馬斯克低頭，特斯拉重拾毫米波雷達互聯網+
導讀
2022 年 6 月 7 日，特斯拉向 FCC 聯邦通訊委員會提交了毫米波雷達的相關材料。
2022 年 6 月 7 日，特斯拉向 FCC 聯邦通訊委員會提交了毫米波雷達的相關材料。
2022 年 6 月 7 日，特斯拉向 FCC 聯邦通訊委員會提交了毫米波雷達的相關材料。
一般而言，在美國上市的射頻相關產品，都必須向 FCC 提交第三方測試材料來證明其符合美國的頻譜管制規則。
這意味著特斯拉不僅沒有放棄毫米波雷達，而且親自下場設計了一款毫米波雷達。
實際上在 1 年前，也就是 2021 年 6 月 3 日，特斯拉就提交了一份有關毫米波雷達的材料，即 2AEIM-161631，這是一款比較特殊的 60GHz-64GHz 的毫米波雷達。
目前這款毫米波雷達的用途未知，從材料上看，其主芯片是德州儀器的 IWR6843AOP，可能是駕駛者生命體征監測 Driver Vital Monitoring，即監測駕駛員的心跳脈搏。
雖然馬斯克說要取消汽車前向毫米波雷達，但從特斯拉車主手冊的內容來看，毫米波雷達一直都在，從未取消。
在美國地區，2022 年款特斯拉 Model Y 車主手冊第 219 頁明確指出：
「Traffic-Aware Cruise Control and Autosteer are unavailable because the radar located in the front bumper area of your vehicle has no or low visibility. Continue to your destination. Your vehicle is OK to drive. Traffic-Aware Cruise Control and Autosteer will remain unavailable as long as the radar lacks adequate visibility. This could be a temporary obstruction caused by factors like snow, ice, dirt, or mud. If the alert is caused by a temporary factor like these, no action might be needed: the condition might clear during your drive.」
可以看出，特斯拉智能駕駛必須要毫米波雷達配合。
2021 年推出的 Model S Plaid 也是如此：
圖中的【6】就代表毫米波雷達，和 Model 3 一樣，Model S Plaid 搭載的還是大陸汽車旗下 ASC 公司的 ARS-4B，最遠有效距離為 170 米。這是 2014 年初的產品，性價比很高，特斯拉一直在使用。
同期，ASC 還推出了 ARS-4A，有效距離可達 250 米，不過價格要高一點。因此大部分車企都選擇了 ARS-4A。
按照 FCC 慣例，部分資料保密，要到半年后才解除保密限制。
目前 FCC 網站只公開了特斯拉毫米波雷達的檢測報告和 Label 標簽。
眼下信息有限，只知道其大概參數，3 線進入，功率不低。特斯拉原先的大陸 ARS-4B 的功率輸出僅 52 毫瓦。
特斯拉出現一系列投訴幽靈剎車的問題，其根源不是視覺系統，實際可能是毫米波雷達的問題。
毫米波雷達對金屬目標敏感，特別是人行天橋和路邊的標牌，甚至是中央護欄，特斯拉多次幽靈剎車，前特斯拉 AI 項目負責人——安德烈·卡帕西，曾在演講中描述過一個特斯拉因「攝像頭+毫米波雷達」技術路線造成「幽靈剎車」的典型案例：
