Traitement en périphérie pour des scans à ondes millimétriques plus rapides et plus précis

Les systèmes d'imagerie à ondes millimétriques (mmWave) sont de plus en plus utilisés dans les opérations de sécurité des bâtiments publics, des stades et des aéroports. Ces systèmes peuvent détecter les menaces métalliques et non métalliques et signaler leur emplacement dans la zone de scan, permettant ainsi aux professionnels de la sécurité de localiser et d'identifier plus rapidement les objets suspects. Cet article aborde les principes de base de l'imagerie à ondes millimétriques, explique comment les composants fonctionnent ensemble dans une solution à ondes millimétriques conçue par Analog Devices, Inc. (ADI), et souligne le rôle du traitement en périphérie dans des itérations plus agiles de la technologie.

Principes de base des ondes millimétriques

Dans un système à ondes millimétriques, un réseau d'émetteurs et de récepteurs est connecté à un réseau d'antennes réparties dans l'espace. À un moment donné, une antenne du réseau transmet un signal radiofréquence (RF) omnidirectionnel, monofréquence de faible puissance qui se réfléchit sur la cible (Figure 1). Cette réflexion génère des signaux rétrodiffusés qui sont reçus par toutes les antennes du réseau. Les circuits intégrés connectés aux antennes mesurent la phase et l'amplitude des signaux rétrodiffusés reçus.

Figure 1 : Dans les systèmes à ondes millimétriques, les antennes émettrices transmettent séquentiellement des signaux omnidirectionnels monofréquences de faible puissance. Les antennes réceptrices mesurent ensuite la rétrodiffusion. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Des signaux identiques sont envoyés séquentiellement par chaque antenne émettrice, et le processus de mesure est répété pour chaque transmission. La répétition du processus complet sur plusieurs fréquences entre 10 GHz et 40 GHz garantit que le système capture les différentes profondeurs de pénétration du signal RF et réflexions du signal lorsque la fréquence change. La résolution dépend du nombre de canaux d'émission et de réception. Les scanners d'aéroport, par exemple, sont dotés de nombreux canaux pour prendre en charge la résolution nécessaire à la détection de petits objets comme les lames de rasoir. Dans les situations où les armes et les explosifs sont la principale préoccupation, l'utilisation d'un nombre réduit de canaux permet de réduire les coûts et le temps de scan.

Les processeurs combinent les informations de rétrodiffusion pour former une matrice de vecteurs. Lorsque les vecteurs sont corrélés avec la fréquence et la position spatiale, la matrice multidimensionnelle résultante peut être utilisée pour créer une image capable d'identifier les objets métalliques et non métalliques dissimulés entre et sous les couches de vêtements.

La vitesse de scan dépend de la rapidité avec laquelle le système peut traiter les données de rétrodiffusion, basculer d'un émetteur à l'autre et parcourir les fréquences souhaitées. Par exemple, un système comportant 500 éléments et couvrant la gamme de 10 GHz à 40 GHz par incréments de 50 MHz doit effectuer 300 000 basculements. Le basculement rapide permet aux systèmes à ondes millimétriques déployés aujourd'hui de créer une image exploitable si la personne scannée est restée immobile pendant seulement quelques secondes. Avec des temps de basculement encore plus rapides, les systèmes à ondes millimétriques pourraient détecter les menaces pendant que les sujets traversent les portiques de détection sans s'arrêter.

Construire des systèmes à ondes millimétriques

Pour détecter les menaces potentielles, atteindre la résolution souhaitée et faciliter les scans rapides, les concepteurs de systèmes à ondes millimétriques doivent sélectionner des composants matériels capables de fonctionner ensemble. La solution intégrée de système à ondes millimétriques d'ADI inclut un synthétiseur hyperfréquence à large bande ADF4368, plusieurs circuits intégrés d'émetteurs ADAR2001, plusieurs circuits intégrés de récepteurs ADAR2004 et des convertisseurs analogique-numérique (CAN) AD9083, qui sont présentés individuellement ci-dessous (Figure 2).

