La tecnologia RFSoC ridefinisce il concetto di radiotelescopia e dei ricevitori back-end digitali

Stiamo entrando in una nuova era dell'astronomia: l'indagine multifrequenza, in cui l'osservazione simultanea su un ampio spettro elettromagnetico migliora la nostra comprensione dell'universo ben oltre quanto potrebbero fare le singole osservazioni. Allo stesso modo in cui sintonizziamo la radio su una stazione specifica, i radioastronomi possono "sintonizzare" i loro telescopi per captare le onde radio provenienti da sorgenti distanti milioni di anni luce. Questi telescopi possono essere regolati per osservare un ampio campo di frequenze, consentendo agli scienziati di raccogliere molteplici dati sui fenomeni cosmici. Utilizzando algoritmi informatici avanzati e sofisticate tecniche di elaborazione dei segnali, gli astronomi possono decodificare i segnali captati per studiare una varietà di eventi e formazioni cosmiche, tra cui la nascita e la morte delle stelle, la formazione e l'evoluzione delle galassie e i diversi tipi di materia che compongono l'universo.

Un radiotelescopio è uno strumento per l'indagine astronomica specializzato progettato per rilevare e analizzare la radiazione a radiofrequenza su un ampio spettro elettromagnetico, da circa 10 metri (30 MHz) a 1 millimetro (300 GHz). Questa radiazione è emessa da varie sorgenti extraterrestri come pulsar, stelle, galassie e quasar. La capacità di un radiotelescopio di rilevare deboli emissioni radio dipende da diversi fattori chiave: le dimensioni e l'efficienza dell'antenna, la sensibilità del ricevitore per l'amplificazione e il rilevamento del segnale e la potenza di elaborazione dei dati.

I moderni ricevitori digitali di back-end incorporano una tecnologia all'avanguardia per migliorare significativamente la chiarezza e il dettaglio delle osservazioni astronomiche. Questi ricevitori avanzati utilizzano algoritmi sofisticati e hardware ad alte prestazioni per gestire in modo efficiente grandi volumi di dati, consentendo agli astronomi di ottenere una precisione senza precedenti.

Il componente principale di un sistema radiotelescopico è il ricevitore. Il suo ruolo fondamentale è quello di convertire i segnali analogici raccolti dall'antenna in forma digitale, essenziale per un'elaborazione avanzata. Questo processo di conversione comporta diversi compiti critici, tra cui il filtraggio del rumore, l'amplificazione dei segnali deboli e la digitalizzazione precisa delle onde radio in arrivo. Inoltre, il ricevitore digitale di back-end è responsabile della gestione della trasmissione dei dati ad alta velocità, assicurando che massicce quantità di dati possano essere elaborate e analizzate rapidamente e con precisione.

Migliorando il rapporto segnale/rumore e fornendo una risoluzione più fine, consentono ai ricercatori di approfondire gli intricati dettagli dei fenomeni cosmici. L'integrazione di questi ricevitori digitali avanzati nei radiotelescopi ha rivoluzionato il campo della radioastronomia. Questo balzo tecnologico ha aperto nuove strade per la ricerca e la scoperta, consentendo profonde intuizioni sul cosmo e sulla miriade di fenomeni che lo permea. Le maggiori capacità dei moderni radiotelescopi consentono di studiare oggetti distanti e dalle emissioni deboli, di rilevare sottili segnali cosmici e di indagare i processi fondamentali dell'universo.

Figura 1: I radiotelescopi hanno rivoluzionato il campo della radioastronomia. (Immagine per gentile concessione di iWave)

Grazie al continuo perfezionamento di questi strumenti e allo sviluppo di tecniche innovative, il potenziale di scoperte rivoluzionarie in astronomia è destinato ad aumentare. Gli incessanti progressi della tecnologia digitale di back-end permetteranno agli astronomi di scoprire i misteri dell'universo, dalla formazione delle galassie e il ciclo di vita delle stelle alle proprietà della materia oscura e la natura dell'inflazione cosmica, ovvero della sua espansione iniziale. Il futuro della radioastronomia ha in serbo possibilità entusiasmanti, guidate dall'incessante ricerca della conoscenza e dal continuo miglioramento degli strumenti di osservazione.

