邊緣處理促成更快速、更精確的毫米波掃描

毫米波 (mmWave) 造影系統在公共建築、體育場和機場的保全作業中日益普及。這些系統能偵測金屬與非金屬威脅，並回報其在掃描區域內的位置，能讓保全專員更快速定位和識別可疑物品。本文將探討毫米波造影的基礎知識，並針對 Analog Devices, Inc (ADI) 設計的毫米波解決方案，說明其各元件如何協同運作，並重點講解邊緣處理在更靈活的技術迭代中有何作用。

毫米波基礎知識

在毫米波系統中，一套發射器和接收器陣列會連接到一組空間分散的天線陣列。在特定時間點，陣列中的一個天線會發射低功率、單頻率、全向性的無線射頻 (RF) 訊號，該訊號再從目標反射 (圖 1)。此反射會產生反向散射訊號，並由陣列中所有天線接收。連接到天線的積體電路 (IC) 會測量接收到之反向散射訊號的相位和振幅。

圖 1：在毫米波系統中，發射天線會依序發送低功率、單一頻率的全向訊號。接收天線接著會測量反向散射。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

相同的訊號會依序從各個發射天線發送，且每次傳輸都會重複測量過程。會以 10 GHz 至 40 GHz 之間的多個頻率重複整個程序，以確保在頻率變化下，系統可擷取到 RF 訊號穿透深度及訊號反射。解析度取決於發射和接收通道的數量。例如，機場掃描器擁有多個通道，可支援刮鬍刀刀片等小型物件所需的偵測解析度。若主要擔憂的是武器和爆炸物，則僅需較低的通道數，因此能降低成本和掃描時間。

處理器可將反向散射資訊結合成向量矩陣。當向量與頻率及空間位置互相關聯後，產生的多維度陣列就可用於產生影像，便可識別層層衣物之間或底下的金屬與非金屬物體。

掃描速度取決於系統處理反向散射資料的速度、發射器之間的切換速度，以及所需頻率的循環速度。舉例而言，一套含有 500 個元件、涵蓋 10 GHz 至 40 GHz 範圍，且以 50 MHz 遞增的系統，必須進行 300,000 次切換。快速切換能讓現今部署的毫米波系統在被掃描者維持幾秒的姿勢後，就可產生有用的影像。在更快速的切換時間下，毫米波系統能在目標穿越探測器而不停頓的情況下偵測威脅。

打造毫米波系統

為了偵測潛在威脅、達成所需解析度並促成快速掃描，毫米波系統設計人員必須挑選可協同運作的硬體。ADI 的整合式毫米波系統解決方案包含一個 ADF4368 微波寬頻合成器、多個 ADAR2001 發射器 IC、多個 ADAR2004 接收器 IC，以及 AD9083 類比數位轉換器 (ADC)；以下將依序介紹各元件 (圖 2)。

圖 2：完整的毫米波系統結合了合成器、發射器、接收器和 ADC，以及電源管理、切換和邏輯元件。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

訊號鏈的起點是 ADF4368 微波寬頻鎖相迴路 (PLL) 合成器，並搭配整合式壓控振盪器 (VCO) (圖 3)。ADF4368 會產生 2.5 GHz 至 10 GHz、以 12.5 GHz 遞增的頻率，完全位於其 800 MHz 至 12.8 GHz 的範圍內。連續波 (CW)、單端 RF 訊號的抖動低於 30 fsec_RMS。

圖 3：ADF4368 微波寬頻合成器具有整合式 VCO，可在 2.5 GHz 至 10 GHz 頻率範圍內提供低抖動 CW RF 輸出。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

ADF4368 可輸出 9 dBm (7.94 mW) 功率的訊號。由於發射器 IC 所需功率大幅降低，ADF4368 的輸出可以分割成七路，可驅動最多 128 個四通道發射器 IC 或 512 個通道。

ADAR2001 發射器 IC (圖 4) 可接收來自 ADF4368 的輸入，然後對訊號進行倍頻、濾波、衰減、分割和放大，為每個 IC 提供四個天線輸出通道，頻率介於 10 GHz 至 40 GHz 之間。

圖 4：ADAR2001 發射器 IC 能對 10 GHz 至 40 GHz 範圍內的訊號進行倍頻、濾波、衰減、和放大，再透過差分天線輸出。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

ADAR2001 IC 可接受最低功率為 -20 dBm (0.01 mW) 的 RF 輸入。訊號接著會通過高頻段、中頻段或低頻段的 4x 倍頻器與濾波器。接著，可編程衰減器會提供約 15 dB 的數位步進衰減範圍，隨著頻率降低而加大衰減，以在整個頻率範圍內維持平坦的功率輸出。

