RFSoC技术将重新定义射电望远镜数字后端接收器

作者： Tawfeeq Ahmad

我们正在进入一个多频天文学的新时代，在这个时代，同时观测不同类型的无线电波增进了我们对宇宙的理解，其效果远超观测单一类型的无线电波所能达到的效果。就像把收音机调到特定的电台一样，射电天文学家可以调整望远镜，使其能够接收来自数百万光年之外的无线电波。这些望远镜可以调整为观测各种频率，从而让科学家们能够收集有关宇宙现象的各种数据。利用先进的计算机算法和尖端的信号处理技术，天文学家可以对这些信号进行解码，以用于研究各种宇宙事件和结构，包括恒星的诞生和死亡、星系的形成和演化，以及构成宇宙的各种物质。

射电望远镜是一种天文仪器，专门用于探测和分析从大约 10 米 (30 MHz) 到 1 毫米 (300 GHz) 的宽波长范围内的射频辐射。这种辐射由脉冲星、恒星、星系和类星体等各种地外辐射源发出。射电望远镜探测微弱无线电辐射的效果取决于几个关键因素：天线的尺寸和效率、用于信号放大和探测的接收器的灵敏度，以及数据处理质量。

现代数字后端接收器采用前沿技术，可显著提高天文观测的清晰度和细节。这些先进的接收器利用尖端算法和高性能硬件高效处理大量数据，使得天文学家的研究能够达到前所未有的精度。

射电望远镜系统的主要元器件是接收器。接收器的主要作用是将天线收集到的模拟信号转换成数字形式，此过程对高级信号处理至关重要。这一转换过程涉及多项关键任务，包括滤除噪声、放大微弱信号以及将接收到的无线电波精确数字化。此外，数字后端接收器还负责管理高速数据传输，确保能够快速、准确地处理和分析大量观测数据。

通过提高信噪比和提供更精细的分辨率，这些接收器可以让研究人员更深入地研究宇宙现象的复杂细节。这些先进的数字后端接收器集成到射电望远镜中，为射电天文学领域带来了彻底的变革。这一技术飞跃为研究和探索开辟了新的道路，能够提供关于宇宙及其无数现象的深刻见解。现代射电望远镜的功能也得到了增强，现在能够研究微弱和遥远的天体，探测微弱的宇宙信号，探索宇宙的基本过程。

图 1：射电望远镜彻底改变了射电天文学领域。（图片来源：iWave）

随着我们不断改进这些仪器和开发创新技术，天文学领域取得突破性发现的可能性必将越来越高。数字后端技术的不断进步将进一步增强天文学家揭开宇宙奥秘的能力，从星系的形成和恒星的生命周期，到暗物质的性质以及宇宙膨胀的本质。在不懈追求知识和不断改进观测工具的推动下，射电天文学的未来充满了令人兴奋的可能性。

iW-RainboW-G42M 系统级模块 (SoM)（图 2）集成了 ZU49DR 并与 ZU39 和 ZU29 兼容。该 SoM 由一个多元处理系统组成，包含一个 FPGA、一个 Arm Cortex-A53 处理器和一个实时双核 Arm Cortex-R5，以及高速 ADC 和 DAC 通道，能够无缝采集、处理和响应射频信号。其配备板载 8 GB 64 位 DDR4 RAM，具有用于处理系统的纠错码，另有专用于可编程逻辑的 8 GB 64 位 DDR4 RAM。RFSoC SoM 凭借其业界领先的射频通道数从众多竞争对手中脱颖而出，该 SoM 提供 10 GSPS 的 16 通道 RF-DAC 和 2.5 GSPS 的 16 通道 RF-ADC。

图 2：iW-RainboW-G42M SoM 包含一个 FPGA、一个 Arm Cortex-A53 处理器和一个实时双核 Arm Cortex-R5。（图片来源：iWave）

该 SoM 加入了集成超低噪声可编程射频 PLL，简化了 SoM 在最终产品中的使用方式，解决了与复杂时钟架构相关的各种问题。这样的集成可扩大整个射频信号链中的系统信号处理带宽，同时还能增强 SyncE 和 PTP 网络同步，确保达到最佳同步水平。采用 AMD Zynq UltraScale+ RFSoC Gen3 器件，该模块非常适合需要紧凑型封装、低功耗和实时处理能力的射频系统。对于希望简化设计架构、加快射电望远镜天文数字后端部署、最大限度降低器件功耗和硬件开发成本的客户来说，该模块还是一种即用型解决方案。

iWave 推出由 G42M Zynq UltraScale+ RFSoC SoM 提供支持的 RFSoC PCIe ADC DAC 数据采集卡（图 3）。该卡具有一个 3/4 长度的 PCIe Gen3 x8 主机接口，用于连接计算机/服务器。采用前沿射频和信号完整性设计方法，可确保高速连接。此外，该卡的适应性还能使其无缝集成到各种应用中，从而为现场部署提供通用的解决方案。

图 3：iWave 的 iW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIA 卡具有一个 3/4 长度的 PCIe Gen3 x8 主机接口，用于连接计算机/服务器。（图片来源：iWave）

iWave RFSoC ADC DAC PCIe 卡增强了 RFSoC 的片上资源，提供：

· 16 条 ADC 通道
        4 x 直角 SMA 连接器，位于前面板上，带平衡不平衡转换器 (BW- 800 MHz - 1 GHz)
        4 x 直式 SMA 连接器，带平衡不平衡转换器 (BW- 800 MHz -– 1 GHz)
        4 x 直式 SMA 连接器，带平衡不平衡转换器 (BW- 700 MHz - 1.6 GHz)
        4 x 直式 SMA 连接器，带平衡不平衡转换器 (BW- 10 MHz -– 3 GHz)
· 16 条 DAC 通道
        4 x 直角 SMA 连接器，位于前面板上，带平衡不平衡转换器 (BW- 800 MHz -– 1 GHz)
        4 x 直式 SMA 连接器，带平衡不平衡转换器 (BW -800 MHz - 1 GHz)
        4 x 直式 SMA 连接器，带平衡不平衡转换器 (BW -700 MHz - 1.6 GHz)
        4 x 直式 SMA 连接器，带平衡不平衡转换器 (BW -10 MHz - 3 GHz)
· NVMe PCIe Gen2 x2/x4 M.2 连接器
· FMC+ HSPC 连接器

该 SOM 和 PCIe 卡均为上市就绪产品，并配有全面的文档、软件驱动程序和板级支持包。iWave 的产品长寿命计划确保模块可长期使用（10 年以上）。

结语

射电望远镜数字后端技术的进步将帮助天文学家揭开宇宙的神秘面纱，iWave 的元器件将为他们提供一臂之力。借助 iW-RainboW-G42M SoM 和 iW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIA PCIe 卡，iWave 可帮助射电望远镜设计人员增强其数字后端。