毫米波掃瞄儀優於傳統金屬探測器的原因，在於其能辨識與定位出包括金屬與非金屬材質的威脅性物品。基於毫米波成像硬體元件的工作原理，晶片組有助於運用邊緣處理能力來管理龐大的資料負載，協助客戶開發人行安檢掃瞄系統。
在機場、公共建築以及體育場館運行的安檢掃瞄系統中，毫米波(mmWave)成像已成為相關設備的重要元件。毫米波掃瞄儀優於傳統金屬探測器的原因，在於其能辨識與定位出包括金屬與非金屬材質的威脅性物品。本文將說明毫米波成像硬體元件的工作原理，並說明晶片組如何運用邊緣處理能力來管理龐大的資料負載，協助客戶開發人行安檢掃瞄系統。
毫米波成像工作原理
圖1是毫米波掃瞄儀的工作方式，系統中包含發送器與接收器組成的陣列，對外則連接到採空間分散設置的天線陣列。這個系統的功能相當於用來量測回波損耗或S11參數的網路分析儀。在任何時間，陣列中的一個天線以單一頻率發射低功率訊號。訊號從目標反射回來並產生回波散，圖1中可看到回波是從目標的單一點反射回來，但實務上由於發射訊號是全方向性，因此回波會從目標上的多個位置點反射回來。
回波散射的相位與振幅，由陣列中的所有接收天線量測。傳送與接收天線之間可進行極化，藉此減少從發射端傳出的訊號沒有抵達目標物，就直接洩露到接收端的狀況。完成量測之後，相同的訊號會再從另一個發射天線傳送出去(在相同頻率工作)，完成之後再重複量測程序。
由於射頻訊號的穿透深度以及回波的反射性質都會隨著頻率而變化，因此上述的掃瞄程序通常是在一個寬廣頻段上挑選多個頻率重複進行。之後產出的向量矩陣會構成一個多維陣列(對比頻率與空間位置)，系統會以其描繪出一張圖像，用來辨識出被隱藏在衣物下的金屬與非金屬物體。
完成如此的掃瞄需要用到支援寬廣工作頻率範圍的多頻道硬體元件。10~40 GHz的頻率範圍就足以在典型安全掃瞄情境中分辨物體，包括衣物、背包、武器、爆裂物等。擁有更高頻道數的系統會有更高的解析度，使其能辨識出小的物體。例如機場的掃瞄儀必須精準到足以偵測出刮鬍刀片這類的極小物體，而公共建築與體育場館的掃瞄儀則較注重能夠偵測到武器或爆裂物等體積較大的物體，在這些應用中，通常會採用較少的頻道數。
這些系統的另一個關鍵元素就是快速切換時間。這項特性讓掃瞄系統在運行時，被掃瞄的人只需停止動作一小段時間(通常是1秒或更短)。新一代的人行安檢掃瞄系統需要更快的切換時間，讓人員完全不必停下腳步或暫停動作。
圖2說明毫米波成像晶片組，如何用來實作出完整的毫米波掃瞄儀。發送器陣列由一個敏捷頻率的中央訊源來驅動，而接收器陣列則負責偵測反射訊號，並將其降頻轉換成低中頻，然後在低中頻狀態下由一個多通道連續時間Σ-Δ(CTSD)轉換器進行採樣。
發送器
如上所述，發送器包含一個大通道數的空間分散天線，每個天線由一個功率放大器驅動。產品如ADAR2001是四通道發送器，直接連到天線，其輸出頻率範圍為10~40 GHz(圖3)。由於要在一個大型天線陣列中分發10~40 GHz訊號涉及諸多困難，因此這裡採用四倍倍頻器(4× Multiplier)。因此在傳送器IC之前的所有管道調配(Plumbing)與訊號分發都是在2.5~10 GHz頻率範圍內進行。。
每個通道的射頻輸出功率是用個別晶片內建射頻偵測器進行監視。晶粒溫度也可用晶片內建溫度感測器加以監視。這些感測器的訊號會送入一個5:1類比多工器(Multiplexer)，該元件會將系統要的訊號傳送到晶片內建8位元類比數位轉換器。
產品如ADF4368 PLL/VCO為傳送器網路提供刺激訊號，其輸出的訊號會再根據傳輸通道的數量分成多份。此產品具備+9 dBm的相對高輸出功率以及發送器的最低輸入門檻(–20 dBm)，可確保在需要放大器緩衝之前，其輸出訊號可進行多次的被動分路(Passively Split)。
接收器
發送出的回波由接收器拾取，接收器是由多通道混頻器的陣列和類比數位轉換器所組成。產品如ADAR2004為四通道混頻器，以及具有數位程式化增益放大器(DGA)的ADC驅動器。本地振盪器輸入端亦有一個內部4×倍頻器，由第二鎖相迴路驅動，PLL的輸出頻率會與無線電頻率有偏移，讓混頻器能產生實部中頻(IF)輸出。混頻器的中頻輸出會由ADC轉換器進行採樣，該轉換器是整合數位降頻轉換器的16通道連續時間Σ-Δ ADC轉換器。
這裡選用中頻採樣架構取代零中頻架構，以避免接收器的LO洩露造成的DC偏移，以及LO的正交分配器內出現不完美的正交平衡，導致的實部/虛部(I/Q)誤差。雖然這些不完美狀況可以透過校正來緩解，但由於LO洩露與正交誤差通常會隨著頻率而變化，因此必須對每個輸入頻率進行校正。
圖4是四通道混頻器的模組圖，LO輸入是由一個2.5~10 GHz的正弦波驅動，在倍頻器的輸出端產生10~40 GHz的訊號。倍頻器的輸出會饋送到四個混頻器，混頻器的中頻輸出的增益可以程式化。產品如ADAR2004和ADAR2001發送器，一樣也具有兩個可編程的晶片內狀態機。
多通道ADC
圖5是16通道CTSD ADC轉換器的模組圖。ADC的輸入設計成擁有和混頻器中頻輸出相同的共模電壓。這讓混頻器的輸出和ADC的輸入能直接相連。沒有AC耦合電容可確保混頻器的輸出突然切換時(像是混頻器的輸入端出現頻率步進時)，不會有充電/放電瞬態。
運用一階CTSD ADC架構搭配整合單極濾波器可省掉外部濾波元件，藉此節省電路板空間。此外此種架構亦促成相較於奈斯奎特採樣率轉換器更為快速的訊號穩定時間，奈斯奎特採樣率轉換器需要高選擇性的抗混疊濾波器來消除雜訊混疊。快速穩定時間是此項應用的關鍵要求，因為ADC穩定時間必須跟上傳輸端的快速通道切換腳步。
每個ADC轉換器有一個訊號處理單元(Tile)，負責對Sigma-delta ADC濾除經過整形(Shaped)的帶外雜訊，以及降低採樣率。每個單元含有一個串聯積分梳狀(CIC)濾波器、含有多個有限脈衝響應(FIR)抽樣濾波器(J倍數抽樣)的正交數位降頻轉換器(DDC)，或最多三個正交DDC通道結合用於數據流閘控的平均化抽樣濾波器。三個正交DDC通道能同時對最多3個頻率進行解調，這樣的配置將會大幅加快掃瞄時間。
毫米波掃瞄儀更智慧 邊緣運算助力影像管理(1)
