Co pod maską nowej kamery 4D od Vayyar

Wraz z wejściem systemów radarowych nawet na rynek produktów konsumenckich, System Plus Consulting był ciekawy, jak są one wdrażane. Firma System Plus Consulting, zajmująca się technologią i analizą kosztów urządzeń, postanowiła przeanalizować budowę przykładowego urządzenia konsumenckiego z modułem radarowym. Firma wybrała układ RF pierwszej generacji firmy Vayyar.

Firma była przede wszystkim zainteresowana tym, jak Vayyar zaprojektował tak wysoce zintegrowany jednoukładowy SoC RF (System-on-a-Chip – system zintegrowany w jednym układzie). Analitycy System Plus Consulting byli również zaintrygowani zdolnością SoC firmy Vayyar do tworzenia obrazów 4D o wysokiej rozdzielczości.

Radary były kiedyś wolno rozwijającym się rynkiem, obsługującym raczej dojrzałe aplikacje, takie jak wojsko itp. Wiele się zmieniło. Radar, zwłaszcza „radar obrazujący”, jest obecnie niesamowicie gorącym tematem. Zastosowania motoryzacyjne i konsumenckie pobudzają wyobraźnię projektantów systemów i napędzają wzrost liczby radarów stosowanych dookoła nas.

Chociaż radary mają nadal kluczowe znaczenie dla wojska czy w lotnictwie, to, masowo ‘atakują’ również domy, samochody rodzinne, a nawet smartfony. W przypadku zastosowań motoryzacyjnych, producenci samochodów pracują nad obrazowaniem radarowym zarówno dla zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS), jak i wykrywania zajętości miejsc w kabinie.

Dostawcy technologii radarowych również zwracają uwagę na możliwości smartfonów. Na przykład centralnym elementem współpracy na linii Infineon – Google, o której informowano w zeszłym roku było umożliwienie sterowania gestami w smartfonach Google Pixel 4 przy użyciu technologii radarowej Infineona. Chociaż nie jest jasne, czy w najbliższym czasie więcej telefonów będzie wyposażony w technologię radarową, zakres aplikacji radarowych szybko się rozszerza.

Vayyar zaprojektował swój RF SoC dla własnej linii produktów Walabot. Centralnym elementem jest system wykrywania upadków Walabot Home. Umożliwia on członkom rodziny i opiekunom obserwowanie osób starszych, którzy mogą przewrócić się. Dzięki radarowi może dostrzegać ludzi przez ściany czy zasłony. Jedną z korzyści jest to, że osoba monitorowana nie potrzebuje nosić żadnego urządzenia ze sobą, co było dotychczas stosowanym rozwiązaniem.

System Plus Consulting, firma należąca do grupy Yole Développement, była zaintrygowana układem Vayyar, który analizuje wiele sygnałów wysyłanych i odbieranych ze zintegrowanych transceiverów i przetwarza je przez szybki procesor DSP w SoC.

Za ekspertyzę odpowiedzialny był Stéphane Elisabeth, ekspert ds. Analizy kosztów w System Plus Consulting. Wyjaśnia on, że Vayyar zaprojektował małą płytkę zawierającą zarówno RF SoC, jak i mikrokontroler. Taka konfiguracja pozwala układowi RF SoC na współpracę z dowolnym zewnętrznym procesorem aplikacyjnym, wybranym przez dostawcę systemu.

Pierwsza generacja chipa Vayyara - przedmiot tej analizy- była oparta na układzie pracującym w zakresie 3..10 GHz. Biorąc pod uwagę ograniczenia zakresu częstotliwości narzucone przez różne kraje, Vayyar zaprojektował już kolejne rozwiązanie, w tym radar działający na częstotliwości 57..64 GHz, oferujący większą maksymalną przepustowość i wyższy zakres rozdzielczości. Drugi radar pracuje w zakresie 77..81 GHz.

RF SoC jest wyposażony w „wbudowany procesor DSP z dużą ilością pamięci SRAM w matrycy nadajnika-odbiornika” jak stwierdzają analitycy System Plus Consulting. RF SoC dostarcza dane do mikrokontrolera umieszczonego na płycie Walabot. Z kolei układ ten „przekształca tylko dane z SRAM na strumień danych USB”. Ten krok jest krytyczny, ponieważ sprawia, że RF SoC firmy Vayyar jest wystarczająco elastyczny, aby współpracować z dowolnym zewnętrznym procesorem, wybranym przez projektantów systemów. Nie ma to znaczenia, czy jest to Snapdragon od Qualcomma, czy procesor aplikacyjny innej firmy. W razie potrzeby może on następnie wykonywać złożone algorytmy obrazowania niezależnie do radaru.

Poza systemem Walabot Home

Poza systemem Walabot Home, Vayyar wkracza też na rynek motoryzacyjny. Vayyar podpisał umowę z Valeo, wiodącą firmą rynku motoryzacyjnego, dwa lata temu. W tym czasie firma ta zaprezentowała plany wykorzystania czujników radarowych Vayyar do monitorowania oddechu niemowląt i uruchamiania ostrzeżenia w nagłych przypadkach, zwłaszcza jeśli niemowlę zostało pozostawione w pojeździe bez opieki.

