밀리미터파 레이더 키트를 사용하여 정밀 물체 감지 설계 개발 시간 단축

설계자는 스마트 빌딩, 공장 자동화, 교통, 드론 등 다양한 산업용 응용 분야를 위한 더 작고, 더 정확하고, 감지 범위가 넓은 동작 센서를 구현해야 한다는 압박을 항상 받고 있습니다. 밀리미터파(mmWave) 기술이 매력적인 동작 감지 옵션으로 등장하면서, mmWave 기술이 생소한 설계자는 기본 레이더 프런트 엔드 및 고성능 신호 체인 문제에 직면하게 됩니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 이제 설계자는 mmWave 장치 및 관련 개발 키트를 사용하여 정교하고 정밀한 동작 감지 시스템을 빠르게 배포할 수 있습니다.

이 기사에서는 동작 감지 시스템의 확대된 역할을 설명하고 범위 및 정확도의 측면에서 mmWave가 왜 유용한 옵션인지를 살펴봅니다. 그런 다음 적합한 키트를 소개하고 키트를 시작하여 실행하는 방법을 보여줍니다.

점점 확대되고 있는 동작 감지의 역할

동작 감지는 광범위한 응용 분야에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. 스마트 빌딩 및 홈 제품에서 편의 기능의 역할뿐 아니라 자동차 및 산업용 응용 분야에서도 중요한 안전 기능을 제공합니다. 점점 더 많은 응용 분야에서 확대된 범위와 정확도가 중요해짐에 따라 수동 적외선 센서 또는 ToF(시간차) 시스템을 기반으로 구축된 기존 방법은 사용할 수 없게 되었습니다.

따라서 주파수 변조 지속파(FMCW) mmWave 레이더 기술에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 파장이 짧은 신호를 사용하여 1밀리미터 이하의 정확도로 물체를 감지할 수 있습니다. 또한 비, 안개, 먼지, 눈 등과 같은 열악한 환경 조건에도 불구하고 우수한 성능을 유지하면서 플라스틱, 석고판, 의류 등과 같은 소재를 관통할 수 있습니다.

mmWave 에너지의 촘촘한 광선으로 초점을 맞추고 조정하여 물체를 매우 정확하게 감지하고 서로 근접한 위치에서 이동하는 여러 물체를 추적할 수 있습니다.

mmWave 기술 작동 방법

mmWave 레이더 신호 처리에 대한 세부 정보는 이 문서의 범위를 벗어나지만 감지 원리는 물체의 에너지 반사를 비롯한 친숙한 개념을 기반으로 합니다. 선형 FMCW 레이더의 경우 이 에너지는 처프라는 밀리미터파 신호음이며, 주파수에서 시간에 따라 선형적으로 변경됩니다. 레이더 시스템에서 처프를 생성하여 전송한 후 사정 범위 내 물체에서 반사되는 처프 신호를 감지하여 혼합기로 전달합니다. 혼합기에서는 RX 및 TX 신호를 결합하여 중간 주파수(IF) 신호를 생성합니다.

처프 전송 시간과 반사되는 신호 감지 시간 사이의 지연을 활용하여 레이더 시스템 안테나와 물체 사이의 거리를 계산합니다. 레이더 시스템에서는 단일 관찰 범위 또는 프레임 내에서 처프가 여러 번 생성될 경우 반사되는 해당 처프의 위상차를 측정하여 물체의 속도를 결정할 수 있습니다. 수신기를 여러 개 사용할 경우 레이더 시스템에서는 레이더 시스템과 물체 사이의 상대적 도래각(AoA)을 결정할 수 있습니다. 고성능 레이더 시스템에서는 복잡한 계산에서 동일한 원리를 적용하여 서로 다른 속도와 궤도로 움직이는 여러 목표를 추적할 수 있습니다.

