Xilinx射頻系統級芯片(RFSoC),你用過嗎?

發布時間:2022/4/25

早在2017年Xilinx推出了Zynq UltraScale+ RFSoC系列產品,它是Xilinx公司之前的基于FPGA體系結構的 UltraScale MPSoC的升級版本,多處理器系統級芯片有4個64位ARM Cortex A53應用處理器,還有2個雙核ARM Cortex-R5實時處理器。

《Zynq UltraScale+ MPSoC的特點和應用》

為了使其成為射頻系統級芯片,Xilinx公司增加了8個4GS/s采樣頻率的12位或14位的模數轉換器,每個模數轉換器都配有可編程數字化下變頻器。模數轉換器幾乎消除了所有的模擬前端組件,射頻/中頻采樣率高達4GHz。

SoC還有8個6.4GS/s采樣率的數模轉換器,每個數模轉換器都配有數字化下變頻器。數模轉換器在第二奈奎斯特區,以6.554GS/s采樣率生成高達4GHz的載波輸出頻率,包括可編程插補和抽取,并支持雙頻工作。

為了連接用于數據或配置存儲的外部存儲器接口,該處理系統包括DMA、NAND、SD/eMMC和第三代SPI控制器PCIe和100 Gb/s以太網。Interlaken芯片到芯片接口采用高速串行接口,數據傳輸速率可達150Gb/s。串行收發器的數據傳輸速率高達28.2Gb/s,采用特高速背板設計,每位的功耗比上一代收發器更低。

SoC還有時鐘管理電路,包括時鐘合成、阻尼和路由組件,它們共同以最小化偏離、功耗和延遲,提供靈活的時鐘分布。通過256位AES-GCM,SHA/384和4096bit RSA模塊,可以實現安全引導功能。加密引擎也可用于用戶加密。

由于RFSoC通過可編程信號處理,可以實現模數和數模信號轉換,因此采用單個芯片或通過一些外部資源實現數字化射頻存儲器(DRFM)應該是可行的。

至少就目前而言,數字化射頻存儲器比目前的Zynq UltraScale+ RFSoC更適用于分布式方案。原因之一是第一代芯片的延遲時間為145ns,但是干擾日益復雜的雷達系統所需的往返延遲時間至少為40ns。

另一個原因是數字化射頻存儲器是自定義子系統,采用專有設計技術、軟件和其他技術。因此,分布式方案具有更大的靈活性和差異性,有更好的潛在表現。

由于模數轉換器和數模轉換器傳統意義上是獨立于數字化射頻存儲器的,所以它們之間需要通過一個高速接口來通信,許多系統采用JESD204B接口,不過這將增加延遲和設計復雜度。

例如,考慮將12位的模數轉換器通過并行接口連接到數字化射頻存儲器,每位由一個低壓差分信號(LVDS)表示,與另一對時鐘同步信號配對。如果該接口采用雙數據率(DDR)技術,那么在一個時鐘周期內傳輸的數據量將增加一倍。Hosking說:“不過,即便采用雙數據率,采樣頻率在1.5GHz以上時會產生大量數據,使低壓差分信號(LVDS)不能有效傳輸到數字化射頻存儲器?!?/p>

為了解決這個問題,可以采用1:2信號分離器形成2個單獨的并行接口,每個接口的運行速率為采樣率的1/2。因此,以12位模數轉換器為例,如果轉換器在每12位路徑上的采樣頻率為2GHz,則信號分離器的采樣頻率為1GHz,低于數字化射頻存儲器低壓差分信號接口適用的最大時鐘速率。

但在更高的頻率下,模數轉換器需要一個1:4信號分離器來保持數據在合理水平。但是在電路板上設計和制造時出現了嚴重的問題,因為必須非常精確地配對更多信號對,確保從12位發出的數據同時到達數字化射頻存儲器。

在這種情況下,12位轉換器將采用數字化射頻存儲器上的4組12副引腳(96個I/O引腳和時鐘引腳),而數字化射頻存儲器上通常有400-600個I/O引腳,其中一半引腳只需要連接2個4GHz轉換器。

由于電路板上采用了眾多技術,它們都需要引腳和信號通道,如果沒有適當的地方引接,可能會造成干擾,并降低模數轉換器和數模轉換器的高動態范圍。這樣還可能會影響時鐘同步、2個在4條28Gb/s通道運行的100Gb/s以太網端口、在8GHz通道運行的第三代PCIe和第三代接口,以及2組DDR4內存。

為解決這一問題制定了JESD204標準,通過數字化射頻存儲器的千兆位串行接口替代了低壓差分信號。大大減少了配對型號的數量,降低了精確匹配跟蹤長度的需求。遺憾的是,JESD204標準的4條通道功率約1W,且由于JESD204標準有專門的IP核,使用時必須得到許可。設計的復雜度源自接口的時鐘方案,它比并行接口更復雜。

JESD204標準也以其延遲限制而聞名,許多應用程序都無法實現這樣的功能。例如,Hosking說:“并行轉換器接口可以將數據延遲幾個采樣時鐘周期,但是JESD204標準可以延遲80個采樣時鐘周期甚至更多,增加了從模數轉換器到數字化射頻存儲器的延遲(對于數模轉換器也是同理)?!?/p>

RFSoC在不同程度上解決了這些問題,因為轉換器內置在芯片內,與從外部傳輸信號到數字化射頻存儲器的方案相比,大大減少了引腳數。這樣,數字化射頻存儲器可以提供更多的通道,因此可以安裝更多的設備結構。

RFSoC采用的轉換器使用一種稱為交織的技術,用500MHz連續時鐘脈沖并行生成128位數據,該技術已經使用了一段時間,但也帶來了巨大的挑戰。Hosking說:“Xilinx公司采用8個500MHz的模數轉換器,并使用該方法以4GS/s的速率交織樣本,這樣非常了不起?!?/p>

通過組合多個數模轉換器的輸出,該交織過程可以獲得較高的采樣率。高速模數轉換器通常在上升沿或下降沿對輸入信號進行采樣,因此每個時鐘周期都有一個采樣,模數轉換器的采樣率和時鐘速率相同。

不過,交織需要在時鐘信號的兩邊取樣,因此一個模數轉換器的時鐘信號在相位上與時鐘信號相差180°。然后,對模數轉換器的輸出信號進行多路復用,可以提供比單個模數轉換器更高的采樣率,這需要相同的設備和2個時鐘信號,并精確保持180°的相位關系。


黄大仙区| 张掖市| 高密市| 宁河县| 阿图什市| 宁城县| 杭锦后旗| 奇台县| 南投县| 西平县| 林周县| 道孚县| 新泰市| 克拉玛依市| 江源县| 理塘县| 皋兰县| 吐鲁番市| 东丽区| 康乐县| 德令哈市| 蓬溪县| 林甸县| 永济市| 丰顺县| 双江| 吉安市| 白河县| 梁河县| 吕梁市| 浦江县| 上杭县| 奉新县| 新邵县| 兰考县| 越西县| 温宿县| 即墨市| 东乡族自治县| 襄城县| 昌图县| 长乐市| 耿马| 伊吾县| 库车县| 卢氏县| 新乐市| 奉贤区| 来宾市| 遵义县| 枣阳市| 钦州市| 东乡| 丰镇市| 杭锦旗| 郸城县| 彝良县| 宁陵县| 顺昌县| 清流县|