ZHCACJ5 应用手册 | 德州仪器 TI.com.cn

在 xWRL6432 可能进入的所有不同状态中，活动模式（特别是活动模式期间的线性调频脉冲频率扫描行为）是功耗最大的。由于线性调频脉冲频率扫描行为会打开高功率射频放大器来发送和接收雷达波，因此这种行为的功耗最大。既如此，用户便可通过减少频率扫描所花费的时间和/或降低频率扫描时的功耗来降低总体功耗。以下非详尽列表列出了在线性调频脉冲频率扫描期间设计降低功耗的最有效方法。

功率降低技术	性能影响
增加帧之间的时间	更高的延迟
减少线性调频脉冲间空闲和突发间空闲中花费的时间	更高的最大速度。更粗的速度分辨率
缩短线性调频脉冲频率扫描时间	范围缩小，在视场边缘更明显
减少发送器/接收器的数量	更低的角分辨率。范围缩小，在视场边缘更明显
降低发射功率	范围缩小，在视场边缘更明显

这些技术许多都涉及修改配置文件，因此为了方便起见，下面展示了 MMWAVE-L-SDK 版本 05.01.00.04 中修改后的配置文件。不同的 MMWAVE-L-SDK 版本可能会以不同的方式对讨论的参数进行命名或排序，但不同版本的 SDK 之间的基本概念不应发生变化。此外，每个参数的详细说明可以在 [2] 中找到，它位于 MMWAVE-L-SDK 的 docs/ 文件夹中。

注：

在线提供的毫米波传感估算器工具为用户提供了一个用于计算线性调频脉冲参数和估算功耗的直观界面。

% ***************************************************************
% MotionDetect:  Chirp configuration and Processing chain are 
% designed to detect moving objects, including estimation of 
% range, velocity and angle of the objects.  It is typically 
% useful for detecting, localizing and tracking objects in 
% indoor or outdoor settings.
% ***************************************************************
channelCfg 7 3 0
chirpComnCfg 8 0 0 256 4 28 0
chirpTimingCfg 6 63 0 75 60
frameCfg 2 0 200 64 1000 0
guiMonitor 2 1 0 0 0 1
sigProcChainCfg 16 8 1 0 4 4
cfarCfg 2 8 4 3 0 12.0 0 0.5 0 1 1 1
aoaFovCfg -60 60 -40 40
rangeSelCfg 0.1 12.0
clutterRemoval 1
compRangeBiasAndRxChanPhase 0.0 1.00000 0.00000 -1.00000 0.00000 1.00000 0.00000 -1.00000 0.00000 1.00000 0.00000 -1.00000 0.00000
adcDataSource 0 C:/ti/mmwave_lp_sdk/examples/datapath/common/testBench/major_motion/adc_data_0001_CtestAdc6Ant.bin
adcLogging 0
lowPowerCfg 1
factoryCalibCfg 1 0 40 3 0x1ff000
mpdBoundaryBox 1 -1.5 1.5 0 3.8
sensorStart 0 0 0 0

技术 1 - 增加帧之间的时间

说明

帧之间的时间越长，器件处于帧间空闲模式（特别是深度睡眠状态）的时间就越长。由于帧间空闲/深度睡眠状态是器件的最低功率级别，因此增加器件处于深度睡眠的时间会降低总体功耗，这是通过降低较高功耗模式（如活动模式、线性调频脉冲间空闲状态和突发间空闲状态）的功耗影响。这使得平均功耗更接近帧间空闲/深度睡眠中的功耗。下面的三个公式以数学方式描述了这一点。

方程式 1.

{P o W e r}_{A) v e r a g e} = ({P o W e r}_{I n t e r f r a m e I d l e} \times {T i m e}_{I n t e r f r a m e I d l e} + {P o W e r}_{I n t e r b u r s t I d l e} \times {T i m e}_{I n t e r b u r s t I d l e} + {P o W e r}_{I n t e r c h i r p I d l e} \times {T i m e}_{I n t e r c h i r p I d l e} + {P o W e r}_{A c t i v e} \times {T i m e}_{A c t i v e}) \div ({T i m e}_{I n t e r f r a m e I d l e} + {T i m e}_{I n t e r b u r s t I d l e} + {T i m e}_{I n t e r c h i r p I d l e} + {T i m e}_{A c t i v e})

方程式 2.

