边缘处理为更快、更精确的毫米波扫描铺平了道路

毫米波 (mmWave) 成像系统在公共建筑、体育场馆和机场的安检工作中日益普及。这些系统能够探测金属与非金属危险品，并报告其在扫描区域内的位置，从而帮助安检专业人员更快地定位和识别可疑物品。本文将探讨毫米波成像的基础原理，阐释 Analog Devices, Inc. (ADI) 设计的毫米波解决方案中各组件如何协同工作，并重点介绍边缘处理技术在该系统迭代升级中所发挥的关键作用。

毫米波入门

在毫米波系统中，发射器与接收器阵列连接着空间分布的天线阵列。在特定时间点，阵列中的一根天线会发射低功率、单频率的全向射频 (RF) 信号，并被目标物体所反射（图 1）。这种反射产生的后向散射信号会被阵列中所有天线接收，连接天线的集成电路 (IC) 通过测量这些后向散射信号的相位和振幅来获取信息。

图 1：在毫米波系统中，发射天线依次广播低功率、单频、全向信号。然后，接收天线测量反向散射。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

每根发射天线会依次发送相同信号，每次发射都重复此测量过程。通过在 10 GHz 至 40 GHz 范围内的多个频率上重复整个流程，系统可捕捉到不同射频信号随频率变化产生的穿透深度差异与信号反射变化。系统分辨率取决于收发通道数量：例如机场扫描仪拥有大量通道，以满足探测剃须刀等小型物体所需的高分辨率；而对于以武器和爆炸物为主要监测目标的场景，采用较少通道既能降低成本又可缩短扫描时间。

处理器将反向散射信息合并成一个向量矩阵。当这些向量与频率及空间位置关联时，生成的多维阵列可生成图像，不仅能识别金属物体，还能探测隐藏在衣物层间及下方的非金属物品。

扫描速度取决于系统处理反向散射数据、从发射器切换到发射器以及循环扫描所需频率的速度。例如，一个拥有 500 个元件、以 50 MHz 为增量覆盖 10 GHz 至 40 GHz 范围的系统必须进行 300,000 次切换。当今部署的毫米波系统凭借快速切换能力，仅需被扫描者保持数秒姿势即可生成有效的图像。随着切换速度越来越快，未来毫米波系统甚至能在受检者无需停留、直接步行通过探测器时完成威胁物品的识别。

构建毫米波系统

为了检测潜在威胁、达到所需的分辨率并方便快速扫描，毫米波系统设计人员必须选择能协同工作的硬件。ADI 的集成毫米波系统解决方案包括一个 ADF4368 微波宽带合成器、多个 ADAR2001 发射器 IC、多个 ADAR2004 接收器 IC 和 AD9083 模数转换器 (ADC)，下面将依次对每个器件进行讨论（图 2）。

图 2：一个完整的毫米波系统将合成器、发射器、接收器和 ADC 与电源管理、开关和逻辑元件结合在一起。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

信号链从带有集成压控振荡器 (VCO) 的 ADF4368 微波宽带锁相环 (PLL) 合成器开始（图 3）。ADF4368 可在 2.5 GHz 至 10 GHz 范围内生成频率步阶，步阶间隔为 12.5 MHz，完全在其 800 MHz 至 12.8 GHz 的工作频段内。其连续波 (CW) 单端射频信号的抖动低于 30 fsec_RMS。

图 3：集成 VCO 的 ADF4368 微波宽带合成器可在 2.5-GHz 至 10-GHz 频率范围内提供低抖动 CW 射频输出。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

ADF4368 输出信号的功率为 9 dBm (7.94 mW)。由于发射器 IC 所需的功率更低，ADF4368 的输出可分七路，最多可驱动 128 个 4 通道发射器 IC 或 512 个通道。

ADAR2001 发射器 IC（图 4）接受来自 ADF4368 的输入，然后对信号进行乘法、滤波、衰减、分频和放大，从而为每个 IC 提供频率介于 10 GHz 和 40 GHz 之间的四个天线输出通道。

图 4：ADAR2001 发射器 IC 可对 10 GHz 至 40 GHz 范围内的射频信号进行乘法、滤波、衰减和放大，并通过差分天线输出。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

ADAR2001 IC 接受最小功率为 -20 dBm (0.01 mW) 的射频输入。然后，信号通过高频段、中频段或低频段 4 倍频乘法器和滤波器。接着，一个可编程衰减器提供约 15 dB 的数字阶跃衰减范围，随着频率的降低而增加衰减量，从而在整个频率范围内保持平坦的功率输出。

