PCB Tecnico - Caratteristiche della tecnologia wireless 60GHz

L'interconnessione wireless viene utilizzata sempre più ampiamente. Questa tendenza è evidente nell'elettronica di consumo, dove i mercati dei telefoni cellulari e dei tablet hanno rapidamente promosso l'adozione di vari standard wireless nell'ultimo decennio. Il numero di hotspot Wi-Fi nella regione ha superato i 175 milioni e dovrebbe raggiungere i 330 milioni nel 2018. È aumentato anche il numero totale di prodotti abilitati Bluetooth, con una crescita del 400% nel numero di dispositivi audio abilitati Bluetooth tra il 2014 e il 2018. La maggior parte delle tecnologie wireless utilizza le stesse bande a 2,4 GHz e 5 GHz, che stanno diventando sempre più affollate. Gli abbonamenti per smartphone nel 2015 sono stimati in 3,4 miliardi, ognuno dei quali significa maggiori esigenze di dati, spingendo costantemente al limite le risorse delle reti di telefonia mobile e delle bande autorizzate.

Negli ultimi anni è emersa una nuova soluzione in grado di risolvere i vincoli di risorse delle bande esistenti e rompere i vincoli delle soluzioni wireless esistenti. Nella banda dell'onda millimetrica (30 GHz - 300 GHz), la banda di 60 GHz si distingue per il suo potenziale. Questa banda non è autorizzata in molte aree, quindi è molto conveniente per molte applicazioni. Questo apre la possibilità per l'emergere di un nuovo set di ricetrasmettitori Gigabit integrati in grado di fornire una vasta quantità di larghezza di banda sulle già affollate bande a 2,4 GHz e 5 GHz.

Molte applicazioni beneficiano della tecnologia a 60 GHz. Nel campo della trasmissione dati, la tecnologia a 60 GHz viene utilizzata per sostituire le applicazioni Wi-Fi esistenti per raggiungere velocità di trasferimento dati fino a 4,6 Gbps, cinque volte più veloci degli standard 802.11ac[4]. Wireless HD? Gli standard consentono lo streaming video tra dispositivi elettronici di consumo. I produttori stanno già aggiungendo il supporto WirelessHD per laptop, smartphone, TV digitale, videoproiettori e cuffie di realtà virtuale e si aspettano che WirelessHD venga utilizzato in applicazioni mobili, home theater e altri dispositivi informatici. Altre aree hanno anche iniziato a sviluppare la tecnologia a 60 GHz, tra cui applicazioni di ritorno wireless per uffici e campus, che si basano su applicazioni di trasferimento dati a 60 GHz per costruire rapidamente e facilmente interconnessioni tra edifici e connettori wireless per apparecchiature più leggere e stabili. Tuttavia, la domanda di maggiore larghezza wireless e trasmissione video HD ad alta velocità non è limitata all'elettronica di consumo. Anche l'industria può beneficiare della tecnologia a onde millimetriche. Questo articolo fornisce ai lettori una panoramica della tecnologia a 60 GHz, che non solo copre le applicazioni elettroniche di consumo esistenti, ma esplora anche le potenziali applicazioni della tecnologia a onde millimetriche in molti settori industriali diversi.

Panoramica della tecnologia wireless a 60 GHz

Gli organismi di regolamentazione, tra cui la FCC degli Stati Uniti, hanno designato fasce di esenzione per vari settori industriali. La banda 60 GHz ha una larghezza di banda superiore a 7 GHz [5]. Fornisce più di 20 volte le risorse della larghezza di banda rispetto alla larghezza di banda 5GHz.

La banda a 60 GHz ha un'ampia gamma di spettro, fornisce una capacità di rete a livello di gigabyte e ha diverse caratteristiche chiave di propagazione e attenuazione di cui possono beneficiare nuove soluzioni wireless ad alte prestazioni.

Le bande 2,4 GHz e 5 GHz sono adatte per la trasmissione a medio raggio e sono ideali per architetture di rete locali come Wi-Fi. La banda 60 GHz ha distanze di propagazione del segnale relativamente più brevi e si attenua mentre passa attraverso l'aria e le strutture solide, rendendola una scelta ideale per applicazioni a corto raggio. Per sfruttare appieno il vantaggio della banda 60 GHz, sono necessarie antenne phased array, tecnologia di controllo del fascio e del fascio altamente direzionale. Redis Semiconductor fornisce ricetrasmettitori a radiofrequenza (RF) basati sulla tecnologia SiBEAM, che sono fabbricati e confezionati utilizzando la tecnologia CMOS IC standard.

applicazione

La caratteristica della tecnologia a onde millimetriche è che le antenne devono essere ruotate in un certo intervallo per essere mirate e diversi tipi di applicazioni possono essere classificati in base a diversi intervalli. Per dimostrare la tecnologia pertinente, abbiamo diviso tre tipi di applicazione: 10mm, 1-10m e 100m e oltre.