當車輛即將駛入橋下的時候，毫米波雷達已經檢測到了「橋」這個靜態物體的存在，但是因為沒有足夠的分辨率，毫米波雷達分不清楚這個物體是橋梁還是汽車。
這時候就需要視覺感知來告訴系統：這個靜態的物體到底是什么。
但由于關聯了毫米波雷達的原因，攝像頭在對前方物體各項參數的測量中都沒有發揮足夠的精度。
如果前方恰好有一輛緩慢減速的汽車（但不足以造成剎車），系統就會將視覺系統報告的「減速車輛」和雷達報告的「靜態物體」相關聯，從而導致不必要的剎車事件。
大部分毫米波雷達都過濾了靜態目標，避免出現幽靈剎車。但特斯拉用的 ARS-4B本來是設計工業領域用的，沒有過濾靜態目標。
再有一個，特斯拉為了美觀，把毫米波雷達隱藏在保險杠內，如果是高品質的毫米波雷達，這個影響還不算太大，但 ARS-4B 是大陸汽車最低端的毫米波雷達，性能本來就差，隱藏后更差。
解決辦法很簡單：不是去掉毫米波雷達，而是更換為 4D 毫米波雷達。
因為視覺系統容易漏檢，過濾了靜態目標的毫米波雷達，也容易漏檢。
L3 與 L2 自動駕駛的本質區別就是，前者盡量避免漏檢，后者允許漏檢。
毫米波雷達在測距測速方面，準確度遠高于視覺系統，可靠性更高，是無法取代的存在。
特斯拉一向膽子大，即便如此，也不敢取消毫米波雷達。
大陸汽車的 ARS540 和博世第五代毫米波雷達，是目前唯二的 4D 毫米波雷達，性能完美。
但缺點也有，一個是價格太高。
要知道，大陸的 ARS4A 和 ARS4B 價格差不超過 50 美元。
其次是，這兩個 4D 毫米波雷達有個缺點，就是背部隆起，造成高度太高。
如果車輛造型還未定型，還可以為毫米波雷達找到安裝位置，這也就是說 4D 毫米波雷達只能為新車服務。
目前性能最好的 4D 毫米波雷達：大陸汽車的 ARS540，背部有大凸起
于是，特斯拉只能親自下場，自己做毫米波雷達。
4D 成像毫米波雷達的技術門檻實際很低，這主要是德州儀器的功勞。
德州儀器在 2016 年底推出基于 CMOS 工藝的高集成度 77GHz 毫米波雷達芯片——適用于中短距場景的 AWR1642 系列，將前端 MMIC RF、DSP 和 MCU 三個模塊集成在一個 77GHz 毫米波雷達 SoC 芯片上，顯著降低了毫米波雷達成本，大幅拉低了車載毫米波雷達的硬件開發難度。
針對近距離場景，TI 打造了集成度更高的天線片上集成 （AoP）芯片，將天線集成在芯片里，將難度最高的平面印刷天線集成其中，毫米波雷達價格被拉低到百元級別。
相比其他雷達芯片廠商，TI 芯片開發具有傻瓜式的特點，底層軟件開發很完備，工具鏈也很容易上手，任何一個入行兩年的射頻工程師基本都可以單獨搞定一個毫米波雷達設計。
這也就催生了數量眾多的初創毫米波雷達企業。
然而時間長了，TI 發現，NXP 和英飛凌幾乎壟斷的毫米波雷達芯片組市場格局并未有改變，于是 TI 另辟蹊徑，力推 4D 成像毫米波雷達概念：
與此同時，作為毫米波雷達霸主的大陸，也在研發 4D 成像毫米波雷達，實際在 2015 年大陸就預感到傳統 3D（即速度、距離和方位角，這是傳統毫米波雷達提供的數據）毫米波雷達已經走到盡頭。
ARS540 的研發工作起始于 2016 年，最初的設計是使用 NXP 的 S32R274 ，但這帶來一些問題，兩片 S32R274 導致 PCB 面積太大，而汽車雷達是希望盡量小體積，同時前端的傳感器融合需要比較高的帶寬，大陸最初的設計是使用 MIPI CSI3，其帶寬為 14.88Gbps，比我們常用的 MIPI CSI2 更好，而 S32R274 是MIPI CSI2。
但是支持 MIPI CSI3 的芯片很少。此外大陸希望 ADC 的精度更高，這樣高度分辨率才足以實用，并且兩片芯片的時鐘同步等工作也比較麻煩，最終大陸決定使用 Xilinx 的 Zynq UltraScale+ RFSoC 系列 FPGA。
