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引言 無線互連的應用越來越廣泛。這個趨勢在消費電子領域中最為明顯，在過去的十年里，手機和平板電腦市場快速推動了對于各類無線標準的采用。全球范圍內Wi-Fi熱點的數量已經超過1.75億，預計將在2018年[1]達到3.3億。支持藍牙的產品總數也有所提升，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。大多數無線技術使用相同的2.4GHz和5GHz頻段，而這兩個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更多的數據需求，不斷將移動手機網絡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題，還能打破現有無線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說采用該頻段是很方便的。這為一系列集成千兆級收發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技術中獲益。在數據傳輸領域，60 GHz技術正被用于取代現有的Wi-Fi應用，實現高達4.6Gbps的數據傳輸速率，比現有的802.11ac[4]標準快5倍。WirelessHD?標準能夠實現消費電子設備間的視頻流傳輸。制造商已經開始為筆記本電腦、智能手機、數字電視、視頻投影儀以及虛擬現實頭盔添加WirelessHD支持，預計移動應用、家庭影院以及其他計算設備領域也將采用WirelessHD。其他領域也已開始發展60 GHz技術，包括辦公樓宇與校園使用的無線回程應用依托60 GHz數據傳輸應用快速、便捷地構建樓宇和無線連接器之間互連，實現更加輕薄和穩定的設備。但是對于更高的無線寬度以及高速高清視頻傳輸的需求不僅限于消費電子領域。工業領域亦可從毫米波技術中獲益。本文為讀者提供60 GHz技術概覽，不僅涵蓋現有的消費電子應用，還會對橫跨多個不同工業領域的毫米波技術潛在應用進行探索。 60 GHz無線技術概覽 包括美國FCC在內的監管機構已經為各行業劃定了免授權頻段。60 GHz頻段擁有超過7 GHz的帶寬[5]。相較于5GHz頻段，它能提供超過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絡容量，并且該頻段還具備多個關鍵的傳播和衰減特性，全新的高性能無線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等本地網絡架構的理想選擇。60 GHz頻段上的信號傳播距離相對更短，在穿過空氣和固體結構時會發生衰減，因此是短程應用的理想選擇。為了充分利用60 GHz頻段的優勢，需要用到相控陣天線、定向度高的波束以及波束控制技術。萊迪思半導體提供基于SiBEAM技術，領先業界并已經量產的射頻收發器，采用標準CMOS IC制造和封裝技術。 應用 毫米波技術的特性是需要天線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型的應用。為了對相關技術進行演示說明，我們劃分了三個應用類型：10毫米、1-10米和100米及以上。 [10毫米] 無線連接器 在極短的距離內(通常是10毫米左右)，60 GHz技術能夠被用作線纜的高效替代方案。特別設計的無線發送器和接收器IC可用于在短距離內以極高的速率傳輸數據，從而取代有線連接。 60 GHz技術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說是非常有用的，因為它消除了物理接口，而后者正是電子設備的常見故障點之一，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，有些專用接口，比如說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發和實現成本。 [1-10米] 無線數據/音頻 在中等距離應用(1-10米)領域，60 GHz技術能夠作為Wi-Fi等現有無線應用的高速替代解決方案，以及用于實現無線視頻的線纜替代解決方案。 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等業內主要廠商正在將802.11ad集成到其產品[6]中，通過這項技術為用戶實現超快的視頻和數據傳輸。 60 GHz技術特別適合無線線纜替代解決方案。高帶寬、低延遲、點到點架構以及室內傳輸特性使其成為室內線纜的理想替代解決方案。該技術可在家庭影院系統(圖1)中發揮作用，實現高清視頻傳輸。