Because of the Thanksgiving holiday in the U.S., TI E2E design support forum responses may be delayed the week of Nov. 21. Thank you for your patience.

高速資料轉換及同步性獲得進一步改善後,工程師及科學家得以打造世界上最大的無線電望遠鏡陣列,讓全球都能取得比過去更多的深太空資料。

2018 年,Krzysztof Caputa 博士遇到一項極為艱鉅的挑戰:他在加拿大國家研究院 (National Research Council of Canada,NRC) 負責主導天文儀器專案,但遲遲無法使相隔數百英里遠的重要電子元件穩定維持時間同步。

如果遠距離訊號定時不能同步至 2.5 億分之 1 秒的範圍內,太空人便無法看見更遠的宇宙,比以往更深入一探究竟。複雜的工程專案因故延遲並不罕見,但這項具有開創性的專案事關重大;假使能解決這項挑戰,Caputa 的團隊就有機會取得突破性進展。

本公司的業務開發經理 Philip Pratt 表示:「定時問題對這項史上目標最為宏大的無線電望遠鏡專案來說,是極需解決的障礙。」

合併多個碟型天線的訊號

「平方公里陣列」(Square Kilometer Array,SKA) 無線電望遠鏡專案由全球十多個國家的科學家和工程師共同協作,目標是將數千個小型無線電天線的訊號合併為一或多個較強的訊號。

 

深入瞭解我們領先業界的高速 ADC 晶片。  

 

多個 SKA 天線結合起來的訊號偵測能力,相當於收訊面積廣達一平方公里的單一巨大碟形天線。

有了這座世界上最大的無線電望遠鏡陣列,再加上高速資料傳輸技術的進展,待這項專案於 2027 年正式啟動後,太空人便能取得無線電天文學史上最多的深太空資料。這些合併天線具備徹底顛覆現有技術的靈敏度,能探測到各式各樣模糊且遙遠的天體及天文現象,獲得更清晰的資訊,包含大霹靂發生後第一批產生的黑洞及星球、銀河系形成的線索、暗物質與暗能量的特性,以及生命的分子構成要素。

但這些資訊與地球之間卻橫亙著 2.5 億分之 1 秒這道障礙。

 

對高速的要求

SKA 專案的第一階段自 2019 年開始持續至 2027 年,預計將於南非卡魯 (Karoo) 沙漠設置約 130 個無線電碟形天線。每個碟型天線的訊號都會經由光纖電纜,快速傳輸至數千英里外的全球中央處理庫,然後透過電子方式加以合併。

但是天線的訊號傳送至處理庫前,必須先從類比訊號轉換成數位資料,這項初步訊號處理作業在天線內進行;而設計用於處理這項作業的電子元件,是專案中的一大關鍵。2014 年,這項職責落到了 NRC 肩上,交由位於加拿大卑詩省維多利亞的 Caputa 博士與 NRC 工程團隊負責。

 

2016 年,在我們公司的高速資料轉換器團隊協助之下,Caputa 博士及其率領的團隊想出了一個解決方案,以我們當時最新的一款先進類比轉數位轉換器 (ADC) 晶片 ADC12J4000 為基礎。

Pratt 說:「我們從很久以前便開始設計各種產品,協助太空人調查深太空。這款新晶片所具備的速度和性能,都超越這項專案最初的要求。我們希望盡己所能幫助 NRC 團隊獲得成功。」

 

定時至關重要

然而,在 2017 年,一項 SKA 設計審查帶來了新挑戰。

SKA 天線會不斷轉換不同頻率,以便盡可能擷取更多深太空訊號,而每次轉換都會導致透過 ADC 的資料傳輸速率發生短暫微小的擺動。用「短暫」這個詞來形容都還太過保守,雖然這種擺動約只有 2.5 億分之 1 秒,但由於 SKA 需要將來自多個天線的高頻率訊號合併,這種微乎其微的時間誤差已足以導致與中央處理庫的同步作業發生偏差。

