La tecnología RFSoC redefine los receptores de backend digitales de radiotelescopios
Estamos entrando en una nueva era de la astronomía multifrecuencia, en la que la observación simultánea de distintos tipos de ondas de radio mejora nuestra comprensión del universo mucho más de lo que podrían lograr las observaciones individuales. Del mismo modo que se sintoniza una emisora de radio, los radioastrónomos pueden sintonizar sus telescopios para captar ondas de radio procedentes de fuentes situadas a millones de años luz. Estos telescopios se pueden ajustar para observar una amplia gama de frecuencias, lo que permite a los científicos recopilar datos diversos sobre los fenómenos cósmicos. Gracias a avanzados algoritmos informáticos y a sofisticadas técnicas de procesamiento de señales, los astrónomos pueden decodificar estas señales para estudiar una gran variedad de eventos y estructuras cósmicos, como el nacimiento y la muerte de estrellas, la formación y la evolución de galaxias, y los diversos tipos de materia que componen el universo.
Un radiotelescopio es un instrumento astronómico especializado diseñado para detectar y analizar la radiación de radiofrecuencia en una amplia gama de longitudes de onda, desde unos 10 metros (30 megahercios [MHz]) hasta 1 milímetro (300 gigahercios [GHz]). Esta radiación procede de diversas fuentes extraterrestres, como púlsares, estrellas, galaxias y cuásares. La eficacia de un radiotelescopio para detectar emisiones débiles de radio depende de varios factores clave: el tamaño y la eficiencia de su antena, la sensibilidad de su receptor para la amplificación y detección de señales, y la calidad de su capacidad de procesamiento de datos.
Los receptores de backend digitales modernos disponen de la tecnología más avanzada para mejorar de forma significativa la claridad y el detalle de las observaciones astronómicas. Estos receptores avanzados utilizan algoritmos sofisticados y hardware de alto rendimiento para manejar grandes volúmenes de datos de manera eficiente, lo que permite a los astrónomos alcanzar una precisión sin precedentes en sus estudios.
El principal componente de un sistema de radiotelescopio es el receptor. Su función principal es convertir las señales analógicas captadas por la antena en formato digital, esencial para el procesamiento avanzado de señales. Este proceso de conversión implica varias tareas fundamentales, como filtrar el ruido, amplificar las señales débiles y digitalizar con precisión las ondas de radio entrantes. Además, el receptor de backend digital es responsable de gestionar la transmisión de datos a alta velocidad, lo que garantiza que enormes cantidades de datos de observación se puedan procesar y analizar con rapidez y precisión.
Gracias a la mejora en la relación entre la señal y el ruido, y a una resolución más precisa, los investigadores pueden profundizar en los intrincados detalles de los fenómenos cósmicos. La integración de estos avanzados receptores de backend digitales en los radiotelescopios ha revolucionado el campo de la radioastronomía. Este salto tecnológico ha abierto nuevas vías de investigación y descubrimiento, lo que ofrece profundos conocimientos sobre el cosmos y sus innumerables fenómenos. Las capacidades mejoradas de los radiotelescopios modernos permiten el estudio de objetos débiles y distantes, la detección de señales cósmicas sutiles, y la exploración de los procesos fundamentales del universo.
Figura 1: Los radiotelescopios han revolucionado el campo de la radioastronomía. (Fuente de la imagen: iWave)
A medida que perfeccionemos estos instrumentos y desarrollemos técnicas innovadoras, aumentará el potencial de descubrimientos revolucionarios en astronomía. Los continuos avances en la tecnología de backend digital permitirán a los astrónomos desentrañar los misterios del universo, desde la formación de las galaxias y el ciclo de vida de las estrellas hasta las propiedades de la materia oscura y la naturaleza de la inflación cósmica. El futuro de la radioastronomía ofrece posibilidades apasionantes, impulsadas por la búsqueda incesante del conocimiento y por la mejora continua de nuestras herramientas de observación.
