18.02.2019 – Kategorie: Technik

Mehr Sehkraft für autonome Fahrzeuge

mit-terahertz-chip_0

Autonome Fahrzeugkonzepte, die mit lichtbasierenden Bildsensoren arbeiten, kommen bei sichtbehindernden Verhältnissen wie Nebel schnell in Schwierigkeiten. Forscher am MIT haben daher einen Empfänger von Sub-Terahertz-Strahlung entwickelt, der selbstfahrende Autos sicher lotst, wenn traditionelle Verfahren versagen.

Wellenlängen im Sub-Terahertz-Bereich, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarot anzusiedeln sind, können Nebel und Dunst durchdringen, womit hingegen infrarotbasierende LiDAR-Systeme in autonomen Fahrzeugen zu kämpfen haben. Um Objekte aufzuspüren sendet das Sub-Terahertz-Bildsystem ein initiales Signal über einen Sender. Ein Empfänger misst dann die Absorption und Reflexion der Strahlen und schickt ein entsprechendes Signal an eine Recheneinheit, die daraus ein Bild des Objekts generiert.

Das hört sich einfacher an, als es ist. Denn Sub-Terahertz-Sensoren in autonomen Fahrzeugen zu verbauen, gestaltet sich kompliziert. Eine empfindliche, genaue Objekterkennung erfordert ein starkes Basisbandsignal vom Empfänger zum Prozessor. Lösungen, die solche Signale liefern, sind derzeit noch groß und teuer. Kleinere chipbasierte Sensor-Arrays gibt es zwar, doch diese produzieren schwache Signale.

In einem Beitrag, der online vom IEEE Journal of Solid-State Circuits veröffentlicht worden ist, beschreiben die Entwickler einen zweidimensionalen Empfänger für Sub-Terahertz-Strahlung auf einem Chip, der um Größenordnungen empfindlicher reagiert und somit Sub-Terahertz-Wellen auch im starkem Signalrauschen erkennt und interpretiert. Das wird durch eine Anordnung von heterodynen Detektoren erreicht, die Signale unabhängig voneinander mischen. Üblicherweise lassen sich diese nur schwer in hoher Dichte auf Chips unterbringen. Die Entwickler haben die heterodynen Detektoren so weit geschrumpft, dass möglichst viele auf einen Chip passen. Dazu brauchte es ein kompaktes, vielseitiges Bauteil, dass gleichzeitig Input-Signale downmixen, das Array synchronisieren und eine starkes Output-Signal erstellen kann.

Der Prototyp umfasst ein 32-Pixel-Array auf einem 1,2 mm²-Chip.  Die Pixel sollen rund 4‘300 mal empfindlicher reagieren als die aktueller chipbasierter Sub-Terahertz-Sensoren. Der Chip könnte in autonomen Fahrzeugen und Robotern zum Einsatz kommen.

Bessere elektrische Augen für autonome Fahrzeuge und Drohnen seien eine große Motivation für die Arbeit gewesen, so Co-Autor Ruonan Han, Professor of electrical engineering and computer science, und Leiter der Terahertz Integrated Electronics Group an den MIT Microsystems Technology Laboratories (MTL). Die kostengünstigen Sub-Terahertz-Sensoren lassen sich ergänzend zu LiDAR einsetzen, wenn die Verhältnisse es erfordern, gibt sich Han zuversichtlich.

Dezentrales Design

Den Schlüsselaspekt des Aufbaus bezeichnen die Autoren als „Dezentralisierung“. Darin generiert ein einzelnes, heterodynes Pixel die Differenzfrequenz zwischen zwei einlaufenden Sub-Terahertz-Signalen und die „lokale Oszillation“, ein elektrisches Signal, das die Input-Frequenz ändert. Dieses Downmixing erzeugt ein Signal im Megahertz-Bereich, das von einem Baseband-Prozessor leicht zu interpretieren ist.