Caputa 博士說:「我們必須連續多個小時都達到完美同步,這段時間內只要出現一個時脈週期的誤差,就會失去一致性。」

為解決這個問題,似乎必須在每個天線中安裝兩個分開的的 ADC 系統,如此一來,當一個系統將當下目標頻率的訊號傳送至中央處理庫,另一個系統就可以針對下一個目標頻率進行調校;換句話說,轉換至其他頻率就相當於切換至另一個轉換器,不會因此出現時間誤差。但如果採用雙 ADC 解決方案,所有連線和數位訊號處理元件的數量就會變成兩倍,因此系統必須全部從頭設計,可能導致團隊的工作進度落後好幾年。

Caputa 博士說:「我們盡全力避免使用雙倍元件的做法,但在嘗試過許多其他構想以後,似乎找不出其他解決之道。於是我聯繫了 TI,與他們共同合作,最後的成果就是這套解決方案。」

 

迅捷高速與前所未有的準確度

Pratt 和本公司的工程師向 Caputa 博士大致說明或許能解決這個問題的關鍵:一款更快的新晶片,取樣率高達令人幾乎無法置信的 10 GSPS。

Pratt 說:「我們原先提供的速度已經比他們起初要求的還高,但結果他們需要更快的速度。」Pratt 說明 10 GSPS 的晶片可以在雙通道模式中執行,在半速通道調整為不同頻率訊號的狀態下,每個通道依然能以 SKA 要求的資料傳輸速率運作。

Caputa 博士說:「假如這款晶片可行,就代表我們不需要加裝傳輸線,可以透過同樣的設備處理兩種訊號。」

Caputa 博士期望這款晶片能提供他們所需的超高速度;他於 2018 年向 SKA 主管提議採用這套解決方案,並順利獲得核准。Pratt 表示 TI 團隊竭盡全力提供支援,幫助他們獲得成功。

除了徹底重做晶片,以排散速度加倍所需功率產生的額外熱量,團隊也想出固定晶片時脈的新技術,確保每個小達幾億分之一秒的週期都能達到前所未有的準確度。

Caputa 博士與 TI 團隊透過密切通話和電子郵件往來不斷溝通其需求,最終 Pratt 在首次討論的 4 個月後,將新晶片的原型 ADC12DJ5200RF 交付給 Caputa 博士。這款晶片成功通過 Caputa 博士的所有測試。

Pratt 說:「他證實這款晶片能以 5.2 GSPS 的目標速率透過各個通道執行,完全沒有任何時脈週期誤差。」

 

回歸正軌

 

2019 年針對 SKA 系統展開詳細的第二次設計審查,驗證了新元件的性能。

Caputa 博士說:「我們以優異的表現通過審查,而且只單純換了晶片,根本不需要全部重新設計。」 

新的晶片不僅可以完美同步時間,還改善了系統的頻率響應,也就是說 SKA 能取得更清晰的訊號。Caputa 博士的團隊已經準備好開始打造第一批安裝在天線中的裝置。

Pratt 表示自己與 TI 設計團隊,都對他們為 Caputa 博士及 SKA 所做的一切感到無比自豪。

這項專案重新步入正軌後,太空人也相當期待。Caputa 博士說:「SKA 是一項傑出的專案,與 TI 合作找出解決方案的經驗令我十分滿意。」

 

用我們的熱忱創造更美好的世界

本公司透過半導體提供更經濟實惠的電子元件,運用熱忱創造更美好的世界,改良高速資料轉換與同步性只是其中一例。這份熱忱至今依然不滅,我們會持續在積體電路領域擔任開路先鋒,不斷推出新技術。每一代創新都建立在上一代的基礎上,使技術變得更精巧、更高效、更可靠、更實惠,進而開拓全新市場,讓半導體的應用深入到廣泛的電子產品之中。我們認為這是工程進展,也就是我們幾十年來一直在做的事。

Anonymous