PXI Express：支持高性能混合信號測試平臺

PXI Express的技術優(yōu)勢

        由于PXI標準采用了PCIe技術，PXI自動化測試系統(tǒng)提供了前所未有的高性能。在有些情況下，PXI儀器現(xiàn)在可以執(zhí)行一些迄今一直無法完成的測量。

        PXI Express是由PXI擴展所得。新型PXI Express機箱提供了支持PXI與PXI Express模塊協(xié)同工作于同一系統(tǒng)的混合兼容的插槽。所以，針對自動測試應用領域，PXI與PXI Express系統(tǒng)均具有如下三大技術優(yōu)勢：

靈活的、軟件定義的儀器系統(tǒng)
模塊化儀器的集成
高數(shù)據(jù)吞吐量
        利用軟件定義方式實現(xiàn)儀器系統(tǒng)的靈活性，您可以為各種測量應用重新配置測試系統(tǒng)。對于針對某臺設備需要進行多種協(xié)議的標準測量的RF/通信設備制造測試，這種靈活的測試方案顯得尤為適用。

        其次，通過將模塊化儀器集成到同一個系統(tǒng)，您可以從超過1500種現(xiàn)有PXI儀器中選擇合適的儀器。這些儀器包括測試與測量行業(yè)中最高性能的儀器：

18-位分辨率的高精度多功能數(shù)據(jù)采集卡
24位分辨率、500 kS/s采樣率數(shù)字化儀
具有pA級精度和1000 V量程的快速7位半數(shù)字萬用表
高密度開關陣列，在單個3U插槽中具有512個交叉點
高達6.6 GHz的RF信號分析與發(fā)生儀
高密度通道計數(shù)與同步，高達5000個動態(tài)通道
        通過在同一系統(tǒng)中使用多種PXI模塊化儀器，您可以通過單個測試系統(tǒng)測試多種混合信號設備。一個常見應用便是使用PXI系統(tǒng)實現(xiàn)混合信號半導體ASIC的表征。

        最后，PXI與PXI Express儀器均具有一條能實現(xiàn)從儀器到主機PC的高性能信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線。PXI儀器能夠為總線上的所有設備提供高達132 MB/s的共享帶寬。PXI Express儀器通過PCIe總線甚至能夠達到更高的吞吐量。PCIe總線是一個點對點的高速串行總線，其每插槽帶寬可以從250 MB/s擴展至2 GB/s。例如，一個x4（“乘4”） PXI Express插槽為該插槽中的設備提供高達1 GB/s專用帶寬。此外，系統(tǒng)的總吞吐量隨著您添加更多儀器至系統(tǒng)中相應增加。

圖1. PCIe的吞吐量隨所使用儀器的數(shù)目擴展

        您可以利用PXI Express儀器的高數(shù)據(jù)吞吐量的特性，創(chuàng)建若干項新型應用。憑借總線的高吞吐量，您可以在高速數(shù)據(jù)流導入磁盤或數(shù)據(jù)流導出磁盤配置應用中，協(xié)同使用PXI Express儀器與PXI Express RAID硬盤驅動器。兩個特殊的應用——信號情報與數(shù)字視頻測試——的實現(xiàn)便是得益于這一功能。

軟件定義的測量：RF與通信測試

        利用虛擬儀器系統(tǒng)的方式，PCI或PCIe被用作從儀器到PC的數(shù)據(jù)總線。您可以結合定制算法或常見測量值（如上升時間或 THD（總諧波失真）），對數(shù)據(jù)進行分析。利用軟件定義測量，您可以重新配置儀器以執(zhí)行各種任務。

        一個需要使用軟件定義測量的應用領域便是RF與通信制造測試。由于現(xiàn)在的無線設備使用多種通信協(xié)議，如802.11g、GSM、GPS和藍牙等，無線設備測試的挑戰(zhàn)性和測試成本均日趨上升。以往，您需要多臺儀器以表征不同通信標準下的設備性能。糟糕的是，使用多臺獨立儀器的成本會非常之高。如今，使用這種軟件定義的RF測試方案，可以使用相同的硬件設備、通過重新配置軟件從而實現(xiàn)對多種通信協(xié)議的測試。因而，您可以用同一臺儀器與不同的軟件結合使用，實現(xiàn)不同的測試功能。一個面向無線標準測試的儀器復用的常見范例，便是蜂窩電話制造測試，如圖2所示。

圖2.涉及多個標準的蜂窩通信制造測試

        如圖所示，單個PXI失量信號分析儀捕獲對應不同通信標準的各種頻率的RF信號。由于通信協(xié)議堆棧用軟件實現(xiàn)，您可以將同一臺儀器復用于每一個通信標準。因而，軟件定義的測量方式縮減了測試成本與空間占用。

多儀器集成：混合信號ASIC的表征

        對于混合信號測試，PXI的另一個技術優(yōu)勢便是，它提供了在同一個系統(tǒng)中緊密集成多個儀器的能力。這一能力提供了儀器間的精確同步和模擬與數(shù)字數(shù)據(jù)間的相關，并減少了儀器所占用的空間。這種實現(xiàn)儀器系統(tǒng)的混合信號方式使得多種測試應用獲益匪淺。范例之一便是多通道混合信號專用集成電路ASIC，如數(shù)模轉換器。

        現(xiàn)代 ASIC要求混合信號輸入和輸出以及各種信號需求。以往，這些設備的自動化測試需要多個臺式儀器，這需要耗費相當?shù)某杀竞臀锢砜臻g。今天，PXI儀器系統(tǒng)提供了一種單平臺解決方案，通過該方案，您可以在單個測試中集成多臺儀器。

