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LabVIEW FPGA和軟件設(shè)計(jì)射頻儀器的優(yōu)勢

作者: 時(shí)間:2012-09-25 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

無線設(shè)備的數(shù)量、通信標(biāo)準(zhǔn)的多樣性,以及調(diào)制方案的復(fù)雜度,每一年都在不斷增加。而隨著每一代新技術(shù)的誕生,由于使用傳統(tǒng)技術(shù)測試無線設(shè)備,需要大量更復(fù)雜的測試設(shè)備,其成本也在不斷提高。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/259995.htm

使用虛擬(軟件)儀器與模塊化I/O相結(jié)合是一種最小化硬件成本并減少測試時(shí)間的方法。儀器的新方法使得射頻測試工程師無需憑借自定義或特殊標(biāo)準(zhǔn)的儀器,就能以多個(gè)數(shù)量級的幅度減少測試時(shí)間。

閱讀此文可以幫助您了解如何使用NI 來設(shè)計(jì)和自定義您的,以及通過的儀器能為您的測試系統(tǒng)所帶來的好處。

儀器簡介
多年來,測試工程師一直在運(yùn)用諸如的軟件包來實(shí)現(xiàn)自定義射頻測量系統(tǒng),并與傳統(tǒng)封裝儀器相比盡可能地減少成本。使用軟件設(shè)計(jì)的方法不僅提供了強(qiáng)大的靈活性,更能使測試工程師利用到最新的PC,CPU和總線技術(shù)所帶來的性能提升。

CPU成為了許多高要求射頻測試應(yīng)用的瓶頸,CPU有限的并行機(jī)制和軟件棧將會導(dǎo)致延時(shí),對于有些需要根據(jù)測量值或待測設(shè)備(DUT)的狀態(tài)而動態(tài)調(diào)整測試激勵(lì)的應(yīng)用,就會影響到測試效果。為了達(dá)到最理想的射頻測試系統(tǒng)效果,需要結(jié)合使用自定義儀器硬件和多核技術(shù),這也能使測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員得以找到低延時(shí)和高吞吐量之間的平衡點(diǎn),從而大幅減少測試時(shí)間。

雖然現(xiàn)成即用的儀器硬件的性能早已被改善,NI仍然致力于運(yùn)用現(xiàn)場可編程門陣列()技術(shù)提供更加開放和靈活的測試設(shè)備。簡而言之,是一種用戶可以自定義的高密度的數(shù)字芯片,可以使得測試工程師將他們的自定義信號處理方法和控制算法結(jié)合到測試硬件中。因此,即成可用的射頻硬件包含了諸多優(yōu)點(diǎn):高質(zhì)量的測量技術(shù),且在其最新的構(gòu)件中包含了可靠的,可溯源的測量方法,通過與高度并行的用戶自定義邏輯相結(jié)合,可以產(chǎn)生較低的延遲,并且它能夠與I/O直接連接以用于在線處理和嚴(yán)格的控制環(huán)路。

關(guān)于此類硬件的一個(gè)案例是NI PXIe-5644R vector signal transceiver (VST)。該設(shè)備融合了矢量信號發(fā)生器和矢量信號分析儀的功能,并包含了一個(gè)用戶可編程FPGA來用于實(shí)時(shí)信號處理和控制。由于FPGA賦予其更多的靈活性,VST非常適合用于自定義觸發(fā),待測設(shè)備控制,并行測試和實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理(DSP)。

使用 FPGA將LabVIEW的運(yùn)用擴(kuò)展至硬件自定義
雖然FPGA已廣泛用于自定義主板設(shè)計(jì)或是即成可用設(shè)備的一部分,但用戶自定義FPGA迄今為止還未被大量用于即成可用的設(shè)備中。這主要是因?yàn)閷@些設(shè)備進(jìn)行編程需要擁有專業(yè)的背景知識。硬件描述語言或HDL,通常學(xué)習(xí)起來非常困難,唯有數(shù)字電路設(shè)計(jì)專家才能勝任。

