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60GHz 毫米波应用正在进军主流市场

时间:2019-06-19 作者:Dave Royer 阅读:
历史上60GHz的应用局限在军事和科学研究上,所以熟悉它的研发和工程人员并不多。要知道,60GHz频率是不需执照的,其开放供所有人开发和使用。如果请您细想现代技术使用到的无线电频率,您恐怕想不出60GHz频率有什么广泛的用途。为什么我们还没看到60GHZ的广泛使用?直到最近,一些新设计应用的出现,有望将60GHz很快带入主流市场。

如果请您细想现代技术使用到的无线电频率,您恐怕想不出60GHz频率有什么广泛的用途。为什么我们还没看到60GHZ的广泛使用?直到最近,一些新设计应用的出现,比如Ainstein在拉斯维加斯举行的年度消费电子展(CES)上所展示的那些展品,有望将60GHz很快带入主流市场。uvBEETC-电子工程专辑

60GHz简要历史及概述

60GHz频率是极高频(EHF),其落在由IEEE定义的V波段(频率范围40GHz~75GHz)。 60GHz频率也被认为是毫米波(mmWave)频率。 作为毫米波频率,60GHz是直到最近才被民用设计所青睐。uvBEETC-电子工程专辑

历史上60GHz的应用局限在军事和科学研究上,所以熟悉它的研发和工程人员并不多。要知道,60GHz频率是不需执照的,其开放供所有人开发和使用(前提是符合美国联邦通信委员会关于这些应用必须对其它所有无线电频率应用不造成干扰的规则)。uvBEETC-电子工程专辑

使用60GHz频率的优势和挑战

面临的挑战

从工程角度来看,雷达系统中60GHz频率应用目前仍然存在一些挑战。uvBEETC-电子工程专辑

一大挑战是在视野(FOV)边缘追踪目标会变得困难,因为越靠近FOV中心,反射信号强度越强,所以边缘的反射信号强度最弱。这是一个众所周知的情况,不过可以通过使用多个雷达系统传感器来补偿。uvBEETC-电子工程专辑

另一个挑战涉及雷达系统用于确定哪些是跟踪目标,哪些是背景干扰的算法。 就好像在一个杂乱的背景环境中的静止目标(例如,几个人在桌边长时间坐着),传统的多普勒域处理法有时就会错误地将静止目标归类为背景干扰。uvBEETC-电子工程专辑

而60GHz频率设计的雷达系统的潜在好处可能会远远超越这些挑战。uvBEETC-电子工程专辑

优势

60GHz频率的开发应用有一些潜在的好处。首要的一个是与频率本身所固有的因素无关,而是由于其它已成功应用的无线电频率拥塞的事实:比如Wi-Fi的频率是较低的2.4GHz和5GHz,由于这些频率上的高拥塞,Wi-Fi网络承受日益渐多的性能问题。而60GHz频率目前基本不存在拥塞的烦恼,因此可以保障更好的信号完整性。uvBEETC-电子工程专辑

还有一个相关的好处是,不需执照的60GHz频率可提供高达9GHz的频谱 - 比起那些不需执照的较低频率所能提供的带宽高出许多倍。这也支持了60GHz频率保障更好信号完整性的说法。在ACM的SIGCOMM计算机通信评论的编辑性说明中,英特尔公司的L. Lily Yang说过 “…在无需执照的60GHz频段中,丰富的带宽是任何较低频段都无法比拟的。”uvBEETC-电子工程专辑

在过去十年中,人们对于60GHz的关注和研究主要集中在无线通信上。然而,对于诸如雷达系统之类的领域,60GHz频率具有的大带宽可以提供更精准的雷达读数,从而将雷达的用途拓展至人数统计,楼宇自动化,工作场所和周边安全等等以前不曾广泛实施的应用。uvBEETC-电子工程专辑

60GHz频率的另一个好处来自其波长较短。 60GHz频率的短波长不大可能穿过墙壁和建筑物(2.4GHz Wi-Fi信号可以)。曾经这被视为一个缺陷,因为以往我们主要通过通信系统的视角来看待频率,所以我们寻求那些可以穿过墙壁和建筑物的无线电信号(例如,蜂窝网络和Wi-Fi网络)。 在许多情况下我们的确渴望信号能够穿过墙壁,但是,随着当下广播电视,无线通信等无线电信号的激增,将信号保持在特定空间的需要也在不断增加。uvBEETC-电子工程专辑

有几个因素会影响到信号是否能穿透固体(比如建筑物的墙壁),其中一些与信号的波长有关。 无线信号是否可以穿透诸如建筑物墙壁的物理屏障在很大程度上取决于墙壁的材料。只要墙壁不是由高导电金属或极其致密的材料(砖块,混凝土等)制成,Wi-Fi信号从家里的一个房间传播到另一个房间通常没有任何问题。uvBEETC-电子工程专辑

