전파 망원경 디지털 백엔드 수신기 부문의 판도를 바꾸는 RFSoC 기술

다중 주파수 천문학의 새로운 시대가 열리는 가운데, 다양한 유형의 무선 전파를 동시에 관찰함으로써 개별 관찰에서 실현할 수 있는 것 이상으로 우주에 대한 이해를 높일 수 있습니다. 무선 통신을 특정 방송국에 맞춰 조정하는 것처럼 전파 천문학자들은 망원경을 조정하여 수백만 광년 떨어진 광원에서 무선 전파를 포착할 수 있습니다. 이때 사용하는 망원경은 광범위한 주파수를 관찰하도록 조정할 수 있으므로 과학자가 우주 현상에 대한 다양한 데이터를 수집할 수 있습니다. 천문학자는 첨단 컴퓨터 알고리즘과 정교한 신호 처리 기술을 사용하여 신호를 디코딩한 후 별의 탄생과 소멸, 은하의 형성과 진화, 우주를 구성하는 다양한 유형의 물질 등 다양한 우주 이벤트와 구조를 연구할 수 있습니다.

전파 망원경은 약 10m(30MHz) ~ 1mm(300GHz)에 이르는 광범위한 파장의 무선 주파수 방사선을 탐지하고 분석하도록 설계된 특수 천문 계측기입니다. 이 방사선은 펄서, 별, 은하, 퀘이사와 같은 다양한 외계 광원에서 방출됩니다. 희미한 전파 방출을 감지하는 전파 망원경의 효과는 안테나의 크기와 효율성, 신호 증폭과 감지를 위한 수신기의 감도, 데이터 처리 기능의 품질 등 몇 가지 주요 요소에 따라 달라집니다.

최신 디지털 백엔드 수신기를 사용하면 최첨단 기술을 통합하여 천문학 관측의 명확성과 디테일을 크게 향상할 수 있습니다. 또한 정교한 알고리즘과 고성능 하드웨어를 활용하여 대용량의 데이터를 효율적으로 처리함으로써 천문학자가 매우 높은 정밀도로 연구할 수 있습니다.

전파 망원경 시스템의 주요 부품은 수신기입니다. 수신기의 주요 역할은 안테나에서 수집된 아날로그 신호를 디지털 형식으로 변환하는 것으로, 고급 신호 처리에 필수적인 기능입니다. 변환 공정에는 잡음 필터링, 약한 신호 증폭, 수신되는 무선 전파의 정밀한 디지털화 등 몇 가지 중요한 작업이 포함됩니다. 또한 디지털 백엔드 수신기를 사용하면 고속 데이터 전송을 관리하여 방대한 양의 관측 데이터를 신속하고 정확하게 처리 및 분석할 수 있습니다.

신호 대 잡음비를 개선하고 세밀한 분해능을 제공하여 연구원이 복잡한 우주 현상을 세부적이고 심층적으로 탐구할 수 있습니다. 이러한 첨단 디지털 백엔드 수신기가 전파 망원경에 통합되며 전파 천문학 분야에 혁신이 일어났습니다. 이 기술적 도약은 연구 및 발견에서 새로운 지평을 열어 우주와 무수한 우주 현상에 대한 심오한 통찰력을 제공했습니다. 최신 전파 망원경의 향상된 기능 덕분에 멀리 떨어진 희미한 물체를 연구하고, 미묘한 우주 신호를 감지하며, 우주의 근본적인 변천 과정을 탐구할 수 있게 되었습니다.

그림 1: 전파 망원경은 전파 천문학 분야에 혁신을 일으켰습니다. (이미지 출처: iWave)

이러한 계측기를 지속적으로 개선하고 혁신적인 기술을 개발하면 천문학 분야에서 획기적인 발견의 가능성이 높아질 것입니다. 디지털 백엔드 기술의 지속적인 발전은 천문학자들이 은하의 형성과 별의 수명 주기부터 암흑 물질의 특성, 우주 팽창의 본질에 이르기까지 우주의 신비를 밝혀내는 데에 힘을 실어줄 것입니다. 전파 천문학의 미래는 끊임없는 지식 추구와 관측 도구의 지속적인 발전에 힘입어 흥미로운 가능성을 내포하고 있습니다.

iW-RainboW-G42M 시스템 온 모듈(SoM)(그림 2)은 ZU49DR을 통합하며 ZU39 및 ZU29와 호환됩니다. iW-RainboW-G42M SoM은 고속 ADC 및 DAC 채널과 함께 FPGA, Arm Cortex-A53 프로세서, 실시간 이중 코어 Arm Cortex-R5를 탑재한다면 처리 시스템으로 구성되어 RF 신호의 원활한 수집, 처리, 대응이 가능합니다. 처리 시스템용 오류 수정 코드가 탑재된 기판 실장 8GB 64비트 DDR4 RAM과 프로그래밍 가능 논리 전용 추가 8GB 64비트 DDR4 RAM이 장착되어 있습니다. RFSoC SoM은 업계 최고의 RF 채널 수를 자랑하며, 10GSPS에서 16채널 RF-DAC 그리고 2.5GSPS에서 16채널 RF-ADC를 제공합니다.

