בניית רדיו מוגדר תוכנה של הדור-הבא עם מערכת-על-מודולים RFSoC‏

רדיו מוגדר-תוכנה (SDR) מייצג את אחד השינויים המשמעותיים ביותר בתחום התקשורת האלחוטית. בניגוד להתקני רדיו קונבנציונליים המסתמכים על מעגלים אנלוגיים קבועים עבור סינון, מיקסינג ומודולציה, ה-SDRs‏ מעבירים חלק ניכר מהעיבוד לדומיין הדיגיטלי. על ידי החלפת פונקציות המתמקדות בחומרה באלגוריתמים מונעי-תוכנה, SDRs‏ משיגים רמת גמישות ללא-תחרות, המאפשרת למתכננים לשדרג מאפיינים, להסתגל לפרוטוקולים חדשים ולהאריך את מחזורי חיי המערכת מבלי לתכנן-מחדש את החומרה.

יכולת זו להגדרה-מחדש תוך כדי תנועה הופכת את ה-SDRs לחיוניים במגוון רחב של יישומים, החל ממערכות הגנה-וביטחון ותעופה-וחלל ועד לתשתיות 5G, תקשורת לוויינית וציוד בדיקה אלקטרוני.

כיצד SDR שונה ממערכות רדיו מסורתיות

במקלט RF מסורתי, רכיבים אנלוגיים מטפלים ברוב עומס העבודה: מיקסרים ממירים-מטה אותות נכנסים, מסננים מעצבים את הספקטרום, ומודולטורים או דה-מודולטורים משחזרים מידע. שרשרת אנלוגית זו יכולה להיות לא-גמישה ופגיעה לרעש, מה שמחייב תכנון-מחדש עבור כל פס תדרים או תקן חדש.

לעומת זאת, SDR מצמצם את הקצה-הקדמי האנלוגי למינימום ההכרחי - בדרך כלל רק האנטנה ומעגל קצה קדמי RF בסיסי (איור 1). לאחר שצורת הגל הנכנסת עוברת דיגיטציה על ידי ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC), העבודה הקשה מתבצעת בתוכנה. מודולציה, דה-מודולציה, סינון ערוצים, תיקון שגיאות ופענוח - כולם מתרחשים דיגיטלית. באופן דומה, עבור שידור, ממיר דיגיטלי-לאנלוגי (DAC) הופך נתונים מעובדים בחזרה לאותות RF, המבוקר גם הוא על ידי רוטינות תוכנה.

איור 1: תהליכי SDR בסיסיים. (מקור התמונה: iWave Global‏)

שינוי זה פותח גמישות אדירה: אותה חומרת רדיו יכולה לתמוך ב-Wi-Fi היום, בפס 5G מחר, ובתקשורת טקטית מאובטחת בעתיד - והכל באמצעות עדכון תוכנה.

RFSoC: פלטפורמה אידיאלית עבור SDR

בניית SDR עם ביצועים עיליים דורשת ממירים אולטרה-מהירים, מארג עיבוד רב-עוצמה ונתיבי נתונים עם שיהוי (Latency‏) קצר. משפחת RFSoC‏ ™+UltraScale‏ ™Zynq‏ של AMD‏ נותנת מענה לצרכים אלו על ידי שילוב:

• RF-ADCs‏ ו-RF-DACs‏ עם מולטי-גיגה-דגימות
• לוגיקה ניתנת לתכנות FPGA עבור DSP בזמן-אמת
• מעבדי ®Arm‏ משובצים עבור בקרת תוכנה
• ממשקי זיכרון ומקמ"ש במהירות גבוהה

על ידי איחוד לתוך התקן יחיד מה שבעבר דרש מספר שבבים נפרדים, ה-RFSoC מפשט דרמטית את תכן הלוח. שילוב זה מוריד את צריכת ההספק, מקצר את זמן השיהוי ומשפר את תקינות האותות. עבור יישומי RF בזמן-אמת שבהם לא ניתן להתפשר על דיוק התזמון והביצועים, ה-RFSoC מספק פתרון מונוליטי עם שיהוי (Latency‏) אולטרה-קצר וסינכרון הדוק.

