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通訊/感測應用商機浮現 毫米波躍居半導體產業顯學

2019-04-30
在智慧化與數位化的浪潮下,應用對於資料傳輸與處理的需求不斷提升,再加上低頻頻譜越趨擁擠,使得應用逐漸朝高頻毫米波發展。盼能藉由毫米波更大的頻寬與更豐富的頻譜資源,在無線通訊與感測領域中實現更多高階的應用,搶奪下世代半導體產業先機。

由於5G與自駕車議題興起,毫米波在無線通訊與感測方面都受到越來越多的關注,儼然成為下世代半導體產業顯學。在無線通訊方面,5G與Wi-Fi可望藉由毫米波更大的可用頻寬來實現更高速、低延遲性與大資料量的傳輸,提升服務品質並拓展更多創新應用;在感測應用方面,毫米波雷達可發揮其在物體速度、方向與位置判定上的優勢,與攝影機等其他感測技術形成互補,使汽車感知系統更聰明;另外,毫米波雷達也進軍工業、醫療與消費性市場,成為物聯網感測系統中不可忽視的技術。

高頻頻譜資源豐富 吸引通訊/感測爭相使用

隨著技術與應用市場的演進,6GHz以下(Sub-6GHz)的頻譜會越來越擁擠,能用的頻寬也有限。儘管業界也持續藉由天線技術與調變機制來提升傳輸效能,但這些技術對於效能的提升皆有其局限性。因此,在5G、自駕車、人工智慧(AI)、智慧製造與高畫質傳輸等概念興起的同時,應用紛紛朝毫米波頻段發展,尋求更大的頻寬與更高的傳輸效能。

毫米波是波長約1~10mm的電磁波,頻率範圍落在30~300GHz。而毫米波可提供更大頻寬則與其高頻頻譜特性有關,無線通訊的最大訊號頻寬是載波頻率的5%左右,換句話說,載波頻率越高,可用訊號頻寬也越大。以無線通訊來說,4G LTE頻段最高頻率約2GHz左右,可用頻寬就只有100MHz,而若使用更高的毫米波頻段(例如28GHz、39GHz),頻寬便能提升到10倍以上,資料負載量大幅提升。在感測方面,毫米波雷達也受益於高頻頻譜的特性,可處理更大的資料量,並提供更精密的感測資料。而從終端設計面來看,頻率越高波長越短,天線的尺寸也可以做得越小,因此採用毫米波技術可進一步縮小天線與終端產品尺寸。

受益上述頻譜與高頻元件特性,再加上高頻頻譜開發較晚,毫米波可提供比低頻更大的頻寬與更多頻譜資源,緩解低頻頻譜擁擠與破碎的問題,使得過去主要用於軍用領域、雷達與衛星的毫米波,成為現今半導體產業關注的技術。

毫米波滿足大容量需求

談到毫米波在通訊領域的發展機會,ADI通訊基礎設施業務部中國區策略市場經理解勇表示,近年來隨著智慧終端和行動互聯網的快速普及和發展,行動資料正在不斷成長中,每年都會成長50%。其中影片是重要的推動因素,約占50%的流量,預計在未來幾年將達到75%。在此發展趨勢下,能否部署足夠大的容量以滿足需求,也成了電信商面臨的挑戰。

而提高容量的方法不外乎就是獲得更多的頻譜或頻寬、部署更密集的基地台網路,並且提高頻譜效率。在毫米波高頻頻段,電信商可獲得800MHz甚至超過1GHz的頻譜可以使用,這是毫米波的大頻寬發揮作用提升容量的地方。

儘管毫米波相關技術發展不如6GHz以下來得成熟,在裝置設計與開發也還有許多待克服的挑戰,但毫米波可達到20Gbps的理論值傳輸速率,使眾多創新應用變得可行。因此,從市場需求來看,對於大頻寬與大資料量傳輸的應用來說,毫米波頻段的開發勢在必行。

毫米波通訊實現創新應用

由於目前5G毫米波網路布建與元件都還在開發階段,因此還無法預見毫米波應用全貌,許多創新應用須待基礎建設與半導體技術成熟之後才會逐漸出現。而目前已經可以預期到的,對於毫米波低延遲大頻寬特性有需求的應用,包括固定無線接入(FWA)、密集人口區熱點(Hot Spot)、遠端機械手臂控制、智慧醫療、AR/VR與高畫質影音串流等(圖1)。

