RFSoC-Technologie für moderne Backend-Empfänger von Radioteleskopen | DigiKey

Wir treten in eine neue Ära der Multifrequenz-Astronomie ein, in der die gleichzeitige Beobachtung verschiedener Typen von Radiowellen unser Verständnis des Universums weit über das hinaus erweitert, was Einzelbeobachtungen erreichen könnten. So wie man ein Radio auf einen bestimmten Sender einstellt, können Radioastronomen ihre Teleskope so einstellen, dass sie Radiowellen von Millionen von Lichtjahren entfernten Quellen auffangen. Diese Teleskope können so eingestellt werden, dass sie ein breites Spektrum an Frequenzen beobachten, was den Wissenschaftlern ermöglicht, vielfältige Daten über kosmische Phänomene zu sammeln. Mithilfe fortschrittlicher Computeralgorithmen und hochentwickelter Signalverarbeitungstechniken können die Astronomen diese Signale entschlüsseln, um eine Vielzahl kosmischer Ereignisse und Strukturen zu untersuchen, darunter die Geburt und das Sterben von Sternen, die Entstehung und Entwicklung von Galaxien und die verschiedenen Arten von Materie, aus denen das Universum besteht.

Ein Radioteleskop ist ein spezialisiertes astronomisches Instrument zur Erkennung und Analyse von Hochfrequenzstrahlung in einem breiten Wellenlängenbereich, der von etwa 10 Metern (30 Megahertz [MHz]) bis 1 Millimeter (300 Gigahertz [GHz]) reicht. Diese Strahlung wird von verschiedenen extraterrestrischen Quellen wie Pulsaren, Sternen, Galaxien und Quasaren ausgesandt. Die Effektivität eines Radioteleskops bei der Erkennung schwacher Radioemissionen hängt von mehreren Schlüsselfaktoren ab: der Größe und Effizienz seiner Antenne, der Empfindlichkeit seines Empfängers für die Signalverstärkung und -erkennung und der Qualität seiner Datenverarbeitungsmöglichkeiten.

Moderne digitale Backend-Empfänger sind mit modernster Technologie ausgestattet, die die Klarheit und Detailgenauigkeit astronomischer Beobachtungen erheblich verbessert. Diese hochentwickelten Empfänger nutzen ausgefeilte Algorithmen und leistungsstarke Hardware, um große Datenmengen effizient zu verarbeiten, so dass die Astronomen bei ihren Untersuchungen eine noch nie dagewesene Präzision erreichen können.

Die wichtigste Komponente eines Radioteleskops ist der Empfänger. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die von der Antenne erfassten analogen Signale in eine digitale Form umzuwandeln, die für eine moderne Signalverarbeitung unerlässlich ist. Dieser Umwandlungsprozess umfasst mehrere kritische Aufgaben, darunter das Herausfiltern von Rauschen, die Verstärkung schwacher Signale und die präzise Digitalisierung der eingehenden Funkwellen. Darüber hinaus ist der digitale Backend-Empfänger für die Verwaltung der Highspeed-Datenübertragung verantwortlich und sorgt dafür, dass große Mengen an Beobachtungsdaten schnell und genau verarbeitet und analysiert werden können.

Durch eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses und eine feinere Auflösung ermöglichen sie es den Forschern, tiefer in die komplizierten Details kosmischer Phänomene einzudringen. Die Integration dieser fortschrittlichen digitalen Backend-Empfänger in Radioteleskope hat den Bereich der Radioastronomie revolutioniert. Dieser technologische Sprung hat neue Wege für Forschung und Entdeckung eröffnet und tiefe Einblicke in den Kosmos und seine unzähligen Phänomene ermöglicht. Die erweiterten Möglichkeiten moderner Radioteleskope ermöglichen die Untersuchung schwacher und weit entfernter Objekte, die Entdeckung subtiler kosmischer Signale und die Erforschung der grundlegenden Prozesse des Universums.

Abbildung 1: Radioteleskope haben das Feld der Radioastronomie revolutioniert. (Bildquelle: iWave)

In dem Maße, wie wir diese Instrumente weiter verfeinern und innovative Techniken entwickeln, wird das Potenzial für bahnbrechende Entdeckungen in der Astronomie zwangsläufig steigen. Die ständigen Fortschritte in der digitalen Backend-Technologie werden es den Astronomen ermöglichen, die Geheimnisse des Universums zu lüften, von der Entstehung von Galaxien und dem Lebenszyklus von Sternen bis hin zu den Eigenschaften der dunklen Materie und der Natur der kosmischen Inflation. Die Zukunft der Radioastronomie bietet aufregende Möglichkeiten, die durch das unermüdliche Streben nach Wissen und die kontinuierliche Verbesserung unserer Beobachtungsinstrumente vorangetrieben werden.

