Злева направа: эвалюцыя датчыкаў КВЧ-выпраменьвання з убудаваным радарам, крыніца: Google AI
Міліметровыя хвалі (ММВ) або вельмі высокія частоты (КВЧ) - дыяпазон радыёхваль з даўжынёй хвалі ад 10 мм да 1 мм, што адпавядае частаце ад 30 Ггц да 300 Ггц. Яны выкарыстоўваюцца ў ваенных і паліцэйскіх радарах, сканерах бяспекі, КВЧ-тэрапіі для лячэння многіх хвароб, астранамічных інструментах.
Але цяпер надыходзіць эпоха, калі радары міліметровага выпраменьвання (mmWave, 60 Ггц) саспелі для шырокага камерцыйнага прымянення. Хутка іх дазволяць убудоўваць у звычайныя смартфоны. Гэта адкрывае кардынальна новыя магчымасці па выкарыстанні партатыўных гаджэтаў: распазнанне жэстаў у аўтамабілях, дыстанцыйны маніторынг сну, адсочванне перамяшчэння ўсіх людзей у офісе і шматлікае іншае.
Раней для выкарыстання радараў mmWave у бытавой электроніцы патрабаваўся спецыяльны дазвол FCC. Першымі яго атрымала Google у 2018 году, затым Vayyar, Amazon і некаторыя іншыя кампаніі.
13 ліпеня 2021 г Федэральная камісія па сувязі ЗША прапанавала адкрыць дыяпазон 60 Ггц для камерцыйных прыкладанняў mmWave. Гэтае рашэнне запаліла зялёнае святло для дзясяткаў стартапаў і новых камерцыйных прадуктаў, якім дазволілі свабодна выкарыстоўваць радары КВЧ без спецыяльнага дазволу FCC.
Магчымасць шырокага ўжывання КВЧ-радараў з'явілася таксама дзякуючы прагрэсу ў вырабе RF CMOS.
RF CMOS
Мікрасхема RF CMOS (РЧ КМОП) або RFIC аб'ядноўвае ў сабе радыёчастотную (RF), аналагавую і лічбавую электроніку. У апошні час стала магчыма размясціць на адной мікрасхеме радар, антэны і вылічальныя ядры, што дазваляе выпускаць датчыкі mmWave па значна ніжэйшай цане.
Радар працуе шляхам перадачы электрамагнітных хваль і апрацоўкі хваль у адказ, адлюстраваных ад навакольных аб'ектаў. У сігналу на частаце 60 Ггц даўжыня хвалі 5 мм, што дазваляе mmWave атрымліваць падрабязную інфармацыю аб нас і нашым фізічным асяроддзі.
Напрыклад, вось як выглядае вынік апрацоўкі адлюстраванага сігналу КВЧ на смартфоне, калі чалавек набліжаецца (злева), выдаляецца (у цэнтры) або робіць жэст рукой (справа).
Дадзеныя КВЧ-радару на смартфоне, крыніца: Google AI
4D
На дыяграме ніжэй параўноўваюцца чатыры тыпы распаўсюджаных датчыкаў: ультрагук, камера (2D), лідар (3D) і радар (4D). Як бачым, радар з'яўляецца адзіным датчыкам, які атрымлівае інфармацыю аб хуткасці аб'екта.
Яшчэ адна перавага радара складаецца ў тым, што ён можа бачыць скрозь пластык і іншыя матэрыялы. Гэта робіць яго выдатным выбарам для бытавой электронікі, паколькі яго можна размясціць пад корпусам любога гаджэта.
Радар неўспрымальны да фактараў навакольнага асяроддзя, такім як святло, тэмпература і пыл, так што ён выдатна працуе ва ўмовах, дзе фотосенсор бескарысны. Пры гэтым ён надзвычай надзейны, у мікрасхеме літаральна няма чаму ламацца: тут няма якія рухаюцца частак або лінзаў.
Сапраўдная карысць радараў mmWave выяўляецца, калі іх інтэграваць у сістэмы ІІ. Напрыклад, даследчыкі з універсітэта Карнегі — Мелон у мінулым годзе навучылі нейрасеть, якая дакладна класіфікуе па дадзеных радара розныя віды дзейнасці: махі рукамі, прысяданні, язда на ровары, воплескі, выпады, скачкі з месца.