[10mm] Connettore wireless

All'interno di una distanza molto breve (di solito circa 10mm), la tecnologia a 60 GHz può essere utilizzata come alternativa efficiente ai cavi. I circuiti integrati wireless appositamente progettati per trasmettitori e ricevitori possono essere utilizzati per trasmettere dati a velocità molto elevate su brevi distanze, sostituendo le connessioni cablate.

La tecnologia a 60 GHz può essere utilizzata anche come soluzione alternativa per le interfacce fisiche. È utile per applicazioni che richiedono la durata delle apparecchiature perché elimina le interfacce fisiche, che sono uno dei guasti comuni delle apparecchiature elettroniche e uno dei principali ingressi ad acqua, polvere e altre particelle che possono danneggiare le apparecchiature elettroniche. Oltre ai tassi di guasto, alcune interfacce specializzate, come quelle che collegano un notebook tablet rimovibile a un dispositivo di base o a una base di notebook tradizionale, spesso richiedono costi di sviluppo e implementazione significativamente maggiori rispetto ai connettori standardizzati.

[1-10m] Dati/Audio senza fili

Nelle applicazioni a media distanza (1-10m), la tecnologia a 60 GHz può essere utilizzata come soluzione alternativa ad alta velocità alle applicazioni wireless esistenti come Wi-Fi e una soluzione alternativa via cavo per video wireless.

802.11ad è uno standard di trasmissione dati a 60 GHz definito da IEEE, che definisce anche gli standard 802.11a, 802.11b, 802.11n e 802.11ac Wi-Fi. I principali operatori del settore, come Qualcomm, stanno integrando 802.11ad nel loro prodotto [6], che consente agli utenti di trasmettere video e dati ultra-veloci.

La tecnologia a 60 GHz è particolarmente adatta per le soluzioni di sostituzione dei cavi wireless. Elevata larghezza di banda, bassa latenza, architettura punto-punto e caratteristiche di trasmissione interna lo rendono una soluzione alternativa ideale per i cavi interni. Questa tecnologia può svolgere un ruolo nel sistema Home Theater (Fig. 1) per la trasmissione video ad alta definizione. Questa tecnologia consente ai consumatori di posizionare i dispositivi di uscita dei contenuti video e gli schermi TV liberamente e in modo flessibile, fornendo ai consumatori una grande comodità. Lo standard WirelessHD sta emergendo come tecnologia nel campo della trasmissione video di alta qualità che sfrutta appieno la banda 60 GHz per ottenere un'esperienza utente wireless superiore.

Gigabit Outdoor Wireless Link

La tecnologia a onde millimetriche può anche svolgere un ruolo importante nelle future applicazioni dell'infrastruttura di ritorno wireless, come l'infrastruttura di comunicazione mobile 5G di prossima generazione, l'espansione di ritorno dell'accesso fisso e i collegamenti punto-punto nel campus. La capacità wireless dei canali a 60 GHz e i collegamenti a radiofrequenza altamente ottimizzati possono ottenere la "fibra ottica wireless" ideale per sostituire le applicazioni di ritorno ottico esistenti.

Ci sono molti schemi in competizione tra loro sul mercato, ma la maggior parte dei sistemi è attualmente basata sullo standard IEEE 802.11ad. Oltre alle applicazioni interne menzionate in precedenza, la revisione dello standard 802.11 esistente copre l'uso della banda 60 GHzmm per supportare applicazioni di collegamento a lunga distanza (fino a 500 metri). Utilizza la stessa tecnologia di controllo del fascio sviluppata per l'interconnessione della stanza di 10 metri per supportare altre applicazioni come le connessioni dei punti di accesso e i collegamenti di ritorno esterni.

Applicazioni industriali

Le enormi opportunità offerte dalla tecnologia a 60 GHz nel settore dell'elettronica di consumo sono già evidenti e lo sviluppo tecnologico in questo settore continuerà a svilupparsi rapidamente. Poiché la soluzione a 60 GHz continua ad espandersi nel mercato dell'elettronica di consumo, anche i produttori del settore stanno esplorando come utilizzare la tecnologia. Per molte applicazioni industriali, possono anche beneficiare della tecnologia a 60 GHz proprio come molte applicazioni nell'elettronica di consumo, con la tecnologia a onde millimetriche che consente ai produttori di eliminare i cavi e migliorare la mobilità e la flessibilità. Inoltre, molte nuove applicazioni, come il rilevamento del bersaglio o il riconoscimento dei gesti utilizzando la tecnologia a onde millimetriche, hanno attirato molta attenzione nel campo industriale.

Visione meccanica

I sistemi di visione meccanica industriale sono utilizzati principalmente per ispezionare o guidare i robot nella produzione di prodotti [7]. Sono strumenti indispensabili nelle fabbriche moderne per assistere alla produzione di prodotti di alta qualità e accurati in vari settori industriali, che coinvolgono l'elettronica, la produzione e la produzione di capi d'abbigliamento all'avanguardia. La visione meccanica consiste di tre elementi fondamentali: un captatore di immagini (simile a una fotocamera, un sensore di immagine cattura dati grezzi), un computer o un processore che analizza i dati e un collegamento di interconnessione. I captatori di immagini machine vision ora supportano una risoluzione sempre più elevata, di solito collegandosi a un computer tramite un cavo multicore e quindi elaborando l'immagine.