이러한 작업을 수행할 수 있는 시스템 설계에서는 RF, 아날로그 및 디지털 서브 시스템을 결합합니다(그림 1). 시스템 출력 신호 체인의 일부로 RF 신호 합성기는 전송을 위한 처프를 생성합니다. 시스템 입력 신호 체인의 첫 번째 단계에서 RF 혼합기는 생성된 처프를 반사된 처프와 결합하여 IF 신호를 생성합니다. 후속 아날로그 단계의 일부로 저역 통과 필터 및 아날로그 디지털 컨버터(ADC)는 고속 프리에 변환(FFT) 및 기타 알고리즘을 사용하여 신호를 처리하기 위해 디지털 데이터 스트림을 생성합니다.

그림 1: 일반 밀리미터파 주파수 변조 지속파(FMCW) 레이더 설계에서는 고집적 RF, 아날로그 및 디지털 서브 시스템에 의존하여 처프라는 정밀하게 제어되는 에너지를 전송하고, 반사되는 신호를 처리하여 사정 범위 내 물체의 범위, 속도 및 상대적 각도를 확인합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이 기본 아키텍처가 일반 FMCW 레이더 시스템에 적용되지만, 구체적인 설계 사양은 최대 감지 범위, 범위 분해능, 각 분해능 등에 대한 응용 분야의 수준 요구 사항에 따라 달라집니다. 예를 들어, 최대 감지 범위는 IF에 비례하고 주파수 경사에 반비례합니다. 따라서 자동차 적응형 크루즈 컨트롤과 같은 장거리 응용 분야의 경우, 높은 IF를 지원하고 빠른 주파수 스윕 시간에 처프를 생성할 수 있도록 설계해야 합니다.

또한 레이더 성능을 최적화하려는 설계자는 TX 출력 전력, RX 감도 및 잡음 지수, 안테나 TX 및 RX 이득 프로파일 기하 구조, 반사되는 신호의 신호 대 잡음 비율을 비롯한 다양한 설계 특성을 처리해야 합니다. 또한 모든 응용 분야에는 고유하게 결합된 요인이 존재하므로 개발자는 상호 의존적이고 복잡한 요구 사항을 충족해야 합니다.

Texas Instruments에서 mmWave 플랫폼을 선보이면서 설계자의 레이더 시스템 설계 및 구성 과정에서의 어려움이 상당히 해소되었습니다.

단일칩 mmWave 솔루션

Texas Instruments의 mmWave 솔루션은 mmWave IC와 포괄적인 소프트웨어 환경을 결합하여 mmWave 기반 동작 감지기 응용 제품 구현을 획기적으로 간소화할 수 있습니다. Texas Instruments의 IWR1443 및 IWR1642를 비롯한 산업용 mmWave 장치에서는 FMCW 레이더 신호를 생성, 전송, 수신, 처리하는 데 필요한 RF, 아날로그 및 디지털 서브 시스템을 전체적으로 통합합니다. 이러한 장치는 유사한 RF/아날로그 프런트 엔드를 정교한 디지털 서브 시스템과 결합합니다(그림 2). 이 프런트 엔드 아키텍처 내에서 이러한 장치는 전체 FMCW 76 ~ 81GHz 대역 트랜시버 서브 시스템을 4개의 전용 RX 신호 경로 및 여러 TX 채널(IWR1443의 경우 3개, IWR1642의 경우 2개)과 통합합니다.

그림 2: Texas Instruments의 IWR1443 및 IWR1642 mmWave 장치는 유사한 프런트 엔드 아키텍처를 기반으로 구축되어 4개의 별도 RX 채널과 여러 TX 채널(IWR1443의 경우 3개, IWR1642의 경우 2개)을 제공합니다. (이미지 출처: DigiKey, Texas Instruments 출처 자료 사용)

디지털 서브 시스템의 경우 두 장치는 모두 Arm® Cortex®-R4F 프로세서 코어를 통합합니다. 이 프로세서 코어는 장치 주변 장치, 펌웨어 업데이트, 부팅 및 기타 호스트 기능을 담당하는 마스터 제어 시스템에서 장치 호스트 역할을 합니다. 통합 ROM 및 프로그램/데이터 메모리를 사용하여 이 마스터 제어 시스템은 대규모 시스템 설계에서 TI mmWave 장치를 자율적으로 작동하는 1차적인 역할을 수행합니다.

