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德州儀器如何幫助全球最大射電望遠鏡實現精準和同步

2020-10-22 來源:EEWORLD

當我們開發出高速數據轉換和時間同步器后,工程師和科學家就可以制造出世界上最大的射電望遠鏡陣列,使世界獲得比以往任何時候都更多的深空數據。


2018年,Krzysztof Caputa博士遇到了一個嚴峻的挑戰:他為加拿大國家研究委員會(NRC)領導的天文儀器項目,需要實現相隔數百英里的關鍵電子元件之間的時間同步。


如果不將遙遠的信號時間同步到25億分之一秒,天文學家將無法準確洞察宇宙的更深處。眾所周知,復雜的工程項目總是延誤。尤其是這個開創性的項目風險很大,解決這個挑戰將給Caputa的團隊一個開辟新天地的機會。


“時間同步問題是射電望遠鏡項目的一個重大障礙。”德州儀器業務開發經理Philip Pratt說。


平方公里陣列(SKA)射電望遠鏡項目是全球十幾個國家的科學家和工程師的合作項目,旨在將數千個相對較小的無線電天線發出的信號組合成一個或多個大信號。


這些SKA天線加在一起,將提供相當于一個具有1平方公里收集面積的大型無線電天線的信號檢測能力,將成為世界上最大的射電望遠鏡。


等到2027年該項目上線后,由于高速數據傳輸和世界最大射電望遠鏡陣列的突破性進展,天文學家將獲得射電天文學史上前所未有的深空數據。這些組合的天線將具有改變游戲規則的靈敏度,以獲取有關一系列微弱、遙遠的天文物體和現象的新細節,包括大爆炸后誕生的第一個黑洞和恒星、星系如何形成的線索、暗物質和暗能量的性質甚至是生命的分子組成部分。


但在地球上,25億分之一秒的時間阻礙了這一進程。


對速度的追求


SKA項目的第一階段始于2019年,將持續到2027年,大約130個無線電天線將位于南非卡魯沙漠。來自每一個天線的信號將通過光纖電纜迅速傳送到數千英里外的全球中央處理中心,在那里,信號將被組合。


但是在天線的信號被送到中心之前,它必須首先從模擬信號轉換成數字數據。最初的信號處理在天線內部進行,設計處理它的電子設備是這個項目的一個關鍵部分。2014年,這一責任落在了NRC和位于英國的NRC工程團隊的下。


到2016年,Caputa和他的團隊在德州儀器高速數據轉換器團隊的幫助下,提出了一個解決方案,最初基于當時最新的、最先進的模數轉換器(ADC)ADC12J4000。


Pratt說:“我們在設計幫助天文學家探索深空的產品方面有著悠久的歷史。該項目需要更高的速度和性能,新芯片超出了最初的要求。我們希望盡我們所能幫助NRC團隊取得成功。”


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同步決定一切


但在2017年,SKA的一次設計審查提出了一個新的挑戰。


SKA天線將在不同頻率之間跳躍,以捕捉盡可能多的深空信號。每一跳都會在通過ADC的數據傳輸速率上產生短暫的微小波動。“短暫”只是一種輕描淡寫的說法——抖動通常在25億分之一秒左右。但是,由于SKA將來自多個天線的高頻信號組合在一起,這種微小的誤定時就足以中斷與中央處理中心的同步。


“我們必須連續數小時保持完美同步。”Caputa說。“如果我們錯過了一個時鐘周期,我們就失去了連貫性。”


這個問題似乎需要在每個天線上安裝兩個獨立的ADC系統,這樣當一個系統將信號從當前頻率傳送到中心時,另一個系統可以調諧到下一個需要的頻率。切換到另一個轉換器問題,就可以在不丟失同步的情況下完成。但是,一個雙ADC解決方案還需要將所有連接和數字信號處理組件加倍,這就需要對系統進行徹底的重新設計,這可能會使團隊開發倒退數年。


Caputa說:“我們真的在努力避免每套系統都翻倍。我們嘗試了許多不同的想法,但似乎沒有任何辦法。就在那時,我聯系了TI,我們一起研究解決方案。”


極高的速度和前所未有的精準度


Pratt和公司的工程師們向Caputa概述了解決這個問題的關鍵:一種新的、更快的芯片,它可以達到幾乎不可能的每秒10千兆采樣。


Pratt說:“我們產品的速度比他們最初要求要快,但結果證明他們需要更快。”Pratt解釋說,“一個10G采樣芯片可以在雙通道模式下運行,每個半速通道都可以調諧到不同的頻率信號,而且每個通道仍然可以在SKA要求的數據速率下工作。”


Caputa說:“如果這項技術奏效,那就意味著我們不需要額外的通訊線路了。我們可以通過同一個系統處理兩個信號。”


希望芯片能夠產生所需的速度,Caputa在2018年向SKA領導層提出了這一解決方案,并獲得了贊許。Pratt則表示,團隊為此使出了渾身解數。


除了對芯片進行重新設計與制造,完成處理速度翻倍的效率,該團隊還推出了新的技巧來確定芯片上的時鐘定時,以確保芯片能夠以前所未有的精度鎖定每一個幾十億分之一秒的周期。


在最初四個月的討論之后,Pratt為Caputa帶來了ADC12DJ5200RF的原型,芯片通過了Caputa的所有測試。


Pratt說:“產品證明了它可以在每個通道中以每秒5.2千兆采樣的目標速率運行,而不會丟失一個周期。”。


重回正軌


2019年,SKA系統的第二次詳細設計驗證了新器件。


Caputa表示:“我們不再需要重新設計系統,而只是簡單的更換了芯片。”


新芯片不僅保持了時間的完美同步,而且還改善了系統的頻率響應,這意味著SKA的信號更清晰。他的團隊現在準備開始制造第一批設備。


Pratt說,他和德州儀器的設計團隊對他們為Caputa和SKA系統所做的一切感到非常自豪。


“隨著該項目重回正軌,天文學家們開始興奮起來。”Caputa說:“SKA真是太棒了。我們能夠與TI合作,找到解決方案,這真是令人滿意。”


活出激情,去創造一個更美好的世界


推進高速數據轉換和同步是德州儀器通過半導體技術,使電子產品更實惠地來創造更美好世界的一個例子。今天,當德州儀器繼續開拓集成電路的發展時,這種熱情依然存在。每一代的創新都建立在最新一代技術的基礎上,使技術更小、更高效、更可靠、更實惠,從而開拓新市場,使半導體能夠在任何地方進入電子產品領域。這是工程技術的進步,是德州儀器幾十年來的一貫堅持。

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