為工業(yè)應用引入60 GHz無(wú)線(xiàn)技術(shù)

　　引言

　　無(wú)線(xiàn)互連的應用越來(lái)越廣泛。這個(gè)趨勢在消費電子領(lǐng)域中最為明顯，在過(guò)去的十年里，手機和平板電腦市場(chǎng)快速推動(dòng)了對于各類(lèi)無(wú)線(xiàn)標準的采用。全球范圍內Wi-Fi熱點(diǎn)的數量已經(jīng)超過(guò)1.75億，預計將在2018年[1]達到3.3億。支持藍牙的產(chǎn)品總數也有所提升，在2014年-2018年[2]期間支持藍牙的音頻設備數量將獲得400%的增長(cháng)。大多數無(wú)線(xiàn)技術(shù)使用相同的2.4GHz和5GHz頻段，而這兩個(gè)頻段正變得日益擁擠。2015年[3]智能手機訂購量估計為34億，每一臺手機都意味著(zhù)更多的數據需求，不斷將移動(dòng)手機網(wǎng)絡(luò )和授權頻段的資源推向極限。

　　最近幾年興起了一種新的解決方案，能夠解決現有頻段面臨的資源緊張問(wèn)題，還能打破現有無(wú)線(xiàn)解決方案的各種限制。在毫米波(30 GHz - 300 GHz)頻段中，60 GHz頻段因最具潛力脫穎而出。該頻段在許多地區是免授權的，所以對于很多應用來(lái)說(shuō)采用該頻段是很方便的。這為一系列集成千兆級收發(fā)器的全新設備的出現提供了可能性，相比目前已然十分擁擠的2.4GHz和5GHz頻段能夠提供海量的帶寬。

　　很多應用都能從60 GHz技術(shù)中獲益。在數據傳輸領(lǐng)域，60 GHz技術(shù)正被用于取代現有的Wi-Fi應用，實(shí)現高達4.6Gbps的數據傳輸速率，比現有的802.11ac[4]標準快5倍。WirelessHD®標準能夠實(shí)現消費電子設備間的視頻流傳輸。制造商已經(jīng)開(kāi)始為筆記本電腦、智能手機、數字電視、視頻投影儀以及虛擬現實(shí)頭盔添加WirelessHD支持，預計移動(dòng)應用、家庭影院以及其他計算設備領(lǐng)域也將采用WirelessHD。其他領(lǐng)域也已開(kāi)始發(fā)展60 GHz技術(shù)，包括辦公樓宇與校園使用的無(wú)線(xiàn)回程應用依托60 GHz數據傳輸應用快速、便捷地構建樓宇和無(wú)線(xiàn)連接器之間互連，實(shí)現更加輕薄和穩定的設備。但是對于更高的無(wú)線(xiàn)寬度以及高速高清視頻傳輸的需求不僅限于消費電子領(lǐng)域。工業(yè)領(lǐng)域亦可從毫米波技術(shù)中獲益。本文為讀者提供60 GHz技術(shù)概覽，不僅涵蓋現有的消費電子應用，還會(huì )對橫跨多個(gè)不同工業(yè)領(lǐng)域的毫米波技術(shù)潛在應用進(jìn)行探索。

　　60 GHz無(wú)線(xiàn)技術(shù)概覽

　　包括美國FCC在內的監管機構已經(jīng)為各行業(yè)劃定了免授權頻段。60 GHz頻段擁有超過(guò)7 GHz的帶寬[5]。相較于5GHz頻段，它能提供超過(guò)20倍的帶寬資源。

　　60 GHz頻段頻譜范圍寬，能夠提供千兆級的網(wǎng)絡(luò )容量，并且該頻段還具備多個(gè)關(guān)鍵的傳播和衰減特性，全新的高性能無(wú)線(xiàn)解決方案可從中獲益。

　　2.4GHz和 5GHz頻段適用于中程傳輸，是Wi-Fi等本地網(wǎng)絡(luò )架構的理想選擇。60 GHz頻段上的信號傳播距離相對更短，在穿過(guò)空氣和固體結構時(shí)會(huì )發(fā)生衰減，因此是短程應用的理想選擇。為了充分利用60 GHz頻段的優(yōu)勢，需要用到相控陣天線(xiàn)、定向度高的波束以及波束控制技術(shù)。萊迪思半導體提供基于SiBEAM技術(shù)，領(lǐng)先業(yè)界并已經(jīng)量產(chǎn)的射頻收發(fā)器，采用標準CMOS IC制造和封裝技術(shù)。

　　應用

　　毫米波技術(shù)的特性是需要天線(xiàn)在一定的范圍轉向以對準目標，按照不同的范圍可劃分不同類(lèi)型的應用。為了對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行演示說(shuō)明，我們劃分了三個(gè)應用類(lèi)型：10毫米、1-10米和100米及以上。

　　[10毫米] 無(wú)線(xiàn)連接器

　　在極短的距離內(通常是10毫米左右)，60 GHz技術(shù)能夠被用作線(xiàn)纜的高效替代方案。特別設計的無(wú)線(xiàn)發(fā)送器和接收器IC可用于在短距離內以極高的速率傳輸數據，從而取代有線(xiàn)連接。

