Heutzutage werden Radargeräte sogar in Konsumgütern verwendet, und die Mitarbeiter von System Plus Consulting sind an ihrer Implementierung interessiert. Ein Technologie- und Kostenanalyseunternehmen hat beschlossen, einen Radarchip zu zerlegen und zu untersuchen, aber welcher? Das HF-System der ersten Generation von Vayyar wurde aus mehreren Gründen als Analysegerät ausgewählt.
Zunächst fragten sich die Analysten von System Plus Consulting, wie Vayyar ein derart hochintegriertes Single-Chip-RF-System auf einem Chip entwickeln konnte. Die Experten waren auch fasziniert von der Tatsache, dass dieses Gerät hochauflösende 4D-Bilder erstellen kann.
Zuvor wuchs der Radarmarkt sehr langsam und die Sensoren selbst wurden in sehr ausgereiften Branchen (wie dem Militär) eingesetzt. Jetzt hat sich der Stand der Dinge erheblich geändert. Radargeräte (insbesondere solche, die Bilder bilden können) erhalten mehr Aufmerksamkeit als die Kardashianer. Automobil- und Verbraucheranwendungen beflügeln die Fantasie der Ingenieure, so dass die Anzahl neuer Geräte und deren Anwendungen zweistellig zunimmt.
Während Radargeräte für Militärstützpunkte und Flugzeugträger nach wie vor von entscheidender Bedeutung sind, werden sie auch massenhaft in Smart Homes, Familienautos und sogar Smartphones eingesetzt. In Automobilanwendungen arbeiten Tier-1 und OEMs derzeit an Bildgebungsradargeräten für die Erkennung von ADAS- und Kabinenaktivitäten.
Radarunternehmen überwachen auch die Funktionalität von Smartphones. Das Herzstück der Zusammenarbeit zwischen Infineon und Google (die im vergangenen Jahr angekündigt wurde) war beispielsweise die Einführung der Gestensteuerungstechnologie in Google Pixel 4 - diese Funktion basiert auf der Radarentwicklung von Infineon. Obwohl noch nicht klar ist, ob Radargeräte in allen Telefonen verwendet werden, erweitert sich der Anwendungsbereich dieser Sensoren erheblich.
Vayyar hat im Rahmen seiner Walabot-Produktlinie einen eigenen HF-Chip entwickelt. Das Sturzüberwachungssystem von Walbot Home ermöglicht es Familienmitgliedern und Betreuern, ältere Verwandte im Auge zu behalten, die möglicherweise Stabilitätsprobleme haben.
Das radarbasierte System kann Personen durch Wände und Vorhänge erkennen. Einer der Vorteile dieser Technologie besteht darin, dass die überwachte Person keine tragbaren Geräte tragen muss.
Die Experten von System Plus Consulting (Teil der Yole Développement-Gruppe) waren vom Vayyar-Chip fasziniert, der eine Vielzahl von Signalen analysiert, die von integrierten Transceivern empfangen werden, und diese mithilfe digitaler Signalprozessoren verarbeitet.
Als wir mit Stephan Elizabeth, einem Experten für Kostenanalyse bei System Plus Consulting, sprachen, erklärte er uns, dass Vayyar eine kleine Platine entwerfen konnte, die sowohl ein HF-System auf einem Chip als auch einen Mikrocontroller enthält. Diese Anordnung ermöglicht es diesem Gerät, mit jedem externen Systemprozessor zu arbeiten, der vom Systemhersteller installiert wurde.
Die fraglichen Vayyar-Chips der ersten Generation basierten auf HF-Chips, die bei Frequenzen von 3 bis 10 GHz betrieben wurden. In Anbetracht der in verschiedenen Ländern geltenden Frequenzbereichsbeschränkungen hat Vayyar bereits Geräte entwickelt, die im Bereich von 57 bis 64 GHz arbeiten und somit maximale Bandbreite und ein hochauflösendes Spektrum bieten. Ebenfalls in der Leitung befindet sich ein Gerät im Bereich von 77 bis 81 GHz.
