RFSoC技術で電波望遠鏡デジタルバックエンドレシーバを再定義

異なる種類の電波を同時に観測することで、個々の観測では不可能だった宇宙への理解が深まるという、多周波天文学の新たな時代に入っています。電波天文学者は、ラジオを特定の放送局に合わせるように、望遠鏡を調整して何百万光年も離れた電波源からの電波を拾うことができます。これらの望遠鏡は、さまざまな周波数を観測するように調整できるため、科学者たちは宇宙現象に関するさまざまなデータを集めることが可能になります。天文学者は、高度なコンピュータアルゴリズムと洗練された信号処理技術を用いてこれらの信号を解読し、星の誕生と死、銀河の形成と進化、宇宙を構成するさまざまな種類の物質など、宇宙のさまざまな事象や構造を研究することができます。

電波望遠鏡は、約10メートル（30MHz）から1ミリメートル（300GHz）までの幅広い波長の高周波を検出・分析するために設計された特殊な天文機器です。この高周波は、パルサ、恒星、銀河、クエーサなど、地球外のさまざまな天体から放出されています。電波望遠鏡が微弱な電波を検出できるかどうかは、アンテナの大きさと効率、信号増幅と検出のためのレシーバの感度、データ処理能力の高さなど、いくつかの重要な要素に左右されます。

最新のデジタルバックエンドレシーバには、天体観測の鮮明さとディテールを大幅に向上させる最先端技術が組み込まれています。これらの高度なレシーバは、洗練されたアルゴリズムと高性能なハードウェアを利用して大量のデータを効率的に処理できるため、天文学者はこれまでにない精度で研究を行えるようになりました。

電波望遠鏡システムの主要コンポーネントはレシーバです。その主な役割は、アンテナによって収集されたアナログ信号を、高度な信号処理に不可欠なデジタル形式に変換することです。この変換プロセスには、ノイズの除去、微弱信号の増幅、受信電波の正確なデジタル化など、いくつかの重要な作業が含まれます。さらに、デジタルバックエンドレシーバは、高速データ送信を管理し、膨大な量の観測データを迅速かつ正確に処理・分析できるようにします。

また、S/N比を向上させ、解像度をより細かくするため、研究者は宇宙現象の複雑な詳細をより深く掘り下げることができます。このような先進的なデジタルバックエンドレシーバを電波望遠鏡に統合することで、電波天文学の分野に革命がもたらされました。この技術の飛躍によって研究と発見の新たな道が開かれ、宇宙とその無数の現象に対する深い洞察がもたらされます。現代の電波望遠鏡の性能が向上したことで、暗い天体や遠くの天体の研究、微弱な宇宙信号の検出、宇宙の基本的なプロセスの探求が可能となりました。

図1：電波望遠鏡は電波天文学の分野に革命をもたらしました。（画像提供：iWave）

これらの装置を改良し、革新的な技術を開発し続ければ、天文学における画期的な発見の可能性はますます高まるに違いありません。デジタルバックエンド技術の継続的な進歩は、銀河の形成や星のライフサイクルから、暗黒物質の特性や宇宙のインフレーションの性質に至るまで、天文学者が宇宙の謎を解明する力をさらに高めるでしょう。電波天文学の未来は、知識の絶え間ない追求と観測ツールの継続的な改良によって、エキサイティングな可能性を秘めています。

iW-RainboW-G42Mシステムオンモジュール（SoM）（図2）は、ZU49DRを統合し、ZU39およびZU29と互換性があります。このSoMは、FPGA、Arm Cortex-A53プロセッサ、リアルタイムデュアルコアArm Cortex-R5、高速ADCおよびDACチャンネルを備えた多面的な処理システムで構成され、RF信号のシームレスな収集、処理、応答を可能にします。また、プロセッシングシステム用のエラー訂正コードを備えたオンボード8GB 64ビットDDR4 RAMと、プログラマブルロジック専用の追加8GB 64ビットDDR4 RAMを搭載しています。RFSoC SoMは、業界をリードするRFチャンネル数で際立っており、10GSPSの16チャンネルRF-DACと2.5GSPSの16チャンネルRF-ADCを提供します。

図2：iW-RainboW-G42M SoMには、FPGA、Arm Cortex-A53プロセッサ、リアルタイムデュアルコアArm Cortex-R5が搭載されています。（画像提供：iWave）

このSoMは、超低ノイズプログラマブルRF PLLを統合しており、最終製品でのSoM利用を効率化し、複雑なクロッキングアーキテクチャに関する懸念に対処します。この統合により、RF信号チェーン全体でシステムの信号処理帯域幅が増幅され、SyncEとPTPネットワーク同期が強化され、最適な同期レベルが確保されます。AMD Zynq UltraScale+ RFSoC Gen3デバイスを活用したこのモジュールは、コンパクトなフットプリント、低消費電力、リアルタイム処理機能を必要とするRFシステムに最適です。設計アーキテクチャを合理化し、電波望遠鏡用の天文デジタルバックエンドの展開を加速し、デバイスの消費電力とハードウェア開発コストを最小限に抑えたい顧客にとって、ドロップインソリューションとしての役割を果たします。

iWaveは、G42M Zynq UltraScale+ RFSoC SoMを搭載した革新的なRFSoC PCIe ADC DACデータ収集カード（図3）を投入しました。このカードは、3/4レングスPCIe Gen3 x8ホストインターフェースを搭載し、コンピュータ/サーバに接続します。最先端のRFおよび信号の完全性設計の手法を取り入れたこのカードは、高速コネクティビティを保証します。その適応性により、さまざまなアプリケーションへのシームレスな統合が可能となり、フィールド展開のための多目的なソリューションが示されます。

図3：iWaveのiW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIAカードは、3/4レングスPCIe Gen3 x8ホストインターフェースを搭載し、コンピュータ/サーバに接続します。（画像提供：iWave）

iWave RFSoC ADC DAC PCIeカードは、次のようにRFSoCのオンチップリソースを強化します。

• 16 ADCチャンネル
  • フロントパネルにバラン付きライトアングルSMAコネクタ x 4（BW- 800MHz - 1GHz）
  • バラン付きストレートSMAコネクタ x 4（BW- 800MHz -- 1GHz）
  • バラン付きストレートSMAコネクタ x 4（BW- 700MHz - 1.6GHz）
  • バラン付きストレートSMAコネクタ x 4（BW- 10MHz -- 3GHz）
• 16 DACチャンネル
  • フロントパネルにバラン付きライトアングルSMAコネクタ x 4（BW- 800MHz -- 1GHz）
  • バラン付きストレートSMAコネクタ x 4（BW-800MHz - 1GHz）
  • バラン付きストレートSMAコネクタ x 4（BW- 700MHz - 1.6GHz）
  • バラン付きストレートSMAコネクタ x 4（BW-10MHz - 3GHz）
• NVMe PCIe Gen2 x2/x4 M.2コネクタ
• FMC+ HSPCコネクタ

SOMとPCIeカードはいずれも、包括的なドキュメント、ソフトウェアドライバ、ボードサポートパッケージが付属しており、すぐに市場投入できます。iWaveの製品寿命プログラムにより、モジュールは長期間（10年以上）使用可能です。

まとめ

電波望遠鏡のデジタルバックエンド技術の進歩は、天文学者が宇宙の謎を解明するのに役立ち、iWaveのコンポーネントがそれを支えます。iW-RainboW-G42M SoMからiW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIA PCIeカードまで、iWaveは電波望遠鏡設計者のデジタルバックエンド強化を支援します。