Creación de radios definidas por software de próxima generación con módulos de sistema en RFSoC

La radio definida por software (SDR) representa una de las transformaciones más significativas en el campo de la comunicación inalámbrica. A diferencia de las radios convencionales, que utilizan circuitos analógicos fijos para filtrar, mezclar y modular, las SDR trasladan gran parte del procesamiento al dominio digital. Al sustituir las funciones centradas en el hardware por algoritmos basados en software, los SDR adquieren un nivel de flexibilidad inigualable que permite a los diseñadores actualizar funciones, adaptarse a nuevos protocolos y ampliar los ciclos de vida de los sistemas sin necesidad de rediseñar el hardware.

Esta capacidad de reconfiguración sobre la marcha hace que los SDR sean indispensables en un amplio espectro de aplicaciones, desde sistemas de defensa y aeroespaciales hasta infraestructuras 5G, comunicaciones por satélite y equipos de pruebas electrónicas.

Diferencias entre SDR y los sistemas de radio tradicionales

En un receptor de RF tradicional, los componentes analógicos se encargan de la mayor parte del trabajo: los mezcladores reducen la conversión de las señales entrantes, los filtros modelan el espectro y los moduladores o demoduladores recuperan la información. Esta cadena analógica puede ser inflexible y susceptible al ruido, lo que obliga a rediseñarla para cada nueva banda de frecuencias o norma.

En cambio, un SDR reduce el front-end analógico al mínimo, normalmente la antena y un circuito básico de front-end RF (Figura 1). Una vez que un convertidor analógico-digital (ADC) digitaliza la forma de onda entrante, el software se encarga del trabajo pesado. La modulación, la demodulación, el filtrado de canales, la corrección de errores y la descodificación se realizan digitalmente. Del mismo modo, para la transmisión, un convertidor digital-analógico (DAC) transforma los datos procesados de nuevo en señales de RF, de nuevo controlado por rutinas de software.

Figura 1: Los procesos básicos del SDR. (Fuente de la imagen: iWave Global)

Este cambio ofrece una enorme agilidad: el mismo hardware de radio puede soportar Wi-Fi hoy, una banda 5G mañana y comunicaciones tácticas seguras al día siguiente, todo ello con una actualización de software.

RFSoC: Una plataforma ideal para SDR

La creación de un SDR de alto rendimiento requiere convertidores ultrarrápidos, una potente estructura de procesamiento y rutas de datos de baja latencia. La familia Zynq™ UltraScale+™ RFSoC de AMD responde a estas necesidades integrando:

• RF-ADC y RF-DAC multi-gigasample
• Lógica programable FPGA para DSP en tiempo real
• Procesadores Arm® integrados para control por software
• Memoria de alta velocidad e interfaces de transceptor

Al consolidar en un único dispositivo lo que antes requería varios chips discretos, RFSoC simplifica drásticamente el diseño de las placas. Esta integración disminuye el consumo de energía, reduce la latencia y mejora la integridad de la señal. Para aplicaciones de RF en tiempo real en las que la precisión de temporización y el rendimiento no son negociables, RFSoC ofrece una solución monolítica con latencia ultrabaja y sincronización ajustada.

El poder del muestreo directo de RF

Una de las ventajas que definen al RFSoC es su capacidad para soportar frecuencias de muestreo en el rango multi-GSPS. Sus RF-ADC pueden capturar señales directamente en frecuencias de RF, mientras que sus RF-DAC pueden generar salidas de banda extremadamente ancha, ambas sin depender de etapas intermedias de conversión descendente.

Esto permite una arquitectura de radio "casi totalmente digital", en la que estándares como Wi-Fi a 2.4 GHz, 5G New Radio en torno a 3.5 GHz y bandas celulares de 800 MHz a 1.8 GHz pueden digitalizarse y procesarse directamente. En cambio, muchas plataformas SDR disponibles en el mercado están limitadas a frecuencias de muestreo de unas pocas decenas o cientos de MHz, lo que las hace dependientes de mezcladores analógicos para bajar las señales a una frecuencia intermedia.

Al eliminar esas etapas analógicas, los SDR basados en RFSoC consiguen mayor fidelidad, menor latencia y un diseño más compacto (Figura 2).

Figura 2: Comparación de una solución SDR RFSoC de un solo chip con alternativas multichip. (Fuente de la imagen: Radio definido por software con Zynq® UltraScale+™ RFSoC)

Comparación de arquitecturas SDR: un chip vs multichip

Las ventajas de la integración RFSoC se hacen patentes cuando se compara con las arquitecturas SDR convencionales (Tabla 1).