Xilinx 的 Zynq UltraScale+ RFSoC 系列 FPGA 專用射頻領域設計，內部包含超高精度 ADC 和 DAC，有 12、14 比特兩個檔次選擇，最多 16 個 ADC 或 DAC。
通常 ASIC 考慮成本，ADC 和 DAC 的配置都不會如此豪華，S32R274 里只有 4 個 12 比特 ADC，取樣率只有 10Msps。
在被 FPGA 取代后，NXP 也開始抓緊研發針對 4D 成像毫米波雷達芯片組的工作。
2020 年 12 月，NXP 推出 S32R45 4D 成像毫米波雷達信號處理器和 TEF82xx 收發器，為 4D 成像毫米波雷達芯片組增加了一個選擇項，未來英飛凌和模擬器件也很有可能推出相關的芯片組。
ARS540 采用 4 片級聯的形式，將 4 片 NXP 的 77GHz 毫米波雷達收發器（即 MMIC）MR3003 級聯，每個 MR3003 是 3 發 4 收，4 片就是 12 發 16 收。
目前絕大多數毫米波雷達都是采用單片收發器，通常只有 3 發 4 收，也就是只有 12 個虛擬通道，而 ARS540 是 192 個虛擬通道，分辨率大大提高。可以稱之為圖像雷達。
TI 的方案也是如此，只是用 AWR2243 代替 MR3003，用 TDA2x 代替 FPGA。
除德國大陸汽車，中國乃至全球的 4D 成像毫米波雷達基本都是基于 TI 的級聯方案，有追求低成本的 2 片級聯，有追求性能的 4 片級聯。
來自以色列初創公司 Vayyar 自己開發關鍵的收發器芯片，華為的 12 發 24 收 4D 成像毫米波雷達，據知情人士表示，是采用自研的芯片，應該是 4 片 3 發 6 收的收發器級聯而成，但也有可能是德州儀器的 AWR1642 六片級聯而成，AWR1642 是 2 發 4 收。
我們來看德州儀器的方案，德州儀器提供全套電路圖：
德州儀器 4D 成像毫米波雷達開發板框架圖
德州儀器 4D 成像毫米波雷達內嵌 4-element series-fed patch 天線，采用業內品質最高的 Rogers RO3003 PTFE 載板。
可以看出，德州儀器在距離和分辨率之間做了妥協。
ARS540 是唯一具備能夠真正測量目標高度的毫米波雷達，也就是其垂直分辨率 Elevation 比較高，達到 2.3°，遠高于德州儀器方案，畢竟大陸是自己設計天線，擁有超過 20 年的經驗，且 MR3003 也確實比較強。
從這個角度講，ARS540 到目前應該還是全球唯二 4D 毫米波雷達。
當然，如果不用德州儀器的內嵌天線，自己單獨設計，可能會好一點，但會付出很長的研發周期，購置上千萬人民幣的研發設備和設施，初創公司肯定不會這么大手筆投資固定資產。
ARS540 的高度測量
成像毫米波雷達的成像是什么樣的？
上圖是取自德州儀器的開發板說明書，這是自行車和行人離車輛 1.5 米距離時的毫米波雷達成像圖，如果是普通的 3 發 4 收單片 3D 毫米波雷達，自行車恐怕只能檢測到一個點，甚至檢測不到。
即便是成像毫米波雷達，行人也只是一個小點，普通雷達則完全檢測不到，這是因為金屬反射電磁波的性能遠比人體要高。
顯然成像毫米波雷達無法和激光雷達成像相提并論。
至于博世的五代毫米波雷達，目前還未有詳細資料，但是肯定是 4D 雷達，性能可能不次于大陸汽車的 ARS540，其帶寬為 76.065-76.932 GHz，近 900MHz，ARS540 還是 500MHz。
博世的缺點可能是功耗太高，射頻輸出功率達到驚人的 5495 毫瓦，整體功耗估計有 20-40 瓦。ARS540 的射頻輸出功率是 1143 毫瓦。