{P o W e r}_{I n t e r f r a m e I d l e} < {P o W e r}_{I n t e r b u r s t I d l e} {, P o W e r}_{I n t e r c h i r p I d l e}, {P o W e r}_{A c t i v e}

方程式 3.

A s {T i m e}_{I n t e r f r a m e I d l e} > > >, {P o W e r}_{A) v e r a g e} \to {P o W e r}_{I n t e r f r a m e I d l e}

配置文件位置

参数	命令行参数名称	命令行参数位置	单位
framePeriodicity	frameCfg	5	毫秒

性能影响

增加帧之间的时间会增加延迟并可能提高跟踪性能。如果帧之间的时间很长，则可能无法跟踪快速移动的物体。

示例

在以下示例中，帧周期设置为 1000，这意味着每 1000 毫秒开始一个新帧。

frameCfg 2 0 200 64 1000 0

技术 2 - 减少线性调频脉冲间空闲和突发间空闲中花费的时间

说明

减少线性调频脉冲间空闲和突发间空闲中花费的时间会增加帧间空闲模式中花费的时间。尽管雷达器件在线性调频脉冲和突发之间会进入低功耗状态，但雷达可以在帧之间进入帧间空闲/深度睡眠模式，这些模式下的功耗要少得多。因此，通过延长处于深度睡眠模式的时间，并缩短处于线性调频脉冲间空闲和突发间空闲的时间，可以降低整体功耗。

配置文件位置

参数	命令行参数名称	命令行参数位置	单位
burstPeriodicity	frameCfg	3	微秒
chirpIdleTime	chirpTimingCfg	1	微秒
chirpRampEndTime	chirpComnCfg	6	微秒
numOfChirpsInBurst	frameCfg	1	无

性能影响

如果线性调频脉冲使用不同的发送器，强烈建议减少线性调频脉冲之间的时间长度。在时分多路复用 (TDM) 和二进制相位调制 (BPM) 方案（详见 [3]）中，有效角度计算假设两个发送器大致同时发射。但实际上，它们一次只有一个发射。通过减少使用不同发送器发射的线性调频脉冲之间的时间长度，可以减少此假设产生的误差。

但是，缩短突发之间的时间将影响雷达器件可以检测和识别的速度范围⁽¹⁾.这是因为速度是通过同一发送器/接收器对上的雷达回波差异来测量的。当突发连续发生得更快时，雷达可以检测到的最小速度将会减小。通过微小运动模式仍可检测到小幅运动，该模式会在帧之间查找一些点，但可能无法准确估算这些微小运动点的速度。

注：

突发间空闲时间和线性调频脉冲间空闲时间必须满足第 1 节中讨论的最低要求。要检测更快的速度并将功耗降低到突发方案允许的功耗以下，用户可以考虑使用每帧单次突发和每次突发多个线性调频脉冲，从而消除最小 95μs 的突发间空闲时间要求。

示例

在下面的示例中，突发周期为 200 微秒，线性调频脉冲空闲时间为 6 微秒，单次突发中的线性调频脉冲数量为 2，线性调频脉冲斜坡结束时间为 28 微秒。因此，线性调频脉冲间空闲时间为 6 微秒，而突发间空闲时间为 132 微秒。

方程式 4.

