에지 프로세싱으로 더 빠르고 정확한 밀리미터파 스캐닝 실현

공공 건물, 스포츠 경기장, 공항에서의 보안 업무에 밀리미터파(mmWave) 이미징 시스템의 사용이 점점 더 보편화되고 있습니다. 이러한 시스템은 금속 및 비금속 위협을 모두 탐지하고 스캔 영역 내에서 위치를 보고하여, 보안 전문가가 의심스러운 물건을 더 빠르게 찾고 식별할 수 있도록 지원합니다. 이 기사에서는 밀리미터파 이미징의 기본 사항을 설명하고, Analog Devices, Inc.(ADI)에서 설계한 mmWave 솔루션 내에서 부품들이 함께 작동하는 방식을 살펴보며, 밀리미터파 이미징 기술의 민첩한 반복에 있어 에지 프로세싱의 역할을 중점적으로 다룹니다.

밀리미터파 기본 사항

밀리미터파 시스템에서는 송신기와 수신기 어레이가 공간적으로 분산된 안테나 어레이에 연결됩니다. 특정 시점에 이르면, 어레이의 한 안테나가 저전력, 단일 주파수, 전방향성 무선 주파수(RF) 신호를 전송하여 그 신호가 대상에서 반사되도록 합니다(그림 1). 이 반사는 어레이의 모든 안테나에서 수신되는 후방 산란 신호를 생성합니다. 안테나에 장착된 집적 회로(IC)는 수신된 후방 산란 신호의 위상과 진폭을 측정합니다.

그림 1: mmWave 시스템에서 송신 안테나는 저전력, 단일 주파수, 전방향성 신호를 순차적으로 브로드캐스트하며, 그 후 수신 안테나가 후방 산란을 측정합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

각 송신 안테나에서 동일한 신호가 순차적으로 전송되며, 각 전송에서 측정 프로세스가 반복됩니다. 10GHz에서 40GHz 사이의 여러 주파수에 걸쳐 전체 절차를 반복하면, 시스템이 주파수 변화에 따른 다양한 RF 신호 침투 깊이와 신호 반사를 포착할 수 있습니다. 해상도는 송신 및 수신 채널의 개수에 따라 달라집니다. 예를 들어 공항의 스캐너는 면도날과 같은 작은 물체를 감지하는 데 필요한 해상도를 지원하기 위해 많은 채널을 갖추고 있습니다. 주요 우려 사항이 무기 및 폭발물인 경우에는 채널 수를 줄이면 비용과 스캐닝 시간이 감소됩니다.

프로세서는 후방 산란 정보를 벡터 행렬로 결합합니다. 벡터를 주파수 및 공간 위치와 연관시키면, 그 결과물인 다차원 어레이를 사용하여 겹쳐진 옷들의 사이사이와 옷 아래에 숨어 있는 금속 및 비금속 물체를 모두 식별할 수 있는 이미지를 생성할 수 있습니다.

스캔 속도는 시스템이 얼마나 신속하게 후방 산란 데이터를 처리하고, 송신기 간에 전환하며, 원하는 주파수를 순환할 수 있는지에 따라 달라집니다. 예를 들어, 50MHz 단위로 10GHz ~ 40GHz 범위를 커버하는 500개의 소자로 구성된 시스템은 300,000개의 스위치를 만들어야 합니다. 현재 배포된 밀리미터파 시스템은 빠른 전환을 통해 스캔 대상자가 단 몇 초만 포즈를 취해도 유용한 이미지를 생성할 수 있습니다. 더욱 빨라진 스위칭 시간으로 인해, 밀리미터파 시스템은 피사체가 멈추지 않고 감지기를 통과하는 동안에도 위협을 감지할 수 있습니다.

밀리미터파 시스템 구축

잠재적인 위협을 탐지하고 원하는 해상도를 달성하며 빠른 스캐닝을 용이하게 하려면, 밀리미터파 시스템 설계자는 함께 작동하는 하드웨어를 선택해야 합니다. ADI의 통합 mmWave 시스템 솔루션에는 ADF4368 마이크로파 광대역 합성기, 여러 ADAR2001 송신기 IC, 여러 ADAR2004 수신기 IC, AD9083 아날로그 디지털 컨버터(ADC)가 포함되며, 아래에서 각 솔루션에 대해 차례로 설명합니다(그림 2).