그림 2: iW-RainboW-G42M SoM에는 FPGA, Arm Cortex-A53 프로세서, 실시간 이중 코어 Arm Cortex-R5가 실장되어 있습니다. (이미지 출처: iWave)

RFSoC SoM을 사용하면 최종 제품에서 SoM 활용을 간소화하는 통합 초저잡음 프로그래밍 가능 RF PLL을 통합하여 복잡한 클로킹 아키텍처 관련 문제를 해결할 수 있습니다. 이렇게 통합하면 RF 신호 체인 전체에서 시스템의 신호 처리 대역폭이 증폭돼 SyncE 및 PTP 네트워크 동기화가 강화되고 최적의 동기화 수준이 보장됩니다. RFSoC SoM은 AMD Zynq UltraScale+ RFSoC Gen3 장치를 활용하여 콤팩트 실장 면적, 낮은 전력 소비, 실시간 처리 기능을 필요로 하는 RF 시스템에 적합합니다. 설계 아키텍처를 간소화하고, 전파 망원경용 천문학 디지털 백엔드 배포를 가속화하며, 장치 전력 소비와 하드웨어 개발 비용을 최소화하려는 고객을 위한 드롭인 솔루션 역할을 합니다.

iWave는 G42M Zynq UltraScale+ RFSoC SoM으로 구동되는 혁신적인 RFSoC PCIe ADC DAC 데이터 취득 카드(그림 3)를 출시했습니다. RFSoC PCIe ADC DAC 데이터 취득 카드에는 컴퓨터/서버에 연결되는 3/4 길이 PCIe Gen3 x8 호스트 인터페이스가 실장되어 있습니다. 이 카드를 사용하면 최첨단 RF 및 신호 무결성 설계 방법을 통합하여 고속 연결을 보장할 수 있습니다. 뛰어난 적응성으로 다양한 응용 분야에 원활하게 통합될 수 있어 현장 배포를 위한 다목적 솔루션을 제공합니다.

그림 3: iWave의 iW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIA 카드에는 컴퓨터/서버에 연결되는 3/4 길이 PCIe Gen3 x8 호스트 인터페이스가 실장되어 있습니다. (이미지 출처: iWave)

RFSoC의 온칩 리소스를 강화하는 iWave RFSoC ADC DAC PCIe 카드에는 다음과 부품이 실장되어 있습니다.

• ADC 채널 16개
  • 발룬이 있는 전면 패널의 직각형 SMA 커넥터 4개(BW- 800MHz ~ 1GHz)
  • 발룬이 있는 직선형 SMA 커넥터 4개(BW- 800MHz -~ 1GHz)
  • 발룬이 있는 직선형 SMA 커넥터 4개(BW- 700MHz ~ 1.6GHz)
  • 발룬이 있는 직선형 SMA 커넥터 4개(BW- 10MHz -~ 3GHz)
• DAC 채널 16개
  • 발룬이 있는 전면 패널의 직각형 SMA 커넥터 4개(BW- 800MHz -~ 1GHz)
  • 발룬이 있는 직선형 SMA 커넥터 4개(BW -800MHz ~ 1GHz)
  • 발룬이 있는 직선형 SMA 커넥터 4개(BW -700MHz ~ 1.6GHz)
  • 발룬이 있는 직선형 SMA 커넥터 4개(BW -10MHz ~ 3GHz)
• NVMe PCIe Gen2 x2/x4 M.2 커넥터
• FMC+ HSPC 커넥터

SOM 카드와 PCIe 카드 양쪽 모두에 포괄적인 설명서, 소프트웨어 드라이버, 기판 지지대 패키지가 포함되어 있어 완제품으로 바로 출시할 수 있습니다. iWave의 제품 수명 프로그램은 모듈의 장기간(10년 이상) 사용을 보장합니다.

요약

전파 망원경 디지털 백엔드 기술의 발전은 천문학자들이 우주의 신비를 밝혀내는 데 도움이 되며, iWave 부품이 그 역할을 할 수 있습니다. iW-RainboW-G42M SoM 카드부터 iW-G42P-ZU49-4E008G-E032G-LIA PCIe 카드까지, iWave는 전파 망원경 설계자가 디지털 백엔드를 개선할 수 있도록 도와드립니다.