El procesamiento de edge (bordes) allana el camino para una exploración por ondas milimétricas más rápida y precisa

Los sistemas de imágenes de ondas milimétricas (mmWave) son cada vez más habituales en las operaciones de seguridad de edificios públicos, estadios y aeropuertos. Estos sistemas pueden detectar amenazas metálicas y no metálicas e informar de su ubicación dentro del área de escaneado, lo que permite a los profesionales de la seguridad localizar e identificar los objetos sospechosos con mayor rapidez. Este artículo tratará los aspectos básicos de la generación de imágenes mmWave, explicará cómo funcionan conjuntamente los componentes en una solución mmWave diseñada por Analog Devices, Inc.(ADI) y destacará el papel del procesamiento edge en iteraciones más ágiles de la tecnología.

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En un sistema mmWave, un conjunto de transmisores y receptores está conectado a un conjunto de antenas espacialmente dispersas. En un momento dado, una antena del conjunto transmite una señal de radiofrecuencia (RF) omnidireccional de baja potencia y frecuencia única que se refleja en el objetivo (figura 1). Esta reflexión genera señales retrodispersadas que son recibidas por todas las antenas del conjunto. Los circuitos integrados (CI) acoplados a las antenas miden la fase y la amplitud de las señales de retrodispersión recibidas.

Figura 1: En los sistemas mmWave, las antenas transmisoras emiten secuencialmente señales omnidireccionales de baja potencia y frecuencia única. A continuación, las antenas receptoras miden la retrodispersión. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Se envían señales idénticas desde cada antena transmisora de forma secuencial y el proceso de medición se repite para cada transmisión. La repetición de todo el procedimiento a lo largo de múltiples frecuencias entre 10 GHz y 40 GHz garantiza que el sistema capte la profundidad de penetración de la señal de radiofrecuencia y las reflexiones de la señal variables a medida que cambia la frecuencia. La resolución depende del número de canales de transmisión y recepción. Los escáneres de los aeropuertos, por ejemplo, tienen muchos canales para soportar la resolución necesaria para detectar objetos pequeños como las cuchillas de afeitar. Un menor número de canales en situaciones en las que las armas y los explosivos son las principales preocupaciones reduce el coste y el tiempo de escaneado.

Los procesadores combinan la información de retrodispersión en una matriz de vectores. Cuando los vectores se correlacionan con la frecuencia y la ubicación espacial, la matriz multidimensional resultante puede utilizarse para crear una imagen capaz de identificar objetos metálicos y no metálicos ocultos entre y bajo las capas de ropa.

La velocidad de la exploración depende de la rapidez con la que el sistema pueda procesar los datos de retrodispersión, pasar de un transmisor a otro y recorrer las frecuencias deseadas. Por ejemplo, un sistema con 500 elementos que cubra la gama de 10 GHz a 40 GHz en incrementos de 50 MHz debe realizar 300,000 conmutaciones. La conmutación rápida permite a los sistemas de ondas milimétricas implementados en la actualidad crear una imagen útil cuando la persona escaneada ha posado durante sólo unos segundos. Con tiempos de conmutación aún más rápidos, los sistemas de ondas milimétricas podrían detectar amenazas mientras los sujetos caminan por los detectores sin detenerse.

Construcción de sistemas mmWave

Para detectar posibles amenazas, lograr la resolución deseada y facilitar una exploración rápida, los diseñadores de sistemas mmWave deben seleccionar un hardware que funcione en tándem. La solución integrada del sistema mmWave de ADI incluye un sintetizador de banda ancha de microondas ADF4368, múltiples circuitos integrados transmisores ADAR2001, múltiples circuitos integrados receptores ADAR2004 y convertidores analógico-digitales (ADC) AD9083, cada uno de los cuales será discutido a continuación (Figura 2).

