基于PXI Express的高速混合信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)

　　PXI Express技術(shù)概覽

　　基于最新的PCI Express技術(shù)，PXI Express使PXI背板帶寬從132 MB/s 增加至6 GB/s，提升幅度超過(guò)45倍。除了PXI現(xiàn)有的定時(shí)和同步功能，PXI Express還提供了附加的定時(shí)和觸發(fā)總線，包括100 MHz差分系統(tǒng)時(shí)鐘、差分信號(hào)、以及差分星形觸發(fā)等(見(jiàn)圖1)。通過(guò)使用差分時(shí)鐘和觸發(fā)，PXI Express系統(tǒng)增加了對(duì)儀器時(shí)鐘的抗噪聲能力，并能傳輸更高頻率的時(shí)鐘信號(hào)。

　　圖1 在PXI平臺(tái)現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，PXI Express提供了附加的定時(shí)和同步功能，實(shí)現(xiàn)了更高精度的測(cè)量

　　在性能大幅提升的同時(shí)，PXI Express具備和PXI軟硬件上完全的兼容性。PCI Express的軟件兼容性使得PXI提供的標(biāo)準(zhǔn)軟件框架同樣適用于PXI Express。為了保證硬件的兼容性，PXI Express標(biāo)準(zhǔn)中定義了一種混合插槽，使得工程師能夠在同一個(gè)插槽中安裝PXI或是PXI Express的模塊。有了這些技術(shù)，工程師和廠商能夠利用硬件和軟件上的兼容性，最大程度地保留了在PXI系統(tǒng)和產(chǎn)品上現(xiàn)有的投資。

　　PXI Express的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　針對(duì)自動(dòng)化的測(cè)量和控制應(yīng)用，PXI/PXI Express平臺(tái)能夠提供以下的三大技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

　　*靈活的、軟件定義的儀器系統(tǒng)

　　*高度集成的模塊化架構(gòu)

　　*高數(shù)據(jù)吞吐量和精確的定時(shí)同步特性

　　通過(guò)軟件定義的解決方案，用戶可以獲取原始的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)應(yīng)用不同的分析方法，獲得靈活的、完全自定義的測(cè)量結(jié)果。例如對(duì)于RF/通信領(lǐng)域的測(cè)試，面臨層出不窮的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，就必須采用基于統(tǒng)一硬件平臺(tái)的軟件無(wú)線電架構(gòu)，只需要改變軟件上的調(diào)制解調(diào)方式就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同無(wú)線協(xié)議的測(cè)試。

　　其次，依賴于模塊化的架構(gòu)，可以從超過(guò)1500種現(xiàn)有的高性能PXI儀器中選擇合適的測(cè)量?jī)x器，同時(shí)幫助節(jié)省投資成本，隨時(shí)方便的升級(jí)控制器和模塊的性能。例如，模塊化的架構(gòu)能夠使您在一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多種混合信號(hào)的ASIC特性描述，并能根據(jù)信號(hào)的要求配置和升級(jí)測(cè)試系統(tǒng)。

　　再者，PXI Express的高吞吐量使得更多的高速測(cè)量應(yīng)用變?yōu)榭赡?，如高帶寬的IF(中頻)儀器，高速的數(shù)字視頻測(cè)試等。配合PXI Express RAID硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，還可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)600 MB/s的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流盤(pán)。對(duì)于通道間相位誤差要求很高的聲音振動(dòng)測(cè)試、結(jié)構(gòu)測(cè)試等，PXI/PXI Express精確的定時(shí)和同步功能更是不可或缺。

　　軟件定義的測(cè)量：RF/通信測(cè)試

　　由于現(xiàn)在的無(wú)線設(shè)備集成了越來(lái)越多的通信協(xié)議，如802.11g、GSM、GPS和藍(lán)牙等，無(wú)線設(shè)備測(cè)試所面臨的挑戰(zhàn)和測(cè)試成本都日趨上升。以往，您可能需要多臺(tái)儀器來(lái)測(cè)試在不同通信標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)備性能，而這需要耗費(fèi)相當(dāng)?shù)某杀竞臀锢砜臻g?，F(xiàn)在，采用軟件定義的模塊化的架構(gòu)，您可以使用同一個(gè)2.7GHz的PXI的RF軟件無(wú)線電平臺(tái)測(cè)試多種的無(wú)線通信協(xié)議。此外，您還可以在通信設(shè)備的測(cè)試中加入數(shù)字協(xié)議的測(cè)試，音頻分析等更多集成的功能。一個(gè)無(wú)線通信設(shè)備測(cè)試的典型案例就是手機(jī)的生產(chǎn)線測(cè)試，如圖2所示。

