RFSoCテクノロジーによる電波望遠鏡デジタル・バックエンド・レシーバーの再定義

異なるタイプの電波を観測する機器を併用することで、個々では不可能なほど多くのことを明らかにする、マルチ周波数天文学の新時代が到来している。ラジオを特定の放送局に合わせるのと同じように、電波天文学者は地球から何百万光年も離れた電波を拾うために望遠鏡を調整することができる。高度なコンピューター・プログラミングを使って、電波を解明し、星の誕生と死、銀河の形成、宇宙のさまざまな物質について研究することができる。

電波望遠鏡は、パルサー、恒星、銀河、クエーサーなどの地球外天体から放射される波長約10メートル（30メガヘルツ[MHz]）から1ミリメートル（300ギガヘルツ[GHz]）の間の電波を検出し、研究するために設計された特殊な天文機器です。微弱な電波を検出するには、アンテナのサイズと効率、信号増幅と検出のためのレシーバーの感度に依存します。デジタルバックエンドレシーバーは、デジタル化、信号処理、高速データ伝送を担う、電波望遠鏡システムの重要なコンポーネントである。

電波望遠鏡には通常、3つの基本的な構成要素がある。
1. 電波を集めるために空に向けられた1つ以上のアンテナ
2.微弱な電波を測定可能なレベルまで増幅する受信機と増幅器
3.信号を記録するレコーダー

RFSoC電波望遠鏡のためのビルディングブロック

RFSoCは、RFデータ・コンバータ、プログラマブル・ロジック、マイクロコントローラを統合し、リアルタイム信号処理、デジタル化、高速インターフェース、ソフトウェア制御など、電波天文バックエンドに不可欠な機能を提供します。この高度に統合された電力効率に優れたRFSoCは、天文バックエンドシステムの設計を合理化し、アーキテクチャを簡素化してハードウェア開発コストを削減します。

Zynq UltraScale+ RFSoCは、高性能なアナログ/デジタル変換、リアルタイム信号処理機能、広範な帯域幅を備えており、電波望遠鏡のバックエンド受信機の設計に理想的なソリューションです。

1.高速アナログ・デジタル変換（ADC）
RFSoCには、無線信号を高精度で高速にデジタル化できる高速ADCが統合されています。

2. リアルタイム信号処理
RFSoC内にFPGAとARMプロセッサを統合することで、電波信号のリアルタイム処理が可能になります。この機能は電波天文学において非常に貴重であり、天体データの迅速な分析や、高速電波バーストやパルサー放射などの過渡現象の検出を可能にします。

3.汎用性と適応性
FPGAはリコンフィギュレーションが可能なことで知られています。電波天文学では、微弱信号の検出、パルサーの探索、干渉の緩和など、さまざまなアルゴリズムを実装することがよくあります。

4. Energy Efficiency
Radio telescopes are often located in remote or off-grid areas to minimize interference from human-generated radio signals. The energy-efficient design of the RFSoC is crucial for maintaining these observatories and ensuring their uninterrupted operation.

5. High-Speed Data Transfer
The inclusion of high-speed serial transceivers facilitates the efficient transfer of large datasets from radio telescopes to data processing facilities. This is essential for interferometry applications and the creation of high-resolution images using data from multiple telescopes.

RFSoCベースのバックエンド設計

高忠実度の観測データを確保し、多様な科学的目標を達成するために、ZU49DR Zynq UltraScale+ RFSoC開発ボードのような最先端技術を使用して、多機能デジタルバックエンドを設計することができます。この高度なシステムは、レシーバーのフロントエンドでRF信号を直接サンプリングし、柔軟な処理モードを提供します。このアプローチにより、送信中の環境要因による信号の利得と位相の変動を効果的に緩和します。

下図は、電波望遠鏡バックエンドシステムの概要を示したもので、RFSoC、CPU、GPUコンポーネントを組み込んだヘテロジニアスアーキテクチャで構築されている。このシステムには、信号取得と前処理ブロック、多機能ポスト処理ブロック、レコーダー/ストレージが含まれる。

デジタル・バックエンド・レシーバーのブロック図

信号収集と前処理ユニットには、12ビット精度の高速2.5GSPS ADCを内蔵した高性能、低消費電力のRFSoC技術が利用されている。RFマルチプレクサは、さまざまなレシーバからの信号を切り替え、最大同時帯域幅14 GHzの全パスバンドをカバーします。また、受信した信号を保持するローカル・ストレージ機能も備えており、必要に応じて後処理ユニットに転送してさらに処理することができる。