Figura 2: Un sistema mmWave completo combina un sintetizador, transmisores, receptores y ADC con componentes de gestión de potencia, conmutación y lógica. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

La cadena de señales comienza con el sintetizador de bucle de bloqueo de fase (PLL) de banda ancha de microondas ADF4368 con oscilador controlado por tensión (VCO) integrado (figura 3). El ADF4368 genera pasos de frecuencia de 2.5 GHz a 10 GHz en incrementos de 12.5 GHz, muy dentro de su rango de 800 MHz a 12.8 GHz. Las señales de RF de onda continua (CW), de un solo extremo, tienen una fluctuación inferior a 30 fsec_RMS.

Figura 3: El sintetizador de banda ancha para microondas ADF4368 con VCO integrado suministra salidas de RF de onda continua de baja fluctuación en el rango de frecuencias de 2.5 GHz a 10 GHz. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El ADF4368 emite señales con una potencia de 9 dBm (7.94 mW). Dado que los circuitos integrados transmisores necesitan mucha menos potencia, las salidas del ADF4368 pueden dividirse siete veces, lo que permite controlar hasta 128 circuitos integrados transmisores de 4 canales o 512 canales.

Los CI transmisores ADAR2001 (figura 4) aceptan la entrada del ADF4368 y, a continuación, multiplican, filtran, atenúan, dividen y amplifican las señales para proporcionar cuatro canales de salida de antena por CI con frecuencias entre 10 GHz y 40 GHz.

Figura 4: El CI transmisor ADAR2001 multiplica, filtra, atenúa y amplifica las señales de RF que pasan por el rango de 10 GHz a 40 GHz y salen a través de antenas diferenciales. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Los CI ADAR2001 aceptan entradas de RF con una potencia mínima de -20 dBm (0.01 mW). A continuación, la señal pasa por un multiplicador y un filtro de frecuencia 4x de banda alta, banda media o banda baja. A continuación, un atenuador programable proporciona aproximadamente 15 dB de rango de atenuación digital por pasos, aumentando la atenuación a medida que disminuye la frecuencia para mantener una salida de potencia plana en todo el rango de frecuencias.

A continuación, la señal se divide en cuatro flujos, cada uno de los cuales va a su propio amplificador de potencia (PA). Cada uno de los PA diferenciales tiene una salida nominal de +5 dBm (3.2 mW), -20 dBc a -30 dBc de supresión de armónicos, y un filtro de paso bajo/notch habilitado para frecuencias de salida de hasta 20 GHz. Las salidas de PA accionan estructuras de antena diferenciales como antenas dipolo o en espiral.

Los secuenciadores avanzados, también llamados máquinas de estados, están preprogramados con ajustes de multiplicadores y bloques de filtros para optimizar cada paso de frecuencia. El sistema pasa entonces por los estados en respuesta a los impulsos al pin MADV (avance) del dispositivo, en lugar de esperar instrucciones de un controlador externo. Este control local permite al sistema cambiar de canal cada 2 nseg.

Las señales que se emiten omnidireccionalmente desde las antenas y que se reflejan en el sujeto son captadas por un conjunto de receptores ADAR2004 (figura 5). Estos circuitos integrados combinan mezcladores cuádruples y controladores ADC con un amplificador de ganancia programado digitalmente (DGA).

Figura 5: El CI receptor de 4 canales ADAR2004 combina señales reflejadas de 10 GHz a 40 GHz con una entrada LO para generar salidas de FI de hasta 800 MHz. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

En el ADAR2004, cada canal de la señal entrante pasa a través de un amplificador cuádruple de bajo ruido (LNA). A continuación, se mezcla con una entrada de oscilador local (LO) desplazada entre 2.4 GHz y 10.1 GHz que pasa por un multiplicador 4x para igualar la frecuencia de imagen. La salida resultante está a una frecuencia intermedia (FI) por debajo de 800 MHz. Un amplificador de ganancia variable (VGA) suministra de 21 dB a 41 dB de ganancia a la salida de FI.

