Od lewej do prawej: ewolucja czujników EHF z wbudowanym radarem, źródło: Google AI

Fale milimetrowe (MMW) lub bardzo wysokie częstotliwości (EHF) to zakres fal radiowych o długości fali od 10 mm do 1 mm, co odpowiada częstotliwości od 30 GHz do 300 GHz. Znajdują zastosowanie w radarach wojskowych i policyjnych, skanerach bezpieczeństwa, terapii KWCZ w leczeniu wielu chorób, przyrządach astronomicznych.

Ale teraz zbliża się era, kiedy radary fal milimetrowych (mmWave, 60 GHz) są gotowe do powszechnego użytku komercyjnego. Wkrótce będą mogły być wbudowane w zwykłe smartfony. Otwiera to radykalnie nowe możliwości korzystania z przenośnych gadżetów: rozpoznawanie gestów w samochodach, zdalne monitorowanie snu, śledzenie ruchu wszystkich osób w biurze i wiele więcej.

Wcześniej zastosowanie radaru mmWave w elektronice użytkowej wymagało specjalnej zgody FCC. Google jako pierwszy otrzymał go w 2018 roku, następnie Vayyar, Amazon i kilka innych firm.

13 lipca 2021 roku FCC zaproponowało otwarcie pasma 60 GHz dla komercyjnych aplikacji mmWave. Decyzja ta zapaliła zielone światło dla dziesiątek start-upów i nowych produktów komercyjnych, którym pozwolono swobodnie korzystać z radarów EHF bez specjalnego zezwolenia FCC.

Możliwość szerokiego zastosowania radarów EHF pojawiła się również dzięki postępowi w produkcji RF CMOS

RFCMOS

Układ RF CMOS (RF CMOS) lub RFIC integruje elektronikę o częstotliwości radiowej (RF), analogową i cyfrową. Ostatnio stało się możliwe umieszczenie radaru, anten i rdzeni obliczeniowych na tym samym chipie, co umożliwia produkcję czujników mmWave po znacznie niższej cenie.

Radar działa poprzez przesyłanie fal elektromagnetycznych i przetwarzanie fal odpowiedzi odbitych od otaczających obiektów. Sygnał 60 GHz ma długość fali 5 mm, co pozwala mmWave na otrzymywanie szczegółowych informacji o naszym środowisku fizycznym.

Tak np. wygląda wynik przetwarzania odbitego sygnału KWCZ na smartfonie, gdy osoba zbliża się (po lewej), oddala (środek) lub wykonuje gest ręką (po prawej).

Dane radarowe EHF na smartfonie, źródło: Google AI

4D

W mikroukładach EHF zwykle jest kilka anten, więc czujnik odbiera obraz niejako w czterech wymiarach. Oprócz trzech współrzędnych czujnik rejestruje również prędkość każdego odbitego punktu. Dowiedz się więcej o działaniu radarów 4D tutaj.

Poniższy schemat porównuje cztery typy popularnych czujników: ultradźwiękowy, kamerowy (2D), lidarowy (3D) i radarowy (4D). Jak widać, radar jest jedynym czujnikiem, który otrzymuje informacje o prędkości obiektu.

Kolejną zaletą radaru jest to, że widzi przez plastik i inne materiały. To sprawia, że ​​jest to doskonały wybór dla elektroniki użytkowej, ponieważ można go umieścić pod obudową dowolnego gadżetu.

Radar jest odporny na czynniki środowiskowe, takie jak światło, temperatura i kurz, dzięki czemu doskonale sprawdza się w środowiskach, w których fotosensor jest bezużyteczny. Jednocześniezwykle niezawodny, w mikroukładzie dosłownie nie ma nic do złamania: nie ma ruchomych części ani soczewek.

Prawdziwa korzyść z radarów mmWave pojawia się, gdy są one zintegrowane z systemami AI. Na przykład naukowcy z Carnegie Mellon University w zeszłym roku wyszkolili sieć neuronową, która dokładnie klasyfikuje różne rodzaje aktywności na podstawie danych radarowych: machanie rękami, kucanie, jazda na rowerze, klaskanie, rzucanie się, skakanie.

Radary EHF w sprzęcie AGD

Pierwszy prototyp komercyjnego urządzenia z wbudowanym radarem pokazało studio Google ATAP (Advanced Technology & Projects) w 2015 roku. Był to projekt smartwatcha Google Soli opracowany przez zespół kierowany przez Ivana Popyreva (patrz artykuł na e).