Attualmente esistono molti standard per la trasmissione dei dati via cavo. Tuttavia, le soluzioni via cavo devono affrontare molti limiti. Per le applicazioni guidate da robot, i cavi possono influenzare l'azione e le immagini e i cavi devono essere attentamente pianificati e disposti. Inoltre, le lunghezze standard dei cavi (spesso tra i 5 e i 30 metri, a meno che non vengano utilizzate costose fibre ottiche) sono un grosso inconveniente, soprattutto se si considera che il cavo deve passare attraverso macchinari industriali e molti ostacoli, il che significa che il computer deve essere vicino all'area di fabbrica. Poiché i computer e i cavi devono essere gestiti, ci sono molte barriere e i computer esposti a ambienti industriali difficili possono portare a una vita più breve.

Le soluzioni wireless tradizionali non sono alternative ideali ai cavi perché hanno alta latenza e richiedono compressione delle immagini. Qualsiasi ritardo causato dall'uso di soluzioni wireless aumenterà i tempi e i costi di produzione perché la linea di produzione dovrà rallentare per accogliere il tempo del processore richiesto dal computer. Allo stesso tempo, la compressione delle immagini renderà più difficile per il computer analizzare l'immagine catturata.

Con una soluzione wireless a 60 GHz, una o più immagini possono essere installate su una macchina senza cavi video. Questi captatori di immagini possono trasferire direttamente i dati a un computer o connettersi a un collegamento wireless per connettersi a un centro di controllo. Il video wireless consente al robot di muoversi liberamente, aiuta a ridurre i pericoli nascosti nelle aree di fabbrica, semplifica la configurazione di nuove apparecchiature e consente ai computer di spostarsi dalle aree di fabbrica ad ambienti più controllati. Negli ultimi anni, la domanda di visione meccanica è aumentata drasticamente e la tecnologia a 60 GHz è dedicata a fornire flessibilità e convenienza ai sistemi nelle aree di lavoro complesse di oggi.

Monitor

Il monitoraggio industriale è un'altra area in cui la tecnologia a onde millimetriche può funzionare. I sistemi di monitoraggio in molti uffici, fabbriche e stabilimenti produttivi sono obsoleti e forniscono solo una bassa risoluzione delle immagini. L'aggiornamento di questi sistemi richiede spesso la reinstallazione dei cavi esistenti per adattarsi alle nuove apparecchiature, spesso costando milioni di dollari. WirelessHD semplifica notevolmente il processo di ristrutturazione di queste strutture trasferendo in modalità wireless video di qualità superiore ai ricevitori vicini purché sia collegato alla rete elettrica esistente nel vecchio sistema.

Assistenza medica

Le applicazioni mediche possono anche beneficiare notevolmente della tecnologia a 60 GHz. L'imaging digitale è uno strumento diagnostico chiave per i medici, soprattutto nelle sale operatorie, dove immagini di qualità superiore possono essere migliorate per fornire un trattamento più efficace ai pazienti. Tuttavia, l'inserimento di una serie completa di apparecchiature informatiche nella sala operatoria pone numerosi problemi e il problema sarà un mucchio di cavi che sono difficili da sterilizzare, probabilmente portando a rischi per la sicurezza. La tecnologia a onde millimetriche può aiutare, ad esempio, trasferendo in modalità wireless video in tempo reale da una microcamera a un monitor vicino o direttamente a un display con cuffie montato negli occhiali da chirurgo. Ciò garantisce un ambiente ambiente sterile e riduce il duro lavoro di installazione di nuove attrezzature.

Un'altra potenziale innovazione della tecnologia a 60 GHz in sala operatoria è il controllo gestuale. Il riconoscimento dei gesti a onde millimetriche può rilevare e leggere la traccia di movimento del dito, che è più difficile da lavorare in un ambiente di illuminazione variabile e avrà un impatto significativo rispetto alla tecnologia esistente della fotocamera a infrarossi. Un controllo gestuale affidabile può sostituire i pulsanti sulla macchina, rendendo più facile sterilizzare il dispositivo.

sintesi

La tecnologia a 60 GHz è una nuova e calda direzione nel campo dell'interconnessione wireless. Oltre all'entusiasmante varietà di prodotti elettronici di consumo oggi sul mercato, ci sono anche un gran numero di applicazioni industriali basate sulla tecnologia dell'onda millimetrica. I principali vantaggi della tecnologia a 60 GHz, come bassa latenza, alta larghezza di banda e interfacce standardizzate, la rendono una scelta ideale per molte applicazioni industriali con prospettive brillanti.