圖1 目前可預期的5G 6GHz以下(sub-6GHz)與毫米波應用場景
資料來源:Infineon

舉例來說,手術室中可使用5G毫米波網路傳輸4K高畫質影像,輔佐更精密的醫療手術。工研院產科國際所通訊與智慧聯網系統研究部經理蘇明勇(圖2)說明,由於室內空間與擺設是固定的,可排除傳輸路徑內的障礙物,環境變因較少,因此較易實現穩定的高頻傳輸。

圖2 工研院產科國際所通訊與智慧聯網系統研究部經理蘇明勇表示,手術室中可使用5G毫米波網路傳輸4K高畫質影像,輔佐精密手術。

而除了5G以外,60GHz的Wi-Fi技術,也是毫米波無線通訊另一項重要技術。而IEEE標準協會也已在2017年1月發布802.11ay草案,預計於2019年正式批准802.11ay規格。802.11ay使用60GHz的毫米波頻段,在802.11ad的基礎上導入更多功能,包括多重輸入多重輸出(MIMO)技術與通道綁定機制,並支援更高階的調變機制(最高可達256QAM),進一步提升傳輸頻寬與速率。

各項傳輸效能的提升,讓802.11ay可望在講究高傳輸速率、大資料量與低延遲性的5G時代中,扮演關鍵的角色。據了解,802.11ay已吸引家庭影音娛樂業者投入布局,盼能藉以提升影音串流品質,並支援AR/VR等新型娛樂服務。此外,802.11ay也可用以取代既有的有線網路,支援5G FWA在室內的傳輸,讓使用者在室內仍能享有Gbps等級的高速寬頻連線;或支援電信商戶外網路回傳(Backhaul)的服務。

值得一提的是,5G毫米波在室內應用情境與802.11ay可能有重疊、競爭的情況。對此,蘇明勇指出,802.11ay最大的優勢是採用60GHz免照頻段,網路部署容易且成本較低。但也因為802.11ay使用的並非授權頻段,無法做太多規範,所以會面臨資源爭搶的問題。由於無法分配頻段給特定應用使用,也無法預測流量,使用者較多、資料負載量較大時可能會影響到網速,傳輸品質較沒有保障。預期未來會形成異質網路架構,使用者可依照對成本與網路穩定性的需求,選擇適用的技術。

汽車雷達持續挺進 毫米波感測走向工業/消費性應用

毫米波雷達會透過天線發射電磁訊號,並接收障礙物反射回來的訊號,藉此計算被偵測物的距離、移動速度與角度等資訊。過去,毫米波主要運用在軍事雷達上,而近期隨著自駕車的發展,毫米波也被導入汽車感知系統中,與攝影機、超音波、飛時測距(ToF)與光達等感測技術協作。除了汽車之外,雷達在工業應用的市場潛力也備受矚目,包括無人載具也運用雷達進行環境感測,導入農業、消防與物流等應用場域中。

汽車雷達早期是使用24GHz的頻段,用以進行短距離的偵測,支援盲點偵測、軌道偏移與防撞系統等數公尺內的應用。而隨著半導體技術的演進,已經可以支援更高頻段的毫米波雷達開發,加上自駕車發展需要更精密的感測資料進一步辨識物體,使得77/79GHz毫米波頻段成為熱門的技術。而在工業應用方面主要使用開放給工業、醫療與科學使用的ISM頻段,包括60GHz以及122GHz等(表1)。

表1 毫米波運行頻段與主要應用
資料來源:Infineon

英飛凌射頻及感測元件暨電源管理及多元電子事業處經理吳柏毅(圖3)表示,除了24GHz原本就能做到的位置偵測、人物檢測與人流計算,60GHz毫米波雷達可以在近距離感測也能有更好的表現。由於60GHz雷達波長短,可偵測到更精細的東西,天線尺寸也更小,從物理特性來說,會比24GHz更適合運用在小型裝置上。

圖3 英飛凌射頻及感測元件暨電源管理及多元電子事業處經理吳柏毅提到,60GHz毫米波可實現更小的雷達尺寸,因此更適合導入小型裝置中。

毫米波雷達應用新藍海

談到目前毫米波雷達的應用情況,德州儀器半導體行銷與應用嵌入式系統應用經理王盈傑(圖4)表示,不論是在工業或者汽車應用中,毫米波雷達都很常搭配攝影機等既有的感測器進行感測融合,提升感測系統的辨識精準度。