特斯拉三條線合計是 356 毫瓦，以此推測，特斯拉應該在有效距離上做了妥協。
到今年 12 月 4 日，FCC 將公布特斯拉毫米波雷達內部拆解照片和零部件構成，甚至是電路圖。
屆時我會第一時間告訴大家，敬請期待。
實際上在 1 年前，也就是 2021 年 6 月 3 日，特斯拉就提交了一份有關毫米波雷達的材料，即 2AEIM-161631，這是一款比較特殊的 60GHz-64GHz 的毫米波雷達。
目前這款毫米波雷達的用途未知，從材料上看，其主芯片是德州儀器的 IWR6843AOP，可能是駕駛者生命體征監測 Driver Vital Monitoring，即監測駕駛員的心跳脈搏。
雖然馬斯克說要取消汽車前向毫米波雷達，但從特斯拉車主手冊的內容來看，毫米波雷達一直都在，從未取消。
在美國地區，2022 年款特斯拉 Model Y 車主手冊第 219 頁明確指出：
「Traffic-Aware Cruise Control and Autosteer are unavailable because the radar located in the front bumper area of your vehicle has no or low visibility. Continue to your destination. Your vehicle is OK to drive. Traffic-Aware Cruise Control and Autosteer will remain unavailable as long as the radar lacks adequate visibility. This could be a temporary obstruction caused by factors like snow, ice, dirt, or mud. If the alert is caused by a temporary factor like these, no action might be needed: the condition might clear during your drive.」
可以看出，特斯拉智能駕駛必須要毫米波雷達配合。
2021 年推出的 Model S Plaid 也是如此：
圖中的【6】就代表毫米波雷達，和 Model 3 一樣，Model S Plaid 搭載的還是大陸汽車旗下 ASC 公司的 ARS-4B，最遠有效距離為 170 米。這是 2014 年初的產品，性價比很高，特斯拉一直在使用。
同期，ASC 還推出了 ARS-4A，有效距離可達 250 米，不過價格要高一點。因此大部分車企都選擇了 ARS-4A。
按照 FCC 慣例，部分資料保密，要到半年后才解除保密限制。
目前 FCC 網站只公開了特斯拉毫米波雷達的檢測報告和 Label 標簽。
眼下信息有限，只知道其大概參數，3 線進入，功率不低。特斯拉原先的大陸 ARS-4B 的功率輸出僅 52 毫瓦。
特斯拉出現一系列投訴幽靈剎車的問題，其根源不是視覺系統，實際可能是毫米波雷達的問題。
毫米波雷達對金屬目標敏感，特別是人行天橋和路邊的標牌，甚至是中央護欄，特斯拉多次幽靈剎車，前特斯拉 AI 項目負責人——安德烈·卡帕西，曾在演講中描述過一個特斯拉因「攝像頭+毫米波雷達」技術路線造成「幽靈剎車」的典型案例：
當車輛即將駛入橋下的時候，毫米波雷達已經檢測到了「橋」這個靜態物體的存在，但是因為沒有足夠的分辨率，毫米波雷達分不清楚這個物體是橋梁還是汽車。
這時候就需要視覺感知來告訴系統：這個靜態的物體到底是什么。
但由于關聯了毫米波雷達的原因，攝像頭在對前方物體各項參數的測量中都沒有發揮足夠的精度。
