Модель RFSoC перекрыла FFT-корзины и убрала 3.9-дБ провал
Один тон приходит в АЦП RFSoC, но попадает между центрами двух FFT-корзин. Для обычного критически дискретизированного фильтробанка это неприятное место: амплитуда в худшей точке проседает примерно на 3.9 дБ. В readout-системе для MKID так выглядят тысячи микроволновых резонаторов, частоты которых надо видеть одновременно и без зависимости результата от положения тона внутри канала.
Авторы препринта arXiv:2608.24459 собрали для этой задачи 2/1 overlapping polyphase filter bank на Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC ZCU111. Вместо одной цепочки обработки поток проходит через две физически параллельные 16-tap Blackman PFB-ветви: обычную и задержанную на половину окна. Каждая формирует спектральные корзины с шагом 1 МГц, а соседние отклики перекрываются на 50%. У канала появляется плоская примерно 2-МГц область, где тон не проваливается в щель между дискретными частотами.
Заявленный результат пока относится именно к cycle-accurate Xsim-модели всей цифровой цепи до 27-битного выхода FFT. В этом тесте ripple по рабочей полосе оказался меньше 0.1 дБ. Это убедительная проверка архитектуры и разрядностей, но ещё не измерение готового приёмника с АЦП, аналоговым фронтендом и криогенной матрицей. Авторы планируют перенести новый фильтробанк в работающий MKID-стенд отдельно.
Самая красивая часть проекта — борьба с темпом данных. При 4.096 GS/s и super-sample rate 16 попытка заставить весь тракт жить на 512 МГц быстро превращает HLS-проект в гонку за таймингом. Здесь две PFB-ветви считают параллельно на 256 МГц. Лишь компактный участок выгрузки из BRAM в FFT работает на 512 МГц. Каждая ветвь занимает 256 DSP48E2, суммарно 512; у XCZU28DR их 4272. Идея выглядит почти очевидной после того, как её увидел: широкий поток следует разрезать параллельностью у входа, пока он ещё не стал проблемой для PCIe, Ethernet и памяти.
В статье полезна и менее нарядная сторона HLS. При смене состояния конвейерные стадии приходят с разным запаздыванием, поэтому данные и управляющие сигналы способны разъехаться на границе фрейма. Для restartable-архитектуры приходится явно сохранять состояние фильтра. Эти ошибки не видны на блок-схеме PFB, зато именно на них обычно ломается переход от красивого алгоритма к синтезируемому тракту.
У группы уже есть предшествующая readout-система на ZCU111, где в криостате находили резонансы пикселей MKID-матрицы в полной темноте. Новый перекрывающийся channelizer к этой установке пока не подключён. Но результат моделирования отвечает на очень конкретный вопрос: можно ли сделать частотные корзины плотными и ровными, не превращая 4-GS/s тракт в один гигантский 512-МГц конвейер. Судя по модели, можно.