滿足RF處理需求的嵌入式儀器設(shè)計(jì)

無線市場(chǎng)就像是我們的一個(gè)新生的領(lǐng)域。新的射頻(RF)技術(shù)的爆炸性增長(zhǎng)為解決老問題創(chuàng)造了新機(jī)會(huì)。靈活的高分辨率波形生成，數(shù)字化以及分析子系統(tǒng)能夠利用射頻信號(hào)配合下變頻, 并且調(diào)整多個(gè)關(guān)心點(diǎn)也是必需的。在并發(fā)，實(shí)時(shí)和多通道解調(diào)這些領(lǐng)域必須使用各種各樣的策略。通常，這種設(shè)備必須便于攜帶和在操作惡劣環(huán)境條件下使用，因此給包裝，能耗和管理提出了巨大的挑戰(zhàn)。

　　現(xiàn)有解決方案采用陣列的專用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)與一個(gè)RF數(shù)字化轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作提供需要實(shí)施下變頻和解調(diào)功能的計(jì)算帶寬。雖然有效，但是這種方法是復(fù)雜和昂貴的，因?yàn)槎嗵幚砥骶幊绦枰獜?fù)雜的流程管理和負(fù)載平衡，同時(shí)還要避免競(jìng)爭(zhēng)條件和數(shù)據(jù)瓶頸。

　　兼顧行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的COM Express PC架構(gòu)以及結(jié)合采用基于PCI Express XMC模塊的開發(fā)工具的高度模塊化的設(shè)備, 創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)、可定制的射頻處理模塊化的解決辦法。

　　方法

　　主流DSP器件的性能停滯不前，這種設(shè)備系統(tǒng)時(shí)鐘目前僅限于1GHz或更少，在100兆赫主頻與64位外部總線的條件下，帶寬限制在大約800MB/s的吞吐量。相比之下，英特爾和AMD繼續(xù)發(fā)展x86架構(gòu)，增加指令集的優(yōu)化，增強(qiáng)緩存，浮點(diǎn)協(xié)處理和片上多內(nèi)核逐步增加。四核心處理器3 GHz主頻的處理內(nèi)核和5Gb/s的外部總線帶寬是無處不在。此外，卓越的英特爾高性能多媒體函數(shù)庫(kù)支持本地信號(hào)處理的x86處理器快于現(xiàn)有的DSP器件一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且更方便和更準(zhǔn)確地提供80位浮點(diǎn)能力。但是，臺(tái)式機(jī)或工業(yè)PC不符合許多嵌入式應(yīng)用的便攜性，包裝要求和環(huán)境要求。

　　幸運(yùn)的是，由于PC作為一個(gè)開發(fā)和處理工具的巨大影響，市場(chǎng)已經(jīng)提供了一些小尺寸的PC標(biāo)準(zhǔn)，非常適合建立嵌入式，便攜式儀表，如COM-Express架構(gòu)。在滿足各種用戶的最大可靠性，可擴(kuò)展性，便攜性和計(jì)算性能要求這方面COM-Express架構(gòu)已成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。

　　一些有信譽(yù)的電子產(chǎn)品制造商，如德國(guó)控創(chuàng)，Radisys，DTI和Advantech提供了COM-Express模塊的產(chǎn)品。價(jià)格范圍大約從每塊400美元到2000美元。定價(jià)主要取決于計(jì)算能力和所需要的溫度，震動(dòng)和環(huán)境功能要求。

　　COM-Express模塊都是中間層模塊，可以安裝到定制以滿足特定的應(yīng)用需求的載板上。

　　Innovative Integration已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)特殊的載板以滿足嚴(yán)格要求的嵌入式射頻處理市場(chǎng)。打包到該公司新嵌入式儀器中的產(chǎn)品有：一個(gè)COM-Express模塊， I / O擴(kuò)展模塊和一系列的集成外設(shè)相結(jié)合，創(chuàng)造一個(gè)可嵌入到OEM設(shè)備中的小型堅(jiān)固耐用PC機(jī)，可以制造一個(gè)智能，自我管理儀器，伺服控制或RF處理節(jié)點(diǎn)。

　　通常在電腦上任何的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，包括以太網(wǎng)通信，磁盤驅(qū)動(dòng)器， USB和SATA接口，基于嵌入式儀器系統(tǒng)都可以使用。鍵盤和視頻端口可以輔助現(xiàn)場(chǎng)診斷。例如，我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式儀器安裝在位于外國(guó)的遠(yuǎn)程站點(diǎn)，可通過互聯(lián)網(wǎng)使用遠(yuǎn)程桌面或VNC的的技術(shù)支持在公司辦事處工作人員提供交互式支持或軟件升級(jí)。