Figure 2 : Un système à ondes millimétriques complet combine un synthétiseur, des émetteurs, des récepteurs et des CAN avec des composants de gestion de l'alimentation, de commutation et de logique. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

La chaîne de signaux commence avec le synthétiseur à boucle à verrouillage de phase (PLL) à large bande hyperfréquence ADF4368, avec un oscillateur commandé en tension (VCO) intégré (Figure 3). L'ADF4368 génère des paliers de fréquence de 2,5 GHz à 10 GHz par incréments de 12,5 GHz, ce qui reste largement dans sa gamme de 800 MHz à 12,8 GHz. Les signaux RF asymétriques à ondes entretenues (CW) ont une gigue inférieure à 30 fs_RMS.

Figure 3 : Le synthétiseur hyperfréquence à large bande ADF4368 avec VCO intégré fournit des sorties RF à ondes entretenues à faible gigue sur la gamme de fréquences de 2,5 GHz à 10 GHz. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

L'ADF4368 produit des signaux d'une puissance de 9 dBm (7,94 mW). Étant donné que les circuits intégrés d'émetteurs nécessitent beaucoup moins de puissance, les sorties de l'ADF4368 peuvent être divisées par sept, commandant jusqu'à 128 circuits intégrés d'émetteurs à 4 canaux ou 512 canaux.

Les circuits intégrés d'émetteurs ADAR2001 (Figure 4) acceptent l'entrée de l'ADF4368, puis multiplient, filtrent, atténuent, divisent et amplifient les signaux pour fournir quatre canaux de sortie d'antenne par circuit intégré avec des fréquences comprises entre 10 GHz et 40 GHz.

Figure 4 : Le circuit intégré d'émetteur ADAR2001 multiplie, filtre, atténue et amplifie les signaux RF qui traversent la gamme de 10 GHz à 40 GHz et sont transmis par des antennes différentielles. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Les circuits intégrés ADAR2001 acceptent les entrées RF avec une puissance minimum de -20 dBm (0,01 mW). Le signal passe ensuite par un multiplicateur de fréquence 4x à bande haute, bande moyenne ou bande basse et par un filtre. Ensuite, un atténuateur programmable fournit une plage d'atténuation à palier numérique d'environ 15 dB, augmentant l'atténuation à mesure que la fréquence diminue afin de maintenir une puissance de sortie plate sur toute la gamme de fréquences.

Le signal est ensuite divisé en quatre flux, chacun étant dirigé vers son propre amplificateur de puissance (PA). Chacun des amplificateurs de puissance différentiels présente une sortie nominale de +5 dBm (3,2 mW), une suppression d'harmoniques de -20 dBc à -30 dBc et un filtre passe-bas/coupe-bande à bande étroite activé pour les fréquences de sortie jusqu'à 20 GHz. Les sorties des amplificateurs de puissance commandent des structures d'antennes différentielles telles que des antennes dipôles ou en spirale.

Les séquenceurs avancés, également appelés machines à états, sont préprogrammés avec des réglages de multiplicateur et de bloc de filtres afin d'optimiser chaque palier de fréquence. Le système passe ensuite d'un état à l'autre en réponse aux impulsions envoyées à la broche MADV (avance) du dispositif plutôt que d'attendre des instructions d'un contrôleur externe. Cette commande locale permet au système de passer d'un canal à l'autre toutes les 2 ns.

Les signaux émis de manière omnidirectionnelle par les antennes et réfléchis par le sujet sont ensuite captés par un réseau de récepteurs ADAR2004 (Figure 5). Ces circuits intégrés combinent des circuits d'attaque CAN et des mélangeurs quadruples avec un amplificateur à gain programmé numériquement (DGA).

Figure 5 : Le circuit intégré de récepteur à 4 canaux ADAR2004 combine des signaux réfléchis de 10 GHz à 40 GHz avec une entrée d'oscillateur local pour générer des sorties FI jusqu'à 800 MHz. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Dans l'ADAR2004, chaque canal du signal entrant passe par un amplificateur à faible bruit (LNA) quadruple. Ensuite, il est mélangé avec l'entrée d'un oscillateur local (LO) de décalage entre 2,4 GHz et 10,1 GHz qui passe par un multiplicateur 4x pour correspondre à la fréquence d'imagerie. La sortie résultante est à une fréquence intermédiaire (FI) inférieure à 800 MHz. Un amplificateur à gain variable (VGA) fournit un gain de 21 dB à 41 dB à la sortie FI.

