機器人激光雷達ADC：高速不過是基本要求
2022-3-31 20:54:03??????點擊：
如果說電機驅控決定了移動機器人執行層的基本能力，那感應模塊的性能就決定了移動機器人感知層的水平。這里說的感應模塊并不只具體到機器人所配置的超聲波、激光雷達這一層，而是具體到超聲波、激光雷達所應用的半導體元件上。
一般來說，移動機器人感應模塊通常需要具有集成或分立數字轉換器的高速信號鏈以及計算模塊之間的高速低延遲通信。對于移動機器人感知層這種極其要求實時性的模塊來說，感知層如果無法做到對環境數據的實時抓取與傳輸，那么顯然這個移動機器人是不夠“智能化”，不夠“自主化”的。
激光雷達模塊是現在移動機器人應用最多的子系統，所以我們不妨從激光雷達來看其中的半導體元件。高速信號鏈肯定是離不開ADC的，激光雷達模塊中所應用到的ADC無疑比其他傳感器上所有的ADC要求要高一些，尤其是對于“高速”這個要求。
TI 機器人感應模塊ADC應用
對于移動機器人激光雷達模塊的ADC應用來說，大于10 MSPS的數據吞吐速率是必需的，即便是普遍的ToF系統也需要高轉換速率，更不用說以后可能會應用的FMCW系統對ADC速率更高的要求了。
TI在此應用上推出的是ADC324X這個系列，雙通道125 MSPS的14 bit模數轉換器。25 MSPS至125 MSPS的轉換速率專門應用于具有寬動態范圍需求且要求苛刻的高輸入頻率信號。
（圖源：TI）
整個系列的信噪比SNR水平在73.3dB左右，SFDR在94dB左右，這種高性能可以帶來很多優勢，比如在激光雷達模塊中為雷達與成像技術提供更高的分辨率。考慮到實際工況，14 bit的ADC324X系列的ENOB為11.8 bit，這是十分接近理論分辨率的有限分辨率了，很多在同信號頻率和速率范圍內的ADC其ENOB都在11.5左右。
ADC324x支持串行低壓差分信令（LVDS）與1分頻、2分頻以及4分頻的靈活輸入時鐘緩沖器，從而減少接口線路的數量來實現高系統集成度。串行LVDS接口為雙線制，通過兩個LVDS對串行輸出每個ADC數據。內部鎖相環會將傳入的ADC采樣時鐘加倍，以獲得串行輸出各通道的14位輸出數據時所使用的位時鐘。
該系列在最大轉換速率125 MSPS下，每個通道還能實現116mW的超低功耗。超低功耗這一指標永遠具有吸引力。在支持斬波、多芯片同步、高等級通道隔離以及內部抖動的高性能ADC系統下，超低的功耗無疑為整個感知模塊起到了相當大的減負作用。除此之外，當 SYSREF輸入實現整個系統同步時，時鐘輸入分頻器也將給予系統時鐘架構設計更高的靈活性。
ADI 激光雷達ADC應用
ADI 很多信號處理解決方案都能增強激光雷達系統的能力。從放大器到DAC ，從比較器到高速多通道ADC，ADI針對感知模塊上應用的ADC在動態范圍、功耗、帶寬、SNR上都有著領先的性能。
（圖源：ADI）
在這些應用的半導體元件中，AD9094是極其突出的應用于高頻輸入信號采樣的8位1 GSPS 四通道ADC。AD9094經過專門設計，能夠對高達1.4 GHz的寬帶寬模擬信號進行采樣。從信噪比SNR來看，AD9094的SFDR為71dBFS（@611 MHz），SNR為48.6dBFS，SINAD為48.5dBFS，在611 MHz的信號頻率下這個信噪比水平是絕對的行業標桿。
在這個高速的四通道ADC上，多級差分流水線架構可以實現靈活的JESD204B通道配置。同時每一個通道都具有極低的功耗。速率為1 GSPS時總功率1.6W，也就是說單個通道僅有400mW的功耗。AD9094還提供靈活的關斷選項，可以在必要時大幅度再降低功耗。寬輸入帶寬、高采樣速率和高工作線性度再搭配上低功耗，對于移動機器人感知層來說已經能提供最大的助力。
再加上集成式的寬帶抽取濾波器和數控振蕩器（NCO）模塊、用于系統熱管理的片內溫度二極管以及片內抖動等等各種模塊功能，高性能的感知層更好地實現了信號鏈高速以及模塊間的高速低延遲。
小結
以上都是具體到激光雷達模塊應用的ADC在探討，也不難看出在這種設計里不僅僅只需要ADC有高速的性能，或者說高速是最基本的。如何在給予系統高速的數據轉換效率同時給予這個系統更高的靈活度、更高的集成性、更好的信號處理以及更低的功耗才是最重要的。