此訊號隨後會分成四道訊號流，各送至其專屬的功率放大器 (PA)。每個差分 PA 具有 +5 dBm (3.2 mW) 的標稱輸出、-20 dBc 至 -30 dBc 的諧波抑制，並啟用低通／陷波濾波器，可達到最高 20 GHz 的輸出頻率。PA 輸出可驅動差分天線結構，例如偶極天線或螺旋天線。

進階定序器，也稱為狀態機，會預先設定倍頻器與濾波器區塊的設定值，已達到各頻率步進最佳化。系統接著會依據作用在裝置的 MADV (前進) 引腳的脈衝來變換狀態，而非等待外部控制器的指令。此本地控制可讓系統每 2 ns 進行通道切換。

從天線全向廣播再由目標反射的訊號，接著會由 ADAR2004 接收器陣列擷取 (圖 5)。這些 IC 結合了四通道混頻器與 ADC 驅動器，並配備數位可編程增益放大器 (DGA)。

圖 5：ADAR2004 四通道接收器 IC 將反射的 10 GHz 至 40 GHz 訊號與 LO 輸入結合，以產生高達 800 MHz 的 IF 輸出。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

在 ADAR2004 中，每個通道的輸入訊號皆會通過一個四通道低雜訊放大器 (LNA)。然後會混合一個偏移本地振盪器 (LO) 的輸入，其頻率介於 2.4 GHz 至 10.1 GHz，且通過一個 4x 倍頻器以配合造影頻率。如此可達到低於 800 MHz 的中頻 (IF) 輸出。可變增益放大器 (VGA) 提供 21 dB 至 41 dB 的 IF 輸出增益。

如同 ADAR2001 發射器，ADAR2004 接收器也具有兩個晶片上狀態機，可預先編程，針對每個反射頻率步進，將放大器和濾波器的設定最佳化。系統能透過簡單的前進或重置命令快速切換狀態，無需等待外部控制器的輸入。

AD9083 (圖 6) 是一款 16 通道 ADC，具有 2 GSPS 取樣率及 100 MHz 頻寬，會直接接收來自 ADAR2004 輸出的訊號。共用的共模電壓能讓兩者直接連接，無需使用 AC 耦合電容，以免產生不必要的暫態。

圖 6：AD9083 16 通道ADC 採用連續時間三角積分架構，並具有板載數位降頻轉換器及訊號處理功能。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

在 AD9083 中，來自 ADAR2004 的輸入會經過濾波，並使用連續時間三角積分 (CTSD) 架構轉換成數位訊號。濾波器可以包含串聯積分梳狀 (CIC) 濾波器；正交數位降頻轉換器 (DDC) 搭配多個有限輸入響應 (FIR) 降頻取樣濾波器，也稱為 J 降頻取樣模塊；或最多三個正交 DDC 通道搭配平均降頻取樣濾波器。

AD9083 結合了 CTSD 轉換與濾波器，可產生較低頻率、高位元訊號，且具有快速趨穩時間，這是讓資料處理跟上傳輸端快速通道切換的關鍵特性。AD9083 可提供邊緣處理，能夠在無需外部處理的情況下擷取相關訊號頻段，並利用晶片上時鐘和 PLL 與其他 IC 進行同步。

更快速的篩檢

上述晶片組可同步切換、無需不必要的訊號處理階段，並可縮短切換時間，藉此縮短篩選時間。更大型的四通道 ADAR2001 發射器陣列，搭配配合的 ADAR2004 接收器與 AD9083 ADC，就可進一步縮短所需的篩檢時間。

在這種陣列中，進階定序器會預先編程，讓每個通道通過所需的頻率步進循環。當一個 IC 正在傳輸時，下一個會進入準備模式，以便 IC 之間快速切換。系統具有 2 ns 的通道切換時間及 10 ns 的準備狀態至傳輸時間，因此能以約 0.1 GHz 的步進速度從 10 GHz 掃描到 40 GHz，耗時約 20 ms。

為進一步縮短掃描時間，發射 IC 可分為三組，每組由其專屬的 PLL 驅動。每組 ADAR2001 可以發射不同的頻率，以便同時發送三個頻率。接收端的 AD9083 可以同時解調三個頻率，每個頻率對應其三個正交 DDC 通道中的一個，但這三個頻率皆要在 ADC 的 125 MHz 類比輸入頻寬範圍內。此做法可將整體掃描時間縮短三倍。

結論

ADI 的毫米波晶片組整合了 ADF4368 微波合成器、ADAR2001 四通道發射器、ADAR2004 四通道接收器，以及 AD9083 16 通道 ADC。這些 IC 的設計可同步運作，並可提供智慧型晶片上邊緣處理，因此能減少下游處理工作。

晶片上處理功能可提供中央處理器已經解調和降頻取樣後的資料，準備好進行 AI 或其他高階處理。此外，具有整合與智慧邊緣協調能力，可讓整個掃描在數分之一秒內完成，因此系統可讓進入安全區域的目標穿越掃描區，無需停留。