802．11bf Wi－Fi感知即将来临，毫米波传感器的机会在哪里

本文编译自Planet Analog，作者Socionext连接方案经理Masakazu Urade

2024 年，IEEE 将推出一项新的 Wi-Fi 标准——802.11bf——可将无线设备转变为传感器，能够通过计算人和物体物理空间中信号的干扰和反弹收集有关人和物体的数据。已建立的 Wi-Fi 设备将成为用于确定特定区域内人和物体位置和网络交互的一部分。

新标准将标志着数据传输的重大转变，因为传感器在如何捕获、传输和利用信息方面发挥着不可或缺的作用。它还将使 Wi-Fi 传感无处不在，并加速WiFi传感技术的创新。

底层 CMOS 射频技术

在这些 Wi-Fi 网络中部署用于感应的近距离射频 (RF) 电路是围绕雷达技术构建的。与传统的硬件传感器不同，射频传感成本更低且不显眼。由于射频信号的广播性质，射频传感可用于监测多个对象并捕捉大面积环境的变化。

RF 或雷达传感器使用称为频率调制连续波 (FMCW) 的波形调制方案。波形经过优化，可以检测空间中的物体并确定它们的速度。这也是智能设备可以近距离检测呼吸模式的方式。

使用多个天线可以生成更详细的近距离图像。这是因为每个天线本质上都会“拍摄”一张照片并使用该数据来处理运动信息。更多数量的天线可以实现更精细的角度分辨率。3D 位置和多对象检测就是一个很好的例子。

以智能家居雷达传感器为例，它可以监控一个人的生命体征并跟踪他或她的呼吸频率，了解他们的睡眠情况。该设备还使用雷达进行近距离基于手势的交互。

图 1 基于 802.11bf 标准的新型 Wi-Fi 传感器网络需要基于 RF CMOS 的单芯片解决方案。资料来源：Socionext

值得注意的是，先进的 CMOS 集成雷达提供超低功耗特性，同时实现了更小的尺寸——包括毫米波射频电路以及 A/D 转换器、滤波器、用于数字信号处理的内置专用引擎和标准 SPI 串行输入/输出，以及小型平面天线封装 (AiP)外壳。

Wi-Fi 感应用例

物联网 (IoT) 设备依赖于使用射频的无线通信，例如低功耗蓝牙 (BLE) 和低功耗广域 (LPWAN)。随着对连接设备的需求和使用量的增加，开发人员寻求针对能源效率进行优化的传感器，这些传感器具有新功能和更长的电池寿命。低功耗 CMOS 数字和射频技术提供了这样的优势。此外，随着产品变得更加紧凑，集成整个系统（CPU、RF 和其他组件）的片上系统 (SoC) 变得更实用。

最初为家用电器开发的低功耗射频 CMOS 技术现在已广泛应用于消费和汽车应用。无线电波用于电视广播、数据通信和用于物体检测的传感器。为了加速这些产品的发展，SoC 器件允许进行优化调整以满足客户的不同规格。其低功耗也使其成为非常合适的设计选择。

图 2 广泛的应用将受益于这种 Wi-Fi传感器。资料来源：Socionext

以下是一些可以从基于 RF CMOS 的 SoC 中受益的用例：

广播：直接在电视、移动设备和车载信息娱乐系统上流式传输视频。
LPWA 网络：使用无线通信从物联网设备传输各种传感数据。
Ka波段卫星通信：随时随地连接。
车联网 (V2X)：用于支持自动驾驶的车对车和车对基础设施通信。
79 GHz 射频雷达：支持高级驾驶辅助系统 (ADAS) 应用。
24 GHz 射频雷达：能够检测可疑人员和接近的物体，并在事件发生前自动触发警报和视频记录。
60 GHz 射频雷达：2TX 和 4RX MIMO 等多天线和宽带宽 FMCW 芯片可以执行各种传感功能，例如检测车内多人的位置。它还可以检测生命体征，这有助于防止驾驶员意外将婴儿、儿童或宠物单独留在车内。

2021 年 7 月，美国联邦通信委员会 (FCC) 发布的新闻稿称，美国政府认识到使用 60 GHz 频段的移动雷达设备执行创新和救生功能的实用性越来越高。先进的雷达技术也可以用于防盗，并启用一系列智能车内功能，包括座位占用监控、婴儿/宠物检测和死亡预防、驾驶员状态监控和非接触式精确操作。

Wi-Fi 传感器 SoC

Socionext 开发了一种 RF-CMOS 单芯片解决方案，包括 RF 内核、模数集成和小封装设计。 它集成了紧凑的低功耗射频 CMOS 电路以及高精度射频传感器天线。

下面是一个 RF CMOS SoC 的示例，重点介绍了各种技术的集成细节。

图 3 射频传感应用要求高度集成的 SoC 设计。 资料来源：Socionext

多年来，Socionext 开发了模拟 IP，以满足各种应用的低功耗和小尺寸要求。 这使公司能够将多个模拟和数字构建块集成到单个芯片中，同时优化移动设计以实现低噪声。