I n t e r b u r s t I d l e T i m e = B u r s t P e r i o d i c i t y - (N u m b e r o f C h i r p s i n B u r s t \times (C h i r p I d l e T i m e + C h i r p R a m p E n d T i m e))

chirpComnCfg 8 0 0 256 4 28 0
chirpTimingCfg 6 63 0 75 60
frameCfg 2 0 200 64 1000 0

技术 3 - 缩短线性调频脉冲频率扫描时间

说明

减少线性调频脉冲频率扫描时间可以通过强制缩短器件进行线性调频脉冲频率扫描的时间来降低功耗。高效的线性调频脉冲设计将确保快速采集所有样本，并且在采集样本前后进行线性调频脉冲频率扫描所用的时间非常少。下面介绍了线性调频脉冲频率扫描之前、期间和之后发生的事件序列。器件进行线性调频脉冲频率扫描所用的总时间称为斜坡结束时间，计算方法如下。

方程式 5.

R a m p E n d T i m e = A D C S t a r t T i m e + C h i r p T i m e + E x c e s s T i m e

图 3-1 线性调频脉冲中的事件序列.

设置适当斜坡结束时间的过程如下：

1.计算线性调频脉冲时间，这是收集所有 ADC 样本所需的时间。

方程式 6.

C h i r p T i m e = S a m p l i n g R a t e \times N u m b e r o f S a m p l e s

2.设置适当的 ADC 启动时间。典型值约为 5 微秒。ADC 启动时间越短，线性调频脉冲斜率线性度越小。

注：

ADC 启动时间由 ADC 跳过样本数和采样率决定。建议的最小 ADC 跳过样本数为 24 或 3µs x 采样率（以 MHz 为单位)，并以较大者为准。

3.根据 [2]，对于短滤波器 (dfeFirSel = 1)，斜坡超时时间至少应为 7 个样本；对于长滤波器 (dfeFirSel = 0)，斜坡超时时间至少应为 10 个样本。

4.将斜坡时间设置为线性调频脉冲时间、ADC 启动时间和斜坡超时时间之和。

方程式 7.

R a m p T i m e = C h i r p T i m e + A D C S t a r t T i m e + R a m p E x c e s s T i m e

缩短斜坡时间需要更大限度地减小其全部三个组成部分。ADC 启动时间和斜坡超时时间可以设置为其允许的最小值，而不会影响范围和速度测量。更快的采样率也可以缩短线性调频脉冲时间。但是，如果线性调频脉冲数和频率斜率保持恒定，减少线性调频脉冲时间会导致带宽降低且距离库大小加粗（尽管有助于增加最大距离）。有效带宽 (B) 和距离分辨率的计算方式如下，其中 c 等于光速 (3E8m/s)：

方程式 8.

B = A D C S a m p l i n g T i m e \times F r e q u e n c y S l o p e

方程式 9.

R a n g e R e s o l u t i o n = \frac{c}{2 B}

下面的线性调频脉冲 2 说明了这种增加采样率的策略，该线性调频脉冲具有与线性调频脉冲 1 完全相同的参数，但采样速度更快，从而导致距离分辨率相对较粗。但是，如果器件以相同的系数增加线性调频脉冲的采样率和斜率，则可以在不降低带宽的情况下缩短活动时间，如下面的线性调频脉冲 3 所示。通过以更快的速率在相同带宽上收集相同的数据，该器件可以缩短线性调频脉冲频率扫描时间并增加处于较低功耗模式下的时间，从而降低总体功耗。

注：

线性调频脉冲 1 至 3 旨在说明权衡取舍，而不是显示最佳性能。

	线性调频脉冲 1（采样率较慢）	线性调频脉冲 2（采样率较快）	线性调频脉冲 3（采样率较快且频率斜率较大）
ADC 采样频率	1.25MHz	2.5MHz	2.5MHz
ADC 样本数	32	32	32
线性调频脉冲时间	25.6µs	12.8µs	12.8µs
频率斜率	50MHz/µs	50MHz/µs	100MHz/µs
有效带宽	1280 MHz	640 Mhz	1280 MHz
距离分辨率	0.117 m	0.234 m	0.117 m
最大距离	1.5m	3 m	1.5m

配置文件位置

参数	命令行参数名称	命令行参数位置	单位
digOutputSampRate（ADC 采样率）	chirpComnCfg	1	抽取值。采样率由 100MHz/digOutputSampRate 设置
chirpRfFreqSlope	chirpTimingCfg	4	MHz/μs
chirpRampEndTime	chirpComnCfg	6	微秒
chirpADCSkipSamples	chirpTimingCfg	2	采样数