圖4 德州儀器半導體行銷與應用嵌入式系統應用經理王盈傑指出,以現有的應用來說,毫米波雷達最常搭配攝影機進行感測融合,提升辨識精準度。

由於不同的感測技術都有其缺點,舉例來說,攝影機容易受光線等環境因素干擾,而超音波則易受溫度影響。相較於這些感測技術,毫米波雷達對於雨、陰霾、霧和煙有較好的抗干擾能力;此外對於玻璃、樹脂玻璃、不透明的塑膠薄板、石膏牆與膠合板的薄層等材料的穿透性也較好,使之成為汽車與工業感測系統中不可或缺的要角。

而除了較為人所知的先進駕駛輔助系統(ADAS)、障礙物偵測與人流計算等應用,毫米波雷達在智慧音箱、無人載具、生物感測、動作辨識與材料感測也都有許多創新應用持續被挖掘。

・生物感測

由於毫米波雷達可偵測到非常細微的變化,因此也可進行生物體徵感測。舉例來說,可透過毫米波雷達偵測呼吸時的胸腔運動,藉此感測生命跡象或量測心跳。目前也已經有業者擬將毫米波雷達導入汽車車內系統,透過生物體徵感測來判斷後座是否有乘客,避免將孩童遺忘在車內。此外,毫米波雷達也可用以感測駕駛的精神狀況,避免因危險駕駛引發意外。

・無人載具/自動化系統

毫米波雷達感測能夠提供無人載具額外的工作資訊,如協助無人載具識別物品材料以擴展其功能。另外,在工廠條件不斷變化之下,人身安全性可能需要不只一種感測技術,而毫米波雷達能在充滿粉塵等視線不佳的情況下發揮作用,幫助自動化機械系統辨識是否有人員誤闖危險區域或者其他異常狀況發生,保障工廠作業安全。

・手勢辨識/控制

手勢辨識則是將毫米波雷達安裝在手持裝置中,運用雷達去做手勢識別,並透過數據庫去定義手勢與相應的指令。如此一來,用戶即可透過手勢隔空操作裝置。另外,也可以運用手勢辨識設計互動遊戲,提升使用者體驗。

・智慧照明

毫米波雷達也可與智慧照明系統做結合,導入路燈或室內照明系統,除了可取得即時的車流與人流資訊,也可藉之調節燈光明暗,提升能源管理效率。

・智慧音箱

市面上也有業者將60GHz的雷達感測技術導入智慧音箱。如英飛凌即在智慧音箱上加裝兩顆雷達感測器,使音箱除了具備語音感測功能,也能運用雷達技術進一步偵測物體的特性與位置,與使用者進行更多元的互動與遊戲。

對此,英飛凌表示,用戶體驗是推動雷達應用的一大驅動力。而藉由感測器融合,可使智慧裝置具備多重感測能力,更靈敏地洞察外在環境,讓裝置不僅可以執行指令,還能因應不同的情境做出更適當的反應。

演算法助毫米波雷達導入多元應用

談到毫米波雷達運用在汽車與工業或消費市場的差異,王盈傑表示,車用應用的情境非常明確,主要分成短距、中距與長距的感測,因此毫米波在車用領域的發展也相對成熟。相較之下,工業應用會是新藍海,但因為工業與消費性應用場景多元,面臨到的環境變因更多,這會是毫米波雷達在進軍工業與消費性應用市場時,與過去最大的不同。

未來會有越來越多無人的、自動化的智慧機具/家電採用感測器,而毫米波必須能因應不同的應用去提供相對應的元件與演算法。為協助設計者克服上述挑戰,晶片業者除了可透過高整合度的單晶片簡化開發與設計,也可提供手勢辨識、生命跡象偵測、無人搬運車等不同應用所需的軟硬體參考設計,加速毫米波雷達導入多元的應用場域中。

總結來說,毫米波的頻譜特性與豐富的頻譜資源,使其可實現許多低頻頻段無法支援的通訊與感測應用。然而,毫米波技術難度也比低頻段更複雜,現今的半導體技術雖然已逐漸可支援毫米波裝置的設計與生產,但裝置設計/生產與網路布建的成本也會比過往高出許多。因此,在推進毫米波技術的同時,產業也持續在尋找殺手級的新應用,充分挖掘毫米波在通訊與感測應用市場中的商機。

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