레이더 센서 아키텍처 및 기술

고주파 레이더 시스템, 거리 및 속도 측정, 분해각 측면에서 높은 정확도 달성

글│U. 뵐츠크(U.Voelzke), ST마이크로일렉트로닉스 애플리케이션 GmbH
2017년 09월호 지면기사

교통사고 통계를 보면 사고 중 76%는 운전자 과실로 발생하고, 사고 중 94%는 인간의 실수와 관련이 있다[1][2]

레이더 기반 운전자지원 시스템은 ACC(Automatic Cruise Control), 보행자 보호, 사각지대 모니터링, 충돌경고, 교차로 교통 경고, 차선 변경 지원, 혼잡 도로에서의 문 열림 경고, 주차 지원, 그 외에 새롭게 등장하고 있는 애플리케이션에서 이미 중요한 역할을 하고 있다.

오늘날 레이더 시스템은 24 GHz 또는 77 GHz를 사용한다. 고주파 레이더 시스템의 장점은 주로 거리 및 속도 측정, 분해각(angular resolution) 측면에서 더 높은 정확도를 달성할 수 있고, 안테나 크기를 줄일 수 있으며, 상호 간섭 위험성을 낮출 수 있다.
 

이 글에서는 레이더 시스템을 파티셔닝하는 다양한 방법을 비교한다. 또한 고주파 기능은 물론 중대형의 통합 기회를 제공하는 실현 가능한 RF 기술을 살펴본다. 아울러 각기 다른 자동차 레이더 주파수의 주요 장단점을 집중적으로 살펴본다.
 

레이더 시스템 아키텍처


그림 1은 ADAS 시스템 아키텍처의 예를 보여준다. 이 시스템은 ACC, 사각지대 감지, 자동 제동, 교통신호등 인식, 360° 탑 뷰, 보행자 감지, 교차로 교통 경고, 가변형 전조등 같은 애플리케이션에 사용할 수 있다.

 


 

아키텍처 관점에서, 이 시스템은 레이더 시스템, 머신비전 시스템, 탑 뷰 시스템, 정션 박스(포지셔닝, 텔레매틱스, 커넥티비티 기능 등), 센서 융합 프로세서로 구성된다. 빨간색 박스에 속한 기능들은 센서 융합 박스로 불린다. 현재 아우디(Audi) zFAS(Zentrales Fahrer Assistenz System)에 이러한 기능들이 통합돼 있다.
 

오늘날의 레이더 시스템은 크게 4개의 빌딩 블록으로 이루어진다. 즉 안테나, 레이더 프론트엔드 또는 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit), 레이더 베이스밴드 신호처리, 레이더 처리 컨트롤러이다.
 

차세대 레이더 센서는 MMIC와 베이스밴드 모놀리식을 하나의 실리콘(시스템온칩, SoC)에 통합하는 방식을 취한다. 이 센서는 사전 목표물을 레이더 처리 컨트롤러에 전달한다(그림 2).
 

 


미래형 레이더 센서는 그림 3과 같이 또 다른 방식도 가능하다.

여기서는 베이스밴드 신호처리를 레이더 센서가 아니라 레이더 처리 컨트롤러로 통합하고 있다. 레이더 센서는 필터링 되지 않은 원시 데이터를 레이더 처리 컨트롤러로 제공한다. 이 방법은 몇 가지 장점이 있다. 우선 DSP 기능을 센서 융합 ECU로 통합함으로써 실리콘 면적을 절약할 수 있다. 최첨단 순수 CMOS 기술을 사용할 수 있기 때문이다. 전용 RFCMOS나 BICMOS 기술이 전혀 필요하지 않다. 베이스밴드 프로세서로 극미세(fine line) CMOS 기술을 사용할 수 있기 때문에 신호처리를 위한 비용을 줄일 수 있다.
 

 


또 다른 주요 장점은 베이스밴드 프로세서의 전력 소모이다. 전력 소모를 센서 융합 ECU 내부에서 처리하므로 레이더 센서에서 처럼 훨씬 더 쉽게 처리할 수 있다.