Krótko mówiąc, Project Soli to radar na miniaturowym chipie, który można osadzić w dowolnych otaczających obiektach: na przykład lustrze, kuchence, telewizorze. Każdy przedmiot, który wchodzi w interakcję z osobą. Teraz będą rozpoznawać gesty wykonywane palcami z dokładnością poniżej 1 mm.

Nie ma potrzeby instalowania nieporęcznych kamer i dodatkowego sprzętu, zwłaszcza że żadna kamera nie będzie w stanie śledzić ruchów z częstotliwością 10 000 FPS, tak jak robi to Soli. Gesty bezdotykowe mogą służyć do rozszerzania interfejsu użytkownika różnych urządzeń.

W październiku 2019 r. radar Soli został wbudowany w smartfon Pixel 4 (nazwa handlowa (Motion Sense), gdzie przyspieszył proces rozpoznawania twarzy wraz z obsługą rozpoznawania kilku podstawowych gestów, takich jak sterowanie muzyką. Od tego czasu chip nie znalazł się w żadnym smartfonie Pixel Prawdopodobnie twórcy postanowili popracować nad zastosowaniem tej technologii w smartfonach.

Ponadto w 2021 r. Google wprowadził na rynek inteligentny wyświetlacz Nest Hub drugiej generacji z funkcją Sleep Sensing.

Centrum gniazda inteligentnego wyświetlacza

Funkcja wykrywania snu wykorzystuje radar Soli do monitorowania snu osoby znajdującej się obok wyświetlacza na podstawie jej ruchów i oddychania — wszystko to bez kamery lub jakiegoś czujnika do noszenia.Zniszczenie tego gadżetu za 60 USD ujawniło chip radarowy Infineon, który kosztuje 3,65 USD.

Google Nest Hub (2. generacji)

Amazon wprowadził inteligentny dzwonek do drzwi Ring Video Doorbell Pro 2 z wbudowanym radarem EHF na początku 2021 roku. Odpowiednia funkcjonalność dla konsumentów jest reklamowana jako funkcje „Wykrywanie ruchu 3D” i „Widok z lotu ptaka”. Radar ma mniej fałszywych alarmów i większy zasięg niż standardowa kamera na podczerwień. Ponadto widzi przez krzaki, drzewa i inne przeszkody.

Amazon również poszedł w ślady Google, używając radaru EHF do monitorowania jakości snu.

Apple nie wypuścił jeszcze niczego z wbudowanym radarem, ale na początku 2021 roku otrzymał patent na urządzenie z okrągłym układem anten radarowych.

W oparciu o technologię mmWave pracują urządzenia monitorujące biura nowej generacji, które dokładnie śledzą lokalizację pracowników w biurze w czasie rzeczywistym.

Novelic, Arbe, Vayyar, Uhnder i Oculii i inni pracują nad samochodowymi radarami EHF.

Firma Startup Miku opracowała elektroniczną nianię z wbudowanym radarem Miku Pro Smart Baby Monitor, która nie tylko rejestruje dziecko na wideo, ale także zdalnie monitoruje częstotliwość oddechu i jakość snu.

Technologia może być również wykorzystywana do komunikacji bezprzewodowej zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz. Wszyscy główni operatorzy komórkowi pracują obecnie nad wdrożeniem mmWave. Istnieją również projekty zewnętrzne, takie jak Facebook Terragraph i startup Aervivo.

Standard WiGig (WiFi na częstotliwości 60 GHz) został przyjęty w 2009 roku i stopniowo nabiera tempa. Na przykład firma Intel stworzyła bezprzewodowy adapter do gogli Vive VR za pomocą WiGig, który ma prawie zerowe opóźnienie i szybkość transmisji danych 4,6 Gb/s.

Najnowszy standard WiFi łączy techniki radarowe i komunikacyjne w celu bezprzewodowego wykrywania z routerami WiFi. Oznacza to, że router WiFi będzie w stanie skutecznie śledzić ruch obiektów w mieszkaniu i rozpoznawać gesty.

Jak widać, postęp w produkcji radarów EHF i decyzja FCC o otwarciu pasma 60 GHz pomogły na rynku wielu gadżetów o całkowicie nowej funkcjonalności. Najwyraźniej mmWave to kolejna przełomowa technologia, która w ogromnym stopniu wpłynie na interfejsy wokół nas. Być może za kilkadziesiąt lat rozpoznawanie gestów będzie naturalną cechą wielu gadżetów i innych otaczających je przedmiotów.

Aby promować nowy standard i zunifikowane interfejsy API, w styczniu 2022 r. utworzono Ripple Technology Alliance.

bbabo.Net