Construirea de sisteme radio definite prin software de generație nouă utilizând module RFSoC
Sistemele radio definite prin software (SDR – Software-Defined Radio) reprezintă una dintre cele mai importante transformări din domeniul comunicațiilor wireless. Spre deosebire de sistemele radio convenționale, care se bazează pe circuite analogice fixe pentru filtrare, mixare și modulație, SDR-urile transferă o mare parte a procesării în domeniul digital. Prin înlocuirea funcțiilor implementate hardware cu algoritmi bazați pe software, aceste sisteme oferă un nivel de flexibilitate remarcabil, permițând proiectanților să actualizeze funcționalitățile, să se adapteze la noi protocoale și să extindă ciclul de viață al sistemului fără a reproiecta platforma hardware.
Această capacitate de reconfigurare rapidă face ca SDR-urile să fie indispensabile într-o gamă largă de aplicații, de la sisteme din domeniul apărării și aerospațial până la infrastructură 5G, comunicații prin satelit și echipamente pentru testare electronică.
SDR vs. arhitectura radio convențională
Într-un receptor RF tradițional, componentele analogice gestionează cea mai mare parte a procesării semnalului: mixerele convertesc frecvența semnalelor de intrare, filtrele modelează spectrul, iar modulatoarele și demodulatoarele extrag sau reconstruiesc informația. Acest lanț analogic poate fi inflexibil și susceptibil la zgomot, necesitând reproiectare pentru fiecare bandă de frecvență sau pentru fiecare standard nou.
Figura 1: Procesele fundamentale ale unui SDR. (Sursa imaginii: iWave Global)
În schimb, un SDR reduce front-end-ul analogic la minimum – de regulă limitându-l la antenă și la un circuit RF front-end elementar (Figura 1). Odată ce forma de undă recepționată este digitizată de un convertor analog-digital (ADC), cea mai mare parte a procesării este realizată în domeniul digital. Modularea, demodularea, filtrarea canalelor, corectarea erorilor și decodarea sunt implementate digital. În mod similar, în regim de transmisie, un convertor digital-analogic (DAC) transformă datele procesate înapoi în semnale RF, controlate prin rutine software.
Această transformare oferă o agilitate remarcabilă: același sistem radio poate suporta Wi-Fi astăzi, o bandă 5G mâine și comunicații tactice securizate ulterior – totul prin intermediul unei actualizări software.
RFSoC: o platformă optimă pentru SDR
Construirea unui sistem radio definit prin software de înaltă performanță necesită convertoare de mare viteză, o arhitectură de procesare robustă și căi de date cu latență redusă. Familia Zynq™ UltraScale+™ RFSoC de la AMD răspunde acestor cerințe prin integrarea următoarelor elemente într-un singur dispozitiv:
- Convertoare analog-digital (ADC) RF și convertoare digital-analog (DAC) RF cu rate de eșantionare de ordinul gigasample pe secundă
- Logică programabilă FPGA pentru procesare digitală a semnalului (DSP) în timp real
- Procesoare Arm® integrate pentru control și management software
- Subsisteme de memorie de mare viteză și interfețe transceiver de înaltă performanță
Prin consolidarea într-un singur circuit integrat a funcțiilor care anterior necesitau mai multe cipuri discrete, RFSoC simplifică semnificativ proiectarea plăcilor electronice. Această integrare reduce consumul de energie, minimizează latența și îmbunătățește integritatea semnalului. Pentru aplicațiile RF în timp real, unde precizia sincronizării și performanța sunt critice, RFSoC oferă o arhitectură monolitică cu latență foarte redusă și sincronizare precisă.
Puterea eșantionării RF directe
Unul dintre avantajele definitorii ale RFSoC este capacitatea de a susține rate de eșantionare de ordinul miliardelor de eșantioane pe secundă (GSPS). Convertoarele sale analog-digital (RF-ADC) pot eșantiona semnale direct în banda RF, iar convertoarele digital-analog (RF-DAC) pot genera semnale de ieșire cu lățime de bandă foarte mare, fără a necesita etape intermediare de conversie în frecvență intermediară (IF).