그림 2: 완전한 밀리미터파 시스템은 합성기, 송신기, 수신기, ADC를 전력 관리, 스위칭 및 논리 부품과 결합합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

신호 체인은 전압 제어 발진기(VCO)가 통합된 ADF4368 마이크로파 광대역 위상 고정 루프(PLL) 합성기로 시작됩니다(그림 3). ADF4368은 800MHz ~ 12.8GHz 범위 내에서 2.5GHz ~ 10GHz의 주파수 스텝을 12.5GHz 단위로 생성합니다. 지속파(CW), 단일 종단 RF 신호의 지터는 30fsec_RMS 미만입니다.

그림 3: VCO가 통합된 ADF4368 극초단파 광대역 합성기는 2.5GHz ~ 10GHz 주파수 범위에서 낮은 지터 CW RF 출력을 제공합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

ADF4368은 9dBm(7.94mW) 전력으로 신호를 출력합니다. 송신기 IC는 훨씬 적은 전력을 필요로 하기 때문에, ADF4368 출력을 7번 분할하여 최대 128개의 4채널 송신기 IC 또는 512채널을 구동할 수 있습니다.

ADAR2001 송신기 IC(그림 4)는 ADF4368의 입력을 수신한 다음, 해당 신호를 곱셈, 필터링, 감쇠, 분할, 증폭하여 IC당 4개의 안테나 출력 채널을 10GHz ~ 40GHz 사이의 주파수로 제공합니다.

그림 4: ADAR2001 송신기 IC는 10GHz ~ 40GHz 범위를 단계적으로 이동하는 RF 신호를 증배, 필터링, 감쇠, 증폭하여 차동 안테나를 통해 출력합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

ADAR2001 IC는 최소 전력 -20dBm(0.01mW)의 RF 입력을 허용합니다. 그런 다음, 신호는 고대역, 중대역 또는 저대역 4배 주파수 배율기와 필터를 통과합니다. 그 다음에는 프로그래밍 가능 감쇠기가 약 15dB의 디지털 스텝 감쇠 범위를 제공하여, 주파수가 감소함에 따라 감쇠를 증가시켜 주파수 범위 전체에서 일정한 전력 출력을 유지합니다.

그런 다음 신호는 4개의 스트림으로 분할되어 각각 자체 전력 증폭기(PA)로 이동합니다. 각 차동 PA는 +5dBm(3.2mW)의 공칭 출력, -20dBc ~ -30dBc의 고조파 억제를 갖추고 있으며 최대 20GHz의 출력 주파수에 대해 저역 통과/노치 필터가 활성화되어 있습니다. PA 출력은 다이폴 또는 나선형 안테나와 같은 차동 안테나 구조를 구동합니다.

상태 머신이라고도 하는 고급 시퀀서는 각 주파수 단계를 최적화하기 위해 배율기 및 필터 블록 설정이 사전 프로그래밍되어 있습니다. 그런 다음 시스템은 외부 컨트롤러의 지시를 기다리지 않고 장치의 MADV(상태 진행) 핀에 대한 펄스에 대한 반응으로 상태를 진행합니다. 이 로컬 제어를 통해 시스템은 2초마다 채널을 전환할 수 있습니다.

안테나에서 전방향으로 브로드캐스트되어 피사체에서 반사된 신호는 ADAR2004 수신기 어레이에 의해 포착됩니다(그림 5). 이 IC는 쿼드 믹서 및 ADC 구동기와 디지털 프로그램형 이득 증폭기(DGA)를 결합합니다.

그림 5: ADAR2004 4채널 수신기 IC는 반사된 10GHz ~ 40GHz 신호를 LO 입력과 결합하여 최대 800MHz의 IF 출력을 생성합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

ADAR2004에서는 수신 신호의 각 채널이 쿼드 저잡음 증폭기(LNA)를 통과합니다. 그런 다음 이미징 주파수와 일치하도록 4배 배율을 통과하는 2.4GHz ~ 10.1GHz 사이의 오프셋 로컬 발진기(LO) 입력과 혼합됩니다. 결과 출력은 800MHz 미만의 중간 주파수(IF)입니다. 가변 이득 증폭기(VGA)는 IF 출력에 21dB ~ 41dB의 이득을 공급합니다.

ADAR2001 송신기와 마찬가지로, ADAR2004 수신기에는 각 반사 주파수 단계에 대해 증폭기 및 필터 설정을 최적화하도록 사전 프로그래밍할 수 있는 2개의 온칩 상태 기계가 있습니다. 시스템은 외부 컨트롤러 입력을 기다릴 필요 없이 단순한 전진 또는 재설정 명령으로 빠르게 상태를 전환할 수 있습니다.

