Sob o capô: radar de imagem 4D de Vayyar

Hoje, os radares são usados ​​até mesmo em produtos de consumo, e os funcionários da System Plus Consulting estão interessados ​​em sua implementação. Uma empresa de tecnologia e análise de custos decidiu desmontar e examinar um chip de radar, mas qual? O sistema de RF de primeira geração da Vayyar foi escolhido como o dispositivo de análise por vários motivos.



Primeiro, os analistas da System Plus Consulting se perguntaram como Vayyar foi capaz de desenvolver um sistema RF de chip único altamente integrado em um chip. Os especialistas também ficaram intrigados com o fato de que este dispositivo pode criar imagens 4D de alta resolução.



Anteriormente, o mercado de radar crescia muito lentamente e os próprios sensores eram usados ​​em setores muito maduros (como o militar). Agora, o estado de coisas mudou significativamente. Os radares (especialmente aqueles que podem formar imagens) recebem mais atenção do que os Kardashians. Os aplicativos automotivos e de consumo estão alimentando a imaginação dos engenheiros, com o resultado de que o número de novos dispositivos e suas aplicações está crescendo na casa dos dois dígitos.







Embora os radares permaneçam essenciais para bases militares e porta-aviões, eles também estão sendo implantados em massa em casas inteligentes, carros familiares e até smartphones. Em aplicações automotivas, Tier-1 e OEMs agora estão trabalhando em radares com recursos de imagem para ADAS e detecção de atividade na cabine.



As empresas de radar também estão monitorando a funcionalidade dos smartphones. Então, por exemplo, a peça central da colaboração entre a Infineon e o Google (que foi anunciada no ano passado) foi a introdução da tecnologia de controle de gestos no Google Pixel 4 - esse recurso é baseado no desenvolvimento do radar da Infineon. Embora não esteja totalmente claro se os radares serão usados ​​em todos os telefones, o escopo desses sensores está se expandindo significativamente.



A Vayyar desenvolveu seu próprio chip RF como parte de sua linha de produtos Walabot. O sistema de monitoramento de quedas do Walbot Home permite que os familiares e cuidadores fiquem de olho nos parentes idosos que podem ter problemas de estabilidade.







O sistema baseado em radar pode reconhecer pessoas através de paredes e cortinas. Uma das vantagens dessa tecnologia é que a pessoa monitorada não precisa carregar nenhum dispositivo vestível.



Os especialistas da System Plus Consulting (parte do grupo Yole Développement) ficaram intrigados com o chip Vayyar, que analisa uma variedade de sinais recebidos de transceptores integrados e os processa usando processadores de sinais digitais.



Quando falamos com Stephan Elizabeth, um especialista em análise de custos da System Plus Consulting, ele nos explicou que Vayyar foi capaz de projetar uma pequena placa que abriga um sistema de RF em um chip e um microcontrolador. Esta disposição permite que este dispositivo funcione com qualquer processador externo instalado pelo fornecedor do sistema.







A primeira geração de chips Vayyar em questão era baseada em chips RF operando em frequências de 3 a 10 GHz. Considerando as restrições de faixa de frequência em vigor em diversos países, a Vayyar já desenvolveu dispositivos operando na faixa de 57 a 64 GHz, proporcionando largura de banda máxima e espectro de alta resolução. Também na linha existe um aparelho operando na faixa de 77 a 81 GHz.



De acordo com a System Plus Consulting, o RF system-on-a-chip vem com "processadores de sinal integrados com uma grande quantidade de SRAM na matriz do transceptor". O sistema RF transmite dados para o microcontrolador localizado na placa Walabot. "O microcontrolador apenas converte os dados da SRAM em um fluxo de dados para a interface USB." Esta etapa é crítica porque torna o sistema Vayyar versátil e flexível, o que permite que seja usado com qualquer processador externo ou processador escolhido pelos desenvolvedores de um dispositivo específico. Não importa se é um processador Qualcomm Snapdragon ou um processador para alguns outros aplicativos. Além disso, o chip Vayyar pode implementar algoritmos de visualização complexos (se necessário).

Fora da casa do Walabot

Além de implementar o Walabot Home, a Vayyar também está entrando no mercado automotivo. Dois anos atrás, a Vayyar fez parceria com a Valeo, um fornecedor líder de Nível 1. Ao mesmo tempo, a Valeo anunciou planos de usar sensores Vayyar para monitorar a respiração dos bebês e ativar alarmes em caso de emergência (especialmente se o bebê for deixado sozinho no carro).



Em novembro passado, Vayyar conseguiu levantar US $ 109 milhões em investimentos na Rodada D da Koch Disruptive Technologies (KDT), uma subsidiária de investimentos da multinacional americana Koch Industries. Atrair a KDT como um investidor estratégico tem sido muito importante, pois a Koch e suas subsidiárias têm o potencial de levar sensores Vayyar para diferentes segmentos de mercado.