Laut System Plus Consulting verfügt das RF-System auf einem Chip über einen "eingebetteten Signalprozessor mit viel SRAM im Transceiver-Chip". Das RF-System überträgt Daten an den Mikrocontroller auf der Walabot-Karte. "Der Mikrocontroller konvertiert nur die Daten vom SRAM in einen Datenstrom für die USB-Schnittstelle." Dieser Schritt ist wichtig, da das Vayyar-System dadurch vielseitig und flexibel ist und mit jedem externen Prozessor oder Prozessor verwendet werden kann, der von den Entwicklern eines bestimmten Geräts ausgewählt wurde. Es spielt keine Rolle, ob es sich um einen Qualcomm Snapdragon-Prozessor oder einen Prozessor für einige andere Anwendungen handelt. Außerdem kann der Chip von Vayyar (falls erforderlich) komplexe Visualisierungsalgorithmen implementieren.
Außerhalb Walabot Home
Neben der Implementierung von Walabot Home steigt Vayyar auch in den Automobilmarkt ein. Vor zwei Jahren hat Vayyar eine Partnerschaft mit Valeo geschlossen, einem führenden Tier-1-Anbieter. Gleichzeitig kündigte Valeo Pläne an, Vayyar-Sensoren zu verwenden, um die Atmung von Babys zu überwachen und im Notfall Alarme zu aktivieren (insbesondere, wenn das Baby allein im Auto gelassen wird).
Im vergangenen November gelang es Vayyar, 109 Millionen US-Dollar in Runde D von Koch Disruptive Technologies (KDT), einer Investmenttochter des amerikanischen multinationalen Unternehmens Koch Industries, zu investieren. Die Gewinnung von KDT als strategischer Investor war sehr wichtig, da Koch und seine Tochterunternehmen das Potenzial haben, Vayyar-Sensoren in verschiedene Marktsegmente zu bringen.
Walabot Home System
Walabot Home ist ein intelligentes System, das die Bewegungen von Menschen verfolgt und feststellt, ob sie gefallen sind und ob sie Hilfe benötigen. Das sehr kleine und dünne Gerät verwendet ein Sensorsystem, das Funkwellen mit geringem Stromverbrauch (ähnlich wie Wi-Fi-Signale) verarbeitet, um den Standort einer Person zu bestimmen.
Das HF-System auf einem Chip, das zugrunde liegende System, kombiniert Sender und Empfänger im Bereich von 3 GHz bis 81 GHz, um hochauflösende 4D-Bilder zu erstellen, indem mehrere gesendete und empfangene Signale analysiert werden (alle ohne externen Prozessor). ... Dank der Integration von Transceivern und der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit des Signalprozessors kann das Vayyar-System präzise Szenarien für verschiedene Situationen beschreiben.
Über das Walabot Home-System kann Vayyar die Größe, Position, Bewegung und Position von Personen und Objekten anzeigen. Dies ermöglicht die vollständige Erkennung und Klassifizierung der Umgebung in Echtzeit ohne Verwendung von Kameras. Das Fehlen von Kameras zur Verarbeitung der Bilder bedeutet, dass eine der potenziellen Datenschutzbedrohungen im System fehlt.
Walabot Home ist ein Sturzmeldesystem, das pflegebedürftige Personen erfasst und potenziell gefährliche Situationen und Unfälle kontinuierlich verhindert. Dieses Smart-Home-System kann feststellen, ob eine Person beim Bewegen im Haus gestürzt ist und ob sie Hilfe benötigt.
RF-System auf einem Chip
Das System unterstützt die UWB-Technologie (Ultra Wide Band), mit der Personen erkannt und ihre Position im Raum bestimmt werden können. UWB sendet und empfängt Signale mit Hochfrequenzenergieimpulsen von extrem kurzer Dauer (von einigen zehn Pikosekunden bis zu einigen Nanosekunden). In der Praxis ist UWB ein drahtloses Protokoll, mit dem Sie eine Bandbreite in der Größenordnung von Gigabit pro Sekunde mit einer Antennenleistung von Zehntel Watt erreichen können (die FCC klassifiziert ein Signal als UWB, wenn seine Bandbreite> 500 MHz ist oder wenn seine relative Bandbreite 20% überschreitet). Der Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass das UWB-Signal aufgrund der kurzen Pulslänge aufgrund von Reflexionen der Welle selbst weniger störanfällig ist.