КВЧ-радары ў бытавой тэхніцы
Калі сцісла, Project Soli - гэта радар на мініятурным чыпе, які можна ўбудоўваць у любыя навакольныя аб'екты: напрыклад, люстэрка, пліта, тэлевізар. Любыя прадметы, якія ўзаемадзейнічаюць з чалавекам. Цяпер яны будуць распазнаваць жэсты пальцамі з дакладнасцю менш за 1 мм.
Не патрабуецца ўстаноўка грувасткіх камер і дадатковага абсталявання, тым больш ніякія камеры не змогуць адсочваць рухі з частатой 10000 FPS, як гэта робіць Soli. Бескантактавыя жэсты можна выкарыстоўваць для пашырэння UI розных прылад.
У кастрычніку 2019 года радар Soli убудавалі ў смартфон Pixel 4 (маркетынгавы назоў (Motion Sense), дзе ён паскараў працэс разблакіроўкі па твары нараўне і падтрымліваў распазнанне некалькіх базавых жэстаў, такімі як кіраванне музыкай. Але з тых часоў чып не ўключалі ні ў адзін смартфон Pixel Верагодна, распрацоўшчыкі вырашылі яшчэ папрацаваць над ужываннем гэтай тэхналогіі ў смартфонах.
Акрамя таго, у 2021 годзе кампанія Google выпусціла разумны дысплей Nest Hub другога пакалення з функцыяй Sleep Sensing.
Разумны дысплей Nest Hub
Google Nest Hub (2-е пакаленне)
Кампанія Amazon у пачатку 2021 гады выпусціла разумны дзвярны званок Ring Video Doorbell Pro 2 са ўбудаваным КВЧ-радарам. Адпаведная функцыянальнасць для спажыўцоў падаецца як функцыі '3D Motion Detection' і 'Bird's Eye View'. У радара менш ілжывых спрацоўванняў і шырэй радыус дзеяння, чым у стандартнай ВК-камеры. Акрамя таго, ён бачыць скрозь кусты, дрэвы і іншыя перашкоды.
Amazon таксама рушыла ўслед прыкладу Google, ужыўшы КВЧ-радар для маніторынгу якасці сну.
Apple пакуль нічога не выпусціла з убудаваным радарам, але ў пачатку 2021 года атрымала патэнт на прыладу з кругавой радарна-антэннай кратамі.
На базе тэхналогіі mmWave працуюць прылады офіснага маніторынгу новага пакалення, якія сапраўды адсочваюць месцазнаходжанне супрацоўнікаў у офісе ў рэальным часе.
Над аўтамабільнымі КВЧ-радарамі працуюць кампаніі Novelic, Arbe, Vayyar, Uhnder, and Oculii і інш.
Стартап Miku распрацаваў радыёняню з убудаваным радарам Miku Pro Smart Baby Monitor, якая не толькі здымае дзіця на відэа, але дыстанцыйна адсочвае частату дыхання і якасць сну.
Тэхналогію можна выкарыстоўваць таксама для бесправадной сувязі як унутры, так і звонку памяшканняў. Усе буйныя сотавыя аператары зараз працуюць над укараненнем mmWave. Ёсць і іншыя праекты, такія як Facebook Terragraph і стартап Aervivo.
Стандарт WiGig (WiFi на частаце 60 Ггц) прыняты яшчэ ў 2009 годзе і паступова набірае абароты. Напрыклад, Intel стварыла бесправадны адаптар для гарнітуры Vive VR з выкарыстаннем WiGig, у якога практычна нулявая затрымка і хуткасць перадачы дадзеных 4,6 Гбіт/з.
Апошні стандарт WiFi спалучае ў сабе метады радыёлакацыі і сувязі для бесправаднога зандавання з дапамогай WiFi-маршрутызатараў. Гэта значыць маршрутызатар WiFi зможа эфектыўна адсочваць перасоўванне аб'ектаў па кватэры і распазнаваць жэсты.
Як бачны, прагрэс у вытворчасці КВЧ-радараў і рашэнне FCC адкрыць спектр 60 Ггц дапамагло выйсці на рынак шэрагу гаджэтаў з прынцыпова новай функцыянальнасцю. Мяркуючы па ўсім, mmWave – чарговая прарыўная тэхналогія, якая моцна паўплывае на навакольныя інтэрфейсы. Магчыма, праз некалькі дзесяцігоддзяў распазнанне жэстаў будзе натуральнай характарыстыкай шматлікіх гаджэтаў і іншых навакольных аб'ектаў.
Для прасоўвання новага стандарту і адзіных API у студзені 2022 года створаны тэхналагічны альянс Ripple.
bbabo.Net