Walabot Home System

O Walabot Home é um sistema inteligente que rastreia os movimentos das pessoas e determina se elas caíram e se precisam de ajuda. O dispositivo muito pequeno e fino usa um sistema de sensor que processa ondas de rádio de baixa potência (semelhantes aos sinais de Wi-Fi) para determinar a localização de uma pessoa.



O sistema RF em um chip, o sistema subjacente, combina transmissores e receptores operando na faixa de 3 GHz a 81 GHz para criar imagens 4D de alta resolução, analisando vários sinais enviados e recebidos (todos sem um processador externo) ... Graças à integração de transceptores e à alta velocidade de processamento do processador de sinal, o sistema Vayyar é capaz de descrever cenários precisos para várias situações.



Através de seu sistema Walabot Home, Vayyar pode exibir o tamanho, posição, movimento e posição de pessoas e objetos. Isso permite que você reconheça e classifique totalmente o seu ambiente em tempo real, sem usar câmeras. A falta de câmeras para processamento de imagem significa que uma das ameaças potenciais à privacidade está faltando no sistema.



O Walabot Home é um sistema de notificação de quedas que rastreia pessoas que precisam de cuidados e evita continuamente situações de perigo e acidentes. Este sistema de casa inteligente pode determinar se uma pessoa caiu enquanto se movia pela casa e se precisa de ajuda.

Sistema RF em um chip

O sistema suporta a tecnologia UWB (banda ultra larga), que permite reconhecer pessoas e determinar sua posição no espaço. O UWB transmite e recebe sinais usando pulsos de energia de alta frequência de duração extremamente curta (de algumas dezenas de picossegundos a alguns nanossegundos). Na prática, UWB é um protocolo sem fio que permite atingir uma largura de banda da ordem de gigabits por segundo com uma potência de antena de décimos de watt (a FCC classifica um sinal como UWB se sua largura de banda for> 500 MHz ou se sua largura de banda relativa exceder 20%). A vantagem dessa tecnologia é que o comprimento do pulso curto torna o sinal UWB menos suscetível a interferências devido aos reflexos da própria onda.



“Um chip de RF da Vayyar é usado para transmitir / receber sinais de RF na faixa de 3,3 a 10 GHz. O sistema usa duas placas: uma para o transceptor RF (contorno amarelo na Figura 1), coleta de dados da memória SRAM e transferência de dados via interface USB, e uma (contorno verde na Figura 1) para processamento de dados e conexão com Bluetooth / Wi. -Fi "- é assim que Stefan Elizabeth da System Plus Consulting nos explicou.







Figura 1: Raios-X do sistema Walabot Home (Fonte: Relatório sobre Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020) .







Figura 2: Diagrama de blocos do sistema doméstico Walabot (Fonte: Relatório sobre Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020).







Figura 3: Placa principal do sistema doméstico Walabot (Fonte: Relatório de SoC de imagens de radar Vayyar VYYR2401 4D UWB, System Plus Consulting, 2020) .



As duas placas mostradas na Figura 2 são conectadas usando um Flex PCB para maior flexibilidade. Essa flexibilidade economiza espaço, peso e custo (em comparação com uma solução de base rígida comparável).



De acordo com Stefan Elizabeth, a dissipação de calor é controlada de duas formas: “O material de transferência de calor é colocado em dois lugares: acima do processador e diretamente no dissipador de calor.” Ele também sugeriu que “o dissipador de calor é feito de uma liga de alumínio A380”.



A380 é uma das ligas de alumínio mais comumente usadas. A380 tem excelente fluidez, estanqueidade e resistência a rachaduras. Em particular, a fundição de liga de alumínio A380 produz peças de alta qualidade com boa relação custo-benefício e produtos duráveis.



O chip RF tem 48 E / S conectando a matriz às esferas sob o alojamento. “Das 48 entradas e saídas do chip, apenas 42 são usadas para comunicações de antena. O sistema RF em um chip usa um processador de sinal integrado com uma grande quantidade de memória SRAM na matriz do transceptor e transmite os dados para o microcontrolador. O microcontrolador, por sua vez, converte os dados da SRAM em um fluxo de dados para a interface USB. Um processador de sinal integrado elimina a necessidade de um processador externo para executar algoritmos de imagem complexos ”, disse Stefan Elizabeth.



O sistema RF on-chip usa um substrato de PCB de 6 camadas que é soldado a outro substrato de 10 camadas (Figura 4). A embalagem é feita com tecnologia FCBGA sem tampa. Um MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuit) consiste em dois osciladores de quadratura que produzem um sinal intermediário em um chip que é processado por um ADC.