Figura 2: Comparație între o soluție SDR bazată pe RFSoC pe un singur cip și alternative cu arhitectură multi-cip. (Sursa imaginii: Software-Defined Radio with Zynq® UltraScale+™ RFSoC)
Acest lucru permite o arhitectură radio “aproape complet digitală”, în care standarde precum Wi-Fi la 2,4 GHz, 5G New Radio în jurul valorii de 3,5 GHz și benzi celulare de la 800 MHz la 1,8 GHz pot fi digitizate și procesate direct. În schimb, multe platforme SDR disponibile în comerț sunt limitate la rate de eșantionare de câteva zeci sau sute de MHz, ceea ce le face dependente de mixere analogice pentru a schimba semnalele la o frecvență intermediară.
Prin eliminarea acestor etape analogice suplimentare, sistemele radio definite prin software bazate pe RFSoC oferă o fidelitate mai ridicată, latență redusă și un design mai compact (Figura 2).
Comparație între arhitecturile SDR: un singur cip vs. arhitecturi multi-cip
Avantajele integrării RFSoC devin evidente atunci când sunt comparate cu arhitecturile SDR convenționale (Tabelul 1).
|
Tabelul 1: Comparație între RFSoC și soluțiile SDR convenționale.
Prin integrarea ADC-urilor, DAC-urilor, logicii FPGA și a procesoarelor într-un singur circuit integrat, RFSoC elimină limitările asociate comunicației între cipuri. Pentru dezvoltatori, acest lucru se traduce prin cicluri de proiectare mai scurte, costuri reduse și performanță finală îmbunătățită.
De ce să alegeți un sistem pe modul pentru SDR-urile bazate pe RFSoC?
Deși RFSoC este un circuit extrem de integrat, proiectarea unei plăci personalizate în jurul acestuia poate rămâne o provocare. Secvențierea alimentării, distribuția semnalelor de ceas și rutarea liniilor multi-gigabit necesită expertiză avansată în proiectarea hardware de mare viteză. Un sistem pe modul (SoM) oferă o soluție practică și eficientă.
Prin furnizarea unui modul compact, prevalidat, care integrează RFSoC, memorie, circuite de management al alimentării și interfețe de mare viteză, SoM-urile permit inginerilor:
- să accelereze prototiparea și să reducă riscurile de proiectare
- să se concentreze pe inovația specifică aplicației, nu pe integrarea la nivel de placă
- să dezvolte sisteme compacte, optimizate din punct de vedere SWaP (dimensiune, greutate și consum de putere), adecvate aplicațiilor aerospațiale și de apărare
- să beneficieze de disponibilitate pe termen lung și de un nivel de calitate pregătit pentru producție
Figura 3: Placă suport (carrier board) iWave pentru SDR-uri bazate pe RFSoC. (Sursa imaginii: iWave)
Plăcile suport (carrier boards) pot fi adaptate fiecărui caz de utilizare, în timp ce SoM-ul rămâne neschimbat, permițând reutilizarea proprietății intelectuale (IP) și reducerea costului total de dezvoltare.
Portofoliul de sisteme pe modul RFSoC al iWave
iWave oferă un portofoliu complet de sisteme pe modul (SoM) bazate pe RFSoC și platforme de evaluare asociate, optimizate pentru aplicații SDR și RF de înaltă performanță:
- iG-G42M – SoM RFSoC ZU49/ZU39/ZU29DR
- Integrează până la 16 convertoare ADC (2,5 GSPS) și 16 convertoare DAC (10 GSPS).
- iG-G42P – placă PCIe RFSoC (ZU49/ZU39/ZU29DR)
- Oferă conectivitate PCIe Gen3, stocare NVMe, interfețe SMA pentru RF și posibilitate de extindere prin FMC+.
- iG-G60M – SoM RFSoC ZU48/47/43/28/27/25DR
- Suportă până la 8 canale ADC/DAC (5 GSPS / 9,85 GSPS).