該技術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，作為高質量視頻傳輸領域的領先技術，它充分利用了60 GHz頻段的特性，實現卓越的無線用戶體驗。 圖1 – 使用60 GHz技術的可靠的無線高清視頻傳輸應用 [100米+] 千兆級室外無線鏈路 毫米波技術在未來的無線回程基礎設施應用中也能夠發揮重要作用，適用于下一代5G移動通信基礎設施、固定接入回程擴展以及校園內的點對點鏈路等，60 GHz通道的無線容量以及高度優化的射頻鏈路可實現理想的“無線光纖”，用于替代現有的光纖回程應用(圖2)。 圖2 - 60 GHz無線光纖使用案例 目前市場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毫米波頻段支持長距離鏈路(長達500米)應用。它使用為10米室互連開發的同一波束控制技術，以支持接入點連接和室外回程鏈路等其他應用。 工業應用 60 GHz技術為消費電子領域帶來的大量機遇已經顯而易見，并且該領域的技術開發將繼續迅猛發展。隨著60 GHz解決方案在消費電子市場上不斷推廣，工業領域的制造商們也正在探索如何使用該技術。對于許多工業應用來說，也能像消費電子領域中的許多應用一樣從60 GHz技術中獲益，制造商可憑借毫米波技術消除線纜，并提升機動性和靈活性。不僅如此，許多全新的應用領域，如使用毫米波技術實現目標偵測或手勢識別等，已然在工業領域引起了關注。 機械視覺 工業機械視覺系統主要用于檢查或引導機器人制造產品[7]。它們是現代工廠中必不可少的工具，在各個工業領域協助制造高質量、精準的產品，涉及到電子產品、制造業以及最前沿的服裝生產。機械視覺包含3個基本要素：圖像捕捉器(類似于攝像頭，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。現在的機械視覺圖像捕捉器支持的分辨率越來越高，通常通過多芯線纜連接到計算機然后進行圖像處理。 目前需要使用多種標準通過線纜進行數據傳輸。然而，有線解決方案面臨著諸多限制。對于機器人引導應用來說，線纜會影響到行動，需要對圖像捕捉器和線纜進行仔細的規劃和布置。此外，標準的線纜長度(常常是5-30米，除非使用昂貴的光纖)是一個很大的缺點，特別是考慮到線纜要穿過工業機械和很多障礙物的情況，這意味著計算機需要離工廠區域很近。由于計算機和線纜需要管理，這就帶來了很多障礙，而且計算機暴露在惡劣的工業環境中，可能導致壽命縮短。 傳統的無線解決方案并不是替代線纜的理想選擇，因為它們的延遲很高而且需要對圖像進行壓縮。使用無線解決方案帶來的任何延遲都將提升制造時間和成本，因為生產線要降低速度以適應計算機所需的處理器時間。同時，對于圖像的壓縮則會增加計算機解析捕捉到的圖像的難度。 憑借60 GHz無線解決方案，一個或多個圖像捕捉器能夠被安裝在機器上，無需視頻線纜。這些圖像捕捉器能夠直接傳輸數據到計算機或連接到無線鏈路從而連接到控制中心。無線視頻可實現機器人自由移動，幫助工廠區域減少隱患，便于設置新的設備，而且計算機也能從工廠區域移至更加受控的環境中。最近幾年里對于機械視覺的需求大幅增長，60 GHz技術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 工業監控是另一個毫米波技術能夠發揮作用的領域。許多辦公室、工廠、制造設施中的監控系統已經過時了，只能提供較低的圖像分辨率。對這些系統進行升級通常需要重新安裝現有的線纜以匹配全新的設備，往往會帶來幾百萬美元的開銷。WirelessHD能夠大幅簡化翻新這些設施的過程，只要接入舊系統中的現有電網即可將質量更高的視頻無線傳輸至附近的接收站。 醫療 醫療應用也能從60 GHz技術中大大獲益。數字成像對于醫生來說是一個關鍵的診斷工具，特別是在手術室中，質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，將一整套計算機設備塞進手術室里帶來了無數的問題，最小的問題也將是一大堆很難進行消毒的線纜，很可能導致安全隱患。毫米波技術能夠提供幫助，舉個例子，它能夠將來自顯微攝像頭的實時視頻無線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。這可確保無菌室的環境，減少安裝新設備時的辛苦工作。 60 GHz技術在手術室中另一個潛在的創新領域是實現手勢控制。毫米波手勢識別能夠偵測和讀取手指的移動軌跡，相比現有的紅外攝像技術更加精確，后者在多變的光照環境下工作起來很有難度，將大大影響精度。可靠的手勢控制可取代機器上的按鈕，使得設備消毒起來更方便。 總結 60 GHz技術在全球無線互連領域是炙手可熱的新方向。除了當今市場上精彩奪目的各類消費電子產品，還有大量基于毫米波技術的工業應用。60 GHz技術的突出優勢，如低延遲、高帶寬和最小化的接口，使其成為眾多工業應用的理想選擇，前景一片光明。 |
