非車規(guī)級傳感，60GHz毫米波崛起

不管是生活場景還是工業(yè)場景，對更強大更全面傳感技術(shù)的需求是一直存在的。近年來，毫米波（mmWave）傳感器由于能夠感知場景中物體的范圍、速度和角度而獲得了很多關(guān)注。正如在機(jī)器人移動應(yīng)用中開始應(yīng)用毫米波雷達(dá)，其優(yōu)秀的感知能力與魯棒性注定了它會在智能感知上大展身手，這種魯棒性使其在室內(nèi)和室外的應(yīng)用中都具有強大的性能。室外，這是很重要的一點，尤其是在機(jī)器人移動應(yīng)用。

完整的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)包括發(fā)送（TX）和接收（RX）射頻（RF）組件，以及時鐘等模擬組件，還有模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、微控制器（MCU）和數(shù)字信號處理器（DSP）等數(shù)字組件。

60GHz頻段，大勢所趨

24GHz、60GHz和77GHz是大多數(shù)毫米波傳感使用的頻段，車規(guī)級應(yīng)用基本都在77GHz上。而且這個頻段在大多數(shù)地區(qū)都是有限制的，即便是工業(yè)場景中需要精準(zhǔn)人機(jī)交互的應(yīng)用，能被允許使用77GHz的地方也不多。工信部發(fā)布的《汽車?yán)走_(dá)無線電管理暫行規(guī)定（征求意見稿）》將76-79GHz頻段規(guī)劃用于汽車?yán)走_(dá)，并限制了其他地面雷達(dá)對該頻段的使用。

（60GH毫米波雷達(dá)傳感，英飛凌）

不只是77GHz受限，24GHz頻段的可用帶寬也開始減少，這些變化會直接影響到傳感的范圍分辨率、準(zhǔn)確性和魯棒性。雷達(dá)本來就依賴于密集的點云數(shù)據(jù)，可用帶寬的減少肯定會影響整個傳感的性能。在兩個頻段雙雙受限的情況下，60GHz以高精度、豐富的點云數(shù)據(jù)成為全球工業(yè)場景中雷達(dá)傳感應(yīng)用的最合適的選擇。由于距離分辨率在很大程度上依賴于可用帶寬，60GHz的毫米波傳感器將提供比24GHz毫米波傳感器更好的性能。半導(dǎo)體廠商在車規(guī)級頻段之外，在60GHz頻段的也加大了開發(fā)力度，不少知名廠商都在該頻段布局已久。

英飛凌完全自主研發(fā)的60GHz雷達(dá)傳感，能以低于5 mW的低功耗檢測最遠(yuǎn)5 m的人體目標(biāo)，最低功耗能降低至2mW以下，在消費級短距離定位上這種低功耗的小巧IC是最受歡迎的。

TI基于互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）的毫米波雷達(dá)也不必多說，一改傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)系統(tǒng)分立式的組件讓人難以接受的成本和尺寸問題，集成TX-RF、RX-RF組件，集成ADC、MCU等數(shù)字組件，甚至集成DSP，將射頻、處理和內(nèi)存資源集成到一個單片CMOS芯片上。

60GHz毫米波傳感密集點云的優(yōu)勢

上面說到了毫米波雷達(dá)依賴于密集的點云數(shù)據(jù)，運動檢測是毫米波傳感一個很標(biāo)準(zhǔn)的用例，雖然其他技術(shù)可能夠完成運動檢測，但對運動物體的計數(shù)和跟蹤需要大量的點云數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確識并避免錯誤觸發(fā)。我們可以先從點云數(shù)據(jù)中窺見60GHz能力的一二。

密集的點云數(shù)據(jù)可以識別毫米波傳感器視場（FoV）中物體的數(shù)量，指示它們的位置并對它們進(jìn)行分類，使用毫米波傳感甚至可以識別特定的對象是什么，至于如何分類識別這里不做詳細(xì)介紹，我們重點關(guān)注其點云密集度。

（點云比較，TI）

點云數(shù)據(jù)來自于毫米波傳感器中的四個參數(shù)，在x、y和z軸上檢測數(shù)據(jù)和徑向的速度數(shù)據(jù)。收集對檢測有意義的數(shù)據(jù)需要毫米波傳感器有精細(xì)范圍分辨率和速度分辨率。上圖很明顯能看出范圍分辨率對收集豐富的點云數(shù)據(jù)的影響，24GHz的毫米波被限制在250MHz帶寬時，點云密度急劇下降，其實不止點云，距離分辨率的大幅下降將影響所有的毫米波雷達(dá)傳感方面的應(yīng)用。

速度分辨率也是一個取決于各種參數(shù)的精細(xì)數(shù)據(jù)，它與中心頻帶更相關(guān)，與帶寬倒沒有太多聯(lián)系。60GHz的中心頻帶更高，提供的速度分辨率大概是24GHz的2.5倍。精細(xì)的速度分辨率能夠讓傳感器更好地跟蹤橫向運動，更穩(wěn)定地檢測移動物體。

目前60GHz和77GHz的毫米波雷達(dá)的范圍分辨率都在3.75cm左右，使用250MHz帶寬的24GHz傳感器的最佳范圍分辨率是60cm，由此得來的點云數(shù)據(jù)的密集程度精細(xì)程度顯然是無法處在一個量級的。隨著24GHz可用帶寬的減少，用60GHz來彌補這個缺失是一個不錯的選擇。

一般來說，需要一個專用的數(shù)字信號處理器（DSP）來處理從傳感器獲取的原始數(shù)據(jù)，較弱的點云數(shù)據(jù)集雖然可以通過修改算法來進(jìn)行優(yōu)化獲得感知所需要的數(shù)據(jù)。但問題在于，即使算法優(yōu)化到能夠使用更少的點云數(shù)據(jù)來提供類似高點云密度的性能，它也會需要額外的處理時間甚至更多的硬件資源，這種處理成本應(yīng)該沒有半導(dǎo)體廠商會考慮。

寫在最后

用在毫米波雷達(dá)傳感設(shè)計的PCB最占空間的是天線陣列，該設(shè)計需要滿足FoV和增益等規(guī)格，部分設(shè)計還需要考慮雷達(dá)信號的波長。與24-GHz相比，60GHz的PCB天線部分可以減少大概6倍，對減小傳感器的尺寸還是很有幫助的。