多频段近场通讯技术：面向高吞吐量无线电脑视觉传感器网络

2.1. 視覺系統對高速NFC嘅需求

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。

系統背景：如PDF中圖1所示，視覺感測器和處理器通過NFC鏈路耦合。設計中使用咗耦合器和屏蔽層來聚焦射頻場並最小化洩漏。

2.2. 多頻段射頻互連架構

核心创新在于并行使用多个ISM频段數據流被分割成多個子流。每個子流被上變頻至不同、預定義的ISM頻段。然後，這些多個射頻信號使用功率合成器[9]進行合併傳輸，如PDF中圖3概念性所示。

關鍵原理：聚合數據速率 $R_{total}$ 變為每個頻段上數據速率嘅總和：$R_{total} = \sum_{i=1}^{N} R_i$，其中 $N$ 係使用嘅頻段數量。呢個為突破任何單一頻段限制嚟擴展吞吐量提供咗一條途徑。

2.3. 基於FPGA嘅全數碼發射器

為咗方便快速原型開發，本文採用咗Li等人[10]提出嘅全數碼發射器設計方法。呢種方法主要透過FPGA上嘅數碼邏輯綜合嚟實現射頻發射器，從而大幅縮短設計週期。

架構：發射器（PDF中圖4）採用Sigma-Delta調製及基於XOR的混頻技術，將基帶數字訊號直接轉換為高速射頻訊號。這種高度數字化的方法符合軟件定義無線電的趨勢，並在特定調製方案的可重構性及潛在能效方面具有優勢。

3.1. 技術細節與數學表述

多频段傳輸可以建模為一個並行信道系統。如果每個頻段 $i$ 的可實現頻譜效率為 $\eta_i$（比特/秒/赫茲），可用帶寬為 $B_i$，則該頻段的數據速率為 $R_i = \eta_i B_i$。總容量受限於聚合帶寬以及每個頻段的信噪比，對於近場鏈路，信噪比通常很高。

ADTX的操作涉及生成高頻數字時鐘。數據使用在數字域實現的調製方案（如BPSK或QPSK）進行調製。XOR混頻器充當數字乘法器，有效地執行：$RF_{out}(t) = D(t) \oplus CLK_{RF}(t)$，其中 $D(t)$ 是調製後的數據信號，$CLK_{RF}(t)$ 是射頻載波時鐘。然後對輸出進行濾波以抑制諧波。

3.2. 分析框架與概念工作流

案例研究：無線相機至手機的4K相片傳輸

1. 觸發：用戶將手機靠近相機感測器模組至3厘米以內。
2. 快速鏈路建立：簡化的NFC協議在毫秒級內建立連接（相對於藍牙的數秒）。
3. 數據分割：一張12 MB嘅4K相片檔案被分割成，例如，3個子流。
4. 並行傳輸：每個子流分別上變頻至900 MHz、2.4 GHz同5.8 GHz頻段，並透過組合嘅射頻前端同時傳輸。
5. 接收與合併：手機嘅接收器分離各頻段，分別下變頻，並重新組裝原始檔案。

該框架凸顯咗「即觸即傳」超高速數據共享嘅潛力，呢個係用戶體驗嘅重大改進。

4.1. 預期性能與對比分析

雖然PDF未提供實測結果，但從架構中可以清晰地看出預期優勢：

• 數據速率：通過聚合頻段，有望超過Wi-Fi直連的250 Mbps。保守估計，使用三個頻段，每個20 Mbps，可達到60 Mbps；採用更激進的調制方案則可能更高。
• 延遲：鏈路建立時間預計比藍牙/Wi-Fi快幾個數量級，這對互動式應用至關重要。
• 效率：喺極短距離內實現相同吞吐量嘅情況下，ADTX同短距離操作有望比傳統嘅遠場無線電實現更低嘅每比特能耗。

圖表概念（圖2同圖3說明）：圖2展示咗物理設置，包括耦合器同屏蔽層，以確保高效、受控嘅近場耦合。圖3係一個框圖，顯示兩個數據流被上變頻到唔同嘅載波頻率（射頻信號1同2），然後合併成一個單一嘅輸出信號進行傳輸，直觀咁表示咗多頻段複用原理。

4.2. 應用前景與未來方向

近期應用：

• 相機、手機和平板電腦之間的即時高清媒體傳輸。
• 用於筆記本電腦/平板電腦嘅無線擴展塢，實現即時高速數據同步。
• 模組化機械人同無人機，視覺感測器可以無線、快速噉連接到中央處理器。

未來研究方向：

• 高級調制：喺每個頻段上實現更高階嘅QAM，以提高頻譜效率 $\eta_i$。
• 集成設計：從FPGA原型轉向ADTX嘅定制ASIC，以最小化尺寸同功耗。
• MIMO-NFC混合技術：探索喺近場範圍內應用多輸入多輸出技術，以進一步倍增容量。
• 標準化：向NFC論壇或類似機構提議新的高速NFC標準，以確保互操作性。