　　60 GHz技術(shù)還可用于物理接口的替代解決方案。對于那些對設備耐用性有要求的應用來(lái)說(shuō)是非常有用的，因為它消除了物理接口，而后者正是電子設備的常見(jiàn)故障點(diǎn)之一，是水、塵土以及其他能夠對電子設備造成危害的顆粒的主要入口之一。除了故障率之外，有些專(zhuān)用接口，比如說(shuō)將可拆卸的平板式筆記本電腦連接到底座設備或是傳統的筆記本型底座的接口，相比標準化的連接器往往需要明顯更多的開(kāi)發(fā)和實(shí)現成本。

　　[1-10米] 無(wú)線(xiàn)數據/音頻

　　在中等距離應用(1-10米)領(lǐng)域，60 GHz技術(shù)能夠作為Wi-Fi等現有無(wú)線(xiàn)應用的高速替代解決方案，以及用于實(shí)現無(wú)線(xiàn)視頻的線(xiàn)纜替代解決方案。

　　802.11ad是由IEEE定義的60 GHz數據傳輸標準，IEEE還定義了802.11a、802.11b、802.11n以及802.11ac等Wi-Fi標準。Qualcomm等業(yè)內主要廠(chǎng)商正在將802.11ad集成到其產(chǎn)品[6]中，通過(guò)這項技術(shù)為用戶(hù)實(shí)現超快的視頻和數據傳輸。

　　60 GHz技術(shù)特別適合無(wú)線(xiàn)線(xiàn)纜替代解決方案。高帶寬、低延遲、點(diǎn)到點(diǎn)架構以及室內傳輸特性使其成為室內線(xiàn)纜的理想替代解決方案。該技術(shù)可在家庭影院系統(圖1)中發(fā)揮作用，實(shí)現高清視頻傳輸。該技術(shù)使得消費者能夠隨意靈活地放置視頻內容輸出設備與電視熒幕，為消費者提供極大的便利性。WirelessHD標準正在嶄露頭角，作為高質(zhì)量視頻傳輸領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)，它充分利用了60 GHz頻段的特性，實(shí)現卓越的無(wú)線(xiàn)用戶(hù)體驗。

　　圖1 – 使用60 GHz技術(shù)的可靠的無(wú)線(xiàn)高清視頻傳輸應用

　　[100米+] 千兆級室外無(wú)線(xiàn)鏈路

　　毫米波技術(shù)在未來(lái)的無(wú)線(xiàn)回程基礎設施應用中也能夠發(fā)揮重要作用，適用于下一代5G移動(dòng)通信基礎設施、固定接入回程擴展以及校園內的點(diǎn)對點(diǎn)鏈路等，60 GHz通道的無(wú)線(xiàn)容量以及高度優(yōu)化的射頻鏈路可實(shí)現理想的“無(wú)線(xiàn)光纖”，用于替代現有的光纖回程應用(圖2)。

　　圖2 - 60 GHz無(wú)線(xiàn)光纖使用案例

　　目前市場(chǎng)上有多種方案在互相競爭，但大多數系統目前是基于IEEE 802.11ad標準實(shí)現的。除了之前提到的室內應用之外，對于現有802.11標準的修訂涵蓋了使用60 GHz毫米波頻段支持長(cháng)距離鏈路(長(cháng)達500米)應用。它使用為10米室互連開(kāi)發(fā)的同一波束控制技術(shù)，以支持接入點(diǎn)連接和室外回程鏈路等其他應用。

　　工業(yè)應用

　　60 GHz技術(shù)為消費電子領(lǐng)域帶來(lái)的大量機遇已經(jīng)顯而易見(jiàn)，并且該領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)將繼續迅猛發(fā)展。隨著(zhù)60 GHz解決方案在消費電子市場(chǎng)上不斷推廣，工業(yè)領(lǐng)域的制造商們也正在探索如何使用該技術(shù)。對于許多工業(yè)應用來(lái)說(shuō)，也能像消費電子領(lǐng)域中的許多應用一樣從60 GHz技術(shù)中獲益，制造商可憑借毫米波技術(shù)消除線(xiàn)纜，并提升機動(dòng)性和靈活性。不僅如此，許多全新的應用領(lǐng)域，如使用毫米波技術(shù)實(shí)現目標偵測或手勢識別等，已然在工業(yè)領(lǐng)域引起了關(guān)注。

　　機械視覺(jué)

　　工業(yè)機械視覺(jué)系統主要用于檢查或引導機器人制造產(chǎn)品[7]。它們是現代工廠(chǎng)中必不可少的工具，在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域協(xié)助制造高質(zhì)量、精準的產(chǎn)品，涉及到電子產(chǎn)品、制造業(yè)以及最前沿的服裝生產(chǎn)。機械視覺(jué)包含3個(gè)基本要素：圖像捕捉器(類(lèi)似于攝像頭，圖像傳感器捕捉原始數據)，分析數據的計算機或處理器以及互連鏈路?，F在的機械視覺(jué)圖像捕捉器支持的分辨率越來(lái)越高，通常通過(guò)多芯線(xiàn)纜連接到計算機然后進(jìn)行圖像處理。