性能影响

缩短线性调频脉冲时间将减小雷达可检测到人员和物体的最大距离。有关更多信息，请参阅 [4] 中的雷达距离公式。

示例

chirpTimingCfg 20 63 0 30 60
chirpComnCfg 8 0 0 256 4 70 0

在上述配置示例中，通过将 100MHz 除以设为 20 的 digOutputSampRate 来获得采样率，从而得到 5MHz。

方程式 10.

S a m p l i n g R a t e = \frac{100 M H z}{d i g O u t p u t S a m p R a t e} = \frac{100 M H z}{20} = 5 M H z

ADC 跳过样本数设置为 63，这意味着采样仅在 12.6μs 后开始

方程式 11.

S a m p l e S t a r t i n g T i m e = \frac{63 S a m p l e s}{5 M H z} = 12.6 μ s e c

12.6μs 的时间远远足够让线性调频脉冲斜坡斜率变为可靠的线性。将其缩短至 5µs 可以节省功耗。这对应的样本数为 25，比最小值 24 大，因此可以接受，从而生成以下配置文件。

方程式 12.

5 μ s e c \times 5 M H z = 25 s a m p l e s

chirpTimingCfg 20 25 0 30 60
chirpComnCfg 8 0 0 256 4 70 0

现在，ADC 启动时间为 5 微秒。

线性调频脉冲时间等于样本数除以采样率。

方程式 13.

C h i r p i n g T i m e = \frac{256 S a m p l e s}{5 M H z} = 51.2 μ s e c

由于 dfeFirSel 等于 0，因此建议按照 [2] 中的说明对斜坡结束时间（2 微秒）进行 10 次采样。

方程式 14.

10 s a m p l e s \times \frac{1}{5 M H z} = 2 μ s e c

总体而言，此线性调频脉冲需要 51.2（线性调频脉冲时间）+ 5（ADC 启动时间）+ 2（斜坡超时时间）= 58.2 微秒。因此，斜坡结束时间可以从 70 微秒减少到 59 微秒，从而在高功率线性调频脉冲频率扫描状态下节省 11 微秒的时间。

chirpTimingCfg 20 25 0 30 60
chirpComnCfg 8 0 0 256 4 59 0

现在，线性调频脉冲已经过优化来减少 ADC 数据采样之前和之后的线性调频脉冲频率扫描时间，下面我们可以开始减少采集数据所花费的时间。目前，线性调频脉冲的有效带宽可以按如下方式计算：

方程式 15.

B = F r e q u e n c y S l o p e \times C h i r p T i m e = 30 \frac{M H z}{μ s e c} \times 51.2 μ s e c = 1536 M H z

通过将 chirpRfFreqSlope 和采样率增加相同的因子 2，可以缩短此线性调频脉冲的活动时间。因此，采样率变为 10MHz（相当于 digOutputSampRate 为 10），而线性调频脉冲频率斜率 chirpRfFreqSlope 变为 60。

chirpTimingCfg 10 25 0 60 60
chirpComnCfg 8 0 0 256 4 54 0

现在采样率等于 100/10 = 10MHz，ADC 跳过样本数应增加到 50，以便将 ADC 启动时间保持在恒定的 5 微秒。

chirpTimingCfg 10 50 0 60 60
chirpComnCfg 8 0 0 256 4 54 0

但是，线性调频脉冲频率扫描时间现在等于 25.6 微秒。因此，ADC 启动时间和线性调频脉冲时间之和现在等于 30.6 微秒。为斜坡超时时间再分配 10 个样本需要 1 微秒，这时斜坡结束时间至少为 31.6 微秒流。因此，斜坡结束时间可以设置为 32 微秒，与最初的 70 微秒相比，线性调频脉冲频率扫描时间缩短了 54%。

chirpTimingCfg 10 50 0 60 60
chirpComnCfg 8 0 0 256 4 32 0

技术 4 - 减少发送器/接收器的数量

说明

减少发送器或接收器的数量将会减少活动模式下的功耗。通过减少发送器和接收器的数量，可以减少任何特定线性调频脉冲行为中为发送器和接收器电路供电所需的功率。如果设备通过 TDM（请参阅 [3]）使用多个发射天线，则减少发送器数量也会减少设备线性调频脉冲频率扫描所花费的时间，从而降低功耗。发送器的功耗要高于接收器，因此 TI 建议先减少发送器数量，再减少接收器数量。