Das SoM (System on Module) iW-RainboW-G42M (Abbildung 2) integriert den ZU49DR und ist mit dem ZU39 und ZU29 kompatibel. Dieses SoM umfasst ein vielseitiges Verarbeitungssystem mit einem FPGA, einem Arm-Cortex-A53-Prozessor und einem Echtzeit-Dual-Core-Arm-Cortex-R5 sowie Highspeed-ADC- und -DAC-Kanälen, die eine nahtlose Erfassung, Verarbeitung und Reaktion auf HF-Signale ermöglichen. Es ist mit 8 GB 64-Bit-DDR4-RAM mit Fehlerkorrekturcode für das Verarbeitungssystem und weiteren 8 GB 64-Bit-DDR4-RAM für die programmierbare Logik ausgestattet. Das RFSoC-SoM zeichnet sich durch seine branchenweit führende Anzahl von HF-Kanälen aus und bietet 16-kanalige HF-DACs für 10 GS/s und 16-kanalige HF-ADCs für 2,5 GS/s.

Abbildung 2: Das SoM iW-RainboW-G42M enthält ein FPGA, einen Arm-Cortex-A53-Prozessor und einen Echtzeit-Dual-Core-Arm-Cortex-R5. (Bildquelle: iWave)

Dieses SoM enthält eine integrierte, extrem rauscharme, programmierbare HF-PLL, die die SoM-Nutzung in Endprodukten optimiert und Probleme im Zusammenhang mit einer komplizierten Taktungsarchitektur beseitigt. Durch diese Integration wird die Signalverarbeitungsbandbreite des Systems in der gesamten HF-Signalkette verstärkt, wodurch die SyncE- und PTP-Netzwerksynchronisation verbessert und optimale Synchronisationspegel gewährleistet werden. Dieses Modul nutzt den RFSoC-Gen3-Baustein Zynq UltraScale+ von AMD und eignet sich ideal für HF-Systeme, die einen kompakten Footprint, einen geringen Stromverbrauch und Echtzeitverarbeitungsfunktionen erfordern. Es dient als Einstiegslösung für Kunden, die ihre Design-Architektur optimieren, den Einsatz astronomischer digitaler Backends für Radioteleskope beschleunigen und den Stromverbrauch der Geräte sowie die Hardware-Entwicklungskosten minimieren möchten.

iWave stellt eine innovative RFSoC-PCIe-ADC/DAC-Datenerfassungskarte (Abbildung 3) vor, die auf dem RFSoC-SoM G42M Zynq UltraScale+ basiert. Die Karte verfügt über eine PCIe-Gen3-x8-Host-Schnittstelle mit 3/4 Länge, die sie mit dem Computer/Server verbindet. Dank modernster HF- und Signalintegritäts-Designmethoden gewährleistet diese Karte Highspeed-Verbindungen. Ihre Anpassungsfähigkeit ermöglicht die nahtlose Integration in verschiedene Anwendungen und stellt eine vielseitige Lösung für den Einsatz vor Ort dar.

Abbildung 3: Die Karte iW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIA von iWave verfügt über ein PCIe-Gen3-x8-Host-Schnittstelle mit 3/4 Länge, die sie mit dem Computer/Server verbindet. (Bildquelle: iWave)

Als Ergänzung zu den On-Chip-Ressourcen des RFSoC bietet die RFSoC-ADC/DAC-PCIe-Karte von iWave:

• 16 ADC-Kanäle
  • 4 rechtwinklige SMA-Anschlüsse an der Frontplatte mit Symmetrierglied (BW- für 800 MHz bis 1 GHz)
  • 4 gerade SMA-Anschlüsse mit Symmetrierglied (BW- für 800 MHz - bis 1 GHz)
  • 4 gerade SMA-Anschlüsse mit Symmetrierglied (BW- für 700 MHz bis 1,6 GHz)
  • 4 gerade SMA-Anschlüsse mit Symmetrierglied (BW- für 10 MHz - bis 3 GHz)
• 16 DAC-Kanäle
  • 4 rechtwinklige SMA-Anschlüsse an der Frontplatte mit Symmetrierglied (BW- für 800 MHz - bis 1 GHz)
  • 4 gerade SMA-Anschlüsse mit Symmetrierglied (BW- für 800 MHz bis 1 GHz)
  • 4 gerade SMA-Anschlüsse mit Symmetrierglied (BW- für 700 MHz bis 1,6 GHz)
  • 4 gerade SMA-Anschlüsse mit Symmetrierglied (BW- für 10 MHz bis 3 GHz)
• NVMe-PCIe-Gen2-x2/x4-M.2-Anschluss
• FMC+-HSPC-Anschluss

Sowohl das SoM als auch die PCIe-Karte sind marktreif, komplett mit umfassender Dokumentation, Softwaretreibern und einem Board-Support-Paket. das iWave-Produktlebensdauerprogramm stellt sicher, dass die Module über einen längeren Zeitraum (10 Jahre und mehr) verfügbar sind.

Zusammenfassung

Die Weiterentwicklung der digitalen Backend-Technologie von Radioteleskopen wird den Astronomen helfen, die Geheimnisse des Universums zu lüften, und die iWave-Komponenten werden dabei helfen. Vom SoM iW-RainboW-G42M bis zur PCIe-Karte iW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIA unterstützt iWave die Entwickler von Radioteleskopen bei der Verbesserung ihrer digitalen Backends.