Realizzare radio definite dal software di prossima generazione con i System-on-Module RFSoC

Una radio definita dal software (SDR) sono una delle trasformazioni più significative nel campo delle comunicazioni wireless. A differenza delle radio tradizionali, che si affidano a circuiteria analogica fissa per il filtraggio, la miscelazione e la modulazione, le SDR trasferiscono gran parte dell'elaborazione al dominio digitale. Sostituendo le funzioni incentrate sull'hardware con algoritmi guidati dal software, le SDR raggiungono un livello di flessibilità senza pari, consentendo ai progettisti di aggiornare le funzioni, adattarsi a nuovi protocolli ed estendere il ciclo di vita del sistema senza riprogettare l'hardware.

Questa capacità di riconfigurazione al volo rende le SDR indispensabili in un ampio spettro di applicazioni, dai sistemi di difesa e aerospaziali alle infrastrutture 5G, alle comunicazioni satellitari e alle apparecchiature elettroniche di test.

Come si differenzia una SDR dai sistemi radio tradizionali

In un ricevitore RF tradizionale, i componenti analogici gestiscono la maggior parte del carico di lavoro: i mixer convertono i segnali in ingresso, i filtri modellano lo spettro e i modulatori o demodulatori recuperano le informazioni. Questa catena analogica può essere poco flessibile e soggetta al rumore, richiedendo una riprogettazione per ogni nuova banda di frequenza o standard.

Al contrario, una SDR riduce il front-end analogico al minimo indispensabile, tipicamente solo all'antenna e un circuito front-end RF di base (Figura 1). Una volta che la forma d'onda in ingresso viene digitalizzata da un convertitore analogico/digitale (ADC), il lavoro pesante viene svolto dal software. La modulazione, la demodulazione, il filtraggio del canale, la correzione degli errori e la decodifica avvengono in modo digitale. Allo stesso modo, per la trasmissione, un convertitore digitale/analogico (DAC) trasforma i dati elaborati in segnali RF, sempre controllati da routine software.

Figura 1: I processi SDR di base. (Immagine per gentile concessione di iWave Global)

Questo nuovo paradigma si rivela estremamente agile: lo stesso hardware radio può supportare il Wi-Fi oggi, una banda 5G domani e comunicazioni tattiche sicure il giorno dopo, il tutto con un aggiornamento del software.

RFSoC: una piattaforma ideale per le SDR

La realizzazione di una SDR ad alte prestazioni richiede convertitori ultraveloci, una potente architettura di elaborazione e percorsi di dati a bassa latenza. La famiglia di RFSoC Zynq™ UltraScale+™ di AMD soddisfa queste esigenze integrando:

• ADC e DAC RF multi-gigacampioni
• Logica programmabile FPGA per DSP in tempo reale
• Processori ARM® embedded per il controllo software
• Interfacce di memoria e ricetrasmissione ad alta velocità

Consolidando in un unico dispositivo ciò che prima richiedeva più chip discreti, un RFSoC semplifica notevolmente la progettazione delle schede. Questa integrazione riduce il consumo energetico e la latenza e migliora l'integrità del segnale. Per le applicazioni RF in tempo reale, in cui la precisione di temporizzazione e le prestazioni non sono negoziabili, un RFSoC offre una soluzione monolitica con una latenza ultrabassa e una sincronizzazione precisa.

La potenza del campionamento diretto in radiofrequenza

Uno dei vantaggi che contraddistinguono l'RFSoC è la sua capacità di supportare frequenze di campionamento nell'ordine dei multi-gigacampioni. Gli ADC RF sono in grado di acquisire i segnali direttamente a frequenze RF, mentre i DAC RF possono generare uscite a banda estremamente larga, entrambi senza ricorrere a stadi intermedi di conversione di frequenza in discesa.

Ciò porta a un'architettura radio "quasi completamente digitale", in cui standard come Wi-Fi a 2,4 GHz, 5G New Radio intorno ai 3,5 GHz e le bande cellulari da 800 MHz a 1,8 GHz possono essere digitalizzati ed elaborati direttamente. Per contro, molte piattaforme SDR di serie sono limitate a frequenze di campionamento di poche decine o centinaia di MHz, il che le rende dipendenti da mixer analogici per convertire i segnali a una frequenza intermedia.

Eliminando questi stadi analogici, le SDR basate su RFSoC hanno una maggiore fedeltà, una minore latenza e un design più compatto (Figura 2).

Figura 2: Confronto tra una soluzione RFSoC SDR a singolo chip e alternative multi-chip. (Immagine per gentile concessione di Software-Defined Radio with Zynq® UltraScale+™ RFSoC)

Architetture SDR a confronto: chip singolo o multi-chip

I vantaggi dell'integrazione RFSoC si fanno evidenti se confrontati con le architetture SDR convenzionali (Tabella 1).