如果前方恰好有一輛緩慢減速的汽車（但不足以造成剎車），系統就會將視覺系統報告的「減速車輛」和雷達報告的「靜態物體」相關聯，從而導致不必要的剎車事件。
大部分毫米波雷達都過濾了靜態目標，避免出現幽靈剎車。但特斯拉用的 ARS-4B本來是設計工業領域用的，沒有過濾靜態目標。
再有一個，特斯拉為了美觀，把毫米波雷達隱藏在保險杠內，如果是高品質的毫米波雷達，這個影響還不算太大，但 ARS-4B 是大陸汽車最低端的毫米波雷達，性能本來就差，隱藏后更差。
解決辦法很簡單：不是去掉毫米波雷達，而是更換為 4D 毫米波雷達。
因為視覺系統容易漏檢，過濾了靜態目標的毫米波雷達，也容易漏檢。
L3 與 L2 自動駕駛的本質區別就是，前者盡量避免漏檢，后者允許漏檢。
毫米波雷達在測距測速方面，準確度遠高于視覺系統，可靠性更高，是無法取代的存在。
特斯拉一向膽子大，即便如此，也不敢取消毫米波雷達。
大陸汽車的 ARS540 和博世第五代毫米波雷達，是目前唯二的 4D 毫米波雷達，性能完美。
但缺點也有，一個是價格太高。
要知道，大陸的 ARS4A 和 ARS4B 價格差不超過 50 美元。
其次是，這兩個 4D 毫米波雷達有個缺點，就是背部隆起，造成高度太高。
如果車輛造型還未定型，還可以為毫米波雷達找到安裝位置，這也就是說 4D 毫米波雷達只能為新車服務。
目前性能最好的 4D 毫米波雷達：大陸汽車的 ARS540，背部有大凸起
于是，特斯拉只能親自下場，自己做毫米波雷達。
4D 成像毫米波雷達的技術門檻實際很低，這主要是德州儀器的功勞。
德州儀器在 2016 年底推出基于 CMOS 工藝的高集成度 77GHz 毫米波雷達芯片——適用于中短距場景的 AWR1642 系列，將前端 MMIC RF、DSP 和 MCU 三個模塊集成在一個 77GHz 毫米波雷達 SoC 芯片上，顯著降低了毫米波雷達成本，大幅拉低了車載毫米波雷達的硬件開發難度。
針對近距離場景，TI 打造了集成度更高的天線片上集成 （AoP）芯片，將天線集成在芯片里，將難度最高的平面印刷天線集成其中，毫米波雷達價格被拉低到百元級別。
相比其他雷達芯片廠商，TI 芯片開發具有傻瓜式的特點，底層軟件開發很完備，工具鏈也很容易上手，任何一個入行兩年的射頻工程師基本都可以單獨搞定一個毫米波雷達設計。
這也就催生了數量眾多的初創毫米波雷達企業。
然而時間長了，TI 發現，NXP 和英飛凌幾乎壟斷的毫米波雷達芯片組市場格局并未有改變，于是 TI 另辟蹊徑，力推 4D 成像毫米波雷達概念：
與此同時，作為毫米波雷達霸主的大陸，也在研發 4D 成像毫米波雷達，實際在 2015 年大陸就預感到傳統 3D（即速度、距離和方位角，這是傳統毫米波雷達提供的數據）毫米波雷達已經走到盡頭。
ARS540 的研發工作起始于 2016 年，最初的設計是使用 NXP 的 S32R274 ，但這帶來一些問題，兩片 S32R274 導致 PCB 面積太大，而汽車雷達是希望盡量小體積，同時前端的傳感器融合需要比較高的帶寬，大陸最初的設計是使用 MIPI CSI3，其帶寬為 14.88Gbps，比我們常用的 MIPI CSI2 更好，而 S32R274 是MIPI CSI2。
但是支持 MIPI CSI3 的芯片很少。此外大陸希望 ADC 的精度更高，這樣高度分辨率才足以實用，并且兩片芯片的時鐘同步等工作也比較麻煩，最終大陸決定使用 Xilinx 的 Zynq UltraScale+ RFSoC 系列 FPGA。
Xilinx 的 Zynq UltraScale+ RFSoC 系列 FPGA 專用射頻領域設計，內部包含超高精度 ADC 和 DAC，有 12、14 比特兩個檔次選擇，最多 16 個 ADC 或 DAC。