כוחה של דגימת RF ישירה

אחד היתרונות המובהקים של ה-RFSoC’s‏ הוא יכולתם לתמוך בקצבי דגימה בתחום של מולטי-GSPS‏. ממירי ה-RF-ADC שלהם יכולים לקלוט אותות ישירות בתדרי RF, בעוד שממירי ה-RF-DAC שלהם יכולים לייצר יציאות רחבות-פס ביותר - שניהם מבלי להזדקק לדרגות ביניים לצורך המרה-מטה.

זה מאפשר ארכיטקטורת רדיו "כמעט דיגיטלית לחלוטין", שבה תקנים כמו Wi-Fi בתדר 2.4 גיגה-הרץ, רדיו 5G חדש בסביבות 3.5 גיגה-הרץ, ותדרים סלולריים מ-800 מגה-הרץ עד 1.8 גיגה-הרץ ניתנים לדיגיטציה ולעיבוד ישירות. לעומת זאת, פלטפורמות SDR רבות מן-המדף מוגבלות לקצבי דגימה של כמה עשרות או מאות מגה-הרץ, מה שהופך אותן לתלויות במיקסרים אנלוגיים כדי להסיט אותות כלפי מטה לתדר ביניים.

על ידי ביטול דרגות אנלוגיות אלה, SDRs מבוססי-RFSoC משיגים דיוק גבוה יותר, שיהוי קצר יותר ותכן קומפקטי יותר (איור 2).

איור 2: השוואה בין פתרון RFSoC SDR‏ על שבב-יחיד, לבין חלופות רבות-שבבים. (מקור התמונה: רדיו מוגדר-תוכנה עם RFSoC‏ ™+UltraScale‏ ®Zynq)

השוואה בין ארכיטקטורות SDR: שבב-יחיד לעומת רב-שבבים

היתרונות של שילוב RFSoC מתבהרים כאשר משווים לארכיטקטורות SDR קונבנציונליות (טבלה 1).

טבלה 1: השוואה בין RFSoC לבין פתרונות SDR קונבנציונליים.

עם ADCs, DACs, לוגיקת FPGA ומעבדים, כולם בתוך מארז אחד, ה-RFSoC נמנע ממכשולי התקשורת בין-השבבים. עבור המפתחים, זה מתורגם למחזורי תכנון קצרים יותר, עלויות מופחתות וביצועים סופיים מעולים.

מדוע לבחור מערכת-על-מודול עבור RFSoC SDRs?

בעוד שה-RFSoC עצמו הוא משולב ביותר, תכנון לוח בהתאמה-מיוחדת סביבו עדיין יכול להיות מרתיע. תזמון ההספקת-כוח, פילוג השעון ופריסה רבת-גיגה-בייט דורשים מומחיות מתקדמת. המערכת-על-מודול (SoM) מספקת פתרון מעשי.

על ידי אספקת מודול קומפקטי ומתוקף-מראש המכיל את ה-RFSoC, זיכרון, ניהול צריכת הספק וממשקים במהירות גבוהה, ה-SoMs מאפשרים למהנדסים:

• האצת בניית אבות-טיפוס ומזעור סיכוני התכן
• התמקדות בחדשנות ספציפית-ליישום ולא באינטגרציה של לוחות בסיס
• השגת תכנים קומפקטיים, ממוטבי-SWaP (גודל, משקל והספק) המתאימים עבור תעופה וחלל והגנה-וביטחון
• הסתמכות על זמינות לטווח ארוך ואיכות בדירוג-ייצור

ניתן להתאים את לוחות הגל הנושא לכל מקרה שימוש, בעוד ש-SoM נשאר קבוע, מה שמאפשר לצוותים לעשות שימוש-חוזר בקניין הרוחני (IP) ולהפחית את עלות הפיתוח הכוללת.

