多频段近场通信技术：面向高吞吐量无线计算机视觉传感器网络

2.1. 视觉系统对高速NFC的需求

由机器学习驱动的现代计算机视觉，需要将海量数据从传感器传输到处理单元。虽然蓝牙和Wi-Fi提供了较高的数据速率，但其协议涉及冗长的搜索和配对阶段（>10秒），对于快速文件共享或实时应用而言，这降低了用户体验。此外，它们的带宽受到频谱法规的限制。NFC凭借其极短的距离（<3厘米），允许在低功耗下使用更宽的带宽，既符合法规要求，又能实现适用于单一专用发射-接收对、更简单、更快速的协议。

系统背景：如PDF中图1所示，视觉传感器和处理器通过NFC链路耦合。设计中使用了耦合器和屏蔽层来聚焦射频场并最小化泄漏。

2.2. 多频段射频互连架构

核心创新在于并行使用多个ISM频段。数据流被分割成多个子流。每个子流被上变频到不同的、预定义的ISM频段。然后，这些多个射频信号使用功率合成器[9]进行合并传输，如PDF中图3概念性所示。

关键原理：聚合数据速率 $R_{total}$ 变为每个频段上数据速率的总和：$R_{total} = \sum_{i=1}^{N} R_i$，其中 $N$ 是使用的频段数量。这为突破任何单一频段限制来扩展吞吐量提供了一条途径。

2.3. 基于FPGA的全数字发射器

为了便于快速原型开发，本文采用了Li等人[10]提出的全数字发射器设计方法。这种方法主要通过FPGA上的数字逻辑综合来实现射频发射器，从而大幅缩短设计周期。

架构：发射器（PDF中图4）采用Sigma-Delta调制和基于XOR的混频，将基带数字信号直接转换为高速射频信号。这种高度数字化的方法符合软件定义无线电的趋势，并在特定调制方案的可重构性和潜在能效方面具有优势。

3.1. 技术细节与数学表述

多频段传输可以建模为一个并行信道系统。如果每个频段 $i$ 的可实现频谱效率为 $\eta_i$（比特/秒/赫兹），可用带宽为 $B_i$，则该频段的数据速率为 $R_i = \eta_i B_i$。总容量受限于聚合带宽以及每个频段的信噪比，对于近场链路，信噪比通常很高。

ADTX的操作涉及生成高频数字时钟。数据使用在数字域实现的调制方案（如BPSK或QPSK）进行调制。XOR混频器充当数字乘法器，有效地执行：$RF_{out}(t) = D(t) \oplus CLK_{RF}(t)$，其中 $D(t)$ 是调制后的数据信号，$CLK_{RF}(t)$ 是射频载波时钟。然后对输出进行滤波以抑制谐波。

3.2. 分析框架与概念工作流

案例研究：无线相机到手机的4K照片传输

1. 触发：用户将手机靠近相机传感器模块至3厘米以内。
2. 快速链路建立：简化的NFC协议在毫秒级内建立连接（相对于蓝牙的数秒）。
3. 数据分割：一张12 MB的4K照片文件被分割成，例如，3个子流。
4. 并行传输：每个子流分别上变频到900 MHz、2.4 GHz和5.8 GHz频段，并通过组合的射频前端同时传输。
5. 接收与合并：手机的接收器分离各频段，分别下变频，并重新组装原始文件。

该框架凸显了“即触即传”超高速数据共享的潜力，这是用户体验的重大改进。

4.1. 预期性能与对比分析

虽然PDF未提供实测结果，但从架构中可以清晰地看出预期优势：

• 数据速率：通过聚合频段，有望超过Wi-Fi直连的250 Mbps。保守估计，使用三个频段，每个20 Mbps，可达到60 Mbps；采用更激进的调制方案则可能更高。
• 延迟：链路建立时间预计比蓝牙/Wi-Fi快几个数量级，这对交互式应用至关重要。
• 效率：在极短距离内实现相同吞吐量的情况下，ADTX和短距离操作有望比传统的远场无线电实现更低的每比特能耗。

图表概念（图2和图3说明）：图2展示了物理设置，包括耦合器和屏蔽层，以确保高效、受控的近场耦合。图3是一个框图，显示两个数据流被上变频到不同的载波频率（射频信号1和2），然后合并成一个单一的输出信号进行传输，直观地表示了多频段复用原理。

4.2. 应用前景与未来方向

近期应用：

• 相机、手机和平板电脑之间的即时高清媒体传输。
• 用于笔记本电脑/平板电脑的无线扩展坞，实现即时高速数据同步。
• 模块化机器人和无人机，视觉传感器可以无线、快速地连接到中央处理器。

未来研究方向：

• 高级调制：在每个频段上实现更高阶的QAM，以提高频谱效率 $\eta_i$。
• 集成设计：从FPGA原型转向ADTX的定制ASIC，以最小化尺寸和功耗。
• MIMO-NFC混合技术：探索在近场范围内应用多输入多输出技术，以进一步倍增容量。
• 标准化：向NFC论坛或类似机构提议新的高速NFC标准，以确保互操作性。