Figura 4: Seção transversal de uma placa de sistema de RF em um chip (fonte: relatório Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020).



Além do processador de RF VYYR2401-A3 nos diagramas de blocos da Fig. 2 e 3, podemos ver o processador MSM8909 fornecendo comunicação móvel de emergência entre o dispositivo e a interface de codec / áudio usando um alto-falante Qualcomm e um dispositivo de controle de microfone. O Qualcomm 210 MSM8909 é um sistema básico em um chip projetado para tablets e smartphones Android. O processador está equipado com quatro núcleos ARM Cortex-A7 com uma frequência de 1,1 GHz.



O system-on-a-chip está equipado com módulos WiFi Bluetooth 4.1 + BLE, 802.11n (2,4 GHz) e um modem 4G-LTE Categoria 4 (LTE FDD, LTE TDD, WCDMA (DC-HSDPA, HSUPA), CDMA1x, EV-DO Rev. B, TD-SCDMA e GSM / EDGE) e pode operar a uma velocidade máxima de 150 Mbps.



O controlador Cypress CYUSB2014 envia os dados processados ​​pelo sistema via interface USB. O CYUSB2014 é um controlador periférico SuperSpeed ​​que oferece flexibilidade e integração de várias funções. Este controlador possui uma interface programável paralela GPIF II totalmente configurável que pode ser conectada a qualquer processador (ASIC ou FPGA). GPIF II é uma versão melhorada do GPIF do FX2LP, o dispositivo USB 2 carro-chefe da Cypress.

Antena

A placa de controle do sinal de radar consiste em 21 antenas de alta resolução. “O tamanho de uma antena pressupõe que haja uma grande placa de RF no sistema para 21 antenas”, disse Stephen Elizabeth. Como o sistema opera em frequências de 3 a 10 GHz, o tamanho da antena é grande (λ / 4 = ~ 15 mm). Ele também acrescentou que “o número de antenas conectadas está diretamente relacionado à resolução. No entanto, como este dispositivo opera em baixas frequências, o tamanho das antenas é bastante grande. ”



"A freqüência de operação desse sistema é de cerca de 9,6 gigahertz e é baseada em uma antena de gravata borboleta", acrescentou Stephen Elizabeth.







Figura 5: Placa de RF com 21 antenas (Fonte: Relatório de chip de imagem de radar Vayyar VYYR2401 4D UWB, System Plus Consulting, 2020).



O design Bow-Tie é amplamente utilizado em aplicações de imagem, radares, pontos de acesso Wi-Fi e antenas pulsadas devido às suas características de baixo perfil, alto rendimento, baixa perda e alta eficiência de radiação (Figura 6).







Figura 6: Geometria da antena de laço (Fonte: Relatório sobre Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 2020).



O projeto da antena de gravata borboleta é uma aproximação semelhante a um fio (variantes do tipo planar) da topologia dipolo bicônica. O design da antena é ideal em tamanho e custo, geometria simples e confiabilidade. A antena de gravata borboleta oferece bom controle de impedância de entrada e é fácil de fazer.

Custo e análise

A System Plus Consulting realizou uma estimativa de custo para todo o sistema, destacando que apenas 10% do custo total do sistema foi gasto no chip de RF (Figura 7).







Figura 7: Análise de custos do sistema doméstico Walabot (Fonte: Relatório de SoC de imagens de radar Vayyar VYYR2401 4D UWB, System Plus Consulting, 2020).



“Como o sistema é grande, quase 30% do custo é para PCB (placa RF, antena Wi-Fi / BT, etc.) e interconexões. Memória (RAM, Flash) e processador (Qualcomm Snapdragon 210) respondem por quase 20% do custo. 30% do custo vai para componentes discretos - sensores, PMICs, interfaces de conexão. Outros 10% vão para o display ”, disse Stefan Elizabeth.







Figura 8: Outras versões do chip VYYR (Fonte: Relatório Vayyar VYYR2401 4D UWB Radar Imaging SoC, System Plus Consulting, 202 0).



A Vayyar também desenvolveu outras versões dos chips que já estão no mercado. As frequências de operação desses modelos variam de 60 a 80 GHz. VYYR7201-A0 opera em 57-64 GHz, enquanto VYYR7202-A1 opera em 77-81 GHz. O primeiro é apresentado no sistema Vayyar V60G-Home e é adequado para aplicativos de reconhecimento de gestos, bem como a detecção de pessoas em quartos e bebês deixados em carros. Possui 46 antenas PCB lineares polarizadas. VYYR7202-A1 tem 40 antenas polarizadas integradas, este chip é usado no Vayyar V80G. É adequado para uso dentro e fora de carros e para detecção de intrusos em potencial.

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