„Ein HF-Chip von Vayyar wird zum Senden / Empfangen von HF-Signalen im Bereich von 3,3 bis 10 GHz verwendet. Das System verwendet zwei Karten: eine für den HF-Transceiver (gelber Umriss in Abbildung 1), Datenerfassung aus dem SRAM-Speicher und Datenübertragung über die USB-Schnittstelle und eine (grüner Umriss in Abbildung 1) für die Datenverarbeitung und die Verbindung zu Bluetooth / Wi. -Fi "- so erklärte uns Stefan Elizabeth von System Plus Consulting.
Abbildung 1: Röntgenaufnahme des Walabot Home-Systems (Quelle: Bericht über Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020) .
Abbildung 2: Blockdiagramm des Walabot-Heimsystems (Quelle: Bericht über Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020).
Abbildung 3: Hauptplatine des Walabot-Heimsystems (Quelle: Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC-Bericht, System Plus Consulting, 2020) .
Die beiden in Abbildung 2 gezeigten Karten werden für mehr Flexibilität mit einer Flex-Platine verbunden. Diese Flexibilität spart Platz, Gewicht und Kosten (im Vergleich zu einer vergleichbaren Lösung mit starrer Basis).
Laut Stefan Elizabeth wird die Wärmeableitung auf zwei Arten gesteuert: „Das Wärmeübertragungsmaterial wird an zwei Stellen platziert: über dem Prozessor und direkt auf dem Kühlkörper.“ Er schlug auch vor, dass „der Kühlkörper aus einer A380-Aluminiumlegierung besteht“.
A380 ist eine der am häufigsten verwendeten Aluminiumlegierungen. Der A380 zeichnet sich durch hervorragende Fließfähigkeit, Dichtheit und Rissbeständigkeit aus. Insbesondere beim Druckgießen von A380-Aluminiumlegierungen entstehen hochwertige, kostengünstige Teile und langlebige Produkte.
Der HF-Chip verfügt über 48 E / A, die den Chip mit den Kugeln unter dem Gehäuse verbinden. „Von den 48 Ein- und Ausgängen auf dem Chip werden nur 42 für die Antennenkommunikation verwendet. Das HF-System auf einem Chip verwendet einen integrierten Signalprozessor mit einer großen Menge an SRAM-Speicher im Transceiver-Chip und überträgt Daten an den Mikrocontroller. Der Mikrocontroller wiederum konvertiert die Daten vom SRAM in einen Datenstrom für die USB-Schnittstelle. Ein integrierter Signalprozessor macht einen externen Prozessor überflüssig, um komplexe Bildgebungsalgorithmen auszuführen “, sagte Stefan Elizabeth.
Das On-Chip-HF-System verwendet ein 6-Schicht-PCB-Substrat, das mit einem anderen 10-Schicht-Substrat verlötet ist (Abbildung 4). Die Verpackung erfolgt mit FCBGA-Technologie ohne Deckel. Eine MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuit) besteht aus zwei Quadraturoszillatoren, die auf einem Chip, der von einem ADC verarbeitet wird, ein Zwischensignal erzeugen.
Abbildung 4: Querschnitt einer HF-Systemplatine auf einem Chip (Quelle: Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC-Bericht, System Plus Consulting, 2020).
Zusätzlich zum HF-Prozessor VYYR2401-A3 in den Blockdiagrammen in Abb. In den 2 und 3 sehen wir den MSM8909-Prozessor, der eine mobile Notfallkommunikation zwischen dem Gerät und dem Codec / Audio-Interface unter Verwendung eines Qualcomm-Lautsprechers und eines Mikrofonsteuergeräts bereitstellt. Das Qualcomm 210 MSM8909 ist ein Einstiegssystem auf einem Chip für Android-Tablets und Smartphones. Der Prozessor ist mit vier ARM Cortex-A7-Kernen mit einer Frequenz von 1,1 GHz ausgestattet.
Das System-on-a-Chip ist mit Bluetooth 4.1 + BLE, 802.11n (2,4 GHz) WiFi-Modulen und einem 4G-LTE-Modem der Kategorie 4 (LTE FDD, LTE TDD, WCDMA (DC-HSDPA, HSUPA), CDMA1x, EV-DO Rev. ausgestattet. B, TD-SCDMA und GSM / EDGE) und kann mit einer maximalen Geschwindigkeit von 150 Mbit / s betrieben werden.
