德州仪器如何帮助全球最大射电望远镜实现精准和同步

似水流年

德州仪器如何帮助全球最大射电望远镜实现精准和同步



当我们开发出高速数据转换和时间同步器后，工程师和科学家就可以制造出世界上最大的射电望远镜阵列，使世界获得比以往任何时候都更多的深空数据。

2018年，Krzysztof Caputa博士遇到了一个严峻的挑战：他为加拿大国家研究委员会（NRC）领导的天文仪器项目，需要实现相隔数百英里的关键电子元件之间的时间同步。

如果不将遥远的信号时间同步到25亿分之一秒，天文学家将无法准确洞察宇宙的更深处。众所周知，复杂的工程项目总是延误。尤其是这个开创性的项目风险很大，解决这个挑战将给Caputa的团队一个开辟新天地的机会。

“时间同步问题是射电望远镜项目的一个重大障碍。”德州仪器业务开发经理Philip Pratt说。

平方公里阵列（SKA）射电望远镜项目是全球十几个国家的科学家和工程师的合作项目，旨在将数千个相对较小的无线电天线发出的信号组合成一个或多个大信号。

这些SKA天线加在一起，将提供相当于一个具有1平方公里收集面积的大型无线电天线的信号检测能力，将成为世界上最大的射电望远镜。

等到2027年该项目上线后，由于高速数据传输和世界最大射电望远镜阵列的突破性进展，天文学家将获得射电天文学史上前所未有的深空数据。这些组合的天线将具有改变游戏规则的灵敏度，以获取有关一系列微弱、遥远的天文物体和现象的新细节，包括大爆炸后诞生的第一个黑洞和恒星、星系如何形成的线索、暗物质和暗能量的性质甚至是生命的分子组成部分。

但在地球上，25亿分之一秒的时间阻碍了这一进程。

对速度的追求

SKA项目的第一阶段始于2019年，将持续到2027年，大约130个无线电天线将位于南非卡鲁沙漠。来自每一个天线的信号将通过光纤电缆迅速传送到数千英里外的全球中央处理中心，在那里，信号将被组合。

但是在天线的信号被送到中心之前，它必须首先从模拟信号转换成数字数据。最初的信号处理在天线内部进行，设计处理它的电子设备是这个项目的一个关键部分。2014年，这一责任落在了NRC和位于英国的NRC工程团队的下。

到2016年，Caputa和他的团队在德州仪器高速数据转换器团队的帮助下，提出了一个解决方案，最初基于当时最新的、最先进的模数转换器（ADC）ADC12J4000。

Pratt说：“我们在设计帮助天文学家探索深空的产品方面有着悠久的历史。该项目需要更高的速度和性能，新芯片超出了最初的要求。我们希望尽我们所能帮助NRC团队取得成功。”

                               
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同步决定一切

但在2017年，SKA的一次设计审查提出了一个新的挑战。

SKA天线将在不同频率之间跳跃，以捕捉尽可能多的深空信号。每一跳都会在通过ADC的数据传输速率上产生短暂的微小波动。“短暂”只是一种轻描淡写的说法——抖动通常在25亿分之一秒左右。但是，由于SKA将来自多个天线的高频信号组合在一起，这种微小的误定时就足以中断与中央处理中心的同步。

“我们必须连续数小时保持完美同步。”Caputa说。“如果我们错过了一个时钟周期，我们就失去了连贯性。”

这个问题似乎需要在每个天线上安装两个独立的ADC系统，这样当一个系统将信号从当前频率传送到中心时，另一个系统可以调谐到下一个需要的频率。切换到另一个转换器问题，就可以在不丢失同步的情况下完成。但是，一个双ADC解决方案还需要将所有连接和数字信号处理组件加倍，这就需要对系统进行彻底的重新设计，这可能会使团队开发倒退数年。

Caputa说：“我们真的在努力避免每套系统都翻倍。我们尝试了许多不同的想法，但似乎没有任何办法。就在那时，我联系了TI，我们一起研究解决方案。”

极高的速度和前所未有的精准度

Pratt和公司的工程师们向Caputa概述了解决这个问题的关键：一种新的、更快的芯片，它可以达到几乎不可能的每秒10千兆采样。

Pratt说：“我们产品的速度比他们最初要求要快，但结果证明他们需要更快。”Pratt解释说，“一个10G采样芯片可以在双通道模式下运行，每个半速通道都可以调谐到不同的频率信号，而且每个通道仍然可以在SKA要求的数据速率下工作。”

Caputa说：“如果这项技术奏效，那就意味着我们不需要额外的通讯线路了。我们可以通过同一个系统处理两个信号。”

希望芯片能够产生所需的速度，Caputa在2018年向SKA领导层提出了这一解决方案，并获得了赞许。Pratt则表示，团队为此使出了浑身解数。

除了对芯片进行重新设计与制造，完成处理速度翻倍的效率，该团队还推出了新的技巧来确定芯片上的时钟定时，以确保芯片能够以前所未有的精度锁定每一个几十亿分之一秒的周期。

在最初四个月的讨论之后，Pratt为Caputa带来了ADC12DJ5200RF的原型，芯片通过了Caputa的所有测试。

Pratt说：“产品证明了它可以在每个通道中以每秒5.2千兆采样的目标速率运行，而不会丢失一个周期。”。

重回正轨

2019年，SKA系统的第二次详细设计验证了新器件。

Caputa表示：“我们不再需要重新设计系统，而只是简单的更换了芯片。”

新芯片不仅保持了时间的完美同步，而且还改善了系统的频率响应，这意味着SKA的信号更清晰。他的团队现在准备开始制造第一批设备。

Pratt说，他和德州仪器的设计团队对他们为Caputa和SKA系统所做的一切感到非常自豪。

“随着该项目重回正轨，天文学家们开始兴奋起来。”Caputa说：“SKA真是太棒了。我们能够与TI合作，找到解决方案，这真是令人满意。”

活出激情，去创造一个更美好的世界

推进高速数据转换和同步是德州仪器通过半导体技术，使电子产品更实惠地来创造更美好世界的一个例子。今天，当德州仪器继续开拓集成电路的发展时，这种热情依然存在。每一代的创新都建立在最新一代技术的基础上，使技术更小、更高效、更可靠、更实惠，从而开拓新市场，使半导体能够在任何地方进入电子产品领域。这是工程技术的进步，是德州仪器几十年来的一贯坚持。

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释说，“一个10G采样芯片可以在双通道模式下运行，每