L'elaborazione edge apre la strada alla scansione a onde millimetriche più veloce e precisa

I sistemi di imaging a onde millimetriche (mmWave) stanno diventando sempre più comuni nelle operazioni di sicurezza presso edifici pubblici, stadi e aeroporti. Questi sistemi sono in grado di rilevare minacce metalliche e non metalliche e di segnalarne la posizione all'interno dell'area di scansione, consentendo ai professionisti della sicurezza di individuare e identificare più rapidamente gli oggetti sospetti. Questo articolo illustra le basi dell'imaging mmWave, spiega in che modo i vari componenti di una soluzione mmWave progettata da Analog Devices, Inc. (ADI) interagiscono tra loro e sottolinea il ruolo dell'elaborazione edge nelle iterazioni più agili della tecnologia.

mmWave: i principi fondamentali

In un sistema mmWave, un array di trasmettitori e ricevitori è collegato a una schiera di antenne fisicamente collocate in luoghi diversi. In un determinato momento, un'antenna della schiera trasmette un segnale a radiofrequenza (RF) omnidirezionale a frequenza singola a bassa potenza che si riflette sul bersaglio (Figura 1). Questa riflessione genera segnali retrodiffusi che vengono ricevuti da tutte le antenne della schiera. I circuiti integrati (IC) collegati alle antenne misurano la fase e l'ampiezza dei segnali di retrodiffusione ricevuti.

Figura 1: Nei sistemi mmWave, le antenne di trasmissione trasmettono in sequenza segnali omnidirezionali a frequenza singola a bassa potenza. Le antenne riceventi misurano quindi la retrodiffusione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Da ogni antenna trasmittente vengono inviati in sequenza segnali identici e il processo di misurazione viene ripetuto per ciascuna trasmissione. La ripetizione dell'intera procedura su più frequenze comprese tra 10 GHz e 40 GHz assicura che il sistema catturi le riflessioni del segnale e la profondità di penetrazione del segnale RF che variano al variare della frequenza. La risoluzione dipende dal numero di canali di trasmissione e ricezione. Gli scanner aeroportuali, ad esempio, hanno molti canali per supportare la risoluzione necessaria a rilevare oggetti piccoli come le lamette da barba. Nelle situazioni in cui le principali preoccupazioni sono costituite da armi ed esplosivi, l'impiego di un numero inferiore di canali consente di ridurre i costi e i tempi di scansione.

I processori combinano le informazioni di retrodiffusione in una matrice di vettori. Quando i vettori vengono correlati alla frequenza e alla posizione nello spazio, la matrice multidimensionale risultante può essere utilizzata per creare un'immagine in grado di consentire l'identificazione di oggetti metallici e non metallici nascosti tra e sotto gli strati di vestiti.

La velocità della scansione dipende dalla velocità con cui il sistema è in grado di elaborare i dati di retrodiffusione, di passare da un trasmettitore all'altro e di scorrere le frequenze desiderate. Ad esempio, un sistema con 500 elementi che copre l'intervallo da 10 GHz a 40 GHz con incrementi di 50 MHz deve realizzare 300.000 commutazioni. Grazie alla commutazione rapida, gli odierni sistemi mmWave consentono di creare un'immagine utile da una scansione della persona della durata di pochi secondi. Con tempi di commutazione ancora più rapidi, i sistemi mmWave potrebbero essere in grado di rilevare le minacce mentre i soggetti attraversano gli scanner senza fermarsi.

Costruire sistemi mmWave

Per rilevare le potenziali minacce, ottenere la risoluzione desiderata e facilitare la scansione rapida, i progettisti di sistemi mmWave devono scegliere componenti hardware in grado di funzionare insieme. La soluzione integrata di ADI per i sistemi mmWave comprende un sintetizzatore a banda larga a microonde ADF4368, molteplici CI trasmettitori ADAR2001, molteplici CI ricevitori ADAR2004 e convertitori analogico/digitale (ADC) AD9083, ciascuno dei quali sarà analizzato qui di seguito (Figura 2).