　　雖然，COM Express PC的成本和計(jì)算優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)芯片級(jí)DSP解決方案相比是巨大的， COM-Express架構(gòu)效益的一個(gè)重要方面是能夠利用現(xiàn)有的良好的可用于個(gè)人電腦開發(fā)和調(diào)試工具。而鑒于德州儀器或ADI公司是他們DSP器件編譯器和調(diào)試工具的唯一來源，個(gè)人電腦市場(chǎng)上成千上萬的供應(yīng)商提供先進(jìn)的成熟的X86電腦開發(fā)工具，具有優(yōu)異的性能和低成本。此外，傳統(tǒng)的臺(tái)式機(jī)可用作主機(jī)，這些工具進(jìn)一步加快和簡(jiǎn)化了COM-Express的產(chǎn)品開發(fā)的過程。[!--empirenews.page--]

　　雖然擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力，但是一個(gè)COM-Express電腦沒有對(duì)數(shù)據(jù)采集和分析的射頻模擬信號(hào)提供直接支持。此外，多核心x86處理器現(xiàn)在已經(jīng)廣泛采用，在可預(yù)見的未來，將沒有足夠的帶寬來實(shí)時(shí)處理射頻信號(hào)。因此，需要某種形式的輸入/輸出和處理擴(kuò)展。

　　正如的COM-Express將電腦重新包裝成一個(gè)帶有中間層擴(kuò)展卡的形式， 輸入/輸出卡也可做成適合應(yīng)用在嵌入式儀器中的一種小而堅(jiān)固耐用的外形。這種形式之一被稱為PMC (PCI中間層卡） 。 PMC模塊支持PCI或支持PCIe (PCI Express)進(jìn)行總線通信，采用臺(tái)式電腦相同的標(biāo)準(zhǔn)，但打包成一個(gè)小而堅(jiān)固耐用的形式。

　　繼承了PCI總線的PCI Express是經(jīng)批準(zhǔn)的PC行業(yè)替代PCI 輸入/輸出擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)。 PCIe特點(diǎn)是與PCI軟件的兼容性，并且大大提高的吞吐量是PCI的64倍。此外，總線特色是保證服務(wù)質(zhì)量和P2P (點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）數(shù)據(jù)流的能力，使其成為實(shí)時(shí)應(yīng)用最佳選擇。

　　該嵌入式儀器的COM Express電腦完成初始化、監(jiān)督控制、用戶接口以及在射頻處理應(yīng)用中高性能計(jì)算的職責(zé)?；赑CI Express的PMC模塊提供輸入/輸出和數(shù)字信號(hào)處理擴(kuò)展，所示框圖如下。

　　用戶界面的設(shè)備，如鍵盤，鼠標(biāo)和顯示器可能做成診斷端口或全部省略。另外，訪問流行的嵌入式用戶接口控制器件，如按鈕，圖形OLED(有機(jī)發(fā)光顯示器Organic Light Emitting Display)顯示器等是常見的嵌入式儀器可以提供的功能。同樣，USB和硬盤接口在初步設(shè)計(jì)中是隱藏的或省略的, 或作為可選設(shè)備，只有在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中才提供。

　　嵌入式儀器的電腦運(yùn)行的是標(biāo)準(zhǔn)Windows或Linux及其變種，如XP或openSUSE 10.2,充分利用現(xiàn)有的PMC模塊驅(qū)動(dòng)。這些電腦都提供了用于高性能開發(fā)的信號(hào)處理的C++庫(kù)，這些基于最佳化英特爾高性能多媒體函數(shù)庫(kù)的C++庫(kù)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)x86平臺(tái)上提供世界一流的DSP功能和性能。

　　兩個(gè)PCI Express XMC模塊端口所提供輸入輸出擴(kuò)展。一個(gè)通常用于PMC模塊的實(shí)現(xiàn)RF前端的模擬輸入和輸出和基于FPGA的數(shù)字信號(hào)處理能力。第二個(gè)端口是沒有確定用途可用于未來的擴(kuò)展。許多的PCIe的兼容PMC模塊兼容這個(gè)端口可以提供額外的功能，如光通道的以太網(wǎng)通信，輔助語(yǔ)音或超聲波波段模擬通道或額外的FPGA資源。[!--empirenews.page--]