通常 ASIC 考慮成本，ADC 和 DAC 的配置都不會如此豪華，S32R274 里只有 4 個 12 比特 ADC，取樣率只有 10Msps。
在被 FPGA 取代后，NXP 也開始抓緊研發針對 4D 成像毫米波雷達芯片組的工作。
2020 年 12 月，NXP 推出 S32R45 4D 成像毫米波雷達信號處理器和 TEF82xx 收發器，為 4D 成像毫米波雷達芯片組增加了一個選擇項，未來英飛凌和模擬器件也很有可能推出相關的芯片組。
ARS540 采用 4 片級聯的形式，將 4 片 NXP 的 77GHz 毫米波雷達收發器（即 MMIC）MR3003 級聯，每個 MR3003 是 3 發 4 收，4 片就是 12 發 16 收。
目前絕大多數毫米波雷達都是采用單片收發器，通常只有 3 發 4 收，也就是只有 12 個虛擬通道，而 ARS540 是 192 個虛擬通道，分辨率大大提高。可以稱之為圖像雷達。
TI 的方案也是如此，只是用 AWR2243 代替 MR3003，用 TDA2x 代替 FPGA。
除德國大陸汽車，中國乃至全球的 4D 成像毫米波雷達基本都是基于 TI 的級聯方案，有追求低成本的 2 片級聯，有追求性能的 4 片級聯。
來自以色列初創公司 Vayyar 自己開發關鍵的收發器芯片，華為的 12 發 24 收 4D 成像毫米波雷達，據知情人士表示，是采用自研的芯片，應該是 4 片 3 發 6 收的收發器級聯而成，但也有可能是德州儀器的 AWR1642 六片級聯而成，AWR1642 是 2 發 4 收。
我們來看德州儀器的方案，德州儀器提供全套電路圖：
德州儀器 4D 成像毫米波雷達開發板框架圖
德州儀器 4D 成像毫米波雷達內嵌 4-element series-fed patch 天線，采用業內品質最高的 Rogers RO3003 PTFE 載板。
可以看出，德州儀器在距離和分辨率之間做了妥協。
ARS540 是唯一具備能夠真正測量目標高度的毫米波雷達，也就是其垂直分辨率 Elevation 比較高，達到 2.3°，遠高于德州儀器方案，畢竟大陸是自己設計天線，擁有超過 20 年的經驗，且 MR3003 也確實比較強。
從這個角度講，ARS540 到目前應該還是全球唯二 4D 毫米波雷達。
當然，如果不用德州儀器的內嵌天線，自己單獨設計，可能會好一點，但會付出很長的研發周期，購置上千萬人民幣的研發設備和設施，初創公司肯定不會這么大手筆投資固定資產。
ARS540 的高度測量
成像毫米波雷達的成像是什么樣的？
上圖是取自德州儀器的開發板說明書，這是自行車和行人離車輛 1.5 米距離時的毫米波雷達成像圖，如果是普通的 3 發 4 收單片 3D 毫米波雷達，自行車恐怕只能檢測到一個點，甚至檢測不到。
即便是成像毫米波雷達，行人也只是一個小點，普通雷達則完全檢測不到，這是因為金屬反射電磁波的性能遠比人體要高。
顯然成像毫米波雷達無法和激光雷達成像相提并論。
至于博世的五代毫米波雷達，目前還未有詳細資料，但是肯定是 4D 雷達，性能可能不次于大陸汽車的 ARS540，其帶寬為 76.065-76.932 GHz，近 900MHz，ARS540 還是 500MHz。
博世的缺點可能是功耗太高，射頻輸出功率達到驚人的 5495 毫瓦，整體功耗估計有 20-40 瓦。ARS540 的射頻輸出功率是 1143 毫瓦。
特斯拉三條線合計是 356 毫瓦，以此推測，特斯拉應該在有效距離上做了妥協。
到今年 12 月 4 日，FCC 將公布特斯拉毫米波雷達內部拆解照片和零部件構成，甚至是電路圖。
屆時我會第一時間告訴大家，敬請期待。
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