El sistema en módulo (SoM) iW-RainboW-G42M (figura 2) integra el ZU49DR y es compatible con el ZU39 y con el ZU29. Este SoM incluye un sistema de procesamiento multifacético que alberga un arreglo programable de puertas en campo (FPGA), un procesador Arm Cortex-A53 y un Arm Cortex-R5 de doble núcleo en tiempo real, junto con canales ADC y DAC de alta velocidad, lo que permite una adquisición, procesamiento y respuesta sin interrupciones de las señales de RF. Cuenta con 8 GB de memoria RAM DDR4 de 64 bits integrada con código de corrección de errores para el sistema de procesamiento y otros 8 GB de memoria RAM DDR4 de 64 bits dedicados a la lógica programable. El SoM RFSoC se destaca por su número de canales de RF, líder del sector, que ofrece 16 canales RF-DAC a 10 GSPS y 16 canales RF-ADC a 2.5 GSPS.
Figura 2: El SoM iW-RainboW-G42M contiene un FPGA, un procesador Arm Cortex-A53 y un Arm Cortex-R5 de doble núcleo en tiempo real. (Fuente de la imagen: iWave)
Este SoM incorpora un circuito de sincronización de fase (PLL) de RF programable de ruido ultrabajo integrado que agiliza la utilización del SoM en los productos finales y que resuelve los problemas relacionados con la compleja arquitectura de sincronización. Esta integración amplifica el ancho de banda de procesamiento de señales del sistema en toda la cadena de señales de RF, lo que refuerza la sincronización de redes SyncE y PTP, y garantiza unos niveles de sincronización óptimos. Este módulo, que aprovecha el dispositivo AMD Zynq UltraScale+ RFSoC Gen3, es ideal para sistemas de RF que requieren un espacio compacto, bajo consumo de energía y capacidad de procesamiento en tiempo real. Es una solución inmediata para los clientes que buscan racionalizar la arquitectura de diseño, acelerar el despliegue de receptores de backend digitales astronómicos para radiotelescopios y minimizar el consumo de energía del dispositivo y los costos de desarrollo de hardware.
iWave presenta una innovadora tarjeta de adquisición de datos RFSoC PCIe ADC DAC (figura 3), alimentada por el SoM G42M Zynq UltraScale+ RFSoC. La tarjeta cuenta con una interfaz de host PCIe Gen3 x8 de 3/4 de longitud que la conecta a la computadora/servidor. Gracias a la incorporación de las metodologías más avanzadas de diseño de RF e integridad de señal, esta tarjeta garantiza una conectividad de alta velocidad. Su adaptabilidad permite una integración perfecta en diversas aplicaciones, lo que la convierte en una solución versátil para la implementación en el campo.
Figura 3: La tarjeta iW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIA de iWave incorpora una interfaz de host PCIe Gen3 x8 de 3/4 de longitud que la conecta a la computadora/servidor. (Fuente de la imagen: iWave)
La tarjeta RFSoC ADC DAC PCIe de iWave, que aumenta los recursos en chip del RFSoC, ofrece:
- 16 canales ADC
- 4 conectores SMA de ángulo recto en el panel frontal con balún (BW
-de 800 MHz-1 GHz) - 4 conectores SMA rectos con balún (BW
-de 800 MHz-- 1 GHz) - 4 conectores SMA rectos con balún (BW
-de 700 MHz-1.6 GHz) - 4 conectores SMA rectos con balún (BW
-de 10 MHz-- 3 GHz)
- 4 conectores SMA de ángulo recto en el panel frontal con balún (BW
- 16 canales DAC
- 4 conectores SMA de ángulo recto en el panel frontal con balún (BW
-de 800 MHz-- 1 GHz) - 4 conectores SMA rectos con balún (BW
-de 800 MHz-1 GHz) - 4 conectores SMA rectos con balún (BW
-de 700 MHz-1.6 GHz) - 4 conectores SMA rectos con balún (BW
-de 10 MHz-3 GHz)
- 4 conectores SMA de ángulo recto en el panel frontal con balún (BW
- Conector M.2 NVMe PCIe Gen2 x2/x4
- Conector FMC+ HSPC
El SoM y la tarjeta PCIe ya están listos para su comercialización e incluyen documentación completa, controladores de software y un paquete de soporte para la placa. El programa de longevidad de productos de iWave garantiza la disponibilidad de los módulos durante largos períodos (más de 10 años).
Resumen
Los avances de la tecnología de backend digital de los radiotelescopios ayudarán a los astrónomos a desvelar los misterios del universo, y los componentes de iWave están a su disposición. Desde el SoM iW-RainboW-G42M hasta la tarjeta PCIe iW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIA, iWave está disponible para ayudar a los diseñadores de radiotelescopios a mejorar sus receptores de backend digitales.

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