RFSoC 技術重新定義無線電望遠鏡數位後端接收器

我們正在進入一個多頻段天文學的新時代。在這個時代中，同時觀測不同類型的無線電波可增強我們對宇宙的理解，遠遠超出個別觀測所能收穫的成果。如同將收音機調到特定的電台一樣，無線電天文學家也可以調諧其望遠鏡，進而接收來自數百萬光年以外的無線電波。對這些望遠鏡進行調整以觀察各種頻率，以便科學家能收集有關宇宙現象的各種數據。利用先進的電腦演算法和精密的訊號處理技術，天文學家可以對這些訊號進行解碼，以研究各種宇宙事件和結構，其中包括恆星的誕生和毀滅、星系的形成和演變，以及構成宇宙的各種物質。

無線電望遠鏡是一種專門的天文學儀器，其功能旨在偵測及分析各種波長的射頻輻射，從 10 m (30 MHz) 到 1 mm (300 GHz)。這種輻射是由各種地球以外星源發射的，包括脈衝星、恆星、星系和類星體。無線電望遠鏡在檢測微弱無線電發射上的有效性，取決於幾個關鍵因素：天線的大小和效率、接收器對訊號放大和偵測的靈敏度，以及數據處理能力的品質。

現代數位後端接收器採用尖端技術，可顯著提高天文觀測的清晰度和細節。這些先進的接收器利用精密的演算法和高效能硬體，可以高效率處理大量資料，讓天文學家能夠在其研究中達到前所未有的精密度。

無線電望遠鏡系統的主要元件是接收器。其主要作用是將天線收集到的類比訊號轉換為數位形式，而這對於先進訊號處理非常重要。此轉換過程涉及多項關鍵任務，包括過濾雜訊、放大微弱訊號，以及精確地數位化傳入的無線電波。此外，數位後端接收器還負責管理高速數據傳輸，以確保能夠迅速、準確地處理及分析大量的觀測數據。

透過提高訊噪比及提供更精細的解析度，研究人員可以更深入詳細地瞭解錯綜複雜的宇宙現象。將這些先進的數位後端接收器整合至無線電望遠鏡，已然顛覆無線電天文學領域。這項技術的躍進為天文研究和探索開闢了全新途徑，為宇宙及其無數現象提供深度洞見。增強現代無線電望遠鏡的功能，使得人們能夠研究模糊而遙遠的物體、偵測細微的宇宙訊號，以及探索宇宙的基本進程。

圖 1：無線電望遠鏡已然顛覆無線電天文學領域。(圖片來源：iWave)

隨著我們持續逐步改進這些儀器並發展創新技術，天文學進行突破性探索的潛力必將提升。數位後端技術的不斷進步將進一步增強天文學家的能力，使他們能夠揭開從星系形成和恆星生命週期，到暗物質特性和宇宙膨脹性質等的宇宙奧祕。堅持不懈地追求知識，不斷完善改進我們的觀測工具，這些皆可成就無線電天文學的未來發展。

iW-RainboW-G42M 系統模組 (SoM) (圖 2) 整合 ZU49DR，並且可與 ZU39 和 ZU29 相容。此 SoM 包括一個多層面處理系統，其中包含了一個 FPGA、一個 Arm Cortex-A53 處理器和一個即時雙核心 Arm Cortex-R5，此外還有高速 ADC 和 DAC 通道，可對 RF 訊號無縫採集、處理和回應。此外，該模組還配有板載 8 GB 64 位元 DDR4 RAM，具有用於處理系統的錯誤修正碼，以及可編程邏輯專用的額外 8 GB 64 位元 DDR4 RAM。RFSoC SoM 以其業界領先的 RF 通道數脫穎而出，提供 16 通道 RF-DAC @ 10 GSPS 和 16 通道 RF-ADC @ 2.5 GSPS。

圖 2：iW-RainboW-G42M SoM 包含一個 FPGA、一個 Arm Cortex-A53 處理器和一個即時雙核心 Arm Cortex-R5。(圖片來源：iWave)

此 SoM 採用整合式超低雜訊可編程 RF PLL，可簡化終端產品中的 SoM 利用率，解決與複雜時脈處理架構相關的問題。這種整合放大整個 RF 訊號鏈中系統的訊號處理頻寬，增強 SyncE 和 PTP 網路的同步，並確保最佳同步層級。此模組利用 AMD Zynq UltraScale+ RFSoC Gen3 元件，非常適合用於需要緊湊覆蓋區、低功耗和即時處理能力的 RF 系統。若有客戶想要簡化設計架構，加速部署無線電望遠鏡的天文數位後端，以及將元件功耗和硬體開發成本降至最低，本產品會是一種立即可用的解決方案。

iWave 推出一款創新的 RFSoC PCIe ADC DAC 數據採集卡 (圖 3)，由 G42M Zynq UltraScale+ RFSoC SoM 提供支援。此卡具有一個 3/4 長度 PCIe Gen3 x8 主機介面，可將其連接至電腦／伺服器。此外，該卡還採用尖端的 RF 和訊號完整性設計方法，可確保進行高速連線。其適應性則可達成無縫整合至各種應用中，為現場部署提供一款多功能解決方案。

圖 3：iWave 的 iW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIA 卡具有一個 3/4 長度 PCIe Gen3 x8 主機介面，可將其連接至電腦／伺服器。(圖片來源：iWave)

iWave RFSoC ADC DAC PCIe 卡可增強 RFSoC 的晶片上資源，內含以下元件：

• 16 個 ADC 通道
  • 前面板上 4 個直角型 SMA 連接器 (含平衡不平衡轉換器) (BW- 800 MHz - 1 GHz)
  • 4 個直式 SMA 連接器 (含平衡不平衡轉換器) (BW- 800 MHz -– 1 GHz)
  • 4 個直式 SMA 連接器 (含平衡不平衡轉換器) (BW- 700 MHz - 1.6 GHz)
  • 4 個直式 SMA 連接器 (含平衡不平衡轉換器) (BW- 10 MHz -– 3 GHz)
• 16 個 DAC 通道
  • 前面板上 4 個直角型 SMA 連接器 (含平衡不平衡轉換器) (BW- 800 MHz -– 1 GHz)
  • 4 個直式 SMA 連接器 (含平衡不平衡轉換器) (BW- 800 MHz - 1 GHz)
  • 4 個直式 SMA 連接器 (含平衡不平衡轉換器) (BW- 700 MHz - 1.6 GHz)
  • 4 個直式 SMA 連接器 (含平衡不平衡轉換器) (BW- 10 MHz - 3 GHz)
• NVMe PCIe Gen2 x2/x4 M.2 連接器
• FMC+ HSPC 連接器

SOM 和 PCIe 卡均已準備上市，隨附完整周詳的文件、軟體驅動程式和板支援套件。iWave 的產品壽命計畫確保模組可以長期使用 (10 年以上)。

結論

無線電望遠鏡數位後端技術的進步，將有助於天文學家揭開宇宙的奧祕，而 iWave 元件則可助其一臂之力。從 iW-RainboW-G42M SoM 到 iW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIA PCIe 卡，iWave 一直都在協助無線電望遠鏡設計人員增強其數位後端。