Al igual que el transmisor ADAR2001, el receptor ADAR2004 dispone de dos máquinas de estado en chip que pueden preprogramarse para optimizar los ajustes del amplificador y el filtro para cada paso de frecuencia reflejada. El sistema puede pasar rápidamente de un estado a otro con una simple orden de avance o de reinicio sin esperar la entrada de un controlador externo.

El AD9083 (figura 6), un ADC de 16 canales con una frecuencia de muestreo de 2 GSPS y un ancho de banda de 100 MHz, recibe las entradas directamente de la salida del ADAR2004. Un voltaje de modo común compartido permite que ambos se conecten directamente sin capacitores de acoplamiento de CA que pueden producir transitorios no deseados.

Figura 6: El ADC AD9083 de 16 canales utiliza una arquitectura sigma-delta de tiempo continuo y cuenta con un convertidor descendente digital y un procesamiento de señales incorporados. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

En el AD9083, la entrada procedente del ADAR2004 se filtra y se convierte en una señal digital utilizando una arquitectura sigma-delta de tiempo continuo (CTSD). Los filtros pueden incluir filtros de peine integrador en cascada (CIC); convertidores digitales descendentes en cuadratura (DDC) con múltiples filtros de decimación de respuesta de entrada finita (FIR), también conocidos como bloque de decimación por J; o hasta tres canales DDC en cuadratura con filtros de decimación de promedio.

La combinación de la conversión CTSD y los filtros del AD9083 produce una señal de baja frecuencia y bits altos con un tiempo de establecimiento rápido, una característica clave para permitir que el procesamiento de datos siga el ritmo de la rápida conmutación de canales en el lado de transmisión. El AD9083 proporciona procesamiento edge extrayendo la banda de señal de interés sin procesamiento externo, y sincronizándose con otros circuitos integrados mediante un reloj en chip y un PLL.

Procesamiento más rápido

El chipset descrito reduce el tiempo de procesamiento sincronizando la conmutación, eliminando etapas innecesarias de procesamiento de la señal y reduciendo el tiempo de conmutación. Las matrices más grandes de transmisores ADAR2001 de cuatro canales con receptores ADAR2004 a juego y ADC AD9083 pueden reducir aún más el tiempo de procesamiento necesario.

En una matriz de este tipo, un secuenciador avanzado está preprogramado para hacer pasar cada canal por los pasos de frecuencia requeridos. Mientras un CI está transmitiendo, el siguiente entra en modo preparado para permitir una conmutación rápida entre los CI. Con un tiempo de conmutación de canal a canal de 2 nseg y un tiempo de estado listo para la transmisión de 10 nseg, el sistema puede barrer de 10 GHz a 40 GHz en pasos de 0.1 GHz en unos 20 mseg.

Para reducir aún más el tiempo de exploración, los circuitos integrados de transmisión podrían dividirse en tres grupos, cada uno accionado por su propio PLL. Cada grupo de ADAR2001 podía transmitir una frecuencia diferente, lo que permitía transmitir tres frecuencias a la vez. Los AD9083 del lado receptor pueden demodular tres frecuencias a la vez, una por cada uno de sus tres canales DDC en cuadratura, siempre que las tres frecuencias estén dentro del ancho de banda de entrada analógica de 125 MHz del ADC. Este enfoque reduce el tiempo total de exploración en un factor de tres.

Conclusión

El chipset mmWave de ADI descrito anteriormente integra el sintetizador de microondas ADF4368, los transmisores cuádruples ADAR2001, los receptores cuádruples ADAR2004 y los ADC AD9083 de 16 canales. Estos circuitos integrados están diseñados para trabajar en sincronía y reducir el procesamiento posterior proporcionando un procesamiento edge inteligente en el chip.

El procesamiento en chip suministra al procesador central datos ya demodulados y diezmados y listos para la IA u otro procesamiento de nivel superior. Además, la integración y la coordinación edge inteligente permiten completar un escaneado en fracciones de segundo, allanando el camino para sistemas que permiten a quienes entran en espacios protegidos atravesar la zona de escaneado sin detenerse.