2GSPS 샘플 속도와 100MHz 대역폭을 지원하는 16채널 ADC인 AD9083(그림 6)은 ADAR2004 출력에서 직접 입력을 수신합니다. 공통 모드 전압을 공유하면 원치 않는 과도 상태를 생성할 수 있는 AC 커플링 커패시터 없이 두 장치를 직접 연결할 수 있습니다.

그림 6: AD9083 16채널 ADC는 연속 시간 시그마 델타 아키텍처를 사용하며, 온보드 디지털 다운 컨버터 및 신호 처리 기능을 갖추고 있습니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

AD9083에서는 ADAR2004의 입력이 필터링되고, 연속 시간 시그마 델타(CTSD) 아키텍처를 통해 디지털 신호로 변환됩니다. 필터에는 캐스케이드 적분기 콤(CIC) 필터, 여러 개의 유한 입력 응답(FIR) 데시메이션 필터(J 블록에 의한 데시메이션이라고도 함)가 있는 직각 디지털 다운컨버터(DDC) 또는 평균 데시메이션 필터가 있는 최대 3개의 직각 DDC 채널이 포함될 수 있습니다.

AD9083의 CTSD 변환과 필터의 조합은 빠른 정착 시간을 가진 저주파, 고비트 신호를 생성하며, 이는 데이터 처리가 송신 측의 빠른 채널 전환의 속도에 대응할 수 있도록 하는 핵심 특성입니다. AD9083은 외부 처리 없이 관심 있는 신호 대역을 추출하고 온칩 클록 및 PLL을 사용하여 다른 IC와 동기화함으로써 에지 프로세싱을 제공합니다.

더 신속한 스크리닝

위에서 선보인 칩셋은 스위칭을 동기화하고 불필요한 신호 처리 단계를 없애며 스위칭 시간을 단축하여 스크리닝 시간을 단축합니다. 4채널 ADAR2001 송신기와 일치하는 ADAR2004 수신기 및 AD9083 ADC의 대규모 어레이를 사용하면 필요한 스크리닝 시간을 더욱 단축할 수 있습니다.

이러한 어레이에서는 고급 시퀀서가 필요한 주파수 단계를 통해 각 채널을 순환하도록 사전 프로그래밍되어 있습니다. 하나의 IC가 전송하는 동안 다음 IC는 준비 모드로 전환되어 IC 간에 빠르게 전환할 수 있습니다. 채널 간 스위칭 시간이 2nsec, 준비 상태에서 전송까지 걸리는 시간이 10nsec인 이 시스템은 약 20msec 만에 10GHz에서 40GHz까지 0.1GHz 단위로 스위핑할 수 있습니다.

스캔 시간을 더욱 단축하려면, 송신 IC를 세 그룹으로 나누어 각각 자체 PLL로 구동할 수 있습니다. ADAR2001의 각 그룹은 서로 다른 주파수를 전송할 수 있으므로, 한 번에 세 개의 주파수를 전송할 수 있습니다. 수신 측의 AD9083은 세 개의 주파수가 모두 ADC의 125MHz 아날로그 입력 대역폭 내에 있는 경우에 한해 세 개의 직각 DDC 채널마다 하나씩 한 번에 세 개의 주파수를 복조할 수 있습니다. 이 접근 방식은 전체 스캔 시간을 3배나 단축합니다.

결론

위에서 설명한 ADI의 mmWave 칩셋은 ADF4368 극초단파 합성기, ADAR2001 쿼드 송신기, ADAR2004 쿼드 수신기 및 AD9083 16채널 ADC를 통합합니다. 이들 IC는 동기화된 방식으로 작동하고 지능적인 온칩 에지 프로세싱을 제공함으로써 다운스트림 프로세싱을 줄이도록 설계되었습니다.

온칩 프로세싱은 중앙 프로세서에 이미 복조 및 데시메이션이 완료되어 AI 또는 기타 상위 수준의 처리를 위해 준비된 데이터를 제공합니다. 또한 통합 및 지능형 에지 조정을 통해 전체 스캔을 몇 분의 1초 만에 완료할 수 있어, 보안 공간에 들어오는 사람들이 멈추지 않고 스캔 영역을 통과할 수 있는 시스템을 구축하기 위한 기반을 마련할 수 있습니다.