　　每個(gè)嵌入式儀器端口有必需支持持續(xù)的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃膫€(gè)或八個(gè)2.5Gbps的PCI Express的I/O lanes。即使在非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上，如Windows XP或Linux(Suse 10.2)，持續(xù)主機(jī)-模塊傳輸1Gb/s的流量也是很容易實(shí)現(xiàn)的。此外，這兩個(gè)端口提供8個(gè)專用通信lane，允許在兩個(gè)模塊之間執(zhí)行的算法共享的大容量數(shù)據(jù)。即使占用效率低下，持續(xù)的端口之間的數(shù)據(jù)傳輸速率1.2Gb/s已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

　　PCI Express總線提供了極好COM EXPRESS CPU和PMC模塊之間高帶寬的連接性。如果采用1Gb/s的持續(xù)吞吐量，接口有足夠的帶寬，為低帶寬、下變換基帶數(shù)據(jù)增加了大量額外預(yù)留帶寬，以便在未來的應(yīng)用中增加捕捉或記錄原始中頻數(shù)據(jù)成為很容易的事。

　　PCIe還支持快速的隨機(jī)、異步輸入/輸出訪問XMC模塊外設(shè)寄存器，以完成濾波器系數(shù)上傳， DDC的渠道調(diào)整，以及調(diào)整通常在軟件無線電應(yīng)用中需要的任何其他行動(dòng)的操作。通常，使用現(xiàn)代的COM - Express模塊完成將在1微秒內(nèi)單個(gè)的從模式訪問。

　　新的X5模塊產(chǎn)品系列采用了最強(qiáng)大的Xilinx Virtex5 FPGA; 各種射頻速度、高分辨率的模擬輸入/輸出設(shè)備和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PMC / XMC模塊包裝。這些產(chǎn)品結(jié)合了4個(gè)通道的高分辨率模擬輸入/輸出加上基于FPGA的信號(hào)處理核心，能夠?qū)崟r(shí)執(zhí)行信號(hào)數(shù)字化、數(shù)據(jù)緩沖和射頻處理應(yīng)用所需的信號(hào)處理。

　　這些XMC模塊按照VITA 20規(guī)格說明實(shí)行導(dǎo)冷卻。此外，標(biāo)準(zhǔn)邏輯中還包括提供連續(xù)溫度監(jiān)控。溫度超過編程警告門限時(shí), 溫度軟件可能會(huì)收到警告消息，如果溫度超過了設(shè)計(jì)故障門限溫度, 邏輯配置為自動(dòng)關(guān)閉。這種先進(jìn)的熱管理機(jī)制保證了在現(xiàn)實(shí)世界中產(chǎn)品在特定區(qū)域內(nèi)的可靠性。

　　FPGA的定制固件，可使用標(biāo)準(zhǔn)的IP內(nèi)核建立，并在MATLAB下充分模擬，這有利于提高嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品性能和縮短上市時(shí)間。建立供應(yīng)商提供的邏輯框架基礎(chǔ)上Virtex 5的FPGA定制固件提供了板上模擬設(shè)備、DDR和QDR內(nèi)存池和PCI Express總線接口。固件、基于PC的軟件工具和C + +庫(kù)一起為主機(jī)應(yīng)用程序與PMC集成提供完整的軟件開發(fā)系統(tǒng)。

　　為了提供最佳的AC性能，高速模擬輸入電路，射頻驅(qū)動(dòng)力必須使用一個(gè)穩(wěn)定，低抖動(dòng)的采樣時(shí)鐘。內(nèi)建時(shí)鐘電路是一個(gè)從公司現(xiàn)有ClockGen PMC模塊衍生的出來的， 在6.25至270 MHz的時(shí)鐘范圍內(nèi)抖動(dòng)小于1 ps，有長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性，并且集成的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器能夠同時(shí)源于每一個(gè)XMC端口上的50歐姆負(fù)載和通過外部時(shí)鐘連接器連接的外部設(shè)備。

　　在某些應(yīng)用中，要求全球定位系統(tǒng)的電路提供的世界時(shí)間同步模塊采樣時(shí)鐘。為了適應(yīng)這些要求， 嵌入式儀器載板集成了一個(gè)GPS接收器和采樣時(shí)鐘時(shí)基電路。嵌入到FPGA的載板控制邏輯的伺服鎖鎖定時(shí)間上的一點(diǎn)(1PPS）輸出全球定位系統(tǒng)接收器所產(chǎn)生的事件，確保位于世界各地不同的地點(diǎn)嵌入式儀器電腦在1微妙之內(nèi)開始采集和采樣同步。

