如何将可扩展DSP用于自动驾驶汽车雷达和激光雷达设计？

Cadence 公司 IP 事业部产品营销总监 Ted Chua 分享了，如何将可扩展 DSP 用于自动驾驶汽车雷达和激光雷达设计的想法

随着汽车行业沿着自动驾驶的 6 个等级逐步推进，每个等级都对车载处理能力提出了更高要求。目前阶段，IoT 设备的智能属性正在网络边缘端被实现；汽车行业也正在经历同样的变化。

ADAS 和自动驾驶传感器对精度需求更高，需要以更低的延迟更快处理依旧在不断增加的数据。实现这一目标的唯一方法就是在未来 Zonal 电子电器汽车架构下，为传感器附加更高的处理能力。

汽车的自动化水平与对周围环境的感知和理解能力密不可分，能做到这一点的就是传感器。

对汽车而言，最关键的三大传感器模态分别是雷达、激光雷达以及视觉。每种传感器各有所长，三种模态都不可或缺。将多种不同传感器技术结合在一起的传感器融合系统可以为功能安全性提供足够的冗余并提高传感精度。实现系统元件间互操作性的第四个要素是互联。上述四个要素共同构成了自动驾驶汽车的基础。

满足 ASIL 认证 IP 的需求

自动驾驶汽车搭载的多种传感器皆可归为三种主要类型之一。

雷达的占比最高，由20 多个分布在车身各处的独立传感器组成。

作为最适合提供高精度测距数据的技术，激光雷达传感器在自动驾驶领域发挥着关键作用。

至少就汽车应用而言，作为最成熟技术的图像传感器也在自动驾驶领域大放异彩。

三类传感器各司其职，分别负责地形监测、其他道路使用者监测、行人监测、天气状况监测，以及绝对速度和相对速度等参数监测。传感器也被用于汽车内部监测，识别并观察乘客情况。

直面 DSP 的数据处理挑战

其中一个挑战是传感器产生的海量原始数据。依赖车载网络进行如此大规模的数据传输是不现实的，作为中继上传到云端进行处理也不切实际，这两种方案对延迟和带宽的需求会让自动驾驶的未来无以为继。所以，原始数据的本地处理是唯一选择。

另一个挑战是如何让传感器解决方案适应传感命令的变化。比如，传感器的测距范围和驾驶速度有关。雷达和激光雷达在精度上互补，但同样取决于天气、光照水平和景物对比度等其他因素。

挑战是层出不穷的。从工程设计的角度来讲，高性能处理解决方案的需求已经非常明确；但是想要将其商业化的大前提是通过汽车应用的相关认证，且需要以更优的方式满足更高的处理要求。尽管激光雷达的成本已经远超雷达或图像传感器，但汽车行业认可了它的不可替代性，因为只有激光雷达才具备满足特定传感需求的独特能力。

我们亟需一个可扩展的、适用于所有传感器类型且针对不同应用做了专门优化的处理平台。自动紧急制动的运作模式与自适应巡航控制显著不同，但两者都会用到激光雷达和雷达传感器。同样的，盲区检测会在白天时使用图像传感器，但在夜间或天气状况较差时则需要雷达辅助。

如此多不同用例的每一种都是实现全自动驾驶的必要条件，且都各自需要为之量身优化的解决方案。考虑到所需的数十个传感器，OEM 需要更高效的商品化方式。

答案已经呼之欲出了，我们需要一个标准化且可扩展的处理平台，也就是采用了分区控制器的分区架构。而且，为了支持高速信号处理，并满足不同应用场景所需的安全等级，这些分区控制器必须是可配置的。

功能性安全

Cadence Tensilica ConnX B10 与 B20 DSP针对包括雷达和激光雷达在内的新一代传感应用做了优化，且支持高性能 V2X 车用无线通信技术。作为半导体行业首款专门面向雷达、激光雷达和 V2X 开发的，可授权的 DSP 产品，它们已经通过了 ASIL B 级随机硬件故障及 ASIL D 系统故障的合规认证。满足 ISO 26262:2018 规定的功能性安全等级是 OEM 和一级供应商开发 ADAS 解决方案和自动驾驶应用 SoC 的必要条件。

