城市、建筑和工厂变得更加智能化，推动了对更强大传感的需求。近几年来，毫米波传感器由于能够感知场景中物体的距离、速度和角度而获得了很大的牵引力。
毫米波传感器使用射频（RF）传感，而不是光或声音，这提供了独特的优势，因为传感器可以通过各种材料（如玻璃和干墙）检测人和物体。即使存在诸如烟雾、雨水和低光照等环境因素，这些传感器也可以工作。这种鲁棒性使其在室内和室外应用中都具有很强的性能，包括位移传感器、安全防护装置、照明控制和智能运输系统。
雷达传感使用多个射频波段，每个波段都受不同地区的法规约束。大多数射频传感器使用24、60和77GHz无线电频段。77 GHz频段在汽车应用中很常见，但在大多数全球地区对工业工厂、建筑和城市基础设施应用都有限制，包括那些需要人机交互的应用。
欧洲电信标准协会（ETSI）和联邦通信制定的频谱法规和标准委员会（FCC）禁止新产品从2018年9月开始使用24 GHz超宽带。所有使用24GHz超宽带的现有产品必须在2022年前淘汰。这些调节变化直接降低了传感器的距离分辨率，并对其鲁棒性和准确性产生负面影响。依赖密集点云数据的工程师需要一个新的解决方案，以便在24 GHz频段的可用带宽减少后达到最高性能。然而，60 GHz频段的射频使用不受当前或未来法规的限制。使用该波段的传感器能够高精度地收集丰富的点云数据，使60GHz成为全球工业环境中雷达传感应用的良好替代方案。
24和60GHz频段
24GHz频段有两个主要组成部分：超宽带（UWB）和窄带（NB），60 GHz频段如图1中所示。UWB的覆盖范围从21.65GHz到26.65GHz，提供高达5GHz的带宽。NB是一个工业、科学和医疗（ISM）频段，范围从24.0 GHz到24.25 GHz，仅提供250 MHz的带宽。
由于欧洲电信标准协会和美国联邦通信委员会制定了频谱法规和标准，24 GHz的UWB将被淘汰。截至2022年1月1日，24 GHz超宽带将不再允许在欧洲和美国用于工业用途。其他地区也将实施类似的法规。相比之下，Ti 60 GHz毫米波传感器提供4 GHz的UWB带宽，一旦法规生效，将产生16倍的可用带宽。由于距离分辨率严重依赖于可用带宽，因此60 GHz毫米波传感器将比24 GHz传感器在高精度雷达应用中提供更好的性能。
丰富的点云数据
Sensing 对象是毫米波传感器的关键功能，但许多应用需要的不仅仅是简单的目标检测。例如，运动检测是mmwave可以解决的标准用例。虽然其他技术可以充分检测到房间里有人，但是人员计数和跟踪需要大量的点云数据来准确识别人员，同时避免错误的触发。
丰富的点云数据可以识别毫米波传感器视场（FOV）中的物体数量，指示它们的位置并对它们进行分类。分类的一个例子是在室内杂乱的环境中检测人，比如吊扇、百叶窗或其他物体。使用mmwave，甚至可以识别特定的对象，例如在外围安全应用程序中区分狗和人。
交通和交叉口监控是另一个应用，传感器需要准确区分平行速度行驶的两辆车，计算停车场或轨道行人移动的车数。在这些场景中，丰富的点云数据对于保持高测量精度至关重要。点云数据来自毫米波传感器中的四个参数：X、Y和Z轴数据和径向速度数据。收集有意义的数据需要传感器的精确范围和速度分辨率。
距离分辨率
精细的距离分辨率使工业系统能够可靠地识别和分离密集的物体。距离分辨率是雷达信号可用带宽的函数。尽管60和24 GHz频段目前提供了可比的性能，但当法规变化限制24 GHz至250 MHz的带宽时，距离分辨率的大幅下降将影响所有雷达传感应用。
德州仪器（TI）IWR6843毫米波传感器提供高达4千兆赫的带宽，由此产生的距离分辨率为3.75厘米。使用250兆赫带宽的24千兆赫传感器的最佳范围分辨率是60厘米。对于距离分辨率，较低的数字提供更精细和更密集的点云数据结果。表1比较了2022年各种雷达传感技术提供的距离分辨率。