- iG-G60V (în curs de lansare) – modul RFSoC ADC/DAC 3U VPX
- Proiectat într-un format robust, adecvat aplicațiilor aerospațiale și de apărare.
Figura 4: Sistem pe modul RFSoC iWave. (Sursa imaginii: iWave)
Aceste module sunt susținute de un ecosistem software matur, incluzând pachete Linux BSP, suport pentru standardele JESD204B/C, pipeline-uri GStreamer și aplicații de referință, facilitând tranziția de la prototipare la producția de serie.
Impactul real al SDR-urilor bazate pe RFSoC
Combinația dintre eșantionarea RF directă, procesarea digitală integrată și implementarea sub formă de sistem pe modul conduce la realizarea unor sisteme radio definite prin software care sunt:
- Foarte flexibile – configurabile pentru mai multe standarde wireless
- Compacte și eficiente – optimizate pentru platforme sensibile la SWaP
- De înaltă fidelitate – cu degradare minimă a semnalului
- Scalabile – de la prototipuri de laborator până la implementări în infrastructură de apărare și telecomunicații
Fie că este vorba despre sisteme aeriene fără pilot utilizate pentru supraveghere în timp real, stații de bază 5G cu alocare dinamică a spectrului sau echipamente portabile de testare pentru analiza semnalelor de bandă largă, sistemele radio definite prin software bazate pe RFSoC fac posibilă realizarea unor soluții care anterior erau dificil sau imposibil de implementat utilizând arhitecturi discrete.
Concluzie
Tehnologia Software-Defined Radio (SDR) remodelează comunicațiile wireless, făcând sistemele radio mai flexibile, mai ușor de actualizat și mai bine pregătite pentru cerințele viitoare. Familia Zynq™ UltraScale+™ RFSoC de la AMD materializează acest concept prin integrarea convertoarelor RF, a logicii programabile FPGA și a procesoarelor Arm într-un singur circuit integrat. Asocierea RFSoC cu un sistem pe modul (SoM) permite reducerea timpului de lansare pe piață, diminuarea riscurilor de proiectare și obținerea unui nivel de fiabilitate adecvat producției de serie.
Cu peste 25 de ani de experiență în domeniul FPGA și al sistemelor embedded, iWave Systems Technologies oferă soluții RFSoC SoM și servicii ODM care echilibrează performanța, costurile și suportul pe termen lung.
Pentru informații suplimentare privind portofoliul RFSoC iWave și aplicabilitatea acestuia în proiecte SDR, puteți contacta compania la adresa mktg@iwave-global.com.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto.
Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.
DigiKey | https://www.digikey.ro
Glosar de termeni
SDR (Software-Defined Radio) – Arhitectură radio în care funcțiile de modulație, demodulație și procesare a semnalului sunt implementate preponderent prin software, nu prin circuite analogice fixe.
RFSoC (Radio Frequency System-on-Chip) – Circuit integrat care combină FPGA, procesoare Arm și convertoare RF ADC/DAC de mare viteză într-un singur cip.
ADC (Analog-to-Digital Converter) – Convertor analog-digital care transformă semnale analogice în date digitale.
DAC (Digital-to-Analog Converter) – Convertor digital-analogic care transformă datele digitale în semnale analogice.
GSPS (Gigasamples Per Second) – Unitate de măsură pentru rata de eșantionare, indicând miliarde de eșantioane pe secundă.
SoM (Sistem pe modul / System-on-Module) – Modul compact care integrează un SoC, memorie și circuite auxiliare, destinat integrării pe o placă suport (carrier board).
Carrier board (placă suport) – Placă de bază care găzduiește un SoM și oferă interfețele necesare aplicației finale.
JESD204B/C – Standard pentru interconectarea de mare viteză între convertoare de date și FPGA/SoC.
SWaP (Size, Weight and Power) – Concept care descrie optimizarea dimensiunii, greutății și consumului de putere într-un sistem.
ODM (Original Design Manufacturer) – Companie care proiectează și produce echipamente pentru alte firme, sub marca acestora.