最常见的射频和微波信号 - 例如AM/FM无线电信号,电视信号,蜂窝信号和Wi-Fi信号 – 勾画出从几米的波长降序排列到Wi-Fi信号所用的12毫米波长的一些相对较长波长的应用。对于具有这些波长级别的信号来说,通常的建筑物墙壁实际上是“透明的”,它们穿过墙壁就像光线穿过玻璃一样地容易。然而,在信号频率较高的情况下,墙壁就变得不再像让光线穿过的玻璃窗,而更像是一扇关闭的门。uvBEETC-电子工程专辑

信号穿透深度由Beer-Lambert定律描述,表示如下:uvBEETC-电子工程专辑

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Beer-Lambert定律与信号衰减常数有关,表示为:uvBEETC-电子工程专辑

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其中δp是信号穿透表面的深度,α通过计算衰减常数得到,其受信号波长(λ)的影响。 即随着信号波长的减小(如:更高频率的信号),其衰减常数变得更大,并且其穿透深度减小。uvBEETC-电子工程专辑

英国通信办公室(相当于美国联邦通信委员会的英国机构)的一个2014年研究委员会研究了建筑物中不同建筑材料对不同频率信号的损耗情况。 图2列出了一些研究结果,与理论预测一致:信号的能量损耗(以dB为单位测量)随着信号频率的变大而迅速增加,即信号的能量损耗与信号的频率成正比。uvBEETC-电子工程专辑

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图1. 建筑物中不同建筑材料对不同频率下的信号损耗。(来源:英国通信办公室/ 2014年Aegis Systems技术研究)uvBEETC-电子工程专辑

雷达系统利用60GHz频率使传感器能够准确地感测场景中物体的范围,速度和角度,同时提供工业环境所需的高分辨率。uvBEETC-电子工程专辑
在行驶车辆,如建筑机械,采矿设备及其它特种车辆还有无人驾驶飞行器(UAV)和工业设置上的一个常见难点是如何在如此困难的环境中跟踪目标。目标或者很简单譬如在巨大的露天矿中阻挡路径的一块巨石,或者复杂一些譬如人,人在制造环境中是重型工业机械必须要避闪的目标。uvBEETC-电子工程专辑

用来正确发送和接受信号的设备,通常是操作频率越高,所需的天线体积越小。由于这个原理,利用60GHz频率可以使雷达系统小型化,其体积要比使用较低的2.4GHz频率的类似设备小很多。如此也开辟了雷达系统和雷达传感器新的潜在用途,比如那些由于大型雷达系统的物理尺寸限制而无法实施的应用。uvBEETC-电子工程专辑

解决方案

将雷达设计所需的部件集成为专用的片上系统(SoC)器件,因而降低了毫米波应用设计的复杂性。通过这些器件,开发人员可以更有效地利用多输入多输出(MIMO)技术设计系统。uvBEETC-电子工程专辑

MIMO在无线通信领域中是耳熟能详的概念,在雷达系统设计领域也是至关重要的。通过将MIMO技术结合到雷达系统设计中,可以实现3D环境和目标的图像。为了达到对环境全面的了解程度,雷达系统通常使用多个天线。 而60GHz频率的天线设计还可以通过使用更小尺寸的传感器拓宽视野。为了实现±90°的清晰视野,四个接收天线之间的间隔被设计为半波长,而三个发射天线之间是一个波长。这促成在仰角和方位角平面上都有一个4x2网格。uvBEETC-电子工程专辑

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图2:在60GHz应用中实现±90°清晰视野的天线设计。 (来源:Ainstein)uvBEETC-电子工程专辑

60GHz应用中的高带宽意味着雷达系统在此频率下的读数可以比在较低频率下的分辨率高得多。 传统雷达不需要操心分辨率,因为以往通常用它来检测大型物体,例如飞机。 但随着我们日常生活中自动或半自动机器的日益普及,对于高分辨率感应较小物体(例如灯柱,建筑物或人)的需求日益增长。uvBEETC-电子工程专辑

60GHz雷达系统的一个应用示例:人数统计

为了给顾客和员工提供更好的体验,零售业和酒店餐饮业不断追求更好的理解和优化其运营的方法,于是促成了人数统计在过去十年中已成长为一个行业的事实。uvBEETC-电子工程专辑

人数统计是一个相对成熟的应用,可以通过不同的技术方式来实现。 用于人数统计的最常见现有技术包括计算机视觉视频,红外成像,热成像和Wi-Fi。uvBEETC-电子工程专辑

基于视频的人数统计方法令许多其潜在客户主要关注的是隐私问题。 它能提供准确性和效率,但因为需要针对特定个人收集个人身份信息(PII),所以与隐私和安全问题纠缠在了一起。仅仅因为这个原因,即便他们可以从中获利,也使得他们不得不在采用这种人数统计方案面前却步。uvBEETC-电子工程专辑

采用60GHz频率的雷达系统可以向设施管理者提供相同的信息而不涉及隐私问题。只通过使用雷达,就可以确定房间内是否有人。这对于会议室,智能建筑,酒店管理等应用非常重要。例如,酒店可以根据房间占用情况实施智能节能,智能照明或温度控制。而且,没有使用可视化工具,也可以在不侵犯房间内个人隐私的情况下做到:只是通过简单的雷达反射就能确定房间里有多少人,以及有多少人离开房间。uvBEETC-电子工程专辑