또한 필터링되지 않은 원시 데이터를 사용할 수 있으므로 신호처리의 가능성을 확대할 수 있다. 압축이나 필터링으로 인한 정보 손실이 없기 때문이다.
 

마지막으로는 이러한 시스템이 하드웨어와 소프트웨어 측면에서 모두 확장 가능하다는 것이다.
이러한 원시 레이더 센서의 데이터 속도는 MIPI CSI II 인터페이스를 사용해서 처리할 수 있다. 이러한 유형의 인터페이스는 이미 정착된 기술로서 비디오 서라운드 뷰 시스템에 사용되고 있다. 이 시스템들은 보통 이미지 센서를 포함한다(그림 4). 아래 예에서는 4레인 MIPI CSI II 출력을 제공하는 1.2 메가픽셀 센서가 사용되고 있다. 이와 함께 MPS(Multi purpose Power Supply)가 카메라의 각기 다른 전압 레벨을 지원하고, 물리계층 디바이스는 LVDS 드라이버이다.
 

 

 

앞서 설명했듯이 베이스밴드 신호 프로세서를 레이더 처리 장치에 통합하면 원시 레이더 센서의 블록 다이어그램은 원시 카메라와 매우 비슷해진다(그림 5).
 

 

이 레이더 센서에는 4레인을 제공하는 MIPI CSI II 버스 아키텍처도 사용할 수 있다. 카메라에서와 마찬가지로 비슷한 데이터 속도의 4개 RX 채널이 있기 때문이다(이미저의 4개 12비트 레인에 상응). 1~1.5 Gbit/s의 대역폭이 현실적으로 가능해지며, 이는 MIPI CSI II 인터페이스를 사용해 손쉽게 처리할 수 있다.
 

이러한 레이더 서라운드 뷰 시스템의 파티셔닝은 통상적인 비디오 서라운드 시스템과 매우 유사하다. 사전 목표물 대신 원시 센서 데이터를 MIPI CSI II와 그 이후엔 LVDS를 통해 레이더 ECU나 심지어 센서 융합 ECU로 전송할 수 있다(그림 6).
 

 


비디오와 레이더에 사용되는 데이터 통신이 동일한 인터페이스를 사용하기 때문에, 다중 센서 데이터는 융합 ECU 안에서 손쉽게 처리될 수 있다. 이 동일한 아키텍처를 사용하면 LIDAR(Light Detection And Ranging)나 FIR(Far Infra-Red)과 같은 센서를 추가해 시스템을 확장할 수 있다.
 

RF 기술

레이더 MMIC에 요구되는 고주파수와 출력 전력을 달성하기 위해서는 전문적인 실리콘 기술이 필요하다.

그림 7은 ST마이크로일렉트로닉스가 개발한 RF 최적화 BiCMOS 기술의 로드맵을 보여준다. BiCMOS9 기술을 적용한 24 GHz MMIC가 이미 생산되고 있으며, 새로운 24 GHz MMIC가 개발되고 있다. 이 기술은 SiGe HBT 트랜지스터를 사용해 160 GHz의 전이 주파수(transit frequency)를 달성하며, 그 위에 130 nm 리소그래피를 적용한 CMOS 디바이스를 통합할 수 있다. 따라서 이 기술은 SiGe뿐만 아니라 RF 요건에 특화되고 최적화된 진정한 의미의 BiCMOS 기술을 제공한다.
77~79 GHz용으로는 BiCMOS9MW 기술을 사용한다. 이 기술은 220 GHz의 전이 주파수를 달성하며, 또한 130 nm를 사용한 CMOS 통합을 할 수 있다.
 