Figura 2: Un sistema mmWave completo combina un sintetizzatore, trasmettitori, ricevitori e ADC con componenti di gestione dell'alimentazione, commutazione e logica. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

La catena di segnali inizia con il sintetizzatore con circuito ad aggancio di fase (PLL) a banda larga a microonde ADF4368 con oscillatore controllato in tensione (VCO) integrato (Figura 3). ADF4368 genera passi di frequenza da 2,5 GHz a 10 GHz con incrementi di 12,5 GHz, ben all'interno del suo campo da 800 MHz a 12,8 GHz. I segnali RF a terminazione singola a onda continua (CW) hanno un jitter inferiore a 30 fs_RMS.

Figura 3: Il sintetizzatore a banda larga a microonde con VCO integrato ADF4368 fornisce uscite RF CW a basso jitter nel campo di frequenza da 2,5 a 10 GHz. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

ADF4368 emette segnali con una potenza di 9 dBm (7,94 mW). Poiché i CI trasmettitori richiedono molta meno potenza, le uscite di ADF4368 possono essere divise sette volte, pilotando fino a 128 CI trasmettitori a 4 canali o 512 canali.

I CI trasmettitori ADAR2001 (Figura 4) accettano l'ingresso da ADF4368, quindi moltiplicano, filtrano, attenuano, dividono e amplificano i segnali per fornire quattro canali di uscita dell'antenna per ciascun CI con frequenze comprese tra 10 GHz e 40 GHz.

Figura 4: Il CI trasmettitore di ADAR2001 moltiplica, filtra, attenua e amplifica i segnali RF che passano nel campo da 10 GHz a 40 GHz e vengono emessi attraverso antenne differenziali. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

I CI ADAR2001 accettano ingressi RF con una potenza minima di -20 dBm (0,01 mW). Il segnale passa quindi attraverso un filtro e moltiplicatore di frequenza 4x a banda alta, media o bassa. Successivamente, un attenuatore programmabile fornisce circa 15 dB di intervallo di attenuazione a passo digitale, aumentando l'attenuazione al diminuire della frequenza per mantenere una potenza di uscita piatta nell'intero campo di frequenza.

Il segnale viene quindi diviso in quattro flussi, ciascuno dei quali viene inviato al proprio amplificatore di potenza (PA). Ciascuno dei PA differenziali ha un'uscita nominale di +5 dBm (3,2 mW), una soppressione delle armoniche da -20 dBc a -30 dBc e un filtro passa-basso/notch abilitato per frequenze di uscita fino a 20 GHz. Le uscite del PA pilotano strutture di antenna differenziali, come le antenne a dipolo o a spirale.

I sequenziatori avanzati, detti anche macchine a stati, sono preprogrammati con impostazioni per moltiplicatore e blocco filtri per ottimizzare ciascun passo di frequenza. Il sistema passa quindi attraverso gli stati in risposta agli impulsi al pin MADV (avanzamento) del dispositivo, anziché attendere istruzioni da un controller esterno. Questo controllo locale consente al sistema di passare da un canale all'altro ogni 2 ns.

I segnali trasmessi in modo omnidirezionale dalle antenne e riflessi dal soggetto vengono poi captati da un array di ricevitori ADAR2004 (Figura 5). Questi CI combinano mixer quadrupli e driver ADC con un amplificatore a guadagno programmato digitalmente (DGA).

Figura 5: Il CI ricevitore a 4 canali ADAR2004 combina segnali da 10 GHz a 40 GHz riflessi con un ingresso LO per generare uscite IF fino a 800 MHz. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Nel dispositivo ADAR2004, ogni canale del segnale in ingresso passa attraverso un amplificatore a basso rumore (LNA) quadruplo. Viene quindi miscelato con un ingresso oscillatore locale (LO) di offset tra 2,4 GHz e 10,1 GHz che passa attraverso un moltiplicatore 4x per adattarsi alla frequenza di imaging. L'uscita risultante è a una frequenza intermedia (IF) inferiore a 800 MHz. Un amplificatore a guadagno variabile (VGA) fornisce un guadagno da 21 dB a 41 dB all'uscita IF.

