5G-on-a-Chip

Redakteur: Michael Eckstein

Xilinx bringt seine Zynq UltraScale+ RFSoC-Familie mit integrierter HF-Signalkette für 5G Wireless, Cable Remote-PHY und Radar auf den Markt.

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5G-on-a-Chip: Der RFSoc Zynq UltraScale+ ist voll programmierbar und integriert die komplette HF-Signalkette.
5G-on-a-Chip: Der RFSoc Zynq UltraScale+ ist voll programmierbar und integriert die komplette HF-Signalkette.
(Bild: Xilinx)

Xilinx fertigt seine UltraScale+-MPSoC-Architektur im 16-nm-Prozess. Durch die monolithische Integration der HF-Datenkonverter in das SoC soll die Systemleistung steigen und einen 50- bis 75-fachen Gewinn ermöglichen – bei gleichzeitiger verringertem Platzbedarf. Durch SD-FEC (Soft-Decision Forward Error Correction) erfüllen die SoCs laut Xilinx die 5G- und DOCSIS 3.1-Standards. Nach Unternehmensangaben ist dies ein bedeutender Technologie-Durchbruch im Hinblick auf Anwendungen für 5G Wireless, Cable Remote-PHY und Radar.

System-on-a-Chip integriert die HF-Signalkette

Die Zynq RFSoCs kombinieren die HF-Datenwandler und SD-FEC-Kerne mit programmierbarer Logik und Arm-Mehrprozessorsystem. Sie bilden damit eine durchgehende Analog-zu-Digital-Signalkette. Während die HF-zu-Digital-Signalaufbereitung und -verarbeitung typischerweise in separate Subsysteme segmentiert wird, vereinen die RFSoCs der Zynq-UltraScale+-Familie das analoge, digitale und eingebettete Software-Design in nur einem monolithischen Baustein. Folgende Funktionalitäten sind innerhalb der Familie verfügbar:

Acht 12-bit ADCs mit 4 GS/s, oder sechzehn mit 2 GS/s, acht bis sechzehn 14-bit DACs mit 6,4 GS/s, integrierte SD-FEC Cores mit LDPC und Turbo-Codecs für 5G nach DOCSIS 3.1, Arm-Prozessor Subsystem mit Quad-Core Cortex™-A53 und Dual-Core Cortex™-R5, 16-nm UltraScale+ programmierbare Logik mit integrierten Nx100G-Kernen, bis zu 930.000 Logikzellen und mehr als 4200 DSP-Slices.

Die von der Zynq-RFSoC-Familie angesprochenen Einsatzfelder umfassen entfernte Funkleitstellen (radio heads) für Massive-MIMO, mobiles Backhaul für Millimeterwellen, 5G-Basisband, drahtloser Festnetzzugang, Remote-PHY Nodes für Kabel-TV, Radar, Test und Messtechnik, Satellitenkommunikation und Funkkommunikation für militärische und Luftfahrt-Zwecke sowie weitere anspruchsvolle HF-Applikationen.

5G Wireless

Die Zynq-UltraScale+-RFSoC-Bausteine ermöglichen den Aufbau von Systeme mit großer Bandbreite für die drahtlose Infrastruktur der nächsten Generation. Die Voraussetzungen für 5G – fünffache Bandbreite, 100-fache Nutzer-Datenraten und 1000-fach größere Netzkapazität – wären ohne Technologiedurchbrüche auf der Systemebene kaum erreichbar. Die Integration von diskreten HF-Datenwandlern und die Optimierung der Signalkette in den RFSoCs erlaubt den Aufbau von entfernten Kopfstationen für Massive-MIMO, Wireless-Backhaul und drahtlosen Festnetzzugriff. Damit realisiert man hohe Kanaldichten bei einer Reduktion der Leistung und des Footprint um 50 bis 75 Prozent. Mehrere integrierte SD-FEC-Kerne ermöglichen laut Xilinx gegenüber Softcore-Implementierungen auch unter schwierigen Bedingungen im 5G-Basisband den zehn- bis zwanzigfachen Systemdurchsatz.

Cable-Remote-PHY

Ähnliches gilt für breitbandige Kabeldienste. Hier bieten die Zynq RFSoCs eine Kombination aus kleinem Formfaktor, Leistungs-Effizienz und Hardware-Flexibilität zum Erstellen von Remote-PHY Systemen. Die verteilten Zugangs-Architekturen verschieben dabei die DOCSIS 3.x PHY-Funktionalität vom zentralisierten Headend-Equipment in Richtung des Remote-PHY-Node, und damit näher zum Kunden. Das Ersetzen der ineffizienten analogen optischen Übertragung durch den universell verfügbaren Ethernet-Transport verbessert nach Angaben des Herstellers die Netzkapazität, die Skalierbarkeit und die Performance. Durch HF-Integration und die LDPC-FEC-basierte Signalkette gewährleisten die RFSoCs die flexible Einrichtung von R-PHY mit wesentlich besserer spektraler Effizienz entsprechend DOCSIS3.1.

Radar-Anwendungen

Die Zynq RFSoCs liefern laut Xilinx auch die nötige Performance und Adaptierbarkeit für öffentliche Telecom-Programme wie die MPAR-Initiative (Multi-function Phased Array Radar) zur Kombination der Funktionen mehrerer nationaler Radarnetze in ein einziges System für die Luftraum- und Wetterbeobachtung. Da derartige technisch führende Systeme in Echtzeit arbeiten müssen, bildet die Integration der HF-Analogverarbeitung im Zynq UltraScale+ RFSoC eine ideale Lösung. Zynq RFSoC-Bausteine werden derzeit in den Rockwell-Collins Common Module Beamformer für das Darpa ACT Programm (Arrays at Commercial Time Scales) integriert. ACT soll die Entwicklungszyklen und Updates im Feld vereinfachen und verkürzen und dabei die traditionellen Barrieren für Radar-Arrays überwinden.

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