Das ausgehende Signal lässt sich dazu nutzen, Entfernungen von Objekten zu berechnen, vergleichbar einem LiDAR-System, das die Zeit berechnet, die der Laserstrahl vom Auftreffen auf das Objekt bis zur Rückkehr zum Empfänger benötigt. Wenn man zusätzlich noch die ausgehende Signale eines Pixel-Arrays kombiniert und in eine bestimmte Richtung lenkt, erhält man hoch aufgelöste Bilder der Umgebung. Das ermöglicht nicht nur das Aufspüren, sondern auch das Erkennen von Objekten, entscheidend für autonome Fahrzeuge und Roboter.

Die heterodynen Pixel-Arrays funktionieren nur, wenn die Signale für die lokale Oszillation synchronisiert werden. Dafür braucht es ein entsprechenden Oszillator. Zentralisierte Anordnungen enthalten einen einzelnen Knotenpunkt, der die lokale Oszillation mit allen Pixeln teilt. Entsprechende Designs finden sich vor allem in Empfängern von niedrigeren Frequenzen und können im Subterahertz-Bereich zu Problemen führen, wo es schwierig ist, ein starkes Signal an einem einzigen Punkt zu erzeugen. Je größer die Anordnung, je mehr nimmt die Signalstärke pro Pixel ab. Das reduziert wiederum die Stärke des ausgehenden Basisbandsignals reduziert. Im Ergebnis können die von jedem Pixel generierten Signale sehr schwach ausfallen, und das führt zu einer geringen Empfindlichkeit. Einige der chipbasierten Sensoren bedienen sich dieses Designs, sind aber auf acht Pixel beschränkt.

Diesen Kompromiss aus Größe und Empfindlichkeit umgehen die Entwickler mit einem dezentralen Design. Jedes Pixel erzeugt sein eigenes lokales Oszillationssignal, das für das Empfangen und Downmixen des einkommendes Signals benötigt wird. Ein integrierter Koppler synchronisiert dessen Signale mit denen seines Nachbarpixels. Das verleiht jedem Pixel mehr Signalstärke, weil die lokale Oszillation nicht mehr von einem zentralen Punkt kommt. Vergleiche man das mit einem Bewässerungssystem, so Han, habe jeder Sprinkler seine eigene Pumpe, kommuniziere aber mit seinen Nachbarn, um die Frequenz zu synchronisieren. Damit sei das System maximal skalierbar.

Doch andererseits vergrößert die neue Architektur den Flächenbedarf jedes Pixels. Das erweise sich als Hürde für eine großräumige und dichte Integration in der Form eines Arrays. Die Entwickler haben verschiedene Funktionen, die üblicherweise separiert werden, in einem „Multitasking“-Bauteil untergebracht: Antenne, Downmixer, Oszillator und Koppler. Das ermöglicht einen dezentralen Aufbau mit 32 Pixeln.

Von Frequenzen geführt

Damit das System die Entfernung von Objekten messen kann, muss die Frequenz des Lokaloszillator-Signals stabil bleiben. Dafür haben die Wissenschaftler ein Bauteil auf dem Chip integriert, eine Phasenregelschleife, die die Sub-Terahertz-Frequenz auf eine stabile, niedrigfrequente Referenz regelt. Weil die Pixel gekoppelt sind, teilen ihre Lokaloszillationssignale die identische Phase und Frequenz. Sinnvolle Informationen lassen sich auf diese Weise aus den Basisband-Signalen extrahieren. Die Architektur ist darauf ausgelegt, Signalverluste zu minimieren und die Steuerung zu optimieren.

Paper: A 32-Unit 240-GHz Heterodyne Receiver Array in 65-nm CMOS With Array-Wide Phase Locking, https://ieeexplore.ieee.org/document/8637931

Ruonan Han: http://hangroup.mit.edu/people/

Terahertz Integrated Electronics Group: http://hangroup.mit.edu/


Teilen Sie die Meldung „Mehr Sehkraft für autonome Fahrzeuge“ mit Ihren Kontakten:


Scroll to Top