雷达处理的标准算法是用众所周知的雷达方程:uvBEETC-电子工程专辑

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其中:uvBEETC-电子工程专辑
Pr = Rx功率uvBEETC-电子工程专辑
Pt = Tx功率uvBEETC-电子工程专辑
Gt = Tx天线增益uvBEETC-电子工程专辑
σ= 散射系数(经验测量值或估算值)uvBEETC-电子工程专辑
F = 模式传播uvBEETC-电子工程专辑
Rt = 从Tx到目标的距离uvBEETC-电子工程专辑
Rr = 从目标到Rx的距离uvBEETC-电子工程专辑
Ar = Rx天线的有效孔径由下式得到:uvBEETC-电子工程专辑
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其中:uvBEETC-电子工程专辑
λ= Tx波长uvBEETC-电子工程专辑
Gr = Rx天线增益uvBEETC-电子工程专辑

从雷达方程中可以清楚地看出,雷达信号的接收功率取决于信号的波长,而波长与其频率成反比。因此,对于相同的接收功率,较高频率信号需要较大的Tx功率和Tx天线增益。这是一个重大的设计挑战,也是为什么在这以前60GHz频率的使用一直主要限于科学和军事应用的一个原因。uvBEETC-电子工程专辑

在实际应用中,一般的雷达方程中增加了额外的控制项以改善滤波,解决路径损耗等问题。大多数雷达系统提供商还包括他们自己的专有算法,以最大限度地提高性能。uvBEETC-电子工程专辑

新一代智能传感器将通过节能解决方案(如根据房间占用情况调节照明和控制温度)显著提高商业建筑的利用率和功能,并降低运营成本。 例如,在普通的商业建筑中,HVAC消费了39%的能源预算。根据美国能源效率经济委员会(ACEEE)最近的一份报告,智能传感器可以将这种花费减少到18%。uvBEETC-电子工程专辑

另一个用例,2015年的一项研究发现,正确使用数码广告牌可以将零售环境中的结账等待时间缩短35%,并使整体销售量增加30%以上。要实现这些结果,需要深入了解人们对数码广告牌的反应。通过将数码广告牌与从人数统计技术中收集的人流数据相结合,有多少人通过数码广告牌,以及他们在数码广告牌的视线范围内停留多长时间,零售商可以确保捕获更多潜在利益。uvBEETC-电子工程专辑

基于Wi-Fi的人数统计方案不提供房间中真实的人数,因为它们通常依靠接收到的信号强度(RSS)测量法和/或实际的Wi-Fi协议会话。这些技术可以提供指定时间指定空间内的最少具体人数,并且根据此基准RSS数据和统计估算法得出估计的总人数。这些方法往往可以很好地估算人流量,但它仍然是一种估计值。首先,虽然美国大多数成年人大多数时间都拥有并携带支持Wi-Fi的智能手机,但毕竟不是100%的比率。此外,并非所有智能手机用户都允许其设备在开放网络被自动探测(在许多情况下,正是由于隐私和/或安全问题)。同样,另一个人可能同时拥有支持Wi-Fi的智能手表,智能手机,平板电脑和笔记本电脑,并将它们统统连接到网络,使得计数一再被扭曲。基于Wi-Fi的人数统计方法在映射空间中人的确切位置和移动的能力方面有一定的局限。更有甚者,正如Julien Freudiger在2015年ACM研究论文中,以及Levent Demir在2013年INRIA研究论文中所证明的那样,这些方法有可能会使个人隐私暴露于潜在的隐私泄露中,尽管人们并不这么认为.uvBEETC-电子工程专辑

红外成像和热成像可以提供必要的精度,但是两者的安装和操作成本可能很快变得非常昂贵,因为这些系统需要大量的电力并且不间断运行。uvBEETC-电子工程专辑

许多办公楼都有共用的会议室。即使是专业的办公室经理,也难以管理这些房间的使用。 有时人们在日历上预订了会议室但结果是最终不需要了,日历却不曾被更新,导致会议室无法被利用。 其它时候,人们可能在他们没有预约的会议室举行即兴会议。这些情况时有发生,而基于雷达的人数统计系统有助于解决这类情况。uvBEETC-电子工程专辑

使用60GHz雷达系统管理会议室人数统计的一个实际配置用例为: 三个60GHz雷达系统模块可以放置在三个独立的会议室中。由于这些模块利用雷达系统技术,他们可以检测到会议室是否被占用(就像无人机雷达系统检测到附近有障碍物,或者自动驾驶汽车检测到有另一辆车正在附近)。uvBEETC-电子工程专辑

雷达系统模块首先在模块内处理数据,然后将数据从模块传送到连接在Wi-Fi网络的微控制器。然后可以通过亚马逊的Alexa从有互联网连接的世界任何地方使用语音命令访问该微控制器,并向办公室经理返回关于某会议室是否被占用的响应。uvBEETC-电子工程专辑

本文同步刊登于电子工程专辑杂志2019年6月刊uvBEETC-电子工程专辑

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