图2比较了IWR6843传感器在3米距离使用4 GHz和250 MHz带宽获取的点云数据。实验结果说明了距离分辨率对收集丰富点云数据的影响，以及为什么2022年的24 GHz带宽减少是如此关键的变化。
速度分辨率
与距离分辨率不同，精细速度分辨率取决于各种参数。在基本层面上，速度分辨率与中心频率成比例，而不是带宽成比例。因此，由于中心频带较高，60GHz雷达的速度分辨率性能比24GHz高出2.5倍。
较弱点云数据集的影响往往会导致需要修改算法。即使算法优化在点云数据较少的情况下提供相同的性能，也需要额外的处理时间和更多的资源，这可能会影响系统级的性能或处理成本。精细的速度分辨率可以更好地跟踪横向运动，从而更稳定地检测运动物体。在诸如人员计数的应用中，物体分离和横向运动跟踪对于精确地检测走在一起或穿过传感器的人至关重要，以尽量减少错误或遗漏的检测。
智能处理
利用点云数据的环境建模和对象分类算法，可以避免错误的检测。这些算法依靠可靠的数据输入，以尽量减少误差，并准确地检测和分类传感器视场内的物体。
处理点云数据进行对象识别和分类需要处理器密集型算法。许多系统依靠专用数字信号处理器（DSP）来处理从毫米波传感器获取的原始数据。TI公司的毫米波传感器具有集成微控制器（MCU）、DSP和快速傅立叶变换加速功能，不仅可以处理数据采集，还可以处理诸如在单个芯片上进行目标分类等高级应用，从而在边缘提供智能。Ti-mmwave传感器不仅能够感知和提取物体的范围、速度和角度，还能够利用这些信息来计算人数、导航房间和分类物体。这种处理能力使传感器能够当场做出决定并降低系统复杂性，同时仍能与更大的网络通信。
节省PCB空间
封装尺寸是许多传感器设计人员关注的关键问题。无论可用的物理空间是有限的还是传感器需要一个细长的设计能够更好地隐藏在一个房间，最小化印刷电路板（PCB）的尺寸是一个挑战。更小的pcb使设计不引人注目的传感器外壳变得更容易，无论它们需要安装在墙上或天花板上，放置在摄像头旁边，或安装在空间受限的位置，如机械缓冲器内。用于雷达发射设计的印刷电路板的最大部分之一是天线阵列。天线阵的设计符合FOV和增益等规范，部分设计需要考虑雷达信号的波长。更长的波长需要更大的天线阵列。但是，随着波长的缩短，可以将天线阵列的尺寸减到最小，并达到相同的性能。与现有的24 GHz传感器相比，仅使用天线缩放，PCB的天线部分可以减少6倍，如图3所示。
缩小规模的能力将使新的传感器能够在传感器中包含天线，进一步减小传感器尺寸和部署成本。Ti毫米波传感器还将信号和数据处理集成到单个芯片中，从而减少组件，从而减少板空间和计费材料（BOM）成本，如图4所示，从而实现与单毫米波传感器相比，双收发器（2tx）和四个接收器（4rx）系统、24GHz传感器需要多个组件。
此外，模拟前端和数字处理需要谨慎的路由，甚至可能需要单独的PCB，这增加了系统的复杂性和成本。在拥有更高的中心频率和提供集成的单芯片解决方案之间，与当前的24 GHz产品相比，Ti-mmwave解决方案可以显著减少传感器设计的占地面积。这导致了系统尺寸和重量的减少，安装和物料清单成本的降低，以及更容易集成到机械设计中。
结论
随着2022年法规的变化开始影响工业设计，任何利用24 GHz频段的系统都需要重新评估，以确定其未来的可行性。距离分辨率降低将影响数十个应用程序，现在需要开始设计更改，以便在2022年前做好准备。
目前对24 GHz解决方案的任何评估都应考虑到这一即将到来的变化，而且该技术的既定用户必须立即采取行动，以确定带宽的减少是否会破坏应用程序或强制重新设计。工业传感解决方案的设计者应考虑到Ti 60 GHz集成单芯片传感器的好处，从其能够以紧凑的外形系数获取丰富的点云数据到高范围和速度分辨率以及集成处理。
参考：