　　嵌入式信號(hào)處理

　　X5的PMC模塊的設(shè)計(jì)，支持射頻信號(hào)處理應(yīng)用最少的外部電路，并沒有修改X5的PCIe總線接口或后端基礎(chǔ)設(shè)施。例如，右面的圖表顯示了X5的- 2.1功能方框圖。

　　X5–210M模塊的顯著特點(diǎn)是其高性能的模擬前端。它包含：4通道210 MSPS、14位A / D、建立在Xilinx Virtex5 Pro FPGA和專業(yè)內(nèi)存基礎(chǔ)上的高性能的處理核心、采樣率時(shí)鐘和同步、以及一個(gè)用于系統(tǒng)集成的高性能的數(shù)據(jù)包協(xié)議棧的PCI Express接口。

　　如同所有的X5模塊，210M可編程FPGA的特性是可以使用HDL或MATLAB的加Xilinx core Generator編程。通常，修改FPGA可以實(shí)施獨(dú)立的下變頻信道、過濾器、 FFTs和為了形成基準(zhǔn)射頻調(diào)諧功能基礎(chǔ)必須在FPGA內(nèi)中頻頻率上完成的其他許多行動(dòng)。該嵌入式儀器的COM-Express電腦進(jìn)行初始化，監(jiān)督控制，用戶接口以及在射頻處理應(yīng)用中高性能計(jì)算任務(wù)。

　　在MATLAB的X5-210M板支持包允許信號(hào)處理利用MATLAB/simulink進(jìn)行開發(fā)。Simulink是用來模擬信號(hào)處理的位真，真實(shí)周期的設(shè)計(jì)，然后可以在有硬件的回路中直接測(cè)試硬件。這使得信號(hào)處理可以使用Xilinx經(jīng)過驗(yàn)證IP內(nèi)核在較高的水平上進(jìn)行開發(fā)，并在MATLAB環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。

　　該技術(shù)通過從強(qiáng)大MATLAB/simulink的環(huán)境中，高效和徹底核查信號(hào)處理過程來降低風(fēng)險(xiǎn)，縮短開發(fā)時(shí)間。然后，從MATLAB來的信號(hào)處理邏輯核心被集成到FrameWorks LogicHDL的最后邏輯設(shè)計(jì)中。

　　模塊中提供FrameWorks Logic包提供了硬件接口和支持功能，如A / D轉(zhuǎn)換接口，內(nèi)存控制器，主機(jī)數(shù)據(jù)接口和控制。象A / D轉(zhuǎn)換接口、觸發(fā)多隊(duì)列數(shù)據(jù)緩沖、DDC控制和PCI總線控制器接口等標(biāo)準(zhǔn)的邏輯功能作為組件被提供。它必須使用Simulink或Xilinx ISE中的定制邏輯塊加以擴(kuò)展，形成最后用戶應(yīng)用固件的基礎(chǔ)。

　　通常情況下，依據(jù)所希望的、特定應(yīng)用的信號(hào)處理功能可以由提供模塊的制造商或?qū)ｉT從事知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品或射頻引擎工程公司開發(fā)。這樣的固件可以執(zhí)行自定義的數(shù)字下變頻、優(yōu)化、高分辨率的FFT處理塊，并能在持續(xù)速率超過100 MHz情況下操作或者完成應(yīng)用程序指定的其他功能。本文發(fā)表在一個(gè)開發(fā)過程中的技術(shù)轉(zhuǎn)移到客戶端的工程人員的培訓(xùn)會(huì)議上。這是最經(jīng)濟(jì)的和時(shí)間效益綜合平衡的發(fā)展進(jìn)程。采用了這個(gè)基礎(chǔ)設(shè)備，工程小組“立即進(jìn)入角色” ，不需要修改退出代碼就可以滿足特定應(yīng)用的要求。

　　總結(jié)

　　新的超小型個(gè)人電腦允許使用的COTS硬件建立一個(gè)新的嵌入式儀器來降低系統(tǒng)成本和提高可用性。COM-Express處理器模塊可以為當(dāng)前和未來的產(chǎn)品提供可擴(kuò)展性的主機(jī)處理能力。利用先進(jìn)的PCI Express PMC模塊，集成高性能的基于FPGA的計(jì)算引擎，并可動(dòng)態(tài)加載定制固件，以滿足不斷變化的RF處理市場(chǎng)的需求。