All-digital ADC for an automotive LiDAR receiver

Abstract

Every 23 seconds, one more person dies in a traffic accident, with this being the leading cause of death for children and young adults. The main reason for traffic accidents is the human factor, with about 90% of all road casualties being rooted in human error. Autonomous Driving (AD) is, therefore, highly suggested as one of the most promising solutions to this problem. The ultimate goal would be to have a fully autonomous vehicle, without the need of any human intervention. If the vehicle is to take over the steering wheel, it must be able to perform all the tasks that the human was performing before, with one of the critical ones being the ability to reliably perceive its surroundings. LiDAR sensors have proven to have a key role in achieving such requirements, as they are the only type of sensor able to provide a detailed point cloud of the vehicle’s surroundings. LiDARs can be divided in two categories: full-waveform and TDC-based LiDARs. Contrary to TDC-based LiDARs, in full-waveform LiDARs, the full received pulse is captured, which enables precise range estimation, and discrimination of interfering or ghost pulses. However, fast and accurate ADCs are required, which, if resorting to conventional ADCs may result in a prohibitive Size, Weight, Power and Cost (SWaP-C). In this work, an All-Digital Analog-to-Digital Converter (AD-ADC) is custom-designed to enable a precise reconstruction of the LiDAR waveforms, while keeping SWaP-C low. An ideal model of the proposed ADC was first obtained, with a final AD-ADC model being constructed from this first one, by successively adding and analysing new impairments, including realistic time resolution and reference curve. The influence of finite slew rate and timing jitter was also addressed. All ADC models were applied to an experimental dataset of LiDAR waveforms, followed by a pre-selected range estimation method. In the end, a centimeter precision and accuracy were obtained over the majority of the waveforms. The results also suggest that the estimation performance may be further improved, by overcoming the proposed AD-ADC inherent drawback of performing non-uniform sampling, and by optimizing the considered reference curve. In conclusion, this study demonstrates that the proposed digital ADC may configure an advantageous part of an automotive LiDAR, being a viable option for the automotive industry.

A cada 23 segundos, mais uma pessoa morre num acidente de viação, sendo esta a principal causa de morte em crianças e jovens adultos. A principal causa para os acidentes rodoviários é o fator humano, com 90% de todos os acidentes a ser causados por erros cometidos pelos condutores. A Condução Autonomia é, portanto, apontada como uma das soluções mais promissoras para este flagelo. O objetivo final seria ter veículos completamente autónomos, sem qualquer necessidade de intervenção humana. Caso se pretenda que o veículo venha a substituir o condutor, o veículo tem que ser capaz de desempenhar todas as funções que antes eram suportadas por este, sendo uma das principais, a capacidade de “ver” o mundo à sua volta, de forma fidedigna. Os sensores Light Detection and Ranging (LiDAR) já mostraram ter um papel importante para que se alcance esta capacidade, uma vez que são o único tipo de sensor capaz de fornecer uma representação 3D detalhada do espaço em seu redor. Os LiDARs podem ser divididos em duas categorias: full-waveform LiDARs e LiDARs baseados em Time-to-Digital Converters (TDCs). Ao contrário do que acontece nos LiDARs baseados em TDCs, nos full-waveform LiDARs, as formas de onda são amostradas na totalidade, permitindo estimações de distância precisas, bem como identificação de falsos positivos causados por interferência ou ruído. Em contrapartida, a amostragem completa da forma de onda requer a utilização de conversores analógico-digital (Analog-to-Digital Converters (ADCs)) precisos e rápidos, o que, admitindo a utilização de ADCs tradicionais, leva a um aumento significativo do custo de todo o sistema LiDAR. Neste trabalho, uma ADC inteiramente digital ´e especificamente projetada para permitir a reconstrução completa de formas de onda, mantendo, ao mesmo tempo, baixo consumo de potência e custo de implementação. Começou por obter-se um modelo ideal da ADC proposta, a partir do qual foi construído um modelo final, através da adição sucessiva de não-idealidades, incluindo uma resolução temporal finita, uma curva de referência realista, uma largura de banda finita dos vários componente e a presença de jitter temporal. Todos os modelos numéricos foram aplicados a um conjunto de formas de onda LiDAR. Às formas de onda amostradas, foi, depois, aplicado um método de estimação de distância. Os resultados obtidos mostraram uma precisão e exatidão da ordem do centímetro para a maior parte das formas de onda consideradas. Adicionalmente, os resultados sugerem que, ultrapassando a desvantagem (inerente `a ADC proposta) de fazer uma amostragem não uniforme no tempo, e otimizando a curva de referência usada, a qualidade da estimação poderá aumentar ainda mais. Em conclusão, este estudo demonstra que a ADC proposta pode vir a ser um componente de grande valor em sistemas LiDAR automotivos, mostrando-se uma opção viável para a industria automóvel.