Digital signal processing in radar per applicazioni automotive
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Digital Signal Processing in radar per applicazioni automotive. Matteo Macchini. Storia / Prospettive future.

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Presentation Transcript


Digital signal processing in radar per applicazioni automotive

Digital Signal Processing in radar per applicazioni automotive

Matteo Macchini


Storia prospettive future

Storia / Prospettive future

  • Secondo le stime di NASS e FARS, l'utilizzo su larga scala di sensori anticollisione in ambito automobilistico avrebbe il potenziale di evitare fino a 1.200.000 incidenti, di cui circa 900 mortali

  • 1993 – Primi sistemi radar su mezzi Greyhound (USA)

  • 1995 – L' ACC (Adaptive Cruise Control) viene commercializzato in Giappone

  • 1999 – L' ACC sbarca in Europa (Mercedes)

  • 2003 – Mercedes lancia i primi PSSs (Predictive Safety Sistems)


Schema di base

Schema di base

  • PARTE ANALOGICA

    Gestisce i segnali

  • PARTE DIGITALE

    Elabora i dati

    Sintetizza forme d'onda

    Comunica con il veicolo

PARTE

DIGITALE

PARTE

ANALOGICA

ADC

DAC

Al controllo del veicolo...


Digital signal processing in radar per applicazioni automotive

Esempio di implementazione

f

f

°

VCO

LENTE DI

ROTMAN

t

SWITCH

ANTENNA PATCH

DAC

LENTE DI

ROTMAN

ADC

LPF

MIXER

SWITCH

ANTENNA PATCH

DSP

GENERATORE

FORME D'ONDA

SWITCH

CONTROL

INTERFACCIA

UTENTE

CONTROLLO

VEICOLO


Principio di funzionamento

Principio di funzionamento

f

1/fm

f

V = 0

Segnale ricevuto

Segnale ricevuto

fₒ

ΔF

Segnale trasmesso

Segnale trasmesso

t

t

f

f

R = 0

Segnale ricevuto

Segnale trasmesso

beat frequency

f

up

f

down

t

t


Cosa fa il dsp

Cosa fa il DSP?

  • Calcola distanza e velocità del bersaglio

  • Informa il conducente/agisce sul mezzo

SI SERVE DEI SEGUENTI STRUMENTI

  • UP/DOWNCONVERTION

  • FILTRAGGIO DIGITALE

  • INVERSIONE MATRICI

  • BEAMFORMING

  • FFT

  • CFAR


Digital signal processing in radar per applicazioni automotive

Up / Downconvertion

75Mhz

-75Mhz

0 Mhz

4

3

2

*

1

2

LPF

1

ADC

4

2

3

*

2

2

LPF

3

-sin

cos

NCO

(75MHz)

X

DDC

4

*


Filtraggio digitale

Filtraggio digitale

Filtri FIR (Finite Impulse Response)

Scelta parametri:

Scelta grado (troncamento):

Filtri di diverso

ordine

Ripple in BP

Zona transizione

Schema logico:

x(n)

Ripple in BS

h(0)

h(1)

h(2)

h(n)

y(n)

+

+

+

+

+

+


Inversione matrici

Inversione matrici

Scomposizione QR

Data una matrice A la scompone in:

A=QRcon Q ortogonale

R triangolare superiore

Richiede

operazioni

SVD (Singular Value Decomposition)

Richiede

Data una matrice A la scompone in:

A=UΣV* con U ortogonale

Σ diagonale a valori positivi

V* trasposta coniugata di matrice ortogonale

operazioni


Fft fast fourier transform

FFT (Fast Fourier Transform)

  • DFT

    Calcola coefficienti spettrali del segnale su un dominio discreto.

  • Come funziona?

    1. Calcolo coefficienti complessi

    2.Somma di N/2 coefficienti

    (in parallelo)

    3.Iterazione

  • FFT

    Variante della DFT. Necessita di meno iterazioni. (migliore per applicazioni numeriche)


Cfar constant false alarm rate

CFAR (Constant False Alarm Rate)

  • Che cos'è?

    Algoritmo adattivo che serve a rilevare ostacoli in ambiente corrotto da rumore/clutter.

  • Come funziona?

    Confronta la potenza del segnale con una soglia (adattiva) e stabilisce la presenza o meno di ostacoli rilevati.

  • CA-CFAR

    Il Cell-Averaging CFAR genera la soglia mediando la potenza sulle celle adiacenti.

CA-CFAR

Guard Cells

Comparatore

CUT

MEDIA ARITMETICA

Fattore di scala

K


Possibili piattaforme di sviluppo dsp

Possibili piattaforme di sviluppo – DSP

DIGITAL SIGNAL PROCESSOR

Si tratta di microcontrollori ottimizzati per avere prestazioni elevate nell'ambito di elaborazione di segnali digitali.

Rispetto ad un normale microprocessore

  • Sono più economici

  • Dissipano meno potenza

  • Hanno prestazioni migliori

  • Presentano maggiore integrabilità

  • Migliori per real-time

Analog Devices AD8283WBCPZ


Possibili piattaforme di sviluppo fpga

Possibili piattaforme di sviluppo – FPGA

FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY

Si tratta di un circuito riprogrammabile composto da array di flip-flop (registri) e di logica (Look Up Table). Il programmatore decide come effettuare le connessioni tra i vari blocchi disponibili

  • Solitamente basate su SRAM

  • Architettura pipeline

  • Possibilità di riprogrammazione

  • Funzionamento in alta frequenza

  • Programmazione hardware

  • Ottime per realizzazione di funzioni ripetitive (non algoritmi decisionali)


Possibili piattaforme di sviluppo gpu

Possibili piattaforme di sviluppo – GPU

GRAPHICS PROCESSING UNIT

Sono le classiche “schede video” da pc, processori multi-core specializzati nel rendering di immagini digitali. Ultimamente, grazie anche al lancio dell'architettura CUDA, si sono diffuse anche nell'ambito del DSP.

  • Piuttosto costose

  • Alta potenza dissipata

  • Estrema attitudine in processo parallelo

  • Altissima velocità di elaborazione


Dspvsfpgavsgpu prestazioni

DSPvsFPGAvsGPU – Prestazioni

Tempo (μs)

Tempo (μs)

Osservazioni: la GPU è nettamente superiore nel calcolo parallelo.

Il DSP, data la frequenza di clock più elevata, ha una latenza inferiore rispetto all'FPGA.


Dspvsfpgavsgpu consumi e costi

CONSUMI MEDI (W)

COSTI MEDI (€)

10 ÷ 20

1 ÷ 3

DSP

5 ÷ 10

30 ÷ 50

FPGA

60 ÷ 200

GPU

120 ÷ 200

DSPvsFPGAvsGPU – consumi e costi

Osservazioni: mentre i DSP e le FPGA presentano prezzi e consumi ragionevoli data l'applicazione, le GPU costano e consumano decisamente troppo (almeno per un target di prezzo medio-basso), potrebbero essere utilizzate per dispositivi “di lusso” nella categoria.


Conclusioni

Conclusioni


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