Der Cypress CYUSB2014-Controller sendet die vom System verarbeiteten Daten über die USB-Schnittstelle. Der CYUSB2014 ist ein SuperSpeed-Peripheriegerät, das Flexibilität und Integration verschiedener Funktionen bietet. Dieser Controller verfügt über eine vollständig konfigurierbare, parallel programmierbare GPIF II-Schnittstelle, die an jeden Prozessor (ASIC oder FPGA) angeschlossen werden kann. GPIF II ist eine verbesserte Version von GPIF von FX2LP, Cypress 'Flaggschiff USB 2.
Antenne
Die Radarsignalsteuerkarte besteht aus 21 Antennen mit hoher Auflösung. "Die Größe einer Antenne setzt voraus, dass das System eine große HF-Karte für 21 Antennen enthält", sagte Stephen Elizabeth. Da das System bei Frequenzen von 3 bis 10 GHz arbeitet, ist die Antennengröße groß (λ / 4 = ~ 15 mm). Er fügte hinzu, dass „die Anzahl der angeschlossenen Antennen in direktem Zusammenhang mit der Auflösung steht. Da dieses Gerät jedoch bei niedrigen Frequenzen arbeitet, ist die Größe der Antennen ziemlich groß.
"Die Betriebsfrequenz dieses Systems beträgt etwa 9,6 GHz und basiert auf den Parametern einer Fliegenantenne", fügte Stephen Elizabeth hinzu.
Abbildung 5: HF-Karte mit 21 Antennen (Quelle: Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging Chip Report, System Plus Consulting, 2020).
Das Bow-Tie-Design wird aufgrund seiner Eigenschaften von geringem Profil, hohem Durchsatz, geringem Verlust und hoher Strahlungseffizienz häufig in Bildgebungsanwendungen, Radargeräten, Wi-Fi-Zugangspunkten und gepulsten Antennen verwendet (Abbildung 6).
Abbildung 6: Geometrie der Fliegenantenne (Quelle: Bericht über Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020).
Das Design der Fliegenantenne ist eine Drahtannäherung (planare Varianten) der bikonischen Dipoltopologie. Das Antennendesign ist ideal in Größe und Kosten, einfacher Geometrie und Zuverlässigkeit. Die Fliegenantenne bietet eine gute Steuerung der Eingangsimpedanz und ist einfach herzustellen.
Kosten und Analyse
System Plus Consulting führte eine Kostenschätzung für das gesamte System durch und stellte fest, dass nur 10% der gesamten Systemkosten für den HF-Chip aufgewendet wurden (Abbildung 7).
Abbildung 7: Kostenanalyse für das Walabot-Heimsystem (Quelle: Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC-Bericht, System Plus Consulting, 2020).
„Da das System groß ist, entfallen fast 30% der Kosten auf die Leiterplatte (HF-Karte, Wi-Fi / BT-Antenne usw.) und die Verbindungen. Speicher (RAM, Flash) und Prozessor (Qualcomm Snapdragon 210) machen fast 20% der Kosten aus. 30% der Kosten entfallen auf einzelne Komponenten - Sensoren, PMICs, Verbindungsschnittstellen. Weitere 10% gehen an das Display “, sagte Stefan Elizabeth.
Abbildung 8: Andere VYYR-Chipversionen (Quelle: Vayyar-Bericht VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 202 0).
Vayyar hat auch andere Versionen der Chips entwickelt, die bereits auf dem Markt sind. Die Betriebsfrequenzen dieser Modelle liegen zwischen 60 und 80 GHz. VYYR7201-A0 arbeitet mit 57-64 GHz, während VYYR7202-A1 mit 77-81 GHz arbeitet. Ersteres wird im Vayyar V60G-Home-System vorgestellt und eignet sich für Gestenerkennungsanwendungen sowie zur Erkennung von Personen in Räumen und Babys, die in Autos zurückgelassen wurden. Es verfügt über 46 linear polarisierte Leiterplattenantennen. VYYR7202-A1 verfügt über 40 integrierte polarisierte Antennen. Dieser Chip wird in Vayyar V80G verwendet. Es eignet sich zum Ein- und Aussteigen in Fahrzeuge und zum Erkennen potenzieller Eindringlinge.
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