ConnX B10 与 B20 DSP 的指令集架构（ISA）支持面向雷达、激光雷达和 V2X 专门设计的加速器。这一特性可以帮助工程师为特定的应用优化 SoC 设计，同时也能从通用架构对代码迁移、复用性及可移植性的支持中获益。

ConnX DSP（见上图）采用了基于 VLIW（超长指令字）架构的 SIMD（单指令多数据流）矢量处理，支持加载/存储，MAC 和 ALU 的并行运行。ISA 也面向线性代数和复杂数据，以及向量压缩和扩展做了优化。ISA 可以在卡尔曼滤波、MUSIC 及 DML 等传感器处理的不同阶段实现性能增强。

作为 ConnX 系列时钟速度最快的产品，ConnX B10 和 B20 DSP 支持可选的 32 位矢量定点 MAC，可被用于加速 FIR、FFT、卷积运算和相关运算等雷达/激光雷达/V2X 相关的处理功能。双精度、单精度以及半精度矢量浮点操作也可以通过硬件进行加速。

ConnX B10 和 B20 DSP 已经做了优化，可以提供先进的 MIMO 系统所需的性能，支持矢量滤波、FFT 以及线性代数处理。我们也考虑到了这些系统对低阶处理的需求，并为此采用了支持不同水平按位操作的指令集。

指令集中涵盖了针对 16 位数据优化的指令，用于执行复杂算术、多项式求值、矩阵乘法和平方根/倒数计算加速。此外，ISA 也支持 16 位与 32 位峰值搜索加速。

随着高精度 4D 图像雷达对天线数量需求的增加，以及物理层（PHYs）逐渐过渡到更先进的 5G 等标准，对处理性能的需求也在急剧上升。ConnX 系列 DSP高度并行的可扩展架构可以满足这一需求。ConnX B10 和 B20 DSP 也提供多核解决方案，将处理容量扩展至超过单一核心。

尽管 DSP 主要负责复杂算法的并行处理，ConnX 系列产品也并未忽视硬件控制的需求。ConnX DSP 在 PHY 应用层控制等领域运行控制代码的能力非常突出。需要与硬件模块连接时，ConnX DSP 可以通过专属的定制化接口与外部硬件连接，实现近乎无限的数据带宽。

为了进一步优化 DSP IP，ConnX 系列产品可以用 TIE（Tensilica Instruction Extension 指令扩展）语言进行定制。与 Verilog 类似，这一语言可以被用于设计多周期流水线执行单元、寄存器文件和 SIMD ALUs 等其它扩展核心架构的方式。每个扩展都有专属指令，且属于整个 ISA 的一部分，方便软件开发者实现硬件扩展。

结论

DSP 架构需要高效使用存储器才能实现高性能设计，同时将能耗和成本最小化。

ConnX B10 与 B20 是为雷达、激光雷达及 5G 通信专门设计的 DSP，性能对比其他软件兼容的 ConnX 家族产品提高了 10 倍。32 位定点 MAC，双精度、单精度和半精度浮点，更高的可并行性，以及更快的时钟速度等特性共同汇聚在可扩展的架构中。这一架构是为了应对雷达/激光雷达传感器，V2X 应用计算链条，以及满足汽车 OEM 实现 Lvel 2 和更高级别自动驾驶而量身设计的。

面向雷达、激光雷达和 V2X 优化的可扩展 DSP IP 已获得 ASIL B 随机故障和ASIL D 系统故障合规认证，助力实现未来更高水平的自动化驾驶。

Ted Chua 是 Cadence 公司 IP 事业部 Tensilica 雷达、激光雷达及通信 DSP 的产品管理和营销总监

原文标题：面向自动驾驶的可扩展 DSP

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