עיבוד קצה סולל את הדרך לסריקת גלים מילימטריים מהירה ומדויקת יותר

מערכות דימות גלים מילימטריים (mmWave) הופכות נפוצות יותר ויותר בפעולות אבטחה במבני ציבור, אצטדיונים ושדות תעופה. מערכות אלו יכולות לזהות איומים מתכתיים ולא-מתכתיים כאחד ולדווח על מיקומם בתוך אזור הסריקה, מה שמאפשר לאנשי מקצוע בתחום האבטחה לאתר ולזהות פריטים חשודים מהר יותר. מאמר זה ידון ביסודות של דימות mmWave‏, יסביר כיצד רכיבים פועלים יחד בפתרון mmWave שתוכנן על ידי .Analog Devices, Inc‏ (ADI‏), ויבליט את תפקידו של עיבוד קצה באיטרציות זריזות יותר של הטכנולוגיה.

mmWave‏ 101‏

במערכת גלים מילימטריים, מערך של משדרים ומקלטים מחובר למערך אנטנות המפוזר מרחבית. בנקודת זמן נתונה, אנטנה אחת במערך משדרת אות תדר רדיו (RF) כלל-כיווני בהספק נמוך, בתדר יחיד, המוחזר מהמטרה (איור 1). החזרה זו מייצרת אותות מפוזרים-לאחור הנקלטים על ידי כל האנטנות במערך. מעגלים משולבים (IC) המחוברים לאנטנות מודדים את הפאזה והאמפליטודה של האותות המפוזרים-לאחור הנקלטים.

איור 1: במערכות גלים מילימטריים, אנטנות שידור משדרות באופן סדרתי אותות רב-כיווניים, בהספק נמוך ובתדר יחיד. לאחר מכן, אנטנות הקליטה מודדות את הפיזור-האחורי. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

אותות זהים נשלחים מכל אנטנת שידור באופן סדרתי, ותהליך המדידה חוזר על עצמו עבור כל שידור. חוזרים על כל התהליך עם מספר תדרים בין GHz‏ 10‏ ו-GHz‏ 40‏, וכך מבטיחים שהמערכת תקלוט החזרי אותות RF‏ חודרי עומק משתנים כאשר התדר משתנה. הרזולוציה תלויה במספר ערוצי השידור והקליטה. סורקי שדות תעופה, למשל, כוללים ערוצים רבים התומכים ברזולוציה הדרושה לזיהוי עצמים קטנים כמו סכיני גילוח. מספר ערוצים נמוך יותר במצבים בהם נשק וחומרי נפץ הם הדאגות העיקריות מוריד את העלות וזמן הסריקה.

מעבדים משלבים את פרטי הפיזור-האחורי לתוך מטריצה של וקטורים. כאשר הווקטורים מתואמים עם התדר ועם המיקום המרחבי, ניתן להשתמש במערך הרב-ממדי המתקבל כדי ליצור תמונה שיכולה לזהות עצמים מתכתיים וגם עצמים לא-מתכתיים המוסתרים בין ומתחת לשכבות של בגדים.

מהירות הסריקה תלויה במהירות שבה המערכת יכולה לעבד נתוני פיזור-אחורי, לעבור ממשדר למשדר ולהחליף בין התדרים הרצויים. לדוגמה, מערכת עם 500 אלמנטים המכסה את התחום של GHz‏ 10‏ עד GHz‏ 40‏ במרווחים של MHz‏ 50‏ חייבת לבצע 300,000 מיתוגים. מיתוג מהיר מאפשר למערכות mmWave הפרושות כיום ליצור תמונה שימושית לאחר שהאדם הנסרק נעמד למשך מספר שניות בלבד. עם זמני מיתוג מהירים עוד יותר, מערכות mmWave יוכלו לזהות איומים בזמן שהנבדקים עוברים דרך גלאים מבלי לעצור.

בניית מערכות גלים מילימטריים

כדי לזהות איומים פוטנציאליים, להשיג את הרזולוציה הרצויה ולהקל על סריקה מהירה, מתכנני מערכות mmWave חייבים לבחור חומרה שעובדת בטאנדם. פתרון מערכת ה-mmWave המשולב של ADI כולל סינתיסייזר רחב-פס מיקרוגל ADF4368‏, מספר ICs‏ משדר ADAR2001‏, מספר ICs‏ מקלט ADAR2004‏ וממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADCs‏) AD9083‏, בכל אחד נדון בתורו להלן (איור 2‏).

איור 2: מערכת גלים mmWave שלמה משלבת סינתיסייזר, משדרים, מקלטים וממירי ADC עם ניהול הספקת-כוח, מיתוג ורכיבי לוגיקה. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏).