Tabella 1: Confronto tra soluzioni RFSoC e SDR convenzionali.

Con ADC, DAC, logica FPGA e processori in un'unica unità, un RFSoC evita le insidie della comunicazione tra chip. Per gli sviluppatori, questo si traduce in cicli di progettazione più brevi, costi inferiori e prestazioni finali superiori.

Perché scegliere un System-on-Module per le SDR RFSoC?

Sebbene l'RFSoC sia di per sé altamente integrato, progettarlo per l'integrazione in una scheda personalizzata può essere scoraggiante. Il sequenziamento della potenza, la distribuzione di segnali di clock e il layout multi-gigabit richiedono competenze avanzate. Un System-on-Module (SoM) offre una soluzione pratica.

Fornendo un modulo compatto e preconvalidato che ospita l'RFSoC, la memoria, la gestione dell'alimentazione e le interfacce ad alta velocità, i SoM consentono agli ingegneri di:

• Accelerare la prototipazione e ridurre al minimo il rischio di progettazione
• Concentrarsi sull'innovazione specifica per l'applicazione piuttosto che sull'integrazione della scheda di base
• Realizzare progetti compatti e ottimizzati dal punto di vista SWaP (dimensioni, peso e potenza) adatti al settore aerospaziale e della difesa
• Affidarsi sulla disponibilità a lungo termine e su una qualità ideale per la produzione

Le schede di supporto possono essere adattate a ogni caso d'uso mentre il SoM rimane invariato, consentendo ai team di riutilizzare la proprietà intellettuale (IP) e di ridurre il costo totale di sviluppo.

Figura 3: Scheda di supporto di iWave per SDR RFSoC. (Immagine per gentile concessione di iWave)

Il portafoglio di System-on-Module RFSoC di iWave

iWave offre una serie completa di SoM RFSoC e piattaforme di valutazione, tutti messi a punto per applicazioni SDR e RF ad alte prestazioni:

• iG-G42M – SoM RFSoC ZU49/ZU39/ZU29DR
  • Offre 16 ADC (2,5 Gsps) e 16 DAC (10 Gsps).
• iG-G42P - Scheda PCIe RFSoC (ZU49/ZU39/ZU29DR)
  • Connettività PCIe Gen3, storage NVMe, I/O SMA ed espansione FMC+.
• iG-G60M - SoM RFSoC ZU48/47/43/28/27/25DR
  • ADC/DAC fino a 8 canali (5 Gsps / 9,85 Gsps).
• iG-G60V (disponibile a breve) - Modulo plug-in RFSoC ADC/DAC 3U VPX
  • Fattore di forma rinforzato per il settore aerospaziale e della difesa.

Figura 4: SoM RFSoC di iWave. (Immagine per gentile concessione di iWave)

Questi moduli sono supportati da robusti stack software che includono BSP Linux, supporto JESD204B/C, pipeline GStreamer e applicazioni di riferimento, che garantiscono un percorso diretto dalla prototipazione alla produzione.

Impatto nel mondo reale delle SDR RFSoC

La combinazione di campionamento RF diretto, elaborazione digitale integrata e implementazione a livello di modulo si traduce in sistemi SDR:

• Altamente flessibili: configurabili per più standard wireless
• Compatti ed efficienti: ottimizzati per piattaforme sensibili ai criteri SWaP
• Ad alta fedeltà: con un deterioramento minimo del segnale
• Scalabili: dai prototipi di laboratorio alle infrastrutture di difesa e di telecomunicazione

Che si tratti di sistemi aerei senza equipaggio per la sorveglianza in tempo reale, di stazioni base 5G che supportano l'allocazione dinamica dello spettro o di apparecchiature di test portatili che analizzano i segnali a banda larga, le SDR RFSoC consentono di realizzare soluzioni che un tempo erano impossibili con progetti discreti.

Conclusione

La radio definita dal software sta ridefinendo le comunicazioni wireless rendendo le radio più flessibili, aggiornabili e pronte per il futuro. L'RFSoC Zynq UltraScale+ di AMD dà vita a questo concetto ammassando convertitori, tessuto FPGA e processori in un unico die di silicio. L'accoppiamento di un RFSoC con un System-on-Module accelera il time-to-market, riduce i rischi e porta a un'affidabilità di livello produttivo.

Con oltre 25 anni di esperienza in FPGA e sistemi embedded, iWave offre SoM RFSoC e servizi ODM che bilanciano prestazioni, costi e supporto a lungo termine.

Per scoprire come utilizzare il portafoglio RFSoC di iWave per accelerare i vostri progetti SDR, contattateci all'indirizzo mktg@iwave-global.com.