物联网导论（第四版）课件：毫米波感知.pptx

1物联网导论IntroductiontoInternetofThings毫米波感知#3BABA6#2C71B6

2承前启后前一章介绍了无源感知网络，重点讨论了能量获取，感知方面的挑战，通信和组网，最后探讨了无源感知网络的发展和未来趋势本章我们主要关注毫米波感知。介绍毫米波感知的具体平台，以及信号调制与处理的方法。并讨论毫米波感知的具体应用

3本章内容5.1毫米波感知平台5.2信号调制与处理5.3毫米波感知应用5.4总结

毫米波感知平台与其他无线信号相比，毫米波具有高频率和大带宽的优势。这意味着其能够感知的粒度更细，精度更高4毫米波感知技术的硬件平台主要包括商用毫米波雷达和支持60GHz的Wi-Fi设备。得益于极短的波长，毫米波设备能够拥有小尺寸的天线阵列TiAWR1642TP-linkTalon7200

商用毫米波雷达商用毫米波雷达相比于军用的，其特点是体积小、易集成、成本低、易部署5毫米波雷达的硬件组成通常包括多个天线组成的天线阵列，数据收发模块以及信号处理模块使用特定的电磁波和信号处理技术，商用毫米波雷达能够对物体的距离、方向和速度进行测量TIAWR1843毫米波雷达天线阵列数据收发模块与信号处理模块

TP-LinkAD7200路由器60GHzWi-Fi设备60GHzWi-Fi设备遵循IEEE802.11ad、IEEE802.11ay等标准，实现了波束成形(Beamforming)技术6设备能够发出很窄的波束，达到定向通信的效果。同时在感知层面也具有较高的空间分辨率正交频分复用（OFDM）的调制方式也使设备能够利用多个子载波得到更丰富的感知信息家庭中的60GHzWi-Fi

7本章内容5.1毫米波感知平台5.2信号调制与处理5.3毫米波感知应用5.4总结

调频连续波信号以毫米波雷达为例，毫米波雷达通过连续发送和接收FMCW(FrequencyModulatedContinuousWave)信号对目标的位置、速度和角度进行感知8FMCW信号的特点是：在一个周期内，信号频率随时间线性变化。在同一个信号周期内，接收信号与发射信号波形相同，但存在一定的传播时延FMCW信号

距离测量9发射信号：接收信号：混频得到差拍信号：通过差拍信号的频率与相位测量距离FMCW信号经目标反射后回到接收端时，接收信号与发射信号之间存在一定的频率差频率差与物体到雷达的距离线性相关，因此可通过频率差计算物体到雷达的距离毫米波感知的理论模型

速度测量10由于收到的反射信号包含从多个不同距离处反射的信号，为得到想要的反射信号，需对一个信号周期内的差拍信号做Range-FFT操作Range-FFT结果中每个距离对应一个复数值，代表该距离处的反射信息。这个反射信号为对连续多个信号周期的反射信号进行Doppler-FFT操作，利用反射信号的相位-距离转化关系，实现对物体速度的估计毫米波感知的理论模型

方向测量11利用多根天线能够区分不同方向的多个物体对一个信号周期内多根天线的反射信号进行Angle-FFT操作，利用不同反射信号的时延以及天线间的空间位置，对物体所在方向角度进行估计天线个数越多，空间分辨率越高为实现更高的空间分辨率，常使用波束成形技术，能够增加雷达对某个方向的接收增益毫米波方向测量的理论模型

12本章内容5.1毫米波感知平台5.2信号调制与处理5.3毫米波感知应用5.4总结

工业测振13工业场景中物体振动只有微米级别，使其他无线信号无法感知如此细微的变化传统的基于嵌入式传感器的测振方案，往往面临部署困难、成本偏高、不易维护等难题利用毫米波雷达对距离的高分辨能力，可以对微小振动进行精确的恢复，最终能够成功从反射信号中恢复出微米级的振动工业场景中的微米级振幅感知

语音识别14麦克风收到的声音信号包含着环境中丰富的噪声，不能提供高质量的原始声音信号同时，基于声音信号的声音识别与认证一直深受重放攻击（replayattack）等攻击手段的困扰利用毫米波对用户的喉部振动进行感知，根据喉部振动信息直接得到用户发声的信号特征甚至能够重构出用户的发声。在抵御重放攻击的同时，也能去除环境噪声对语音认证系统的干扰毫米波语音识别模型

手势识别15通过观察不同手势对反射信号带来的影响，结合机器学习，将反射信号映射到对应的手势，完成手势识别与光学成像的手势识别方式相比，毫米波感知所需处理的数据较少，可以在计算能力相对有限的物联网设备上使用。同时，毫米波信号具有一定的穿透力，即使受到轻微的遮挡，也能很好地完成手势识别的工作毫米波手势识别示意图

环境感知16利用新型材料能改变毫米波信号频率的特点，实现物体识别、环境感知如铁磁墨水打印出的不同图案会导致毫米波信号频率改变。将标签的形状与信号的频率一一对应，实现了基于纸张的毫米波可扫描标签系统，具有超