Entwicklung von Software-definierten Funkgeräten der nächsten Generation mit RFSoC-Systemmodulen

Software-definiertes Radio (SDR) stellt eine der bedeutendsten Veränderungen im Bereich der drahtlosen Kommunikation dar. Im Gegensatz zu konventionellen Funkgeräten, die auf feste analoge Schaltungen für Filterung, Mischung und Modulation angewiesen sind, verlagern SDRs einen Großteil der Verarbeitung in den digitalen Bereich. Durch das Ersetzen von hardwarenahen Funktionen durch softwaregesteuerte Algorithmen gewinnen SDRs ein unübertroffenes Maß an Flexibilität, das es den Entwicklern ermöglicht, Funktionen aufzurüsten, an neue Protokolle anzupassen und die Lebensdauer des Systems zu verlängern, ohne die Hardware neu zu entwickeln.

Diese Fähigkeit der Neukonfiguration macht SDRs in einem breiten Spektrum von Anwendungen unverzichtbar, von Verteidigungssystemen und Luft- und Raumfahrt bis hin zu 5G-Infrastruktur, Satellitenkommunikation und elektronischen Testgeräten.

Wie sich SDR von herkömmlichen Funksystemen unterscheidet

In einem herkömmlichen HF-Empfänger übernehmen analoge Komponenten den größten Teil der Arbeit: Mischer wandeln die eingehenden Signale herunter, Filter formen das Spektrum, und Modulatoren oder Demodulatoren gewinnen Informationen zurück. Diese analoge Kette kann unflexibel und störanfällig sein und muss für jedes neue Frequenzband oder jeden neuen Standard neu entwickelt werden.

Im Gegensatz dazu reduziert ein SDR das analoge Frontend auf das absolute Minimum - in der Regel nur die Antenne und eine einfache HF-Frontend-Schaltung (Abbildung 1). Sobald die eingehende Wellenform durch einen Analog/Digital-Wandler (ADC) digitalisiert ist, wird die schwere Arbeit in der Software erledigt. Modulation, Demodulation, Kanalfilterung, Fehlerkorrektur und Dekodierung erfolgen alle digital. In ähnlicher Weise wandelt ein Digital/Analog-Wandler (DAC) die verarbeiteten Daten für die Übertragung wieder in HF-Signale um, auch hier gesteuert durch Software-Routinen.

Abbildung 1: Die grundlegenden SDR-Prozesse. (Bildquelle: iWave Global)

Dieser Wandel ermöglicht eine enorme Flexibilität: Dieselbe Funkhardware kann heute Wi-Fi, morgen ein 5G-Band und übermorgen eine sichere taktische Kommunikation unterstützen - und das alles mit einem Software-Update.

RFSoC: Eine ideale Plattform für SDR

Der Aufbau eines Hochleistungs-SDR erfordert ultraschnelle Wandler, eine leistungsstarke Verarbeitungsstruktur und Datenpfade mit geringer Latenz. Die Zynq™-UltraScale+™-RFSoC-Familie von AMD erfüllt diese Anforderungen durch Integration von:

• HF-ADCs und HF-DACs für mehrere Gigasamples pro Sekunde (GS/s)
• FPGA-programmierbare Logik für Echtzeit-DSP
• Eingebettete Arm®-Prozessoren für Software-Steuerung
• Highspeed-Speicher und Transceiver-Schnittstellen

Durch die Konsolidierung mehrerer diskreter Chips in einem einzigen Baustein vereinfacht RFSoC das Design von Boards erheblich. Diese Integration senkt den Stromverbrauch, verringert die Latenzzeit und verbessert die Signalintegrität. Für Echtzeit-HF-Anwendungen, bei denen Timing-Präzision und Leistung nicht verhandelbar sind, bietet RFSoC eine monolithische Lösung mit extrem niedriger Latenz und enger Synchronisation.

Die Vorteile der direkten HF-Abtastung

Einer der entscheidenden Vorteile von RFSoCs ist ihre Fähigkeit, Abtastraten im Bereich mehrerer GS/s zu unterstützen. Die HF-ADCs können Signale direkt bei HF-Frequenzen erfassen, während die HF-DACs extrem breitbandige Ausgänge erzeugen können - beide ohne zwischengeschaltete Abwärtswandlungsstufen.

Dies ermöglicht eine „fast vollständig digitale“ Funkarchitektur, in der Standards wie Wi-Fi bei 2,4 GHz, 5G New Radio um 3,5 GHz und Mobilfunkbänder von 800 MHz bis 1,8 GHz direkt digitalisiert und verarbeitet werden können. Im Gegensatz dazu sind viele handelsübliche SDR-Plattformen auf Abtastraten von einigen Dutzend oder Hunderten von MHz beschränkt, so dass sie auf analoge Mischer angewiesen sind, um Signale auf eine Zwischenfrequenz herunterzuschieben.

Durch den Wegfall dieser analogen Stufen erreichen RFSoC-basierte SDRs eine höhere Wiedergabetreue, geringere Latenzzeiten und ein kompakteres Design (Abbildung 2).

Abbildung 2: Vergleich einer Einzelchip-RFSoC-SDR-Lösung mit Multichip-Alternativen. (Bildquelle: Software-Defined Radio mit Zynq® UltraScale+™ RFSoC)

Vergleich von SDR-Architekturen: Einzelchip vs. Multichip

Die Vorteile der RFSoC-Integration werden im Vergleich zu herkömmlichen SDR-Architekturen deutlich (Tabelle 1).

