-за цифровых фильтров децимации. Для лидарной временной штемпели задержка сигма-дельты может ухудшить производительность, тогда как задержка дельта-модуляции составляет всего несколько тактовых циклов.
• Модуляция плотности импульса (PDM): PDM по существу представляет собой битовый поток сигма-дельта без децимации. Он часто используется в аудио, но был исследован для радара. Однако PDM по-прежнему требует высокопорядкового петлевого фильтра, что делает его более сложным, чем простая дельта-модульирование.

Дельта-модультация находится в приятном месте: она обеспечивает низкую задержку и простоту 1-битного преобразователя, но при тщательной адаптации (ADM) может достичь достаточного динамического диапазона для многих сигналов автомобильных датчиков. Для сценариев, где полоса пропускания сигнала узкая и динамическая, может выиграть сигма-дельта; но для широкополосных высокоскоростных каналов дельта-модуль часто превосходит по мощности и площади.

Проблемы и решения в области реализации

Развертывание дельта-модуляции в производстве автомобильного оборудования связано с известными проблемами, которые инженеры решали с помощью проектирования схем и алгоритмических методов.

Перегрузка и несвежий шум

Как уже упоминалось, перегрузка наклона искажает сигналы с быстрыми изменениями. Адаптивная модуляция дельты смягчает это, контролируя поток битов для повторения шаблонов (например, три последовательных сигнала «1» указывают, что сигнал растет быстрее, чем фиксированная ступень), а затем удваивая размер ступени. Коммерческие схемы ADM могут достигать динамических диапазонов, превышающих 80 dB, подходящих для большинства сигналов возврата радара.

Часы реактивность джиттера

Дельта-модулирование чувствительно к дрожанию часов, потому что любая ошибка времени в петле обратной связи повреждает восстановленный сигнал. Автомобильные среды вводят вибрацию и электрический шум, которые могут ухудшить качество часов. Решения включают использование циклов с фазовым блокированием на чипе (PLL) с осцилляторами с низким напряжением джиттера (VCO) и реализацию гибкого восстановления часов, если битовый поток сериализован. Последние достижения в полностью цифровых модуляторов дельты , которые заменяют аналоговый интегратор цифровым аккумулятором, могут снизить восприимчивость к аналоговому дрожанию.

Шумообразование и фильтрация

Стандартная дельта-модультация имеет плоский спектр шума квантования, что означает, что к сигналу добавляется белый шум. Для обнаружения лидарного импульса этот шум может заслонять слабые возвраты. Следуя дельта-модулятору с соответствующим фильтром (например, импульсно-формовым коррелятом) в цифровом домене, можно восстановить эффективную SNR. Модуляция Sigma-дельта по своей сути формирует шум, но если ограничения задержки заставляют использовать дельта-модулирование, постобработка становится необходимой. Многие автомобильные радиолокационные процессоры включают программируемые FIR-фильтры, которые могут быть сконфигурированы для подавления внеполосного шума от дельта-модулятора.

Многоканальная синхронизация

В фазированной радиолокационной станции или многопиксельном лидаре каждый канал использует отдельный дельта-модулятор. Несоответствия между модуляторами (из-за изменения процесса) вызывают ошибки усиления и смещения, которые ухудшают формирование луча и оценку угла. Методы калибровки, такие как впрыскивание известного испытательного тона и корректировка размеров ступеней интегратора, могут выравнивать каналы. Цифровой бэкэнд также может применять коэффициенты коррекции по каналу.

Будущие направления

Автомобильная промышленность движется к более высокому слиянию датчиков, где радар, лидар и камеры интегрированы в единый стек восприятия. Низкая мощность и низкая площадь модуляции дельты делают его привлекательным для оцифровки в пикселях в лидаре и конверсии на антенне в радаре.