Come il trasmettitore ADAR2001, il ricevitore ADAR2004 dispone di due macchine a stati su chip che possono essere preprogrammate per ottimizzare le impostazioni dell'amplificatore e del filtro per ogni passo di frequenza riflessa. Il sistema può passare rapidamente da uno stato all'altro con un semplice comando di avanzamento o di reset, senza attendere l'ingresso di un controller esterno.

Il dispositivo AD9083 (Figura 6), un ADC a 16 canali con frequenza di campionamento di 2 Gsps e larghezza di banda di 100 MHz, riceve gli ingressi direttamente dall'uscita di ADAR2004. Una tensione di modo comune condivisa consente il collegamento diretto dei due dispositivi senza l'impiego di condensatori di accoppiamento c.a. che possono produrre transitori indesiderati.

Figura 6: L'ADC a 16 canali AD9083 utilizza un'architettura sigma-delta a tempo continuo e dispone di elaborazione dei segnali e di un convertitore riduttore digitale integrati. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Nel dispositivo AD9083, l'ingresso da ADAR2004 viene filtrato e convertito in un segnale digitale utilizzando un'architettura sigma-delta a tempo continuo (CTSD). I filtri possono includere filtri CIC (Cascaded Integrated Comb), convertitori riduttori digitali (DDC) in quadratura con filtri di decimazione FIR (Finite Input Response) multipli o fino a un massimo di tre canali DDC in quadratura con filtri di decimazione a media.

La combinazione della conversione CTSD e dei filtri in AD9083 produce un segnale ad alti bit e bassa frequenza con un rapido tempo di assestamento, una caratteristica fondamentale per consentire all'elaborazione dati di tenersi al passo con la rapida commutazione dei canali sul lato di trasmissione. AD9083 fornisce l'elaborazione edge estraendo la banda di segnale di interesse senza elaborazione esterna e sincronizzandosi con altri CI utilizzando un PLL e un clock su chip.

Screening più rapido

Il chipset sopra descritto riduce il tempo di screening sincronizzando la commutazione, eliminando gli stadi di elaborazione dei segnali non necessari e riducendo il tempo di commutazione. Array più grandi di trasmettitori ADAR2001 a quattro canali con ricevitori ADAR2004 abbinati e ADC AD9083 possono ridurre ulteriormente il tempo richiesto per lo screening.

In un array di questo tipo, un sequenziatore avanzato è preprogrammato per far passare ogni canale attraverso i passi di frequenza richiesti. Mentre un CI sta trasmettendo, il successivo entra in modalità "pronto" per consentire la rapida commutazione tra i CI. Con un tempo di commutazione da un canale all'altro di 2 ns e un tempo da stato "pronto" a trasmissione di 10 ns, il sistema può eseguire lo sweep da 10 GHz a 40 GHz in passi di 0,1 GHz in circa 20 ms.

Per ridurre ulteriormente il tempo di scansione, i CI trasmettitori possono essere suddivisi in tre gruppi, ciascuno pilotato dal proprio PLL. Ciascun gruppo di ADAR2001 potrebbe trasmettere una frequenza differente, consentendo di trasmettere tre frequenze contemporaneamente. Gli AD9083 sul lato ricevente possono demodulare tre frequenze contemporaneamente, una per ciascuno dei tre canali DDC in quadratura, purché tutte e tre le frequenze rientrino nella larghezza di banda di ingresso analogica di 125 MHz dell'ADC. Questo approccio riduce il tempo di scansione complessivo di un fattore di tre.

Conclusione

Il chipset mmWave di ADI descritto sopra integra il sintetizzatore a microonde ADF4368, i trasmettitori quadrupli ADAR2001, i ricevitori quadrupli ADAR2004 e gli ADC a 16 canali AD9083. Questi CI sono progettati per lavorare in sincronia e ridurre l'elaborazione a valle grazie all'elaborazione edge intelligente su chip.

L'elaborazione su chip fornisce al processore centrale dati già demodulati e decimati, pronti per l'IA o altra elaborazione di livello superiore. Inoltre, l'integrazione e il coordinamento intelligente sull'edge consentono di completare un'intera scansione in frazioni di secondo, aprendo la strada a sistemi che consentono alle persone di entrare in spazi protetti attraversando l'area di scansione senza fermarsi.