통합 레이더 처리 서브 시스템의 경우 두 장치는 모두 ADC 버퍼, 레이더 L3 데이터 메모리, 캐시, 마스터 제어 시스템 호스트와 통신용 메모리를 비롯하여 공유 메모리 자원에 고속 처리량을 제공하는 128비트, 200MHz 버스를 기반으로 구축된 유사한 아키텍처를 사용합니다. 동일한 이 버스에 연결된 향상된 DMA(EDMA) 모듈은 프로세서에 종속되지 않은 전송을 지원하여 처리 파이프라인의 다양한 단계에서 데이터 전송 시간을 단축합니다.

레이더 신호 처리 서브 시스템의 경우 IWR1443 및 IWR1642는 두 가지 접근 방법을 사용합니다. IWR1443에는 FFT 계산 및 다른 계산의 기본 레이더 신호 처리를 가속화하도록 설계된 특수 가속기가 포함되어 있습니다(그림 3). 또한 별도 Arm Cortex-R4F 프로세서(레이더 시스템)가 프런트 엔드 구성, 레이더 서브 시스템 제어 및 보정을 위한 전용 호스트 역할을 합니다.

그림 3: RF 및 아날로그 프런트 엔드와 함께 Texas Instruments의 IWR1443 mmWave 장치는 Arm Cortex-R4F 기반 마스터 제어 시스템, 별도 Arm Cortex-R4F 기반 RADAR 시스템, 레이더 신호 처리 가속화를 위한 FFT 가속기를 비롯한 디지털 서브 시스템을 통합합니다. (그림 출처: Texas Instruments)

레이더 신호 프로세서의 경우 IWR1642는 Texas Instruments의 C674x 디지털 신호 처리(DSP) 코어를 통합합니다(그림 4). FMCW 신호 처리를 위해 특별히 설계된 IWR1642 DSP는 256KB 통합 프로그램/데이터 L2 캐시와 함께 32KB L1 프로그램(L1P) 및 데이터(L1d) 캐시에서 지원되는 600MHz 시계로 작동하여 DSP 작업을 가속화합니다. 필요한 경우 개발자는 IWR1642를 레이더 신호 프로세서로 엄격하게 활용할 수 있습니다.

그림 4: RF/아날로그 프런트 엔드와 함께 Texas Instruments의 IWR1443 mmWave 장치는 Arm Cortex-R4F(마스터 프로세서), Texas Instruments의 C674x 디지털 신호 처리(DSP) 코어(레이더 신호 처리용)를 비롯한 디지털 서브 시스템을 통합합니다. (그림 출처: Texas Instruments)

마스터 제어 서브 시스템과 레이더 서브 시스템에 모두 내장된 HIL(Hardware-in-the-Loop) 모듈을 사용하면 개발자가 장치의 데이터 수정 모듈(DMM) 입력 포트를 통해 RF 프런트 엔드를 우회하고 신호 처리를 위해 원시 레이더 데이터를 IWR1642에 로드할 수 있습니다.

레이더 신호 처리 체인

선택되는 IWR1443의 하드웨어 가속기 또는 IWR1642의 C674x DSP 코어는 각 응용 분야의 고유한 요구 사항에 따라 달라지지만, 응용 분야에서 선택된 장치의 운영은 대부분 개발자에게 투명하게 드러납니다. Texas Instruments mmWave 솔루션 아키텍처의 TI mmWave 소프트웨어 환경에서는 장치의 자원을 활용하여 레이더 신호 처리에서 일반적으로 사용되는 개별 데이터 변환을 담당하는 데이터 처리 장치(DPU)라는 기능 모듈을 실행할 수 있습니다. TI mmWave DPU 중에서 핵심 기능은 다음과 같습니다.