Tabla 1: Comparación del RFSoC con las soluciones SDR convencionales.

Con ADC, DAC, lógica FPGA y procesadores dentro de un mismo paquete, RFSoC evita los inconvenientes de la comunicación entre chips. Para los desarrolladores, esto se traduce en ciclos de diseño más cortos, costes reducidos y un rendimiento final superior.

¿Por qué elegir un sistema en módulo para SDR RFSoC?

Aunque el RFSoC en sí está muy integrado, diseñar una placa personalizada en torno a él puede resultar desalentador. La secuenciación de la alimentación, la distribución del reloj y el diseño multigigabit requieren conocimientos avanzados. Un sistema en módulo (SoM) ofrece una solución práctica.

Al ofrecer un módulo compacto y previamente validado que aloja el RFSoC, la memoria, la gestión de energía y las interfaces de alta velocidad, los SoM permiten a los ingenieros:

• Acelerar la creación de prototipos y minimizar el riesgo de diseño
• Centrarse en la innovación específica de la aplicación más que en la integración de placas base
• Lograr diseños compactos y optimizados SWaP (tamaño, peso y potencia) adecuados para el sector aeroespacial y de defensa.
• Confíe en la disponibilidad a largo plazo y en la calidad de la producción

Las placas base pueden adaptarse a cada caso de uso mientras el SoM permanece constante, lo que permite a los equipos reutilizar la propiedad intelectual (IP) y reducir el costo total de desarrollo.

Figura 3: Placa portadora iWave para SDR RFSoC. (Fuente de la imagen: iWave)

Cartera de sistema en módulo RFSoC de iWave

iWave ofrece un completo conjunto de SoM RFSoC y plataformas de evaluación, cada una de ellas adaptada a aplicaciones SDR y RF de alto rendimiento:

• iG-G42M: SoM RFSoC ZU49/ZU39/ZU29DR
  • Dispone de 16 ADC (2.5 GSPS) y 16 DAC (10 GSPS).
• iG-G42P: Tarjeta RFSoC PCIe (ZU49/ZU39/ZU29DR)
  • Conectividad PCIe Gen3, almacenamiento NVMe, E/S SMA y expansión FMC+.
• iG-G60M: SoM RFSoC ZU48/47/43/28/27/25DR
  • ADC/DAC de hasta 8 canales (5 GSPS/9.85 GSPS).
• iG-G60V (próximamente): Módulo enchufable RFSoC ADC/DAC 3U VPX
  • Factor de forma reforzado para el sector aeroespacial y de defensa.

Figura 4: SoMs RFSoC de iWave (Fuente de la imagen: iWave)

Estos módulos están respaldados por sólidas pilas de software que incluyen BSP de Linux, compatibilidad con JESD204B/C, canalizaciones GStreamer y aplicaciones de referencia, lo que garantiza una ruta fluida desde la creación de prototipos hasta la producción.

Impacto real de los SDR RFSoC

La combinación de muestreo directo de RF, procesamiento digital integrado e implantación a nivel de módulo da como resultado sistemas SDR que son:

• Gran flexibilidad: configurable para múltiples estándares inalámbricos
• Compacto y eficiente: optimizado para plataformas sensibles al SWaP
• Alta fidelidad: con una degradación mínima de la señal
• Escalable: desde prototipos de laboratorio hasta infraestructuras de defensa y telecomunicaciones implementadas.

Ya sea en sistemas aéreos no tripulados que realizan vigilancia en tiempo real, estaciones base 5G que admiten la asignación dinámica del espectro o equipos de prueba portátiles que analizan señales de banda ancha, los SDR RFSoC permiten soluciones que antes eran impracticables con diseños discretos.

Conclusión

La radio definida por software está remodelando la comunicación inalámbrica al hacer que las radios sean más flexibles, actualizables y preparadas para el futuro. El Zynq UltraScale+ RFSoC de AMD da vida a este concepto al colapsar los convertidores, el tejido FPGA y los procesadores en una sola matriz de silicio. La combinación de un RFSoC con un sistema en módulo agiliza el tiempo de comercialización, reduce el riesgo y ofrece fiabilidad de producción.

Con más de 25 años de experiencia en FPGA y sistemas integrados, iWave ofrece SoM RFSoC y servicios ODM que equilibran rendimiento, costo y soporte a largo plazo.

Para explorar cómo la cartera RFSoC de iWave puede acelerar sus proyectos SDR, comuníquese con nosotros enviando un correo a mktg@iwave-global.com.