שרשרת האותות מתחילה בסינתיסייזר חוג נעול-פאזה (PLL) רחב-פס מיקרוגל ADF4368 עם מתנד מבוקר-מתח (VCO) משולב (איור 3). ה-ADF4368 מייצר צעדי תדר מ-GHz ‏2.5‏ עד GHz‏ 10‏ באינקרמנטים של GHz‏ 12.5‏, בתוך התחום שלMHz‏ 800‏ עד GHz‏ 12.8‏ שלו. לאותות RF קצה-יחיד (Single-Ended‏) גל-רצוף (CW‏) יש ריצוד של פחות מ-_RMS‏fsec‏ 30‏.

איור 3: סינתיסייזר רחב-פס מיקרוגל ADF4368 עם VCO משולב מספק יציאות RF‏ CW‏ עם ריצוד נמוך בתחום התדרים GHz‏ 2.5‏ עד GHz‏ 10‏. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

ה-ADF4368 מוציא אותות בהספק של dBm‏ 9‏ (mW‏ 7.94‏). מכיוון שה-ICs‏ של המשדר זקוקים להרבה פחות הספק, ניתן לפצל את יציאות ADF4368 שבע פעמים, תוך דחיפת עד 128‏ ICs‏ משדר 4 ערוצים או 512 ערוצים.

ה-ICs‏ משדר ADAR2001 (איור 4) מקבלים כניסה מה-ADF4368, לאחר מכן מכפילים, מסננים, מנחיתים, מפצלים ומגבירים את האותות כדי לספק ארבעה ערוצי יציאת אנטנה עבור כל IC‏ עם תדרים בין GHz‏ 10‏ עד GHz‏ 40‏.

איור 4: ה-IC‏ משדר ADAR2001 מכפיל, מסנן, מנחית, מפצל ומגביר אותות RF‏ בתחום של GHz‏ 10‏ עד GHz‏ 40‏ היוצאים דרך אנטנות דיפרנציאליות. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

ה-ICs‏ ADAR2001 מקבלים כניסות RF עם הספק מינימלי של dBm‏ 20-‏ (mW‏ 0.01‏). לאחר מכן האות עובר דרך מכפיל תדרים ומסנן 4x‏ פס-גבוה, פס-בינוני או פס-נמוך. בהמשך מנחת ניתן-לתכנות מספק dB‏ 15‏ בערך בתחום ניחות בצעדים דיגיטליים, תוך הגדלת הניחות ככל שהתדר יורד כדי לשמור על יציאת הספק שטוחה על פני תחום התדרים.

לאחר מכן האות מפוצל לארבעה זרמים, כל אחד מהם עובר למגבר הספק (PA) משלו. לכל אחד מה-PA הדיפרנציאליים יש יציאה נומינלית של dBm‏ 5‏+(mW‏ 3.2‏), שיכוך הרמוניות של dBc‏ 20‏- עד dBc‏ 30‏-, ומסנן מעביר-נמוכים/חריץ המאופשר עבור תדרי יציאה של עד GHz‏ 20‏. יציאות PA דוחפות מבני אנטנה דיפרנציאלית כגון אנטנות דיפול או ספירליות.

מעגלי תזמון (Sequencers‏) מתקדמים, הנקראים גם מכונות מצבים, מתוכנתים-מראש עם הגדרות מכפיל ובלוק-מסנן כדי למטב כל צעד תדר. לאחר מכן המערכת עוברת דרך המצבים בתגובה לפולסים לפין MADV‏ (התקדמות) של ההתקן במקום להמתין להוראות מבקר חיצוני. בקרה מקומית זו מאפשרת למערכת למתג בין ערוצים כל 2 ננו-שניות.

אותות המשודרים בצורה כלל-כיוונית מהאנטנות ומוחזרים מהעצם נקלטים לאחר מכן על ידי מערך של מקלטי ADAR2004 (איור 5). ICs‏ אלה משלבים מיקסרים מרובעים (Quad‏) ודוחפי ADC עם מגבר עם הגבר מתוכנת-דיגיטלית (DGA‏).

איור 5: ה-IC מקלט 4-ערוצים ADAR2004 מצרף אותות מוחזרים בתחום GHz‏ 10‏ עד GHz‏ 40‏עם כניסת LO כדי לייצר יציאות IF של עד MHz‏ 800‏. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

ב-ADAR2004, כל ערוץ של האות הנכנס עובר דרך מגבר מרובע (Quad‏) עם רעש נמוך (LNA). לאחר מכן הוא מעורבל עם כניסת מתנד מקומי (LO) אופסט בין GHz‏ 2.4‏ לבין GHz‏ 10.1‏ העובר דרך מכפיל 4x‏ כדי להתאים לתדר הדימות. היציאה המתקבלת היא בתדר ביניים (IF) מתחת ל-MHz‏ 800‏. מגבר עם הגבר משתנה (VGA) מספק הגבר של dB‏ 21‏ עד dB‏ 41‏ ליציאת ה-IF.

בדומה למשדר ADAR2001, למקלט ADAR2004 יש שתי מכונות מצבים על-השבב שניתן לתכנת אותן מראש כדי למטב את הגדרות המגבר והמסנן עבור כל צעד תדר מוחזר. המערכת יכולה לעבור במהירות בין מצבים באמצעות פקודת התקדמות או איפוס פשוטה מבלי להמתין לכניסה מבקר חיצוני.