איור 3: לוח גל-נושא iWave עבור RFSoC SDRs. (מקור התמונה: iWave)

פורטפוליו מערכת-על מודול RFSoC של iWave

iWave מציעה סט מקיף של SOMs‏ RFSoC‏ ופלטפורמות הערכה, כל אחת מהן מכווננת עבור יישומי SDR ו-RF עם ביצועים עיליים:

• iG-G42M‏ - ZU49/ZU39/ZU29DR RFSoC SoM‏
  • כולל 16‏ ADCs‏ (GSPS‏ 2.5‏) ו-16‏ DACs‏ (GSPS‏ 10‏).
• iG-G42P‏ - כרטיס PCIe‏ RFSoC‏ (ZU49/ZU39/ZU29DR)‏
  • חיבוריות PCIe Gen3‏, אחסון NVMe‏, I/O‏ SMA‏ והרחבה +FMC‏.
• iG-G60M‏ - ZU48/47/43/28/27/25DR RFSoC SoM‏
  • ADC/DAC‏ עד 8 ערוצים (GSPS‏ 5‏ /GSPS‏ 9.85‏)
• iG-G60V‏ (מגיע בקרוב) - מודול נתקע RFSoC ADC/DAC 3U VPX‏
  • גורם-צורה מחוזק לעמידות עבור תעופה-וחלל והגנה וביטחון

איור 4‏: SoMs‏ RFSoC של iWave‏. (מקור התמונה: iWave)

מודולים אלה מגובים על ידי חבילות תוכנה חסונות, כולל BSPs‏ של Linux‏, תמיכה ב-JESD204B/C, צינורות GStreamer‏ ויישומי ייחוס, המבטיחים מסלול חלק מבניית אב-טיפוס ועד לייצור.

ההשפעה של RFSoC SDRs על העולם-האמיתי

השילוב של דגימת RF ישירה, עיבוד דיגיטלי משולב ופריסה ברמת-המודול מניב מערכות SDR שהן:

• בעלות גמישות גבוהה - ניתנות-להגדרה עבור מספר תקני אלחוט
• קומפקטיות ויעילות - ממוטבות עבור פלטפורמות רגישות ל-SWaP
• נאמנות גבוהה - עם דגרדציה מינימלית של האותות
• מידרגיות - מאבות-טיפוס של מעבדה ועד לתשתיות הגנה ותקשורת פרושות

בין אם במערכות אוויריות בלתי-מאוישות המבצעות מעקב בזמן-אמת, תחנות בסיס 5G התומכות בהקצאת ספקטרום דינמית, או ציוד בדיקה נייד המנתח אותות רחבי-פס, RFSoC SDRs מאפשרים פתרונות שבעבר היו לא מעשיים עם תכנים בדידים.

סיכום

רדיו מוגדר-תוכנה (Software-Defined Radio) מעצב מחדש את התקשורת האלחוטית על ידי הפיכת התקני הרדיו לגמישים יותר, ניתנים-לשדרוג ומוכנים-לעתיד. ה-Zynq UltraScale+ RFSoC של AMD מפיח חיים בקונספט זה על ידי איחוד בתוך שבב סיליקון אחד ממירים, מארג FPGA ומעבדים. שילוב RFSoC עם מערכת-על-מודול מאפשר זמן יציאה--לשוק מהיר יותר, הפחתת סיכונים ואמינות בדירוג-ייצור.

עם למעלה מ-25 שנות מומחיות ב-FPGAs ומערכות משובצות, iWave מספקת שירותי RFSoC SoMs ו-ODM המאזנים ביצועים, עלות ותמיכה ארוכת-טווח.

כדי לבחון כיצד פורטפוליו ה-RFSoC של iWave‏ יכול להאיץ את פרויקטי SDR שלכם, צרו איתנו קשר בכתובת mktg@iwave-global.com.