Tabelle 1: Vergleich von RFSoC mit herkömmlichen SDR-Lösungen.

Da sich ADCs, DACs, FPGA-Logik und Prozessoren in einem Gehäuse befinden, vermeidet RFSoC die Fallstricke der Inter-Chip-Kommunikation. Für die Entwickler bedeutet dies kürzere Designzyklen, geringere Kosten und eine bessere Endperformance.

Warum ein Systemmodul für RFSoC-SDRs wählen?

Obwohl ein RFSoC selbst hoch integriert ist, kann die Entwicklung eines kundenspezifischen Boards dennoch entmutigend sein. Leistungssequenzierung, Taktverteilung und Multi-Gigabit-Layout erfordern fortgeschrittenes Know-how. Ein Systemmodul (SoM) bietet eine praktische Lösung.

Durch die Bereitstellung eines kompakten, vorvalidierten Moduls, das den RFSoC, den Speicher, die Energieverwaltung und die Highspeed-Schnittstellen enthält, ermöglichen SoMs Ingenieuren:

• Die Beschleunigung des Prototypings und die Minimierung des Designrisikos
• Konzentration auf anwendungsspezifische Innovationen
• Kompakte, SWaP-optimierte (Größe, Gewicht und Leistung) Designs für Luft- und Raumfahrt und Verteidigung
• Sich auf langfristige Verfügbarkeit und Qualität in Produktionsqualität verlassen zu können

Trägerplatinen können auf jeden Anwendungsfall zugeschnitten werden, während das SoM konstant bleibt, so dass Teams geistiges Eigentum (IP) wiederverwenden und die Gesamtentwicklungskosten senken können.

Abbildung 3: iWave-Trägerplatine für RFSoC-SDRs. (Bildquelle: iWave)

Portfolio an RFSoC-Systemmodulen von iWave

iWave bietet ein umfassendes Angebot an RFSoC-SoMs und Evaluierungsplattformen, die jeweils auf leistungsstarke SDR- und HF-Anwendungen abgestimmt sind:

• iG-G42M - RFSoC-SoM ZU49/ZU39/ZU29DR
  • Verfügt über 16 ADCs (2,5 GS/s) und 16 DACs (10 GS/s).
• iG-G42P - RFSoC-PCIe-Karte (ZU49/ZU39/ZU29DR)
  • PCIe-Gen3-Verbindung, NVMe-Speicher, SMA-I/O und FMC+-Erweiterung.
• iG-G60M - RFSoC-SoM ZU48/47/43/28/27/25DR
  • Bis zu 8-Kanal-ADC/DAC (5 GS/s / 9,85 GS/s).
• iG-G60V (demnächst verfügbar) - RFSoC, ADC/DAC, 3HE-VPX-Einsteckmodul
  • Robuster Formfaktor für Luft- und Raumfahrt und Verteidigung.

Abbildung 4: RFSoC-SoMs von iWave (Bildquelle: iWave)

Diese Module werden durch robuste Software-Stacks mit Linux-BSPs, JESD204B/C-Unterstützung, GStreamer-Pipelines und Referenzanwendungen unterstützt, die einen nahtlosen Übergang vom Prototyping zur Produktion gewährleisten.

Auswirkungen von RFSoC-SDRs in der realen Welt

Die Kombination aus direkter HF-Abtastung, integrierter digitaler Verarbeitung und Einsatz auf Modulebene führt zu SDR-Systemen, die es in sich haben:

• Äußerst flexibel - konfigurierbar für mehrere Funkstandards
• Kompakt und effizient - optimiert für SWaP-empfindliche Plattformen
• Hohe Wiedergabetreue - mit minimaler Signalverschlechterung
• Skalierbar - von Laborprototypen bis hin zur Bereitstellung von Verteidigungs- und Telekommunikationsinfrastrukturen

Ob in unbemannten Luftfahrtsystemen zur Echtzeitüberwachung, in 5G-Basisstationen zur Unterstützung der dynamischen Frequenzzuweisung oder in tragbaren Testgeräten zur Analyse von Breitbandsignalen - RFSoC-SDRs ermöglichen Lösungen, die früher mit diskreten Designs nicht realisierbar waren.

Fazit

Software-definiertes Radio verändert die drahtlose Kommunikation, indem es die Funkgeräte flexibler, aufrüstbar und zukunftssicher macht. Das Zynq-UltraScale+-RFSoC von AMD setzt dieses Konzept in die Tat um, indem es Wandler, FPGA-Struktur und Prozessoren auf einem Siliziumchip zusammenfasst. Die Kopplung von RFSoC mit einem Systemmodul ermöglicht eine schnellere Markteinführung, ein geringeres Risiko und eine produktionsgerechte Zuverlässigkeit.

Mit mehr als 25 Jahren Erfahrung in FPGAs und eingebetteten Systemen liefert iWave RFSoC-SoMs und ODM-Services, die ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Performance, Kosten und langfristigem Support bieten.

Um herauszufinden, wie das RFSoC-Portfolio von iWave Ihre SDR-Projekte beschleunigen kann, kontaktieren Sie uns bitte unter mktg@iwave-global.com.