多機能ポスト処理ユニットは、100GbEデータ交換ネットワークを介して高速デジタル信号を受信する。パルサー、スペクトル線、連続体、ベースバンドモードなどの信号処理モードの選択とロードが可能。このシステムは、観測された電磁環境に合わせた無線周波干渉（RFI）緩和オプションを提供する。このユニットは複数の高性能コンピュータ（HPC）ノードで構成され、信号処理の帯域幅と複雑さに合わせてCPUとGPUの演算コアを動的に調整し、柔軟性と拡張性を確保している。処理された高速データはストレージにバッファリングされ、最大4GB/秒のレートでデータを扱うことができる。

RFデータ・コンバータはタイル状にレイアウトされ、各タイルには最大4つのRF-DACまたはRF-ADCが含まれる。RFSoCには複数のタイルがあり、各タイルにはブロック、クロック処理ロジック、分配配線も含まれる。このタイルとブロックの階層構造により、データ・コンバータの設計と実装が簡素化される。

iW-RainboW-G42Mシステム・オン・モジュールを使用した電波望遠鏡デジタル・バックエンドの設計：AMD Zynq UltraScale+ RFSoCを搭載

アイウェーブは、ZU49DR RFSoCを搭載した強力なシステム・オン・モジュールを設計しました。このシステム・オン・モジュールは、電波望遠鏡の設計を高速化し、豊富な機能を備えたRFSoCを活用することができます。RFSoC SoMは、10GSPSの16チャネルRF-DACと2.5GSPSの16チャネルRF-ADCを搭載し、業界最高のRFチャネル数を誇ります。

iW-RainboW-G42M System on Module features the ZU49DR and is compatible with the ZU39 and ZU29. The SoM offers a multi-element processing system, including an FPGA, Arm Cortex-A53 processor, and a real-time dual-core Arm Cortex-R5, and high-speed ADC & DAC channels, which makes it able to acquire, process, and act on RF signals. The RFSoC SoM offers onboard 8GB 64bit DDR4 RAM with an error correction code for the processing system and 8GB 64bit DDR4 RAM for programmable logic.

The integrated ultra-low noise programmable RF PLL simplifies the utilization of the SoM in the end product, eliminating concerns about complex clocking architecture. This integration also empowers the system with the highest signal processing bandwidth throughout the comprehensive RF signal chain. Furthermore, it boasts support for SyncE and PTP network synchronization, ensuring a high degree of synchronization.

このモジュールは、AMD Zynq UltraScale+ RFSoC Gen3デバイスを活用しており、省スペース、低消費電力、リアルタイム処理が求められるRFシステムへの導入に最適です。さらに、このSoMは、設計アーキテクチャを簡素化し、電波望遠鏡用の天文デジタル・バックエンドの実装プロセスを迅速化し、デバイスの消費電力とハードウェア開発コストを削減したい顧客向けのドロップイン・ソリューションを提供します。

iWaveは、G42M Zynq UltraScale+ RFSoC SoMで駆動する革新的なRFSoC PCIe ADC DACデータ収集カードも設計しました。ボード上の3/4長PCIe Gen3 x8ホスト・インターフェースは、RFSoC PCIeカードをコンピュータ/サーバーに接続します。

このカードは、高速接続性を確保するために、最先端のRFおよびシグナルインテグリティ設計技術を組み込んでいます。その適応性により、ユーザーはこの技術を特定のアプリケーションにシームレスに統合することができ、フィールド展開のための多目的なソリューションを提供します。

iWave RFSoC ADC DAC PCIeカードは、RFSoCのオンチップ・リソースを補完します、

16ADCチャンネル
- フロントパネルにバラン付きライトアングルSMAコネクター×4 (BW-800MHz-1GHz)
- バラン付きストレートSMAコネクター×4 (BW-800MHz-1GHz)
- バラン付きストレートSMAコネクター×4 (BW-700MHz-1.6GHz)
- バラン付きストレートSMAコネクター×4 (BW-10MHz-3GHz)
16 DACチャンネル
- フロントパネルにバラン付きライトアングルSMAコネクター×4 (BW-800MHz-1GHz)
- バラン付きストレートSMAコネクター×4 (BW-800MHz-1GHz)
- バラン付きストレートSMAコネクター×4 (BW-700MHz-1.6GHz)
- バラン付きストレートSMAコネクター×4 (BW-10MHz-3GHz)
NVMe PCIe Gen2 x2/x4 M.2コネクタ
FMC+ HSPCコネクタ