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| 本文作者： 龔黎明 | 2016-06-12 17:25 |
雷鋒網(wǎng)按：本文作者龔黎明，威盛電子高級(jí)芯片工程師。
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”這只看不見的手來(lái)操控，頗有些魔術(shù)效果。
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)：
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，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。
Google Project Soli的毫米波雷達(dá)通過RDM（Range Doppler Map，距離-多普勒映射）算法獲得目標(biāo)信息。谷歌并沒有公布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。
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是用于車內(nèi)手勢(shì)識(shí)別，操作距離為1m之內(nèi)。中心頻率為25GHz的毫米波，頻寬4GHz，距離分辨率是3.75cm。具有4D測(cè)量的功能，可同時(shí)測(cè)量物體的三維位置和運(yùn)動(dòng)速度，水平視角為±45°，垂直視角為±30°，檢測(cè)速度不高于1.5m/s。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原型由微控制器，模擬電路，雷達(dá)射頻芯片和4路天線構(gòu)成，其中3路接收天線，1路發(fā)射天線。下圖是該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原型，粗糙了點(diǎn)，但是能用：
該系統(tǒng)的MMIC前端系統(tǒng)采用英飛凌的BGT24MTR2芯片，主控制器采用德州儀器的Cortex M4F微處理器。模擬端的采樣頻率為40KHz，采用8bit模數(shù)轉(zhuǎn)換，鋸齒波生成器采用500Hz的輸入源輸送給VCO（壓控振蕩器）單元，通過串口連接PC主機(jī)做信號(hào)處理和手勢(shì)識(shí)別算法，系統(tǒng)采用USB供電，整個(gè)從機(jī)的功耗小于1W。整體架構(gòu)如下圖所示：
整個(gè)系統(tǒng)的工作原理如下：
1、雷達(dá)系統(tǒng)所發(fā)射的信號(hào)通過鋸齒波函數(shù)進(jìn)行調(diào)制后由天線進(jìn)行發(fā)射，接收到手部的反射回波。
2、對(duì)于鋸齒波調(diào)制而言，由于因?yàn)榛夭ㄑ舆t導(dǎo)致的頻移和拍頻（回波與發(fā)射波的頻率差）被耦合在一起，通過RDM （Range Doppler Map，距離-多普勒映射）算法進(jìn)行解耦：將發(fā)射波與回波相乘，然后進(jìn)行低通濾波。
3、得到的結(jié)果進(jìn)一步離散采樣，組織成矩陣的形式，其中矩陣的每一列包含單次掃描的節(jié)拍信號(hào)。
4、然后再進(jìn)行二維離散傅里葉變換，最后得到手部的位置延時(shí)和多普勒頻移等信息，進(jìn)而得到手部的位置和運(yùn)動(dòng)速度。
下圖是原理的圖示：
得到了手部的位置圖和速度圖，就可以辨別出具體的手勢(shì)動(dòng)作及含義。下圖展示了單手和雙手手勢(shì)識(shí)別效果圖：每個(gè)手勢(shì)最上面的圖是雷達(dá)探測(cè)與手部深度圖像的疊加圖。雷達(dá)探測(cè)點(diǎn)的顏色代表手部該位置的變化速度。中間的RDM圖是雷達(dá)的探測(cè)圖，其中色塊表示雷達(dá)探測(cè)到的物體，由于人手部是非剛性的，所以看起來(lái)像是一堆小物塊。最下面的合成圖展示了整個(gè)手部的動(dòng)作，顏色跟速度對(duì)應(yīng)。
上面我們簡(jiǎn)單介紹了毫米波雷達(dá)手勢(shì)識(shí)別的基礎(chǔ)原理，英偉達(dá)的雷達(dá)手勢(shì)芯片在原理上與谷歌的Project Soli有很大的相似性，因此具有很好的參考價(jià)值。
二者區(qū)別在于谷歌的是60GHz頻段的毫米波，而英偉達(dá)采用的是25GHz的毫米波；在天線設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)上會(huì)有一些不同；再者英偉達(dá)的這款只是原型設(shè)計(jì)，其數(shù)字信號(hào)處理主要依靠PC端的處理能力，這當(dāng)然不可能集成到嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中。
而谷歌則采用了專用的芯片來(lái)做數(shù)字信號(hào)處理，所以可以做到超低功耗，并提高性能，達(dá)到嵌入式可穿戴智能設(shè)備的使用需求。
目前Project Soli仍處于開放研發(fā)階段。谷歌聲稱將在2017年推出版本的硬件?？梢灶A(yù)見的是，在明年的開發(fā)者大會(huì)上，我們將會(huì)看到更加成熟的雷達(dá)手勢(shì)控制芯片以及配套的軟件系統(tǒng)，如果其成本可以降低下來(lái)，或許那個(gè)時(shí)候，新的交互時(shí)代將會(huì)來(lái)臨。
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