配置文件位置

参数	命令行参数名称	命令行参数位置	单位
rxChCtrlBitMask	channelCfg	1	指示哪些接收器处于打开/关闭状态的位掩码。
txChCtrlBitMask	channelCfg	2	指示哪些接收器处于打开/关闭状态的位掩码。

性能影响

减少发送/接收通道的数量将直接降低雷达器件的角分辨率。雷达的角分辨率定义为区分同一距离库中的两个物体所需的最小间距，即 2/N 弧度，其中 N 是该角度下的发送/接收通道数（方位角与仰角）)。例如，IWRL6432BOOST 评估板在方位角有 4 个通道，在仰角有 2 个通道。因此，方位角的角分辨率为 2/4 弧度 = 28.6 度，仰角的角分辨率为 2/2 = 1 弧度 = 57 度。移除发送器会将可用通道数量从 6 个减少到 3 个，这将降低方位角和/或仰角的角分辨率，具体取决于所选的天线布局。

图 3-2 IWRL6432BOOST 虚拟天线布局.

此外，移除发送/接收对将减小测量的 SNR，从而减小雷达可检测到给定目标的最大距离。发送/接收通道越多，对同一突发的观察就越多，因此可以提高给定突发的精度。

示例

rxChCtrlBitMask 可以设置为 0-7 之间的值。当转换为二进制时，数字集表示哪些接收器已上电（由 1 表示）以及哪些接收器已关断（由 0 表示）。在以下示例中，值 6 = 0b110 时会打开第二个和第三个接收器，同时关闭第一个接收器。

TxChCtrlBitMask 可以设置为 0-3 之间的值。在与 rxChCtrlBitMask 相同的过程中，当转换为二进制时，数字集表示哪个发送器已上电（由 1 表示）以及哪些发送器已关断（由 0 表示）。在以下示例中，值 3 = 0b11 时，两个发送器都会打开。

channelCfg 6 3 0

技术 5 - 降低发送功率

说明

要降低线性调频脉冲期间的功耗，最简单的方法之一是减少从雷达器件广播的功率大小。用户可以设置 TX 回退功率，这是要从传导输出功率最大值 11dBm 降低的功率大小。

方程式 16.

T o t a l O u t p u t P o W e r = M a x i m u m O u t p u t P o W e r - T X B a c k o f f V a l u e

配置文件位置

参数	命令行参数名称	命令行参数位置	单位
txBackoff	factoryCalibCfg	4	dB

性能影响

降低输出功率可能会缩小器件可检测的最大距离。器件广播的功率大小将决定器件可接收的功率大小。一旦接收到的功率降至器件的本底噪声以下，器件将无法再准确检测目标。输出功率的下降可以在一定程度上通过 CFAR 阈值范围内的等效下降得到补偿，但不能无限度地进行补偿。一旦 CFAR 阈值范围变得过低，误报检测就会掩盖真实检测。

示例

在以下示例中，由于 factoryCalibCfg 行的第四个值设置为 3，因此总输出功率将等于 11-3 = 8dBm。

factoryCalibCfg 1 0 40 3 0x1ff000

3 针对低功耗的线性调频脉冲设计优化

技术 1 - 增加帧之间的时间

技术 2 - 减少线性调频脉冲间空闲和突发间空闲中花费的时间

技术 3 - 缩短线性调频脉冲频率扫描时间

技术 4 - 减少发送器/接收器的数量

技术 5 - 降低发送功率