Concevoir des radios logicielles nouvelle génération avec des systèmes sur modules RFSoC

Les radios logicielles (SDR) constituent l'une des transformations les plus importantes dans le secteur des communications sans fil. Contrairement aux radios classiques qui s'appuient sur des circuits analogiques fixes pour le filtrage, le mixage et la modulation, les SDR transfèrent une grande partie du traitement vers le domaine numérique. En remplaçant les fonctions centrées sur le matériel par des algorithmes commandés par logiciel, les SDR atteignent un niveau de flexibilité inégalé, permettant aux concepteurs de mettre les fonctionnalités à niveau, de s'adapter à de nouveaux protocoles et d'étendre le cycle de vie des systèmes sans avoir à repenser la conception du matériel.

Grâce à cette capacité de reconfiguration à la volée, les SDR sont indispensables dans un large éventail d'applications, qu'il s'agisse de systèmes de défense, d'aérospatiale, d'infrastructures 5G, de communications par satellite ou d'équipements de test électroniques.

Différences entre SDR et systèmes radio traditionnels

Dans un récepteur RF traditionnel, les composants analogiques gèrent la majeure partie de la charge de travail : les mélangeurs abaissent les signaux entrants, les filtres façonnent le spectre et les modulateurs ou démodulateurs récupèrent les informations. Cette chaîne analogique peut manquer de flexibilité et présenter une sensibilité au bruit, exigeant une nouvelle conception pour chaque nouvelle norme ou bande de fréquences.

En revanche, une radio logicielle réduit le circuit d'entrée analogique au strict minimum — typiquement juste l'antenne et un circuit d'entrée RF basique (Figure 1). Une fois la forme d'onde entrante numérisée par un convertisseur analogique-numérique (CAN), le gros du travail est effectué par le logiciel. La modulation, la démodulation, le filtrage des canaux, la correction des erreurs et le décodage sont tous effectués numériquement. De même, pour la transmission, un convertisseur numérique-analogique (CNA) retransforme les données traitées en signaux RF, là encore contrôlés par des routines logicielles.

Figure 1 : Processus SDR de base. (Source de l'image : iWave Global)

Cette évolution offre une agilité considérable : le même matériel radio peut prendre en charge le Wi-Fi aujourd'hui, une bande 5G demain et des communications tactiques sécurisées le jour suivant, et ce grâce à une simple mise à jour logicielle.

RFSoC : plateforme idéale pour les radios SDR

La conception d'une radio SDR hautes performances requiert des convertisseurs ultra-rapides, une puissante structure de traitement et des chemins de données à faible latence. La gamme de RFSoC Zynq™ UltraScale+™ d'AMD répond à ces besoins en intégrant les éléments suivants :

• CAN RF et CNA RF multi-giga-échantillons
• Logique programmable FPGA pour DSP en temps réel
• Processeurs Arm® embarqués pour contrôle logiciel
• Interfaces d'émetteur-récepteur et mémoire haute vitesse

En consolidant en un seul dispositif ce qui nécessitait auparavant plusieurs puces discrètes, le RFSoC simplifie considérablement la conception des cartes. Cette intégration réduit la consommation d'énergie et la latence, et améliore l'intégrité des signaux. Pour les applications RF en temps réel où la précision de temporisation et les performances ne sont pas négociables, le RFSoC offre une solution monolithique avec une latence ultrafaible et une synchronisation stricte.

La puissance de l'échantillonnage RF direct

L'un des avantages déterminants du RFSoC est sa capacité à prendre en charge des fréquences d'échantillonnage dans la plage multi-Géch./s. Ses CAN RF peuvent capturer les signaux directement aux fréquences RF, tandis que ses CNA RF peuvent générer des sorties à bande extrêmement large, sans recourir à des étages de conversion descendante intermédiaires.

Il en résulte une architecture radio « presque entièrement numérique », où des normes telles que le Wi-Fi à 2,4 GHz, la 5G New Radio autour de 3,5 GHz et les bandes cellulaires de 800 MHz à 1,8 GHz peuvent être directement numérisées et traitées. En revanche, de nombreuses plateformes SDR standard sont limitées à des fréquences d'échantillonnage de quelques dizaines ou centaines de MHz, ce qui les rend dépendantes de mélangeurs analogiques pour abaisser les signaux à une fréquence intermédiaire.

En éliminant ces étages analogiques, les radios SDR basées sur RFSoC offrent une fidélité plus élevée, une latence plus faible et une conception plus compacte (Figure 2).

