基于PXI Express的高速混合信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)
PXI Express為PXI儀器平臺(tái)增添了眾多的技術(shù)優(yōu)勢(shì),開辟了許多新興測(cè)量領(lǐng)域。PXI Express儀器系統(tǒng)提供的高達(dá)2GB/s的數(shù)據(jù)吞吐量使得以前只能通過定制硬件或是昂貴的專用儀器才能實(shí)現(xiàn)的高速測(cè)量應(yīng)用變?yōu)榭赡堋?/P>
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(見圖1)。通過使用差分時(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,面臨層出不窮的無線標(biāo)準(zhǔn),就必須采用基于統(tǒng)一硬件平臺(tái)的軟件無線電架構(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。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)在的無線設(shè)備集成了越來越多的通信協(xié)議,如802.11g、GSM、GPS和藍(lán)牙等,無線設(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軟件無線電平臺(tái)測(cè)試多種的無線通信協(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 集成多種無線標(biāo)準(zhǔn)和功能的手機(jī)生產(chǎn)線測(cè)試
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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),就無法做自定義的分析,也就失去了對(duì)數(shù)據(jù)的控制權(quán)。
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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)、通過總線傳輸回控制器并實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)在硬盤上,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)流盤應(yīng)用變得更簡(jiǎn)單可行。
讓我們來看一個(gè)IF信號(hào)采集和流盤的案例,通過案例來分析基于PXI Express的高速數(shù)據(jù)流盤應(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)(見圖4)。
圖4 通信系統(tǒng)測(cè)試中的數(shù)據(jù)流盤架構(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,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
評(píng)論