W listopadzie ubiegłego roku Vayyar zebrał 109 milionów dolarów w ramach serii D finansowania prowadzonej przez Koch Disruptive Technologies (KDT), spółkę zależną amerykańskiego międzynarodowego koncernu Koch Industries. Angaż firmy Koch, jako inwestora strategicznego, był wielkim wydarzeniem, ponieważ Koch i jego różne spółki zależne mogą potencjalnie otworzyć drzwi dla czujników obrazowych Vayyar na wiele innych segmentów rynku.

Na początku tego roku Vayyar rozpoczął również partnerstwo z japońską firmą produkującą części samochodowe Aisin Seiki, mając na celu wspólne opracowanie „zewnętrznych czujników 4D krótkiego zasięgu o wysokiej rozdzielczości do pojazdów” do takich zastosowań, jak wykrywanie aut w martwym polu.

Konfiguracja Walabot Home

Walabot Home to inteligentny system, który śledzi ruchy ludzi i rozpoznaje, gdy upadną i potrzebują pomocy. To małe i kompaktowe urządzenie wykorzystuje system czujników, który przetwarza fale radiowe o małej mocy (podobne do sygnałów Wi-Fi) w celu określenia lokalizacji ludzi w jego polu widzenia. RF SoC, znajdujący się w sercu systemu, łączy w sobie nadajniki i odbiorniki pracujące w pasmie od 3 GHz do 81 GHz w celu tworzenia obrazów 4D o wysokiej rozdzielczości poprzez analizę wielu wysyłanych i odbieranych sygnałów. Wszystko to bez zewnętrznego procesora. Dzięki integracji transceiverów i szybkiego procesora DSP technologia Vayyar jest w stanie tworzyć dokładne analizy sytuacji bez korzystania z zasobów procesora aplikacyjnego systemu.

Dzięki systemowi Walabot Home, technologia Vayyar może monitorować rozmiar, pozycję i ruch ludzi i obiektów, umożliwiając pełną klasyfikację środowiska w czasie rzeczywistym - bez użycia kamery. Brak kamery oznacza, że istnieje jedna droga mniej do potencjalnego naruszenia prywatności monitorowanej osoby.

RF SoC

Urządzenie to pracuje w systemie ultraszerokiego pasma - UWB (Ultra-Wide Band) – który wykrywa ludzi i ich pozycję w przestrzeni. FCC definiuje sygnał jako UWB, gdy jego pasmo jest szersze niż 500 MHz. System UWB przesyła i odbiera sygnały za pomocą impulsów radiowych o niezwykle krótkim czasie trwania (od kilkudziesięciu pikosekund do kilku nanosekund). W praktyce jest to protokół bezprzewodowy, który umożliwia osiągnięcie pasma rzędu gigabitów na sekundę przy mocy wypromieniowywanej na poziomie dziesiątych części wata. Zaletą tej techniki jest fakt, że krótki czas trwania impulsu sprawia, że system UWB jest mniej wrażliwy na zakłócenia z powodu np. odbicia.

„Pojedynczy RF SoC firmy Vayyar jest używany do nadawania i odbierania sygnału RF w zakresie 3,3 - 10 GHz. System wykorzystuje dwie płytki drukowane: jedną dla transceivera RF (żółty obrys na rysunku 1), do zbierania danych do SRAM i generowania strumienia danych USB. Druga (zielony obrys na rysunku 1) do przetwarzania danych i łączności przez Bluetooth i Wi-Fi” mówi Elisabeth z System Plus Consulting.



Dwie płytki, jak pokazano na rysunku 2, są połączone ze sobą poprzez laminat typu flex, aby zapewnić większą elastyczność. Dzięki takiemu charakterowi połączenia następuje znaczne zmniejszenie przestrzeni, ciężaru i kosztów w porównaniu do podobnego rozwiązania na sztywnej płytce drukowanej.

Zarządzanie rozpraszaniem ciepła poprzez interfejs termiczny odbywa się na dwa sposoby. Jeden fragment materiału termoprzewodzącego znajduje się na wierzchu procesora aplikacyjnego, a bezpośrednio na radiatorze znajduje się druga przekładka silikonowa. Analitycy wskazują, że radiator jest wykonany najpewniej ze stopu aluminium typu A380. A380 to jeden z najczęściej używanych w tym celu stopów aluminium. Ma oną doskonałą płynność przy odlewaniu, a jednocześnie zapewnia wysoką szczelność ciśnieniową i odporność na pękanie po podgrzaniu. W szczególności odlewanie ciśnieniowe ze stopu aluminium 380 pozwala uzyskać wysokiej jakości niedrogie i trwałe elementy.

Układ RF posiada 48 ścieżek wejścia i wyjścia dla sygnałów radiowych. Układ jest w obudowie BGA, więc wyjścia i wejścia wyprowadzone są spod obudowy. W systemie tym spośród 48 linii tylko 42 jest używane do podłączenia anten. RF SoC wykorzystuje zintegrowany DSP z dużą ilością pamięci SRAM i dostarcza dane do zintegrowanego mikrokontrolera. Przekształca on tylko dane w SRAM w strumień danych przesyłany poprzez USB. Wbudowany procesor DSP realizuje bardzie złożone algorytmy obrazowania, dzięki czemu zewnętrzny procesor nie musi prowadzić tych wymagających obliczeń, wskazują analitycy.