LabVIEW FPGA模塊可以幫助大量的工程師和科學(xué)家接觸到最新的FPGA技術(shù)。使用圖形化編程方法,用戶可以在硬件中實(shí)現(xiàn)邏輯定義的行為。事實(shí)上,LabVIEW的圖形化數(shù)據(jù)流的特性非常適合用于實(shí)現(xiàn)并視覺化呈現(xiàn)那些可在FPGA上進(jìn)行的并行操作。雖然使用LabVIEW對FPGA編程還是略有區(qū)別,也需要進(jìn)行額外的學(xué)習(xí),但其難度將明顯小于學(xué)習(xí)HDL的難度。


圖1,使用LabVIEW FPGA模塊,用戶可以使用熟悉的LabVIEW代碼對儀器硬件進(jìn)行自定義。對于射頻應(yīng)用,用戶可以以預(yù)創(chuàng)建的范例項(xiàng)目為基礎(chǔ),添加相應(yīng)修改以實(shí)現(xiàn)自定義觸發(fā),待測設(shè)備控制,信號處理等功能。

許多LabVIEW FPGA的范例項(xiàng)目都可以作為您射頻應(yīng)用的起始點(diǎn),并且這些項(xiàng)目也能在諸如NI PXIe-5644R VST之類的設(shè)備上使用。值得一提的是,用戶可以根據(jù)儀器數(shù)據(jù)移動模式(與矢量信號分析儀或發(fā)生器擁有相似的自定義開始,停止和參考觸發(fā)顯示界面),或者根據(jù)數(shù)據(jù)流模式(適用于在線信號處理或者錄制和回放應(yīng)用)對FPGA進(jìn)行自定義。

軟件設(shè)計(jì)儀器與傳統(tǒng)方法的對比
在射頻測量系統(tǒng)中運(yùn)用基于FPGA的硬件可以帶來從低延時(shí)待測設(shè)備的控制到減少CPU負(fù)載等諸多好處。在下文中將介紹更多不同應(yīng)用的詳細(xì)情況。

使用交互式待測設(shè)備控制方法,提高測試系統(tǒng)的整合度
在許多射頻測試系統(tǒng)中,需要使用數(shù)字信號或自定義協(xié)議來控制需要被控制的設(shè)備和芯片。傳統(tǒng)的自動化測試系統(tǒng)可以通過待測設(shè)備的模式進(jìn)行排序,在每一個(gè)不同的階段進(jìn)行所需的測量工作。有些智能型的自動化測試儀器(ATE)系統(tǒng)可以根據(jù)接收到的測量值在待測設(shè)備設(shè)置之間進(jìn)行排序。

對于任意兩種情況,包含了FPGA的軟件設(shè)計(jì)儀器都可以降低成本并減少測試時(shí)間。將測量處理和數(shù)字控制整合至一個(gè)儀器中可以降低系統(tǒng)對其他數(shù)字I/O的需求,并且也無需在儀器間對觸發(fā)進(jìn)行配置。對于有些必須根據(jù)接受到的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行控制的待測設(shè)備,軟件設(shè)計(jì)儀器可以在硬件中關(guān)閉循環(huán),以減少因在軟件中進(jìn)行決策所帶來的高延時(shí)。

使用硬件測量減少測試時(shí)間,提高測試可靠性
雖然當(dāng)今基于軟件的測試系統(tǒng)只能對有限數(shù)量的測量進(jìn)行并行處理,但只要通過FPGA邏輯,軟件設(shè)計(jì)儀器可以毫無限制地實(shí)現(xiàn)并行處理。通過硬件并行機(jī)制可以處理大量的測量任務(wù)或數(shù)據(jù)通道,而無需對指定的測量任務(wù)進(jìn)行挑選。諸如快速傅里葉變換、濾波、調(diào)制和解調(diào)等計(jì)算,可以在硬件中進(jìn)行,由此可以減少CPU的數(shù)據(jù)傳送量和處理量。諸如實(shí)時(shí)頻譜屏蔽之類的功能,使用軟件設(shè)計(jì)儀器,可以比使用傳統(tǒng)封裝儀器獲得更高的速率。