　　圖2 集成多種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)和功能的手機(jī)生產(chǎn)線測(cè)試

　　圖2中的PXI矢量信號(hào)分析儀能夠捕獲不同通信標(biāo)準(zhǔn)下的各種頻率的RF信號(hào)，由于通信協(xié)議的編解碼是由軟件實(shí)現(xiàn)的，因此在同一個(gè)平臺(tái)上可以完成對(duì)GSM、IEEE 802.11g、藍(lán)牙等不同協(xié)議的測(cè)試。這樣軟件定義的測(cè)量方式不僅減少了測(cè)試設(shè)備的體積，更是縮減了測(cè)試的成本。

　　集成的模塊化架構(gòu)：混合信號(hào)的ASIC特性描述

　　現(xiàn)代ASIC通常擁有多個(gè)混合信號(hào)的輸入和輸出。PXI儀器系統(tǒng)所提供的單平臺(tái)解決方案，可以在一個(gè)平臺(tái)中集成多種儀器的測(cè)試功能，完成對(duì)復(fù)雜的ASIC芯片的特性描述。

　　例如，我們需要測(cè)試一個(gè)四通道、12位、100 MHz的數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片，這樣的ASIC需要48路同步的數(shù)字I/O通道，4路精確的模擬輸入通道和一個(gè)可編程的DC電源模塊?；赑XI/PXI Express的平臺(tái)，您可以將上述的測(cè)量模塊集成在一個(gè)系統(tǒng)中，在這樣的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)字I/O模塊之間的同步，確保48個(gè)通道間的同步誤差小于1ns;此外，PXI的高速數(shù)字化儀在100 MS/s的采樣率下能夠提供高達(dá)14位的分辨率，再配合一個(gè)低損耗的RF開(kāi)關(guān)模塊，就可以對(duì)四路的高速模擬信號(hào)進(jìn)行切換測(cè)試;最后，基于PXI可編程的電源模塊能夠提供0V~6V、以120mV為間隔進(jìn)行變化的電壓信號(hào)對(duì)ASIC的Vcc進(jìn)行供電(如圖3所示)。

　　圖3 四通道高速DAC測(cè)試的參考架構(gòu)

　　依賴于模塊化的儀器系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)可以被重新配置或進(jìn)行擴(kuò)展以滿足未來(lái)的測(cè)試需求。配合使用NI LabVIEW的軟件編程環(huán)境，您還可以實(shí)現(xiàn)THD、SFDR、SINAD等多種ASIC標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的測(cè)量，并通過(guò)觀察其在不同功率、電流等因素下的性能，對(duì)待測(cè)芯片進(jìn)行復(fù)雜全面的特性描述。

　　高數(shù)據(jù)吞吐量：數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)流盤(pán)應(yīng)用

　　高速的測(cè)量應(yīng)用，如RF/IF信號(hào)的采集、數(shù)字視頻的測(cè)試、高速圖像的采集等，如今變的越來(lái)越廣泛，傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器雖然具有非常高的采樣率和帶寬，但由于板載內(nèi)存容量的限制，其連續(xù)采集的時(shí)間和波形存儲(chǔ)的容量畢竟有限，通過(guò)GPIB(或者是以太網(wǎng)、USB)傳回控制PC的往往也只是分析的結(jié)果，如果要傳遞原始的測(cè)量數(shù)據(jù)將耗費(fèi)大量的測(cè)試時(shí)間(GPIB的帶寬約為1MB/s)。這樣，測(cè)量的功能就完全由儀器廠商所定義，用戶拿不到原始的數(shù)據(jù)，就無(wú)法做自定義的分析，也就失去了對(duì)數(shù)據(jù)的控制權(quán)。

　　如今，借助于PXI/PXI Express的高帶寬，用戶可以輕松的采集大量的原始數(shù)據(jù)、通過(guò)總線傳輸回控制器并實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)在硬盤(pán)上，用于后續(xù)自定義的分析和數(shù)據(jù)備份。正是使用了商業(yè)現(xiàn)成可用(COTS)的PCI/PCI Express技術(shù)，使得原本需要昂貴的專用儀器才能實(shí)現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)流盤(pán)應(yīng)用變得更簡(jiǎn)單可行。

　　讓我們來(lái)看一個(gè)IF信號(hào)采集和流盤(pán)的案例，通過(guò)案例來(lái)分析基于PXI Express的高速數(shù)據(jù)流盤(pán)應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)和編程的實(shí)現(xiàn)。

