Зліва направо: еволюція датчиків КВЧ-випромінювання з вбудованим радаром, джерело: Google AI

Міліметрові хвилі (ММВ) або дуже високі частоти (КВЧ) — діапазон радіохвиль із довжиною хвилі від 10 мм до 1 мм, що відповідає частоті від 30 ГГц до 300 ГГц. Вони використовуються у військових та поліцейських радарах, сканерах безпеки, КВЧ-терапії для лікування багатьох хвороб, астрономічних інструментах.

Але зараз настає епоха, коли радари міліметрового випромінювання (mmWave, 60 ГГц) визріли для широкого комерційного застосування. Незабаром їх дозволять вбудовувати у звичайні смартфони. Це відкриває кардинально нові можливості використання портативних гаджетів: розпізнавання жестів в автомобілях, дистанційний моніторинг сну, відстеження переміщення всіх людей в офісі та багато іншого.

Раніше для використання радарів mmWave у побутовій електроніці був потрібний спеціальний дозвіл FCC. Першими його отримала Google у 2018 році, потім Vayyar, Amazon та деякі інші компанії.

13 липня 2021 року Федеральна комісія зі зв'язку США запропонувала відкрити діапазон 60 ГГц для комерційних додатків mmWave. Це рішення запалило зелене світло для десятків стартапів та нових комерційних продуктів, яким дозволили вільно використовувати радари КВЧ без спеціального дозволу FCC.

Можливість широкого застосування КВЧ-радарів з'явилася також завдяки прогресу у виготовленні RF CMOS

RF CMOS

Мікросхема RF CMOS (РЧ КМОП) або RFIC поєднує радіочастотну (RF), аналогову і цифрову електроніку. Останнім часом стало можливо розмістити на одній мікросхемі радар, антени та обчислювальні ядра, що дозволяє випускати датчики mmWave за набагато нижчою ціною.

Радар працює шляхом передачі електромагнітних хвиль і обробки хвиль у відповідь, відбитих від навколишніх об'єктів. У сигналу на частоті 60 ГГц довжина хвилі 5 мм, що дозволяє mmWave отримувати докладну інформацію про нас та наше фізичне оточення.

Наприклад, ось як виглядає результат обробки відбитого сигналу КВЧ на смартфоні, якщо людина наближається (ліворуч), видаляється (у центрі) або робить жест рукою (праворуч).

Дані КВЧ-радару на смартфоні, джерело: Google AI

4D

На КВЧ-мікросхем зазвичай кілька антен, так що датчик отримує картинку як би в чотирьох вимірах. Крім трьох координат, датчик вловлює ще швидкість кожної відображеної точки. Докладніше про принцип роботи 4D-радарів див.

На діаграмі нижче порівнюються чотири типи поширених датчиків: ультразвук, камера (2D), лідар (3D) та радар (4D). Як бачимо, радар є єдиним датчиком, який отримує інформацію про швидкість об'єкта.

Ще одна перевага радара полягає в тому, що він може бачити крізь пластик та інші матеріали. Це робить його чудовим вибором для побутової електроніки, оскільки його можна розмістити під корпусом будь-якого гаджета.

Радар несприйнятливий до факторів навколишнього середовища, таких як світло, температура і пил, тому він відмінно працює в умовах, де фотосенсор марний. При цьому він надзвичайно надійний, у мікросхемі буквально нема чому ламатися: тут немає частин, що рухаються, або лінз.

Справжня користь радарів mmWave проявляється, якщо їх інтегрувати у системи ІІ. Наприклад, дослідники з університету Карнегі-Меллон минулого року навчили нейромережу, яка точно класифікує за даними радара різні види діяльності: махи руками, присідання, їзда на велосипеді, бавовни, випади, стрибки з місця.

КВЧ-радари у побутовій техніці

Якщо коротко, Project Soli - це радар на мініатюрному чіпі, який можна вбудовувати в будь-які навколишні об'єкти: дзеркало, плита, телевізор. Будь-які предмети, які взаємодіють із людиною. Тепер вони розпізнатимуть жести пальцями з точністю менше 1 мм.

Не потрібне встановлення громіздких камер та додаткового обладнання, тим більше жодні камери не зможуть відстежувати рухи з частотою 10000 FPS, як це робить Soli. Безконтактні жести можна використовувати для розширення UI різних пристроїв.

У жовтні 2019 року радар Soli вбудували в смартфон Pixel 4 (маркетингова назва (Motion Sense), де він прискорював процес розблокування на обличчі поряд і підтримував розпізнавання кількох базових жестів, таких як управління музикою. Але з тих пір чіп не включали в жодний смартфон Pixel: ймовірно, розробники вирішили ще попрацювати над застосуванням цієї технології в смартфонах.

Крім того, 2021 року компанія Google випустила розумний дисплей Nest Hub другого покоління з функцією Sleep Sensing.

Розумний дисплей Nest Hub

Google Nest Hub (2-е покоління)

Компанія Amazon на початку 2021 року випустила розумний дверний дзвінок Ring Video Doorbell Pro 2 із вбудованим КВЧ-радаром. Відповідна функціональність для споживачів подається як функції '3D Motion Detection' та 'Bird's Eye View'. У радара менше помилкових спрацьовувань і ширший за радіус дії, ніж у стандартної ІЧ-камери. Крім того, він бачить крізь кущі, дерева та інші перешкоди.

Amazon також наслідувала приклад Google, застосувавши КВЧ-радар для моніторингу якості сну.

Apple поки нічого не випустила з вбудованим радаром, але на початку 2021 року отримала патент на пристрій з круговою радарно-антенною решіткою.

На базі технології mmWave працюють пристрої офісного моніторингу нового покоління, які точно відслідковують розташування співробітників в офісі в реальному часі.

Над автомобільними КВЧ-радарами працюють компанії Novelic, Arbe, Vayyar, Uhnder, and Oculii та ін.

Стартап Miku розробив радіоняню з вбудованим радаром Miku Pro Smart Baby Monitor, яка не тільки знімає дитину на відео, але й відстежує частоту дихання та якість сну.

Технологію можна використовувати також для бездротового зв'язку, як усередині, так і зовні приміщень. Всі великі стільникові оператори зараз працюють над впровадженням mmWave. Є й сторонні проекти, такі як Facebook Terragraph та стартап Aervivo.

Стандарт WiGig (WiFi на частоті 60 ГГц) прийнято ще в 2009 році і поступово набирає обертів. Наприклад, Intel створила бездротовий адаптер для гарнітури Vive VR з використанням WiGig, у якого практично нульова затримка та швидкість передачі даних 4,6 Гбіт/с.

Останній стандарт WiFi поєднує у собі методи радіолокації та зв'язку для бездротового зондування за допомогою WiFi-маршрутизаторів. Тобто маршрутизатор WiFi зможе ефективно відстежувати переміщення об'єктів по квартирі та розпізнавати жести.

Як бачимо, прогрес у виробництві КВЧ-радарів та рішення FCC відкрити спектр 60 ГГц допомогло вийти на ринок ряду гаджетів із принципово новою функціональністю. Зважаючи на все, mmWave — чергова проривна технологія, яка сильно вплине на навколишні інтерфейси. Можливо, за кілька десятиліть розпізнавання жестів буде природною характеристикою багатьох гаджетів та інших навколишніх об'єктів.

Для просування нового стандарту та єдиних API у січні 2022 року утворено технологічний альянс Ripple.

bbabo.Net