此外,在硬件中執(zhí)行測量任務(wù)的低延時(shí)意味著在同樣的時(shí)間內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)可能只能要求完成一個(gè)測量任務(wù),但其卻可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)實(shí)時(shí)測量任務(wù),從而提高測試結(jié)果的質(zhì)量并增加射頻測試的可靠程度。而且,由于測量任務(wù)可以在硬件中連續(xù)執(zhí)行,并周期性地從主機(jī)測試程序中進(jìn)行采樣,用戶可以完全不用擔(dān)心遺漏任何重要的數(shù)據(jù)。


圖2. 使用軟件設(shè)計(jì)儀器,用戶可以連續(xù)采集數(shù)據(jù)并執(zhí)行測試(定期采樣測試結(jié)果),而無需停止采集過程來傳輸信息。

通過閉環(huán)反饋快速達(dá)到最理想的測試條件
某些射頻測試要求待測設(shè)備設(shè)置或環(huán)境和生產(chǎn)處理的數(shù)量需要根據(jù)所接收到的測量任務(wù)進(jìn)行改變;這就需要一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),但其常常由于軟件棧的延時(shí)而受到限制。在許多情況下,可以在硬件中直接閉環(huán),從而使得CPU無需再計(jì)算下一個(gè)定位點(diǎn)。這樣可以將閉環(huán)測試時(shí)間從數(shù)十秒減少至零點(diǎn)幾秒。

通過用戶自定義觸發(fā)來處理特定的數(shù)據(jù)
使用儀器型硬件已解決了觸發(fā)行為的延時(shí)問題。然而,通過使用軟件設(shè)計(jì)的儀器,用戶可以將自定義觸發(fā)功能集成到設(shè)備中,從而可以在特定情況下快速執(zhí)行命令。靈活的基于硬件的觸發(fā)意味著用戶可以在捕捉重要的測量數(shù)據(jù)或激活其他的儀器設(shè)備時(shí),將自定義頻譜屏蔽或其他復(fù)雜的條件設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)。并且,通過選擇硬件中特定的數(shù)據(jù)可以使得用戶解放CPU以用于其他重要的任務(wù)。

在設(shè)計(jì)過程中合理運(yùn)用軟件投資
雖然本文內(nèi)容主要有關(guān)射頻測試,但工程師也越來越多地在設(shè)計(jì)和測試階段反復(fù)地使用IP,縮短產(chǎn)品上市周期并大幅減少測試總體費(fèi)用。通過LabVIEW FPGA,可以對數(shù)字信號處理算法進(jìn)行定義,并可將其視為設(shè)備的一部分或元件確認(rèn)而重復(fù)運(yùn)用,從而無需再從頭開始編寫測試代碼。這能夠加速測試的開發(fā)(在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的初期即可開始進(jìn)行測試),同時(shí)也使得測試覆蓋的范圍更加完整。


圖3. IP可以在設(shè)計(jì)和測試階段反復(fù)使用,從而減少測試的開發(fā)時(shí)間并提供更加完整的測試范圍
永不過時(shí)的軟件設(shè)計(jì)儀器
在未來幾年中,廠商定義的儀器和功能固定的即用儀器將毫無疑問地繼續(xù)存在。然而,越來越多復(fù)雜的射頻設(shè)備和產(chǎn)品上市時(shí)間的壓力已推動了基于軟件的儀器系統(tǒng)的不斷增加,這些趨勢的延續(xù)意味著在不久的將來,軟件設(shè)計(jì)儀器將逐漸在射頻測試,乃至在所有的測試儀器中,扮演一個(gè)不可或缺的重要角色。

軟件設(shè)計(jì)儀器提供了高度的靈活、優(yōu)質(zhì)的性能,以及采用即時(shí)可用硬件而具備的永不過時(shí)性。當(dāng)系統(tǒng)要求改變時(shí),軟件設(shè)計(jì)儀器的軟件投資將通過不同的模塊化I/O得以保留,而現(xiàn)有的I/O也可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用而隨時(shí)改變。



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