　　現(xiàn)代衛(wèi)星通信和頻譜監(jiān)測(cè)應(yīng)用需要長(zhǎng)時(shí)間地將大量的RF/IF信號(hào)存儲(chǔ)到硬盤(pán)上，用于后期的數(shù)據(jù)回放和信號(hào)的分析和捕獲。以往，這類應(yīng)用只能借助于構(gòu)建和維護(hù)都十分昂貴的定制硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。而現(xiàn)在，您可以使用高帶寬的PXI/PXI Express儀器系統(tǒng)，快速高效地開(kāi)發(fā)此類應(yīng)用。

　　在這個(gè)應(yīng)用中，我們使用下變頻模塊將RF信號(hào)下變頻到可以進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的IF信號(hào)，然后用一塊100 MS/s采樣率的高速數(shù)字化儀采集該IF信號(hào)。由于可以用數(shù)字化儀的兩個(gè)通道作同時(shí)的采集，每個(gè)通道的帶寬達(dá)50 MHz，因此這個(gè)系統(tǒng)可以采集高達(dá)100 MHz帶寬的RF信號(hào)(見(jiàn)圖4)。

　　圖4 通信系統(tǒng)測(cè)試中的數(shù)據(jù)流盤(pán)架構(gòu)圖

　　對(duì)于信號(hào)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，通常需要將幾分鐘甚至是幾個(gè)小時(shí)的頻譜數(shù)據(jù)流盤(pán)，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)吞吐量更會(huì)高達(dá)400 MB/s。在這里要注意的是該數(shù)字化儀具有14位的分辨率，因此每個(gè)采樣值就需要兩個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間。數(shù)據(jù)吞吐量的具體計(jì)算公式如下。

　　數(shù)據(jù)吞吐量 = 采樣率×字節(jié)/采樣點(diǎn)×通道數(shù)= 100 MS/s×2字節(jié)/采樣點(diǎn)×2通道 = 400MB/s

　　如此高的數(shù)據(jù)吞吐量對(duì)總線和硬盤(pán)都提出了巨大的挑戰(zhàn)，甚至普通的PXI總線都難以勝任，這里我們采用了高達(dá)2 GB/s數(shù)據(jù)吞吐量的PXI Express總線以及PXI Express x4 RAID-0硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(讀寫(xiě)速率高達(dá)650 MB/s)，并在高性能的雙核嵌入式控制器上進(jìn)行后續(xù)的功率譜和聯(lián)合時(shí)頻域的軟件分析(見(jiàn)圖5)。

　　圖5 基于PXI Express的通信測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

　　對(duì)于如此復(fù)雜系統(tǒng)的軟件編程，我們采用了NI LabVIEW內(nèi)在的多線程并行編程模型，更好的優(yōu)化了數(shù)據(jù)流盤(pán)的速度，并充分發(fā)揮了多核處理器的性能。由于LabVIEW會(huì)自動(dòng)將編程任務(wù)分配至多個(gè)線程(多個(gè)線程也可以被指定在不同的核上運(yùn)行)，我們可以將儀器I/O和文件I/O分成兩個(gè)獨(dú)立的循環(huán)運(yùn)行，如圖6所示的這種生產(chǎn)者-消費(fèi)者的編程架構(gòu)。上面的循環(huán)(生產(chǎn)者)從高速的數(shù)字化儀中采集數(shù)據(jù)，并將其傳遞至一個(gè)隊(duì)列結(jié)構(gòu)(一個(gè)LabVIEW FIFO)。下面的循環(huán)(消費(fèi)者)從隊(duì)列結(jié)構(gòu)中讀取數(shù)據(jù)并將其寫(xiě)入到磁盤(pán)。這樣的生產(chǎn)者-消費(fèi)者架構(gòu)為數(shù)據(jù)流盤(pán)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了最佳的性能，因?yàn)樵谙M(fèi)者循環(huán)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到磁盤(pán)的同時(shí)，生產(chǎn)者循環(huán)可以不間斷的采集數(shù)據(jù)。

　　圖6 LabVIEW中的生產(chǎn)者-消費(fèi)者并行架構(gòu)

結(jié)語(yǔ)

　　結(jié)合上述實(shí)際案例的分析，憑借這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)，PXI/PXI Express平臺(tái)能夠?yàn)橹T如RF/IF信號(hào)采集，數(shù)字視頻測(cè)試以及混合信號(hào)ASIC特性描述等新興的應(yīng)用提供高性價(jià)比的解決方案。憑借PXI Express上GHz的高帶寬，更能為高速的測(cè)量領(lǐng)域帶來(lái)全新的理念和實(shí)現(xiàn)方法，幫助用戶構(gòu)建高效、低成本的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。