Datenverarbeitung am Netzwerkrand für schnellere und präzisere Scans über Millimeterwellen

Millimeterwellen-Bildgebungssysteme werden immer häufiger bei Sicherheitsmaßnahmen in öffentlichen Gebäuden, Stadien und Flughäfen eingesetzt. Diese Systeme können sowohl metallische als auch nicht-metallische Bedrohungen erkennen und ihren Standort innerhalb des Scanbereichs melden, so dass Sicherheitsexperten verdächtige Gegenstände schneller lokalisieren und identifizieren können. In diesem Artikel werden die Grundlagen der Millimeterwellen-Bildgebung erörtert, es wird erklärt, wie die Komponenten in einer von Analog Devices, Inc (ADI) entwickelten Millimeterwellenlösung zusammenarbeiten, und es wird die Rolle der Datenverarbeitung am Netzwerkrand in schnelleren Iterationen der Technologie hervorgehoben.

Grundlagen zu Millimeterwellen

In einem Millimeterwellensystem ist eine Gruppe von Sendern und Empfängern mit einer räumlich verteilten Antennengruppe verbunden. Zu einem bestimmten Zeitpunkt sendet eine Antenne des Arrays ein schwaches, omnidirektionales Hochfrequenzsignal (HF) mit einer einzigen Frequenz, das vom Ziel reflektiert wird (Abbildung 1). Diese Reflexion erzeugt rückgestreute Signale, die von allen Antennen des Arrays empfangen werden. Mit den Antennen verbundene integrierte Schaltungen (ICs) messen die Phase und Amplitude der empfangenen Rückstreusignale.

Abbildung 1: In Millimeterwellensystemen senden Sendeantennen nacheinander omnidirektionale Signale mit geringer Leistung und einer einzigen Frequenz aus. Die Empfangsantennen messen dann die Rückstreuung. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Von jeder Sendeantenne werden nacheinander identische Signale gesendet, und der Messvorgang wird für jede Übertragung wiederholt. Die Wiederholung des gesamten Verfahrens über mehrere Frequenzen zwischen 10 GHz und 40 GHz stellt sicher, dass das System die unterschiedliche Eindringtiefe des HF-Signals und die Signalreflexionen bei wechselnden Frequenzen erfasst. Die Auflösung hängt von der Anzahl der Sende- und Empfangskanäle ab. Flughafenscanner zum Beispiel haben viele Kanäle, um die Auflösung zu erreichen, die für die Erkennung kleiner Objekte wie Rasierklingen erforderlich ist. Eine geringere Anzahl von Kanälen in Situationen, in denen es hauptsächlich um Waffen und Sprengstoffe geht, senkt die Kosten und die Scanzeit.

Die Prozessoren kombinieren die Rückstreuinformationen zu einer Matrix von Vektoren. Wenn die Vektoren mit der Frequenz und der räumlichen Position korreliert werden, kann das resultierende mehrdimensionale Array verwendet werden, um ein Bild zu erstellen, das sowohl metallische als auch nicht-metallische Objekte identifizieren kann, die zwischen und unter Kleidungsschichten verborgen sind.

Die Geschwindigkeit des Scans hängt davon ab, wie schnell das System Rückstreudaten verarbeiten, von einem Sender zum anderen wechseln und die gewünschten Frequenzen durchlaufen kann. Ein System mit 500 Elementen, das den Bereich von 10 GHz bis 40 GHz in 50-MHz-Schritten abdeckt, muss zum Beispiel 300.000 Umschaltungen vornehmen. Dank der schnellen Umschaltung können die heute eingesetzten Millimeterwellensysteme ein brauchbares Bild erzeugen, wenn die gescannte Person nur wenige Sekunden lang stillgestanden hat. Mit noch schnelleren Schaltzeiten könnten Millimeterwellensysteme Bedrohungen erkennen, während Personen ohne Pause durch die Detektoren laufen.

Aufbau von Millimeterwellensystemen

Um potenzielle Bedrohungen zu erkennen, die gewünschte Auflösung zu erreichen und ein schnelles Scannen zu ermöglichen, müssen Millimeterwellen-Systementwickler Hardware auswählen, die präzise zusammenarbeitet. Die integrierte Millimeterwellen-Systemlösung von ADI umfasst einen Mikrowellen-Breitbandsynthesizer ADF4368, mehrere Sender-ICs ADAR2001, mehrere Empfänger-ICs ADAR2004 und Analog/Digital-Wandler AD9083 (ADCs), die im Folgenden einzeln erläutert werden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein komplettes Millimeterwellensystem kombiniert einen Synthesizer, Sender, Empfänger und ADCs mit Energiemanagement-, Schalt- und Logikkomponenten. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Die Signalkette beginnt mit dem Mikrowellen-Breitband-PLL-Synthesizer (ADF4368) mit integriertem spannungsgesteuertem Oszillator (VCO) (Abbildung 3). Der ADF4368 erzeugt Frequenzschritte von 2,5 GHz bis 10 GHz in 12,5-GHz-Schritten und liegt damit deutlich innerhalb seines Bereichs von 800 MHz bis 12,8 GHz. Die referenzbezogenen HF-Signale mit kontinuierlicher Welle (CW) haben einen Jitter von unter 30 fs_eff.

