在2016年的谷歌I/O大會(huì)上，谷歌低調(diào)展示了數(shù)款高科技硬件產(chǎn)品。其中有超炫的雷達(dá)芯片——Project Soli。它采用微型雷達(dá)來(lái)捕捉細(xì)微的手勢(shì)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操控。它可以隔空操作智能手表，可以取代觸摸屏隔空操控手機(jī)，可以取代觸控板操作電腦，甚至已經(jīng)有開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)隔空打字的功能!它還可以用在VR中進(jìn)行交互，取代手持設(shè)備得到更好的游戲體驗(yàn)。相比于當(dāng)前流行的二維觸屏系統(tǒng)，它的控制手勢(shì)是三維立體的，所以顯得更加直觀，更加生動(dòng)，再加上利用了“電磁波”這只看不見(jiàn)的手來(lái)操控，頗有些魔術(shù)效果。
Project Soli構(gòu)造：
Project Soli由兩個(gè)芯片組成，一個(gè)是微型雷達(dá)傳感芯片，一個(gè)是主控芯片。其中雷達(dá)傳感芯片內(nèi)置了天線陣列，其封裝只有8mm x 10mm大小。雷達(dá)的電磁波發(fā)射頻率是60GHz，波長(zhǎng)為5mm，該芯片可以識(shí)別5cm-5m的細(xì)微手勢(shì)，操控距離限制在15m內(nèi)，并且具有180°的視角。下圖展示了兩款芯片的大小，最左邊是主控芯片，中間是雷達(dá)傳感芯片。
與初代Project Soli相比。新一代的Project Soli主控芯片與英飛凌合作設(shè)計(jì)，功耗降低了22倍，從1.2W降低到了0.054W。新的雷達(dá)傳感芯片效率更是提高了256倍，并且可以實(shí)現(xiàn)每秒18,000幀的掃描。這讓該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在智能手表上成為可能。下圖展示了幾種操控的手勢(shì)：
雷達(dá)成像：
谷歌的Project Soli采用了雷達(dá)成像原理，采用了60GHz頻段的毫米波，波長(zhǎng)為5mm。采用毫米波好處在于，相比于微波(0.3G~30GHz)的波段幾乎已經(jīng)被各種無(wú)線應(yīng)用占據(jù)，比如WIFI，藍(lán)牙，無(wú)線通信，AM、FW無(wú)線廣播等。毫米波本身免授權(quán)、免付費(fèi)、及未被大量采用，換句話說(shuō)，不需耗費(fèi)申請(qǐng)時(shí)間及費(fèi)用，即可使用該頻段。Wireless HD及IEEE802.15.3c皆屬毫米波無(wú)線傳輸技術(shù)，工作頻段為60GHz。
電磁波的波譜圖
雷達(dá)主要利用無(wú)線電波的反射來(lái)進(jìn)行成像。通過(guò)計(jì)算從天線發(fā)射無(wú)線電波，到天線收到反射波的延時(shí)，可以得出物體的位置。通過(guò)比較發(fā)射波與反射波的波長(zhǎng)變化(多普勒頻移)，可以計(jì)算出物體的速度。當(dāng)物體靠近雷達(dá)運(yùn)動(dòng)，其反射波的波長(zhǎng)會(huì)變短;當(dāng)物體遠(yuǎn)離雷達(dá)運(yùn)動(dòng)，其反射波的波長(zhǎng)則會(huì)變長(zhǎng)。物體的速度越大，波長(zhǎng)的變化也越大。這樣，通過(guò)對(duì)比發(fā)射波和反射波，就得到了物體的位置和速度，也就可以精細(xì)地捕捉物體的運(yùn)動(dòng)。
雷達(dá)測(cè)速原理
采用毫米波雷達(dá)做手勢(shì)識(shí)別，難點(diǎn)在于雷達(dá)傳感器芯片設(shè)計(jì)，其中又包括MMIC芯片(單片微波集成電路)和天線PCB板設(shè)計(jì)。
(1)前端MMIC芯片：它包括多種功能電路，如低噪聲放大器(LNA)、功率放大器、混頻器、甚至收發(fā)系統(tǒng)等功能。具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。毫米波雷達(dá)的關(guān)鍵部件前端單片微波集成電路(MMIC)技術(shù)由在國(guó)外半導(dǎo)體公司掌控，而高頻的MMIC只掌握在英飛凌、飛思卡爾等極少數(shù)國(guó)外芯片廠商手中。
(2)雷達(dá)天線高頻PCB板：毫米波雷達(dá)天線的主流方案是微帶陣列，簡(jiǎn)單說(shuō)將高頻PCB板集成在普通的PCB基板上實(shí)現(xiàn)天線的功能，需要在較小的集成空間中保持天線足夠的信號(hào)強(qiáng)度。
英偉達(dá)手勢(shì)識(shí)別芯片
Google Project Soli的毫米波雷達(dá)通過(guò)RDM(Range Doppler Map，距離-多普勒映射)算法獲得目標(biāo)信息。谷歌并沒(méi)有公布Project Soli的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，但筆者發(fā)現(xiàn)，英偉達(dá)設(shè)計(jì)的一款基于FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)技術(shù)的毫米波雷達(dá)手勢(shì)識(shí)別芯片系統(tǒng)，同樣使用了毫米波雷達(dá)技術(shù)，也采用英飛凌的MMIC射頻解決方案。更巧的是，RDM算法也被應(yīng)用在其中，應(yīng)該相當(dāng)具有參考價(jià)值。