RF SoC wykorzystuje 6-warstwowe podłoże PCB i jest przylutowane na 10-warstwowym podłożu PCB (rysunek 4). Jest w obudowie FCBGA bez wieczka. Zintegrowany układ mikrofalowy składa się z dwóch oscylatorów kwadraturowych, generujących sygnał częstotliwości pośredniej na chipie, który jest następnie bezpośrednio przetwarzany przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC).



Oprócz procesora SoC RF VYYR2401-A3, na schemacie blokowym na rysunkach 2 i 3 widoczny jest także procesor MSM8909, który umożliwia awaryjną komunikację mobilną, oraz kodek audio firmy Qualcomm do sterowania głośnikami i mikrofonem w urządzeniu. Podstawowym procesorem, zarządzającym całym systemem jest Qualcomm Snapdragon 210 0 MSM8909. Jest to układ wykorzystywany często do konstrukcji tabletów i smartfonów z systemem Android. SoC posiada cztery rdzenie ARM Cortex-A7 o częstotliwości taktowania do 1,1 GHz. Posiada on ponadto obsługę interfejsów Bluetooth 4.1 z Bluetooth Low Energy, Wi-Fi 802.11n i modem Cat 4 4G-LTE z maksymalną prędkością transferu do 150 Mbps.

Kontroler Cypress CYUSB2014 przesyła dane analizowane przez SoC RF poprzez interfejs USB. Jest to peryferyjny kontroler SuperSpeed, zapewniający zintegrowane i elastyczne rozwiązanie do obsługi USB. Posiada on w pełni konfigurowalny, równoległy interfejs zwany GPIF II, który można podłączyć do dowolnego procesora, układu ASIC lub FPGA. GPIF II to ulepszona wersja GPIF, który znany jest np. z FX2LP, flagowego produktu USB 2.0 firmy Cypress.

Antena

Płyta RF składa się z 21 anten, które zapewniają wysoką rozdzielczość obrazowania. Wymiar i ilość anten oznacza konieczność zastosowania dużej płytki drukowanej. Ponieważ system pracuje w paśmie od 3 do 10 GHz, wymiary anteny są dosyć duże (λ/4 to około 15 mm). Liczba podłączonych anten zapewnia większą rozdzielczość, ale z uwagi na relatywnie niską częstotliwość, moduł nie może być zbyt kompaktowy. „Częstotliwość robocza tego systemu wynosi około 9,6 GHz. Więc opiera się na architekturze bow-tie dla anten”- dodał Elisabeth.



Konstrukcja Bow-Tie jest szeroko stosowana w aplikacjach do obrazowania, radarach, punktach dostępowych Wi-Fi i do konstrukcji anten impulsowych ze względu na swoje właściwości – niewielki wymiar, szerokie pasmo, niskie straty i wysoka sprawność promieniowania (rysunek 6).



Antena typu bow-tie jest aproksymacją drutową topologii dipolowej. Konstrukcja anteny jest idealna pod względem rozmiaru i kosztów, oferując prostą geometrię i dobre parametry radiowe. Antena taka zapewnia dobrą kontrolę impedancji wejściowej i jest łatwa do wykonania na PCB.

Analiza kosztów

Firma System Plus Consulting oceniła koszty całego systemu, podkreślając, że SoC RF pochłonął tylko 10% kosztu systemu (patrz rysunek 7). „Ponieważ system jest duży, prawie 30% kosztów stanowi PCB (płytaka RF, antena Wi-Fi/BT etc) i połączenia między nimi. Pamięć (RAM i Flash) oraz procesor (Qualcomm Snapdragon 210) pochłaniają prawie 20% kosztów urządzenia. 30% kosztów jest związanych z komponentami dyskretnymi, takimi jak czujniki, układy PMIC, front-end do łączności bezprzewodowej. Kolejne co najmniej 10% pochłania wyświetlacz” powiedziała Elisabeth.



Vayyar opracował również inne wersje modułów, które są już na rynku, z częstotliwościami roboczymi rzędu 60-80 GHz. VYYR7201-A0 działa na częstotliwości 57-64 GHz, a VYYR7202-A1 na częstotliwości 77-81 GHz. Pierwszy moduł został zaimplementowana w Vayyar Home V60G i dedykowany jest do aplikacji rozpoznawania gestów, ale także do wykrywania osób w pokoju i niemowląt pozostawionych w samochodzie. Posiada wbudowane 46 anten pracujących w polaryzację liniowej. Drugi układ ma 40 anten spolaryzowanych liniowo i jest zaimplementowany w Vayyar V80G. Nadaje się do zastosowań wewnątrz i na zewnątrz samochodu oraz do wykrywania potencjalnych włamań.

Źródło: https://www.eetimes.com/under-the-hood-vayyaars-4d-imaging-radar/