Abbildung 3: Der Mikrowellen-Breitbandsynthesizer ADF4368 mit integriertem VCO liefert jitterarme CW-HF-Ausgänge über den Frequenzbereich von 2,5 bis 10 GHz. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Der ADF4368 gibt Signale mit 9 dBm (7,94 mW) Leistung aus. Da die Transmitter-ICs viel weniger Strom benötigen, können die Ausgänge des ADF4368 siebenmal geteilt werden, um bis zu 128 4-Kanal-Transmitter-ICs oder 512 Kanäle zu betreiben.

Die Sender-ICs ADAR2001 (Abbildung 4) akzeptieren den Eingang vom ADF4368 und multiplizieren, filtern, dämpfen, teilen und verstärken dann die Signale, um vier Antennenausgangskanäle pro IC mit Frequenzen zwischen 10 GHz und 40 GHz bereitzustellen.

Abbildung 4: Der Sender-IC ADAR2001 vervielfacht, filtert, dämpft und verstärkt HF-Signale, die den Bereich von 10 GHz bis 40 GHz durchlaufen und über Differenzsignalantennen ausgegeben werden. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Die ICs ADAR2001 akzeptieren HF-Eingänge mit einer Mindestleistung von -20 dBm (0,01 mW). Das Signal durchläuft dann einen 4-fachen Frequenzvervielfacher und Filter für das Hoch-, Mittel- oder Niederfrequenzband. Als Nächstes bietet ein programmierbares Dämpfungsglied einen digitalen Dämpfungsbereich von etwa 15 dB, wobei die Dämpfung mit abnehmender Frequenz zunimmt, um eine gleichmäßige Ausgangsleistung über den gesamten Frequenzbereich zu gewährleisten.

Das Signal wird dann in vier Ströme aufgeteilt, die jeweils an einen eigenen Leistungsverstärker (PA) gehen. Jeder der differenziellen PAs hat eine nominale Ausgangsleistung von +5 dBm (3,2 mW), eine Oberwellenunterdrückung von -20 dBc bis -30 dBc und einen Tiefpass-/Kerbfilter, der für Ausgangsfrequenzen bis zu 20 GHz aktiviert ist. Die PA-Ausgänge steuern differentielle Antennenstrukturen wie Dipol- oder Spiralantennen.

Moderne Sequenzer, auch Zustandsmaschinen genannt, sind mit Multiplikator- und Filterblockeinstellungen vorprogrammiert, um jeden Frequenzschritt zu optimieren. Das System durchläuft dann die Zustände als Reaktion auf Impulse an den MADV-Pin des Bauteils, anstatt auf Anweisungen von einem externen Controller zu warten. Diese lokale Steuerung ermöglicht es dem System, alle 2 ns zwischen den Kanälen zu wechseln.

Die von den Antennen omnidirektional ausgestrahlten und von der Person reflektierten Signale werden dann von einer Reihe von ADAR2004-Empfängern aufgenommen (Abbildung 5). Diese ICs kombinieren Vierfachmischer und ADC-Treiber mit einem digital programmierten Verstärker (DGA).

Abbildung 5: Der 4-Kanal-Empfänger-IC ADAR2004 kombiniert reflektierte 10-GHz- bis 40-GHz-Signale mit einem LO-Eingang, um ZF-Ausgänge bis zu 800 MHz zu erzeugen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Im ADAR2004 durchläuft jeder Kanal des Eingangssignals einen vierfachen rauscharmen Verstärker (LNA). Dann wird es mit einem Offset-Eingang des lokalen Oszillators (LO) zwischen 2,4 GHz und 10,1 GHz gemischt, der einen 4-fachen Multiplikator durchläuft, um die Abbildungsfrequenz anzupassen. Der resultierende Ausgang liegt bei einer Zwischenfrequenz (ZF) unter 800 MHz. Ein Verstärker mit variabler Verstärkung (VGA) liefert eine Verstärkung von 21 dB bis 41 dB an den ZF-Ausgang.

Wie der ADAR2001-Sender verfügt auch der ADAR2004-Empfänger über zwei On-Chip-Zustandsmaschinen, die vorprogrammiert werden können, um die Verstärker- und Filtereinstellungen für jeden reflektierten Frequenzschritt zu optimieren. Das System kann mit einem einfachen Vorwärts- oder Rücksetzbefehl schnell zwischen den Zuständen wechseln, ohne auf eine externe Steuereingabe zu warten.