ה-AD9083 (איור 6), ממיר ADC‏ 16-ערוצים עם קצב דגימה של GSPS‏ 2‏ ורוחב-פס של MHz‏ 100‏, מקבל כניסות ישירות מיציאת ה-ADAR2004. מתח אופן-משותף (CM‏) משותף מאפשר לשניים להתחבר ישירות ללא קבלי צימוד AC היכולים לייצר טרנזיינטים לא-רצויים.

איור 6: ממיר ה-ADC‏ 16-ערוצים AD9083 משתמש בארכיטקטורת סיגמא-דלתא זמן-רצוף וכולל ממיר-מטה דיגיטלי ועיבוד אותות מובנים. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

ב-AD9083, הכניסה מה-ADAR2004 מסוננת ומומרת לאות דיגיטלי באמצעות ארכיטקטורת סיגמא-דלתא זמן-רצוף (CTSD‏). המסננים יכולים לכלול מסנני מסרק אינטגרטור בקסקדה (CIC); ממירי-מטה דיגיטליים (DDCs‏) קוואדראטוריים עם מספר מסנני הפחתת דגימות עם תגובת כניסה סופית (FIR‏), המוכרים גם כבלוק דסימציה ב-J‏; או עד שלושה ערוצי DDC‏ קוואדראטוריים עם מסנני הפחתת דגימות ממצעים.

השילוב של המרת CTSD והמסננים ב-AD9083 מייצר אות בתדר נמוך יותר עם מספר ביטים גבוה וזמן התייצבות מהיר, מאפיין עיקרי המאפשר לעיבוד הנתונים לעמוד בקצב מיתוג הערוצים המהיר בצד השידור. ה-AD9083 מספק עיבוד קצה על ידי חילוץ פס האות המעניין ללא עיבוד חיצוני, ועל ידי סנכרון עם ICs‏ אחרים באמצעות שעון ו-PLL‏ על-השבב.

סינון מהיר יותר

ערכת-השבבים שתוארה לעיל מפחיתה את זמן הסינון על ידי סנכרון המיתוג, ביטול שלבי עיבוד אותות מיותרים וקיצור זמן המיתוג. מערכים גדולים יותר של משדרי ADAR2001 בעלי ארבעה ערוצים עם מקלטי ADAR2004 תואמים וממירי ADC‏ AD9083‏ יכולים לקצר עוד יותר את זמן הסינון הנדרש.

במערך כזה, מתזמן (Sequencer‏) מתקדם מתוכנת-מראש כדי להעביר כל ערוץ דרך צעדי התדר הנדרשים. בזמן ש-IC‏ אחד משדר, הבא אחריו נכנס לאופן מוכן כדי לאפשר מיתוג מהיר בין ה-ICs‏. עם זמן מיתוג ערוץ-לערוץ של 2 ננו-שניות וזמן מוכן-לשידור של 10 ננו-שניות, המערכת יכולה לסרוק מ-GHz‏ 10‏ עד GHz‏ 40‏ בצעדים של GHz‏ 0.1‏ ב-msec‏ 20‏.

כדי לקצר עוד יותר את זמן הסריקה, ניתן לחלק את ה-ICs שידור לשלוש קבוצות, שכל אחת מהן נדחפת על ידי PLL משלה. כל קבוצה של ADAR2001s יכלה לשדר תדר שונה, מה שמאפשר שידור של שלושה תדרים בו-זמנית. רכיבי AD9083 בצד הקולט יכולים לבצע דה-מודולציה של שלושה תדרים בו-זמנית, אחד עבור כל אחד משלושת ערוצי ה-DDC הקוואדראטוריים שלהם, כל עוד שלושת התדרים נמצאים בתוך רוחב-הפס האנלוגי של MHz‏ 125‏ של ה-ADC. גישה זו מקצרת את זמן הסריקה הכולל בפקטור של שלוש.

סיכום

ערכת-השבבים mmWave של ADI שתוארה לעיל משלבת את סינתיסייזר המיקרוגל ADF4368, משדרים מרובעים (Quad‏) ADAR2001, מקלטם מרובעים (Quad‏) ADAR2004 ו-ADCs‏ 16-ערוצים AD9083. ICs‏ אלה מתוכננים לעבוד בסנכרון ולהפחית עיבוד במורד-הזרם על ידי מתן עיבוד קצה חכם על-השבב.

עיבוד על-השבב מספק למעבד המרכזי נתונים שכבר עברו דה-מודולציה והפחתת דגימות, והם מוכנים עבור AI‏ או עיבוד ברמה גבוהה יותר אחר. בנוסף, אינטגרציה וקצה חכם מאפשרים השלמת סריקה מלאה בשברירי שנייה, וסוללים את הדרך למערכות המאפשרות לאלו הנכנסים למרחבים מאובטחים לעבור דרך אזור הסריקה מבלי לעצור.