Il System-on-Module (SoM) iW-RainboW-G42M (Figura 2) integra il modulo ZU49DR ed è compatibile con i modelli ZU39 e lo ZU29. Questo SoM comprende un sistema di elaborazione multiforme che ospita una FPGA, un processore ARM Cortex-A53 e un ARN Cortex-R5 dual core in tempo reale, oltre a canali ADC e DAC ad alta velocità. Questo insieme di componenti consente l'acquisizione, l'elaborazione e la risposta ai segnali RF senza soluzione di continuità. È dotato di 8 GB di RAM DDR4 a 64 bit con codice di correzione degli errori per il sistema di elaborazione e di altri 8 GB di RAM DDR4 a 64 bit dedicati alla logica programmabile. Il SoM RFSoC si distingue per il numero di canali RF ineguagliato nel suo ambito, offrendo 16 canali RF-DAC a 10 GSPS e 16 canali RF-ADC a 2,5 Gsps.

Figura 2: Il SoM iW-RainboW-G42M ospita una FPGA, un processore ARM Cortex-A53 e un ARM Cortex-R5 dual core in tempo reale. (Immagine per gentile concessione di iWave)

Questo SoM incorpora un PLL RF programmabile a bassissimo rumore che ottimizza l'utilizzo del SoM nei prodotti finali, risolvendo i problemi legati a un'architettura di clock complessa. Questa integrazione amplifica la larghezza di banda di elaborazione dei segnali del sistema lungo tutta la catena di segnali RF, rafforzando la sincronizzazione della rete SyncE e PTP e garantendo livelli di sincronizzazione ottimali. Sfruttando il dispositivo AMD Zynq UltraScale+ RFSoC Gen3, questo modulo è ideale per i sistemi RF che richiedono un ingombro compatto, un basso consumo energetico e capacità di elaborazione in tempo reale. È una soluzione drop-in per i clienti che desiderano semplificare l'architettura del progetto, accelerare l'implementazione di back-end digitali astronomici per radiotelescopi e ridurre al minimo il consumo energetico e i costi di sviluppo dell'hardware.

iWave introduce l'innovativa scheda di acquisizione dati RFSoC PCIe ADC DAC (Figura 3), basata sul SoM RFSoC G42M Zynq UltraScale+. La scheda è dotata di un'interfaccia host PCIe Gen3 x8 a 3/4 di lunghezza che la collega al computer/server. Grazie alle metodologie di progettazione all'avanguardia in materia di RF e all'integrità del segnale, questa scheda garantisce una connettività ad alta velocità. La sua flessibilità offre una perfetta integrazione in varie applicazioni, ponendosi come una soluzione versatile per l'implementazione sul campo.

Figura 3: La scheda iW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIA di iWave dispone di un'interfaccia host a 3/4 di lunghezza PCIe Gen3 x8 per la connessione al computer/server. (Immagine per gentile concessione di iWave)

Migliorando le risorse su chip dell'RFSoC, la scheda RFSoC ADC DAC PCIe di iWave offre:

• 16 canali ADC
  • 4 connettori SMA ad angolo retto sul pannello frontale con balun (BW- 800 MHz ~ 1 GHz)
  • 4 connettori SMA diritti con balun (BW- 800 MHz -~ 1 GHz)
  • 4 connettori SMA diritti con balun (BW- 700 MHz ~ 1,6 GHz)
  • 4 connettori SMA diritti con balun (BW- 10 MHz -~ 3 GHz)
• 16 canali DAC
  • 4 connettori SMA ad angolo retto sul pannello frontale con balun (BW- 800 MHz -~ 1 GHz)
  • 4 connettori SMA diritti con balun (BW -800 MHz ~ 1 GHz)
  • 4 connettori SMA diritti con balun (BW -700 MHz ~ 1,6 GHz)
  • 4 connettori SMA diritti con balun (BW- 10 MHz ~ 3 GHz)
• Connettore NVMe PCIe Gen2 x2/x4 M.2
• Connettore FMC+ HSPC

Sia il SoM che la scheda PCIe sono pronti per la vendita, con documentazione completa, driver software e un pacchetto di supporto per la scheda. Il programma di longevità dei prodotti di iWave garantisce la disponibilità dei moduli per lunghi periodi (oltre 10 anni).

Conclusioni

I progressi della tecnologia di back-end digitale dei radiotelescopi aiuteranno gli astronomi a scoprire i misteri dell'universo e i componenti di iWave sono perfetti a tale scopo. Dal SoM iW-RainboW-G42M alla scheda PCIe iW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIA, iWave è in grado di assistere i progettisti di radiotelescopi nel potenziamento dei loro back-end digitali.