一般來說，移動機器人感應模塊通常需要具有集成或分立數字轉換器的高速信號鏈以及計算模塊之間的高速低延遲通信。對于移動機器人感知層這種極其要求實時性的模塊來說，感知層如果無法做到對環境數據的實時抓取與傳輸，那么顯然這個移動機器人是不夠“智能化”，不夠“自主化”的。
激光雷達模塊是現在移動機器人應用最多的子系統，所以我們不妨從激光雷達來看其中的半導體元件。高速信號鏈肯定是離不開ADC的，激光雷達模塊中所應用到的ADC無疑比其他傳感器上所有的ADC要求要高一些，尤其是對于“高速”這個要求。
TI 機器人感應模塊ADC應用
對于移動機器人激光雷達模塊的ADC應用來說，大于10 MSPS的數據吞吐速率是必需的，即便是普遍的ToF系統也需要高轉換速率，更不用說以后可能會應用的FMCW系統對ADC速率更高的要求了。
TI在此應用上推出的是ADC324X這個系列，雙通道125 MSPS的14 bit模數轉換器。25 MSPS至125 MSPS的轉換速率專門應用于具有寬動態范圍需求且要求苛刻的高輸入頻率信號。
（圖源：TI）
整個系列的信噪比SNR水平在73.3dB左右，SFDR在94dB左右，這種高性能可以帶來很多優勢，比如在激光雷達模塊中為雷達與成像技術提供更高的分辨率。考慮到實際工況，14 bit的ADC324X系列的ENOB為11.8 bit，這是十分接近理論分辨率的有限分辨率了，很多在同信號頻率和速率范圍內的ADC其ENOB都在11.5左右。
ADC324x支持串行低壓差分信令（LVDS）與1分頻、2分頻以及4分頻的靈活輸入時鐘緩沖器，從而減少接口線路的數量來實現高系統集成度。串行LVDS接口為雙線制，通過兩個LVDS對串行輸出每個ADC數據。內部鎖相環會將傳入的ADC采樣時鐘加倍，以獲得串行輸出各通道的14位輸出數據時所使用的位時鐘。
該系列在最大轉換速率125 MSPS下，每個通道還能實現116mW的超低功耗。超低功耗這一指標永遠具有吸引力。在支持斬波、多芯片同步、高等級通道隔離以及內部抖動的高性能ADC系統下，超低的功耗無疑為整個感知模塊起到了相當大的減負作用。除此之外，當 SYSREF輸入實現整個系統同步時，時鐘輸入分頻器也將給予系統時鐘架構設計更高的靈活性。
ADI 激光雷達ADC應用
ADI 很多信號處理解決方案都能增強激光雷達系統的能力。從放大器到DAC ，從比較器到高速多通道ADC，ADI針對感知模塊上應用的ADC在動態范圍、功耗、帶寬、SNR上都有著領先的性能。
（圖源：ADI）
在這些應用的半導體元件中，AD9094是極其突出的應用于高頻輸入信號采樣的8位1 GSPS 四通道ADC。AD9094經過專門設計，能夠對高達1.4 GHz的寬帶寬模擬信號進行采樣。從信噪比SNR來看，AD9094的SFDR為71dBFS（@611 MHz），SNR為48.6dBFS，SINAD為48.5dBFS，在611 MHz的信號頻率下這個信噪比水平是絕對的行業標桿。
在這個高速的四通道ADC上，多級差分流水線架構可以實現靈活的JESD204B通道配置。同時每一個通道都具有極低的功耗。速率為1 GSPS時總功率1.6W，也就是說單個通道僅有400mW的功耗。AD9094還提供靈活的關斷選項，可以在必要時大幅度再降低功耗。寬輸入帶寬、高采樣速率和高工作線性度再搭配上低功耗，對于移動機器人感知層來說已經能提供最大的助力。
再加上集成式的寬帶抽取濾波器和數控振蕩器（NCO）模塊、用于系統熱管理的片內溫度二極管以及片內抖動等等各種模塊功能，高性能的感知層更好地實現了信號鏈高速以及模塊間的高速低延遲。
小結
以上都是具體到激光雷達模塊應用的ADC在探討，也不難看出在這種設計里不僅僅只需要ADC有高速的性能，或者說高速是最基本的。如何在給予系統高速的數據轉換效率同時給予這個系統更高的靈活度、更高的集成性、更好的信號處理以及更低的功耗才是最重要的。
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