然后，信号被分成四路，每路都有自己的功率放大器 (PA)。每个差分 PA 的额定输出功率均为 +5 dBm (3.2 mW)，谐波抑制为 -20 dBc 至 -30 dBc，并启用了低通/陷波滤波器，实现高至 20 GHz 的输出频率。PA 输出可驱动偶极子或螺旋天线等差分天线结构。

高级定序器（也称为状态机）预编程了乘法器和滤波器块设置，以优化每个频率步阶。然后，系统会根据器件 MADV（前进）引脚的脉冲响应进行状态切换，而不是等待外部控制器的指令。通过这种本地控制，系统可以每 2 纳秒在不同通道之间进行切换。

从天线发出的全向信号经被测物反射后，由 ADAR2004 接收器阵列接收（图 5）。这些 IC 将四路混频器和 ADC 驱动器与数字编程增益放大器 (DGA) 结合在一起。

图 5：ADAR2004 4 通道接收器 IC 将反射的 10 GHz 至 40 GHz 信号与 LO 输入相结合，产生高达 800 MHz 的 IF 输出。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

在 ADAR2004 中，输入信号的每个通道都经过一个四路低噪声放大器 (LNA)。然后与 2.4 GHz 和 10.1 GHz 之间的偏移本地振荡器 (LO) 输入混合，再通过 4 倍乘法器与成像频率相匹配。由此产生的输出为低于 800 MHz 的中频 (IF) 信号。可变增益放大器 (VGA) 为中频输出提供 21 dB 至 41 dB 的增益。

与 ADAR2001 发射器一样，ADAR2004 接收器也有两个片上状态机，可对其进行预编程，以优化每个反射频率步阶的放大器和滤波器设置。只需一个简单的前进或复位指令，系统就能在不同状态之间快速切换，而无需等待外部控制器的输入。

AD9083 （图 6）是一款 16 通道 ADC，具有 2 GSPS 采样率和 100 MHz 带宽，可直接接收 ADAR2004 输出的输入。共享共模电压可使两者直接连接，而无需使用交流耦合电容器，以免产生不必要的瞬变。

图 6：AD9083 16 通道 ADC 采用连续时间三角积分架构，具有板载数字下变频器和信号处理功能。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

在 AD9083 中，来自 ADAR2004 的输入经过滤波，并通过连续时间三角积分 (CTSD) 架构转换为数字信号。滤波器可包括：级联积分器梳状 (CIC) 滤波器；带有多个有限输入响应 (FIR) 抽取滤波器的正交数字下变频器 (DDC)（亦称 J 倍抽取模块）；或最多三个带平均抽取滤波器的正交 DDC 通道。

CTSD 转换与 AD9083 中的滤波器相结合，可产生具有快速建立时间的低频高位信号，这是数据处理能够跟上发射端的快速信道切换的关键特征。AD9083 无需外部处理即可提取相关信号带，并利用片内时钟和 PLL 与其他 IC 同步，从而提供边缘处理功能。

加速筛选

上述芯片组通过同步开关、消除不必要的信号处理级和减少切换时间，缩短了筛选时间。更大规模的四通道 ADAR2001 发射器阵列搭配 ADAR2004 接收器和 AD9083 ADC，可进一步缩短所需的筛选时间。

在这种阵列中，先进的定序器已预先编程，通过所需的频率步阶循环每个通道。当一个 IC 正在传输时，下一个 IC 则进入就绪模式，以便在 IC 之间快速切换。通道与通道之间的切换时间为 2 纳秒，从准备状态到传输的时间为 10 纳秒，系统可以在约 20 毫秒内以 0.1 GHz 为单位从 10 GHz 扫频到 40 GHz 。

为进一步缩短扫描时间，发射 IC 可分为三组，每组由各自的 PLL 驱动。每组 ADAR2001 可以传输不同的频率，从而可以一次传输三个频率。只要所有三个频率都在 ADC 的 125 MHz 模拟输入带宽内，接收端的 AD9083 就能同时解调三个频率，三个正交 DDC 通道各一个。这种方法将整体扫描时间缩短了三倍。

结语

ADI 的上述毫米波芯片组集成了 ADF4368 微波合成器、ADAR2001 四路发射器、ADAR2004 四路接收器和 AD9083 16 通道 ADC。这些 IC 旨在以同步方式工作，并通过提供智能片上边缘处理减少下游处理负担。

片上处理为中央处理器提供的数据是已经过解调和抽取的，可直接用于人工智能或其他更高层级的处理。此外，高度集成和智能的边缘协调使得整个扫描过程能在零点几秒内完成，这为构建新型安检系统铺平了道路，允许受检者在无需停留的情况下步行通过扫描区域。