Der AD9083 (Abbildung 6), ein 16-Kanal-ADC mit einer Abtastrate von 2 GS/s und einer Bandbreite von 100 MHz, erhält seine Eingänge direkt vom Ausgang des ADAR2004. Eine gemeinsame Gleichtaktspannung ermöglicht die direkte Verbindung der beiden Geräte ohne AC-Kopplungskondensatoren, die unerwünschte Transienten erzeugen können.

Abbildung 6: Der 16-Kanal-ADC AD9083 verwendet eine zeitkontinuierliche Sigma-Delta-Architektur und verfügt über einen integrierten digitalen Abwärtskonverter und eine Signalverarbeitung. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Im AD9083 wird das Eingangssignal des ADAR2004 gefiltert und mit einer zeitkontinuierlichen Sigma-Delta-Architektur (CTSD) in ein digitales Signal umgewandelt. Zu den Filtern können kaskadierte Integratorkammfilter (CIC), digitale Quadratur-Abwärtswandler (DDC) mit mehreren FIR-Dezimationsfiltern (Finite Input Response), auch bekannt als „Decimate by J-Block“, oder bis zu drei Quadratur-DDC-Kanäle mit mittelwertbildenden Dezimationsfiltern gehören.

Die Kombination aus CTSD-Wandlung und den Filtern im AD9083 erzeugt ein niederfrequentes Signal mit hoher Bitrate und kurzer Einschwingzeit, eine Schlüsseleigenschaft, die es der Datenverarbeitung ermöglicht, mit der schnellen Kanalumschaltung auf der Sendeseite Schritt zu halten. Der AD9083 bietet Flankenverarbeitung, indem er das interessierende Signalband ohne externe Verarbeitung extrahiert und sich mit anderen ICs über einen integrierten Taktgeber und PLL synchronisiert.

Schnelleres Screening

Der oben beschriebene Chipsatz reduziert die Durchleuchtungszeit, indem er das Schalten synchronisiert, unnötige Signalverarbeitungsstufen eliminiert und die Schaltzeit verkürzt. Größere Arrays aus vierkanaligen ADAR2001-Sendern mit passenden ADAR2004-Empfängern und AD9083-ADCs können die erforderliche Durchleuchtungszeit weiter reduzieren.

In einem solchen Array ist ein fortschrittlicher Sequenzer vorprogrammiert, der jeden Kanal durch die erforderlichen Frequenzschritte schaltet. Während ein IC sendet, geht der nächste in den Bereitschaftsmodus über, um ein schnelles Umschalten zwischen den ICs zu ermöglichen. Mit einer Kanal-zu-Kanal-Umschaltzeit von 2 ns und einer Sendebereitschaftszeit von 10 ns kann das System von 10 GHz bis 40 GHz in 0,1-GHz-Schritten in etwa 20 ms durchlaufen.

Um die Abtastzeit weiter zu verkürzen, könnten die Sende-ICs in drei Gruppen aufgeteilt werden, die jeweils von einer eigenen PLL gesteuert werden. Jede Gruppe von ADAR2001 kann eine andere Frequenz übertragen, so dass drei Frequenzen gleichzeitig übertragen werden können. Die AD9083 auf der Empfangsseite können drei Frequenzen gleichzeitig demodulieren, eine für jeden ihrer drei Quadratur-DDC-Kanäle, solange alle drei Frequenzen innerhalb der analogen Eingangsbandbreite des ADC von 125 MHz liegen. Dieser Ansatz verkürzt die Gesamtscanzeit um den Faktor drei.

Fazit

Der oben beschriebene Millimeterwellen-Chipsatz von ADI integriert den Mikrowellensynthesizer ADF4368, die Vierfach-Sender ADAR2001, die Vierfach-Empfänger ADAR2004 und die 16-Kanal-ADCs AD9083. Diese ICs sind so konzipiert, dass sie synchron arbeiten und die nachgelagerte Verarbeitung reduzieren, indem sie eine intelligente On-Chip-Datenverarbeitung am Netzwerkrand bieten.

Die On-Chip-Verarbeitung versorgt den Zentralprozessor mit bereits demodulierten und dezimierten Daten, die für die KI oder eine andere übergeordnete Verarbeitung bereit sind. Darüber hinaus kann durch die Integration und die intelligente Koordinierung am Netzwerkrand ein kompletter Scanvorgang in Sekundenbruchteilen abgeschlossen werden, was den Weg für Systeme ebnet, die es Personen, die gesicherte Räume betreten, ermöglichen, ohne anzuhalten durch den Scanbereich zu gehen.