　　目前需要使用多種標準通過(guò)線(xiàn)纜進(jìn)行數據傳輸。然而，有線(xiàn)解決方案面臨著(zhù)諸多限制。對于機器人引導應用來(lái)說(shuō)，線(xiàn)纜會(huì )影響到行動(dòng)，需要對圖像捕捉器和線(xiàn)纜進(jìn)行仔細的規劃和布置。此外，標準的線(xiàn)纜長(cháng)度(常常是5-30米，除非使用昂貴的光纖)是一個(gè)很大的缺點(diǎn)，特別是考慮到線(xiàn)纜要穿過(guò)工業(yè)機械和很多障礙物的情況，這意味著(zhù)計算機需要離工廠(chǎng)區域很近。由于計算機和線(xiàn)纜需要管理，這就帶來(lái)了很多障礙，而且計算機暴露在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，可能導致壽命縮短。

　　傳統的無(wú)線(xiàn)解決方案并不是替代線(xiàn)纜的理想選擇，因為它們的延遲很高而且需要對圖像進(jìn)行壓縮。使用無(wú)線(xiàn)解決方案帶來(lái)的任何延遲都將提升制造時(shí)間和成本，因為生產(chǎn)線(xiàn)要降低速度以適應計算機所需的處理器時(shí)間。同時(shí)，對于圖像的壓縮則會(huì )增加計算機解析捕捉到的圖像的難度。

　　憑借60 GHz無(wú)線(xiàn)解決方案，一個(gè)或多個(gè)圖像捕捉器能夠被安裝在機器上，無(wú)需視頻線(xiàn)纜。這些圖像捕捉器能夠直接傳輸數據到計算機或連接到無(wú)線(xiàn)鏈路從而連接到控制中心。無(wú)線(xiàn)視頻可實(shí)現機器人自由移動(dòng)，幫助工廠(chǎng)區域減少隱患，便于設置新的設備，而且計算機也能從工廠(chǎng)區域移至更加受控的環(huán)境中。最近幾年里對于機械視覺(jué)的需求大幅增長(cháng)，60 GHz技術(shù)致力于為當今復雜的工作區域中的系統提供最大的靈活性和便利性。

　　監控

　　工業(yè)監控是另一個(gè)毫米波技術(shù)能夠發(fā)揮作用的領(lǐng)域。許多辦公室、工廠(chǎng)、制造設施中的監控系統已經(jīng)過(guò)時(shí)了，只能提供較低的圖像分辨率。對這些系統進(jìn)行升級通常需要重新安裝現有的線(xiàn)纜以匹配全新的設備，往往會(huì )帶來(lái)幾百萬(wàn)美元的開(kāi)銷(xiāo)。WirelessHD能夠大幅簡(jiǎn)化翻新這些設施的過(guò)程，只要接入舊系統中的現有電網(wǎng)即可將質(zhì)量更高的視頻無(wú)線(xiàn)傳輸至附近的接收站。

　　醫療

　　醫療應用也能從60 GHz技術(shù)中大大獲益。數字成像對于醫生來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵的診斷工具，特別是在手術(shù)室中，質(zhì)量更高的圖像能夠提升精度，為病人提供更精確和有效的治療。不過(guò)，將一整套計算機設備塞進(jìn)手術(shù)室里帶來(lái)了無(wú)數的問(wèn)題，最小的問(wèn)題也將是一大堆很難進(jìn)行消毒的線(xiàn)纜，很可能導致安全隱患。毫米波技術(shù)能夠提供幫助，舉個(gè)例子，它能夠將來(lái)自顯微攝像頭的實(shí)時(shí)視頻無(wú)線(xiàn)傳輸至附近的監視器，或是直接傳輸至外科醫生護目鏡中安裝的頭戴式顯示屏中。這可確保無(wú)菌室的環(huán)境，減少安裝新設備時(shí)的辛苦工作。

　　60 GHz技術(shù)在手術(shù)室中另一個(gè)潛在的創(chuàng )新領(lǐng)域是實(shí)現手勢控制。毫米波手勢識別能夠偵測和讀取手指的移動(dòng)軌跡，相比現有的紅外攝像技術(shù)更加精確，后者在多變的光照環(huán)境下工作起來(lái)很有難度，將大大影響精度?？煽康氖謩菘刂瓶扇〈鷻C器上的按鈕，使得設備消毒起來(lái)更方便。

　　總結

　　60 GHz技術(shù)在全球無(wú)線(xiàn)互連領(lǐng)域是炙手可熱的新方向。除了當今市場(chǎng)上精彩奪目的各類(lèi)消費電子產(chǎn)品，還有大量基于毫米波技術(shù)的工業(yè)應用。60 GHz技術(shù)的突出優(yōu)勢，如低延遲、高帶寬和最小化的接口，使其成為眾多工業(yè)應用的理想選擇，前景一片光明。