Figure 2 : Comparaison d'une solution SDR RFSoC monopuce avec des alternatives multipuces. (Source de l'image : Software-Defined Radio with Zynq® UltraScale+™ RFSoC)

Comparaison des architectures SDR : monopuce et multipuce

L'intégration RFSoC présente des avantages évidents par rapport aux architectures SDR conventionnelles (Tableau 1).

Tableau 1 : Comparaison des solutions RFSoC et SDR conventionnelles.

Avec des CAN, des CNA, une logique FPGA et des processeurs dans un seul boîtier, le RFSoC évite les pièges de la communication entre puces. Pour les développeurs, cela se traduit par des cycles de conception plus courts, des coûts réduits et des performances finales supérieures.

Pourquoi choisir un système sur module pour les SDR RFSoC

Bien que le RFSoC lui-même soit hautement intégré, la conception d'une carte personnalisée basé sur lui peut constituer un défi. Le séquencement de l'alimentation, la distribution d'horloge et la configuration multi-gigabit requièrent une expertise avancée. Un système sur module (SoM) offre une solution pratique.

En fournissant un module compact et pré-validé qui abrite le RFSoC, la mémoire, la gestion de l'alimentation et les interfaces haut débit, les SoM permettent aux ingénieurs de :

• Accélérer le prototypage et minimiser les risques de conception
• Cibler l'innovation spécifique à l'application plutôt que l'intégration de la carte de base
• Réaliser des conceptions compactes et optimisées SWaP (taille, poids et puissance) adaptées à l'aérospatiale et à la défense
• S'appuyer sur une disponibilité à long terme et une qualité de production

Les cartes porteuses peuvent être adaptées à chaque cas d'utilisation tandis que le SoM reste inchangé, permettant aux équipes de réutiliser la propriété intellectuelle (IP) et de réduire le coût total de développement.

Figure 3 : Carte porteuse d'iWave pour SDR RFSoC. (Source de l'image : iWave)

Portefeuille de systèmes sur modules RFSoC d'iWave

iWave propose un ensemble complet de SoM RFSoC et de plateformes d'évaluation, tous optimisés pour les applications SDR et RF hautes performances :

• iG-G42M – SoM RFSoC ZU49/ZU39/ZU29DR
  • Comprend 16 CAN (2,5 Géch./s) et 16 CNA (10 Géch./s).
• iG-G42P – Carte PCIe RFSoC (ZU49/ZU39/ZU29DR)
  • Connectivité PCIe Gen3, stockage NVMe, E/S SMA et extension FMC+.
• iG-G60M – SoM RFSoC ZU48/47/43/28/27/25DR
  • Jusqu'à 8 canaux CAN/CNA (5 Géch./s / 9,85 Géch./s).
• iG-G60V (bientôt disponible) – Module enfichable RFSoC CAN/CNA 3U VPX
  • Facteur de forme renforcé pour l'aérospatiale et la défense.

Figure 4 : SoM RFSoC d'iWave. (Source de l'image : iWave)

Ces modules s'appuient sur des piles logicielles robustes, y compris BSP Linux, prise en charge JESD204B/C, pipelines GStreamer et applications de référence, garantissant un processus fluide du prototypage à la production.

Impact concret des SDR RFSoC

La combinaison de l'échantillonnage RF direct, du traitement numérique intégré et du déploiement au niveau du module favorise des systèmes SDR présentant les caractéristiques suivantes :

• Haute flexibilité – Capacités de configuration pour plusieurs normes sans fil
• Compacité et efficacité – Conception optimisée pour les plateformes sensibles au facteur SWaP
• Haute fidélité – Dégradation minimale des signaux
• Évolutivité – Des prototypes de laboratoire aux infrastructures de défense et de télécommunications déployées

Qu'il s'agisse de systèmes aériens sans pilote effectuant une surveillance en temps réel, de stations de base 5G prenant en charge l'attribution dynamique du spectre ou d'équipements de test portables analysant les signaux à large bande, les SDR RFSoC permettent des solutions qui étaient autrefois irréalisables avec des conceptions discrètes.

Conclusion

Les radios logicielles redéfinissent les communications sans fil en rendant les radios plus flexibles, évolutives et prêtes pour l'avenir. Le RFSoC Zynq UltraScale+ d'AMD concrétise ce concept en regroupant les convertisseurs, la structure FPGA et les processeurs dans une seule puce. L'association du RFSoC à un système sur module permet d'accélérer la mise sur le marché, de réduire les risques et d'atteindre une fiabilité de niveau production.

Fort de plus de 25 ans d'expertise en FPGA et systèmes embarqués, iWave propose des SoM RFSoC et des services ODM conciliant performances, coût et support à long terme.

Pour découvrir comment le portefeuille RFSoC d'iWave peut accélérer vos projets SDR, contactez-nous à mktg@iwave-global.com.