 

122 GHz와 같은 더 높은 주파수를 사용하는 미래 레이더 시스템을 살펴보면, B55 기술을 사용할 수 있다. SiGe HBT의 전이 주파수는 320 GHz 이상이며 CMOS 통합은 55 nm에서 가능하다.

그림 8은 BiCMOS055를 더 상세하게 보여준다.
그림 8의 도표는 BiCMOS055의 피크 전이 주파수, 최대 주파수, 표준 셀 밀도를 다른 RF 기술들과 비교해 보여준다. B55는 12인치 웨이퍼로 55 nm CMOS를 제조할 수 있는 유일한 고속 BiCMOS 기술이다. 이 기술은 이미 생산 검증을 마쳤다.
 

ST는 BiCMOS 기술뿐만 아니라 40 nm RFCMOS 기술을 보유하고 있다. 이미 검증을 마친 상태로 생산에 적용할 수 있다.

기존의 플래너(planar) 기술을 슈링크(shrink)하려면 공정 복잡성, 불량 매칭(poor matching), 짧은 채널 효과(short channel effects)와 관련해 몇몇 난제들을 해결해야 한다. 이러한 이유 때문에 ST는 최대 집적도를 달성하기 위해 FD-SOI 기술을 사용하기로 결정했다. 28 nm 리소그래피를 갖춘 이 기술은, 특히 RF 요건에 잘 부합할 뿐만 아니라 극히 높은 집적도를 달성할 수 있다. 미래의 제품을 위해 전체적인 베이스밴드 처리를 통합해야 할 경우에는 이 FD-SOI 기술을 사용하는 것이 여러 면에서 유리하다.

 

 


MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits)


그림 9는 24 GHz 및 26 GHz 디바이스의 로드맵을 보여준다. 가장 최근에 개발된 제품은 A431 트랜시버 디바이스로, 이 디바이스는 1개 TX 채널과 3개 RX 채널을 포함하고 있다. 26 GHz 디바이스는 미국 시장용으로 개발됐다.

 



그림 10은 77/79GHz 디바이스를 보여준다. 현재 A770 트랜시버를 개발 중이다. 추후 더 자세한 내용이 발표될 예정이다. 이 로드맵은 현재 타당성 연구 중인 SoC 디바이스들을 보여준다. ST는 이러한 디바이스용으로 적합한 기술을 지속적으로 개발해 왔다. 또한 대안적인 레이더 시스템 파티셔닝이 가능하므로 그 요건과 상업적 측면에 대해 심도 있는 조사와 시장 분석을 지속적으로 진행하고 있다.

A770은 4개의 리시버 채널, 3개의 트랜스미터, 재구성 가능한 처프 변조기(chirp modulator), 통합 ADC, CSI II 인터페이스를 갖춘 단일 칩 트랜시버이다. 기본적인 기능 안전성(Functional Safety)을 포함하고 있다. 이 디바이스는 애플리케이션을 확장하기 위해 연쇄적 연결이 가능하다. 패키지는 전용 eWLP이며, 9mm×9mm의 풋프린트를 갖추고 있다. BiCMOS9MW 기술이 이 MMIC에 사용된다.

 

 

 

그림 11은 A770의 상세한 레이아웃을 보여준다. 상단의 4개 리시버 채널과 하단의 3개 트랜스미터 채널을 쉽게 확인할 수 있다. 주목해야 할 중요한 점은 이 MMIC의 순수 디지털 부분이 칩 중앙 부근에 위치한 처프 생성기라는 것이다. 이 디지털 부분이 차지하는 면적은 아주 작다. 따라서 130 nm BiCMOS 기술을 사용하더라도 적어도 중간 정도의 집적도를 달성할 수 있다. 전력 소모는 2.5 W 대이다.

A770은 중거리 및 원거리 레이더 애플리케이션에 적합하다.

 

 

 

24GHz, 77GHz, 122GHz 비교


표 1은 여러 레이더 주파수의 장단점을 대략적으로 설명하고 있다.

현재 24 GHz 및 77 GHz 애플리케이션은 생산 중이며, 122 GHz용은 데모만 발표된 상황이다. ST는 IHP, 보쉬(BOSCH), KIT, 실리콘 레이더(SILICON RADAR), 셀믹(selMIC), 하이텍(HIGHTEC), 에바트로닉스(EVATRONIX), 토론토 대학 등의 파트너들과 함께 ‘석세스 프로젝트(success-project)’에 참여하고 있다.

