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)有的定時和同步功能，PXI Express還提供了附加的定時和觸發(fā)總線，包括100 MHz差分系統(tǒng)時鐘、差分信號、以及差分星形觸發(fā)等(見圖1)。通過使用差分時鐘和觸發(fā)，PXI Express系統(tǒng)增加了對儀器時鐘的抗噪聲能力，并能傳輸更高頻率的時鐘信號。

　　圖1 在PXI平臺現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，PXI Express提供了附加的定時和同步功能，實現(xiàn)了更高精度的測量

　　在性能大幅提升的同時，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

　　針對自動化的測量和控制應(yīng)用，PXI/PXI Express平臺能夠提供以下的三大技術(shù)優(yōu)勢：

　　*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、完全自定義的測量結(jié)果。例如對于RF/通信領(lǐng)域的測試，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)方式就可以實現(xiàn)對不同無線協(xié)議的測試。

　　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量儀器，同時幫助節(jié)省投資成本，隨時方便的升級控制器和模塊的性能。例如，模塊化的架構(gòu)能夠使您在一個系統(tǒng)中實現(xiàn)多種混合信號的ASIC特性描述，并能根據(jù)信號的要求配置和升級測試系統(tǒng)。

　　再者，PXI Express的高吞吐量使得更多的高速測量應(yīng)用變?yōu)榭赡?，如高帶寬的IF(中頻)儀器，高速的數(shù)字視頻測試等。配合PXI Express RAID硬盤驅(qū)動器，還可以實現(xiàn)高達600 MB/s的實時數(shù)據(jù)流盤。對于通道間相位誤差要求很高的聲音振動測試、結(jié)構(gòu)測試等，PXI/PXI Express精確的定時和同步功能更是不可或缺。

　　軟件定義的測量：RF/通信測試

　　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和藍牙等，無線設(shè)備測試所面臨的挑戰(zhàn)和測試成本都日趨上升。以往，您可能需要多臺儀器來測試在不同通信標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)備性能，而這需要耗費相當(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2.7GHz的PXI的RF軟件無線電平臺測試多種的無線通信協(xié)議。此外，您還可以在通信設(shè)備的測試中加入數(shù)字協(xié)議的測試，音頻分析等更多集成的功能。一個無線通信設(shè)備測試的典型案例就是手機的生產(chǎn)線測試，如圖2所示。

　　圖2 集成多種無線標(biāo)準(zhǔn)和功能的手機生產(chǎn)線測試

　　圖2中的PXI矢量信號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，由于通信協(xié)議的編解碼是由軟件實現(xiàn)的，因此在同一個平臺上可以完成對GSM、IEEE 802.11g、藍牙等不同協(xié)議的測試。這樣軟件定義的測量方式不僅減少了測試設(shè)備的體積，更是縮減了測試的成本。

　　集成的模塊化架構(gòu)：混合信號的ASIC特性描述

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

　　例如，我們需要測試一個四通道、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可編程的DC電源模塊?；赑XI/PXI Express的平臺，您可以將上述的測量模塊集成在一個系統(tǒng)中，在這樣的系統(tǒng)中實現(xiàn)多個數(shù)字I/O模塊之間的同步，確保48個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14位的分辨率，再配合一個低損耗的RF開關(guān)模塊，就可以對四路的高速模擬信號進行切換測試;最后，基于PXI可編程的電源模塊能夠提供0V~6V、以120mV為間隔進行變化的電壓信號對ASIC的Vcc進行供電(如圖3所示)。

　　圖3 四通道高速DAC測試的參考架構(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行擴展以滿足未來的測試需求。配合使用NI LabVIEW的軟件編程環(huán)境，您還可以實現(xiàn)THD、SFDR、SINAD等多種ASIC標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的測量，并通過觀察其在不同功率、電流等因素下的性能，對待測芯片進行復(fù)雜全面的特性描述。

　　高數(shù)據(jù)吞吐量：數(shù)據(jù)的實時流盤應(yīng)用

　　高速的測量應(yīng)用，如RF/IF信號的采集、數(shù)字視頻的測試、高速圖像的采集等，如今變的越來越廣泛，傳統(tǒng)的臺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)采集的時間和波形存儲的容量畢竟有限，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量數(shù)據(jù)將耗費大量的測試時間(GPIB的帶寬約為1MB/s)。這樣，測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)、通過總線傳輸回控制器并實時的存儲在硬盤上，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現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)流盤應(yīng)用變得更簡單可行。

　　讓我們來看一個IF信號采集和流盤的案例，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)要點和編程的實現(xiàn)。

　　現(xiàn)代衛(wèi)星通信和頻譜監(jiān)測應(yīng)用需要長時間地將大量的RF/IF信號存儲到硬盤上，用于后期的數(shù)據(jù)回放和信號的分析和捕獲。以往，這類應(yīng)用只能借助于構(gòu)建和維護都十分昂貴的定制硬件來實現(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。

　　在這個應(yīng)用中，我們使用下變頻模塊將RF信號下變頻到可以進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的IF信號，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。由于可以用數(shù)字化儀的兩個通道作同時的采集，每個通道的帶寬達50 MHz，因此這個系統(tǒng)可以采集高達100 MHz帶寬的RF信號(見圖4)。

　　圖4 通信系統(tǒng)測試中的數(shù)據(jù)流盤架構(gòu)圖

　　對于信號監(jiān)測的應(yīng)用，通常需要將幾分鐘甚至是幾個小時的頻譜數(shù)據(jù)流盤，而實時數(shù)據(jù)吞吐量更會高達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，因此每個采樣值就需要兩個字節(jié)的存儲空間。數(shù)據(jù)吞吐量的具體計算公式如下。

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

　　如此高的數(shù)據(jù)吞吐量對總線和硬盤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2 GB/s數(shù)據(jù)吞吐量的PXI Express總線以及PXI Express x4 RAID-0硬盤驅(qū)動器(讀寫速率高達650 MB/s)，并在高性能的雙核嵌入式控制器上進行后續(xù)的功率譜和聯(lián)合時頻域的軟件分析(見圖5)。

　　圖5 基于PXI Express的通信測試系統(tǒng)實物圖

　　對于如此復(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)流盤的速度，并充分發(fā)揮了多核處理器的性能。由于LabVIEW會自動將編程任務(wù)分配至多個線程(多個線程也可以被指定在不同的核上運行)，我們可以將儀器I/O和文件I/O分成兩個獨立的循環(huán)運行，如圖6所示的這種生產(chǎn)者-消費者的編程架構(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)，并將其傳遞至一個隊列結(jié)構(gòu)(一個LabVIEW FIFO)。下面的循環(huán)(消費者)從隊列結(jié)構(gòu)中讀取數(shù)據(jù)并將其寫入到磁盤。這樣的生產(chǎn)者-消費者架構(gòu)為數(shù)據(jù)流盤應(yīng)用實現(xiàn)了最佳的性能，因為在消費者循環(huán)將數(shù)據(jù)寫入到磁盤的同時，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-消費者并行架構(gòu)

結(jié)語

　　結(jié)合上述實際案例的分析，憑借這些技術(shù)優(yōu)勢，PXI/PXI Express平臺能夠為諸如RF/IF信號采集，數(shù)字視頻測試以及混合信號ASIC特性描述等新興的應(yīng)用提供高性價比的解決方案。憑借PXI Express上GHz的高帶寬，更能為高速的測量領(lǐng)域帶來全新的理念和實現(xiàn)方法，幫助用戶構(gòu)建高效、低成本的自動化測試系統(tǒng)。