Comme l'émetteur ADAR2001, le récepteur ADAR2004 est doté de deux machines à états intégrées qui peuvent être préprogrammées pour optimiser les réglages de l'amplificateur et du filtre pour chaque palier de fréquence réfléchi. Le système peut rapidement passer d'un état à l'autre avec une simple commande d'avance ou de réinitialisation, sans attendre l'entrée d'un contrôleur externe.

L'AD9083 (Figure 6), un CAN à 16 canaux avec une fréquence d'échantillonnage de 2 Géch./s et une bande passante de 100 MHz, reçoit les entrées directement de la sortie ADAR2004. Une tension de mode commun partagée permet aux deux dispositifs de se connecter directement sans condensateurs de liaison CA susceptibles de produire des transitoires indésirables.

Figure 6 : Le convertisseur analogique-numérique à 16 canaux AD9083 utilise une architecture sigma-delta à temps continu et intègre un convertisseur abaisseur numérique et un traitement des signaux. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Dans l'AD9083, l'entrée de l'ADAR2004 est filtrée et convertie en un signal numérique à l'aide d'une architecture sigma-delta à temps continu (CTSD). Les filtres peuvent inclure des filtres CIC (Cascaded Integrator-Comb), des convertisseurs abaisseurs numériques (DDC) en quadrature avec plusieurs filtres de décimation à réponse impulsionnelle finie (FIR), également appelés bloc de décimation par J, ou jusqu'à trois canaux DDC en quadrature avec filtres de décimation à moyenne.

La combinaison de la conversion CTSD et des filtres dans l'AD9083 produit un signal à haut débit binaire et à plus basse fréquence avec un temps de stabilisation rapide, une caractéristique clé qui permet au traitement des données de suivre la commutation rapide des canaux du côté transmission. L'AD9083 fournit le traitement en périphérie en extrayant la bande de signaux d'intérêt sans traitement externe, et en se synchronisant avec d'autres circuits intégrés à l'aide d'une horloge et d'une PLL intégrées.

Contrôle plus rapide

Le jeu de puces décrit ci-dessus réduit le temps de contrôle en synchronisant la commutation, en éliminant les étapes de traitement des signaux inutiles et en réduisant le temps de commutation. Des réseaux plus importants d'émetteurs ADAR2001 à quatre canaux avec les récepteurs ADAR2004 et les CAN AD9083 correspondants peuvent encore réduire le temps de contrôle requis.

Dans un tel réseau, un séquenceur avancé est préprogrammé pour faire passer chaque canal par les paliers de fréquence requis. Pendant qu'un circuit intégré est en train d'émettre, le suivant passe en mode « prêt » pour permettre une commutation rapide entre les circuits intégrés. Avec un temps de commutation canal-à-canal de 2 ns et un temps « état prêt-transmission » de 10 ns, le système peut balayer de 10 GHz à 40 GHz par palier de 0,1 GHz en environ 20 ms.

Pour réduire davantage le temps de scan, les circuits intégrés d'émission peuvent être divisés en trois groupes, chacun commandé par sa propre PLL. Chaque groupe d'ADAR2001 peut transmettre une fréquence différente, permettant ainsi la transmission simultanée de trois fréquences. Les dispositifs AD9083 côté réception peuvent démoduler trois fréquences simultanément, une pour chacun de leurs trois canaux DDC en quadrature, tant que les trois fréquences se situent dans la bande passante d'entrée analogique de 125 MHz du CAN. Cette approche permet de réduire le temps de scan global d'un facteur trois.

Conclusion

Le jeu de puces à ondes millimétriques d'ADI décrit ci-dessus intègre le synthétiseur hyperfréquence ADF4368, les émetteurs quadruples ADAR2001, les récepteurs quadruples ADAR2004 et les convertisseurs analogique-numérique à 16 canaux AD9083. Ces circuits intégrés sont conçus pour fonctionner de manière synchronisée et réduire le traitement en aval en fournissant un traitement intelligent intégré en périphérie.

Le traitement intégré fournit au processeur central des données déjà démodulées et décimées, prêtes pour l'IA ou d'autres traitements de niveau supérieur. De plus, l'intégration et la coordination intelligente en périphérie permettent de réaliser un scan complet en quelques fractions de seconde, ouvrant la voie à des systèmes qui permettent aux personnes pénétrant dans des espaces sécurisés de traverser la zone de scan sans s'arrêter.