• 범위 FFT: 취득 기간에 활성 프레임 내에서 처프 데이터를 읽고 범위 계산에 사용되는 1차원 FFT와 레이더 데이터 큐브를 생성합니다. 이는 전용 L3 레이더 데이터 메모리에 저장되는 범위, 처프 및 안테나 데이터의 3차원(3D) 매트릭스입니다.
• 정적 클러터 제거: 샘플 세트에서 샘플의 평균값을 뺍니다.
• 도플러 FFT: 2D FFT 계산을 수행하여 프레임 간의 레이더 큐브 데이터를 구체화하고 레이더 물체 감지 알고리즘에 사용되는 감지 매트릭스를 생성합니다.
• CFAR: 물체 감지에 일반적으로 사용되는 CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘을 수행합니다.
• CFAR 셀 평균: AoA를 CFAR 모듈과 결합하여 레이더 시스템에서 잡음을 기준으로 물체를 감지하는 데 일반적으로 사용되는 CFAR 셀 평균(CFAR-CA) 알고리즘을 구현합니다.
• 클러스터링, 그룹 추적 및 분류를 위한 추가 DPU는 레이더 신호 데이터를 응용 분야별로 구체화합니다.

TI mmWave 소프트웨어 개발 키트(SDK)를 사용하면 개발자가 데이터 경로 관리자(DPM) 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)를 호출하여 다른 DPU를 필요한 감지(또는 데이터) 처리 체인(DPC)에 결합할 수 있습니다. 예를 들어, DPC를 구현하여 물체를 감지하려면(그림 5) Texas Instruments의 mmWave SDK 배포에 포함된 샘플 코드에 표시된 대로 몇 번의 기본 호출만 수행하면 됩니다(목록 1).

그림 5: 일반 물체 감지 처리 체인은 취득 기간에 레이더 신호 처리 기능(예: 범위 FFT 계산)을 수행하고 인터프레임 기간에 다른 데이터 변환을 수행하는 별도 데이터 처리 장치(DPU)를 결합합니다. (그림 출처: Texas Instruments)

복사
    for(i = 0; i < RL_MAX_SUBFRAMES; i++)
    {
        subFrmObj = &objDetObj->subFrameObj[i];
 
        subFrmObj->dpuRangeObj = DPU_RangeProcHWA_init(&rangeInitParams, errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
 
        subFrmObj->dpuStaticClutterObj = DPU_StaticClutterProc_init(errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
 
        subFrmObj->dpuCFARCAObj = DPU_CFARCAProcHWA_init(&cfarInitParams, errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
        
        subFrmObj->dpuDopplerObj = DPU_DopplerProcHWA_init(&dopplerInitParams, errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
 
        subFrmObj->dpuAoAObj = DPU_AoAProcHWA_init(&aoaInitParams, errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
    } 

목록 1: Texas Instruments의 mmWave SDK 배포에 포함되는 이 코드 조각과 같은 샘플 코드에서는 ObjDetObj 구조체에 일련의 DPU를 추가하여 DPC를 생성하기 위한 기본 설계 패턴을 보여줍니다. (코드 출처: Texas Instruments)

다층 소프트웨어 환경 내 소프트웨어 서비스는 DSP 서브 시스템(DSS), 마스터 서브 시스템(MSS) 및 가속기를 사용하거나 이들을 조합하여 DPU를 자동으로 구현합니다(그림 6). 응용 제품 레벨에서 개발자는 mmWave API를 사용하여 완전히 구성된 DPC에서 DPU 결과에 액세스하거나 mmWaveLink API를 통해 mmWave 프런트 엔드에 직접 액세스합니다.

그림 6: Texas Instruments의 mmWave 환경에서는 레이더 시스템 운영 세부 사항을 숨겨서 동작 감지 응용 제품 개발을 간소화하는 다양한 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)를 제공합니다. (그림 출처: Texas Instruments)

mmWaveLink에서 특정 응용 분야용으로 제공하는 중요 서비스 중 하나로 FMCW 처프 및 처프 프레임을 생성하는 내부 레이더 타이밍 엔진 구성이 있습니다. 앞에서 설명한 대로 처프 및 처프 프레임 특성에 따라 물체 감지 성능이 결정되지만, 실용적인 제한으로 인해 일부 성능 설정을 선택하면 다른 성능 설정이 제한됩니다.