 


 

여기에서는 대표적인 장단점만 다루었다. 각각의 주파수에 대해서는 이 외에도 많은 사항들을 고려해야 한다.

24 GHz 주파수의 주요 장점은 다음과 같다.
  ▶ MMIC 가격이 더 낮고, 더 낮은 샘플링 속도와 같이 베이스밴드 처리 요건이 더 낮기 때문에 애플리케이션 비용을 줄일 수 있다.
  ▶ 현재 첨단 77 GHz 트랜시버에서 가능한 것처럼 향후에는 더 높은 집적도가 가능하다.
  ▶ RX 및 TX 전력 손실을 더 낮출 수 있다.

77 GHz 주파수의 장점은 다음과 같다
  ▶ 안테나 크기가 줄어 레이더 센서의 크기를 줄일 수 있다. 이로 인해 자동차에 더 수월하게 통합할 수 있다.
  ▶ 더 높은 주파수와 더 높은 대역폭을 사용할 수 있으므로 거리, 속도, 각도 분해능 면에서 향상된 성능을 제공한다.


24 GHz와 비교할 때 77 GHz의 가장 큰 단점은 부품 비용이 높아진다는 것이다. 여기에는 MMIC, 패키지, 베이스밴드 신호처리가 포함된다. 패키지는 표준 플라스틱 QFN 패키지가 아니라 전용 eWLB 패키지를 사용해야 하고, 베이스밴드 처리는 샘플링 주파수가 3배 더 높다.
 

122 GHz의 주요 장점은 안테나 크기를 더 줄일 수 있다는 것이다. 이로써 안테나까지 통합하는 것이 가능하다. 이는 SiP(system-in-package)가 가능하다는 것을 의미한다. 이를 통해 레이더 센서의 크기를 현저히 줄일 수 있다. 또 다른 중요한 장점은 더 높은 주파수를 사용하므로 속도, 거리, 분해각이 우수하다는 것이다. 1 mm 미만의 거리 분해능이 가능하다.

이 기술은 현재까지 데모만 나와 있으며, 혹독한 자동차 환경의 요구를 충족시키는 제품을 내놓기 위해서는 여러 과제를 해결해야 한다. 예를 들어 지금은 수 미터의 거리 감지만 달성할 수 있다. 또 다른 큰 과제는 MMIC 같은 패키지이다. 자동차의 신뢰성 요구를 충족시키는 패키지를 개발해야 하며, 마찬가지로 시뮬레이션 모델도 도입해야 한다.
 

결론


지금까지 미래형 레이더 시스템의 아키텍처를 위한 새로운 파티셔닝 제안들을 살펴봤다.

레이더 ECU 내부 또는 퓨전 ECU 내부의 베이스밴드 신호처리를 통합하면 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다.
 

  ▶ 실리콘 면적과 비용
  ▶ 전력 소모, 더 우수한 분배
  ▶ 필터링되지 않은 데이터를 사용할 수 있어 신호처리 가능성 확장
  ▶ 하드웨어와 소프트웨어 모두 확장 가능


24 GHz 레이더 시스템은 다음과 같이 미래에도 다양한 애플리케이션에서 중요한 역할을 할 것이다:

  ▶ 애플리케이션 비용 절감
  ▶ 향후 더 높은 집적도 가능
  ▶ TX 및 RX 손실 감소


더 고려해야 할 사항은 레이더 시스템이 중형 및 보급형 자동차들에서 점점 더 많이 사용될 것이라는 점이다. 이러한 자동차들에 사용되는 애플리케이션은 비용에 극히 민감하다. 따라서 더욱 비용 효율적인 24 GHz 솔루션이 사용될 것이다. AE

 

참고 자료

[1] https://crashstats.nhtsa.dot.gov/Api/Public/ViewPublication/812115
[2] http://www.monash.edu/__data/assets/pdf_file/0010/216946/muarc256.pdf 

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