예를 들어, 최대 감지 범위가 주파수 경사에 반비례하므로 장거리 감지가 필요한 개발자는 주파수 경사를 최소화해야 합니다. 그러면 처프 주파수 스윕 대역폭에 영향을 줍니다. 즉, 감지 범위 분해능은 주파수 특성에 비례하므로 분해능이 저하됩니다. 실제로 최적화된 처프 및 퍼츠 프레임 작업 사양은 레이더 설계의 중요한 요소이므로 개발자는 다양한 처프 특성을 균형 조정해야 합니다(그림 7).

그림 7: 물체 감지 범위 및 분해능은 전송되는 처프의 특성에 따라 크게 달라지므로 개발자는 처프 발생기를 구성할 때 신중하게 설정을 최적화해야 합니다. (그림 출처: Texas Instruments)

처프 설정을 평가하기 위한 온라인 mmWave 감지 계산기 도구뿐 아니라 Texas Instruments는 mmWave 센서를 위한 산업용 툴박스에 사용 사례별 권장 처프 구성이 포함된 포괄적인 처프 데이터베이스를 제공합니다. 개발자는 고분해능 제스처 인식, 장거리 통신 모니터링 등과 같은 응용 분야를 포괄하는 참조 설계 및 샘플 코드를 찾을 수 있습니다. mmWave BoosterPacks를 기반으로 구축된 샘플 응용 분야를 통해 개발자는 mmWave 성능을 빠르게 평가하고 고유한 맞춤형 응용 분야에 맞게 참조 설계를 확장할 수 있습니다. 예를 들어, 제스처 제어를 평가하려는 개발자는 IWR1443 BoosterPack(IWR1443BOOST) 평가 모듈(EVM)을 Windows PC의 USB 포트에 연결하고, 사전 빌드된 펌웨어를 업로드하고, 손가락 빙빙 돌리기와 같은 복잡한 제스처 감지를 살펴볼 수 있습니다(그림 8).

그림 8: Texas Instruments의 IWR1443BOOST EVM 및 사용 가능한 샘플 코드를 사용하여 개발자는 동적 고분해능 제스처 인식(예: 손가락을 빙빙 돌려서 이미징 시스템 제어)을 위한 mmWave 기술 응용을 살펴볼 수 있습니다. (그림 출처: Texas Instruments)

제스처 인식에서는 IWR1443BOOST EVM이 단독 하드웨어 플랫폼 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어, Texas Instruments는 LaunchPad 개발 키트와 함께 mmWave BoosterPack 사용을 보여줍니다. 예를 들어, 사용자 추적 응용 제품에서는 IWR1642BOOST EVM을 LAUNCHXLCC1352R1 무선 MCU LaunchPad와 결합하여 원격으로 배포된 레이더 시스템에서 사용자 감지 및 추적을 입증합니다. 이 참조 설계에서는 분해능을 희생하고 최대 범위를 확장할 때 다양한 처프 설정의 효과를 보여줍니다(그림 9).

그림 9: Texas Instruments의 mmWave 샘플 응용 제품은 개발자가 처프 특성과 감지 성능 간의 관계를 살펴볼 수 있는 다양한 처프 구성을 제공합니다. (그림 출처: Texas Instruments)

결론

밀리미터파 기술은 범위 및 정확도의 측면에서 이전 방법보다 장점이 있습니다. 하지만 개발자의 경우 하드웨어 및 소프트웨어 레벨에서 이 기술의 배포를 제한하는 다양한 과제가 있습니다. Texas Instruments의 mmWave 장치, 개발 도구 및 포괄적인 소프트웨어 환경을 이용하면 mmWave 기술을 통해 정교한 물체 감지 및 추적 응용 제품을 구현하는 데 방해되는 장애물을 획기적으로 줄일 수 있습니다.