        例如，考慮表征一個4-通道、12-位、100 MHz數(shù)模轉換器所需的測試儀器。該ASIC需要超過48個同步數(shù)字I/O的通道、4個精確模擬輸入通道和一個可編程的DC電源。利用PXI儀器系統(tǒng)，您可以通過在同一個系統(tǒng)中集成多個PXI儀器解決這一測試挑戰(zhàn)。如圖3所示，您可以實現(xiàn)多個數(shù)字I/O模塊的同步，以確保48個通道滿足通道間偏移小于1 ns。此外，一個 PXI高速數(shù)字化儀在100 MS/s采樣率時能提供14-位的精度。對于該測試系統(tǒng)，您僅需要一個數(shù)字化儀，以及一個低插入損耗的RF開關。最后，您可以使用一個PXI可編程電源供應，以提供從0V到6V的、120µV間隔變化的電壓。圖3表示了一個多通道 DAC的參考架構。

圖3.4-通道DAC表征的參考架構

.        利用PXI模塊化儀器系統(tǒng)，您可以將一個混合信號測試平臺集成至單個測試系統(tǒng)中。圖4表示了測試一個4-通道DAC所需的系統(tǒng)。

圖4?；旌闲盘朠XI儀器系統(tǒng)

        利用儀器系統(tǒng)的模塊化實現(xiàn)方式，您可以通過重新配置該系統(tǒng)或對其擴展以滿足未來的測試需求。此外，通過與NI LabVIEW編程環(huán)境的連接，您可以實現(xiàn)如THD、SFDR和SINAD等量的測量。在該系統(tǒng)中，您可以通過觀察其在電源、電流等各種因素下的性能，得到被測設備的全面表征。

Applications高數(shù)據(jù)吞吐量：數(shù)據(jù)流導入磁盤應用

        PXI Express儀器系統(tǒng)的最大技術優(yōu)勢在于PCIe總線的高數(shù)據(jù)吞吐量。這一優(yōu)勢不僅縮短了常見自動化測試應用的測試時間，也使得使用現(xiàn)有商用硬件無法實現(xiàn)的新型應用得以實現(xiàn)。范例之一便是數(shù)據(jù)流導入磁盤，如信號情報和數(shù)字視頻測試等。

        傳統(tǒng)的臺式儀器，如任意波形發(fā)生器、邏輯分析儀和示波器等，使用板上有限的存儲器作為存儲波形數(shù)據(jù)的臨時緩存。板上存儲器昂貴而且可用空間有限。然后，這些儀器系統(tǒng)可以通過 GPIB、LAN或USB接口將波形輸入至PC或自PC輸出波形。糟糕的是，這樣的數(shù)據(jù)吞吐量僅僅是數(shù)兆字節(jié)每秒。對于數(shù)據(jù)流導入磁盤或數(shù)據(jù)流導入內存等應用，需要高得多的吞吐量。PXI Express憑借其高吞吐量和低總線時延，提供了一個引人矚目的解決方案。

        幸運的是，您可以使用NI LabVIEW的多線程編程模型，方便地優(yōu)化數(shù)據(jù)流導入磁盤應用。由于 LabVIEW動態(tài)地分配編程任務至多個線程，您可以通過將儀器I/O和文件I/O分解成兩個獨立的while循環(huán)，實現(xiàn)更高的吞吐量。推薦使用的編程方式為生產者-消費者循環(huán)結構，如圖5所示。

圖5。帶有隊列結構的生產者-消費者循環(huán)結構

        在上例中，上面的循環(huán)（生產者）從一個高速數(shù)字化儀中采集數(shù)據(jù)，并將其傳遞至一個隊列結構（一個LabVIEW FIFO隊列）。您可以使用該隊列結構，以實現(xiàn)LabVIEW中的多個while循環(huán)間的數(shù)據(jù)傳遞。下面的循環(huán)（消費者）自隊列結構中讀取數(shù)據(jù)并將其寫入到磁盤。該生產者-消費者循環(huán)結構為數(shù)據(jù)流導入磁盤應用提供了最佳的性能，因為在消費者循環(huán)將數(shù)據(jù)寫入到磁盤的同時，生產者循環(huán)可以繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。

標定數(shù)據(jù)流導入磁盤應用

        得益于 PXI Express儀器系統(tǒng)吞吐量的提高，您可以在數(shù)據(jù)流導入磁盤應用中實現(xiàn)更高的采樣率和更多的通道數(shù)。為了標定數(shù)據(jù)流導入磁盤應用的準確吞吐量，使用如下等式：

吞吐量=采樣率x字節(jié)/樣本x通道數(shù)

        例如，考慮一個數(shù)據(jù)流導入磁盤應用場景：NI PXIe-5122高速數(shù)字化儀的兩個通道以100 MS/s的最大采樣率進行采樣。注意，NI PXIe-5122是一個14-位的數(shù)字化儀。因而，每個采樣值需要2字節(jié)存儲空間或磁盤空間。NI PXIe-5122的最大吞吐量如下所示：

吞吐量=100 MS/s x 2字節(jié)/采樣 x 2通道=400 MB/s

        為了精確表征一個真實系統(tǒng)的性能，使用一個PXI Express雙核嵌入式控制器，以及一個速率為650 MB/s的PXI Express x4 RAID-0硬盤驅動器。對于該測試，所用的采集大小為40 GB。在如下所示的測試結果中，使用了多個具有256 MB板載存儲的NI PXIe-5122數(shù)字化儀。表一根據(jù)所需通道的數(shù)目，描述了數(shù)據(jù)流導入磁盤應用的最大采樣率。

表1.NI PXIe-5122高速數(shù)字化儀的數(shù)據(jù)流導入磁盤的標定速率

        作為數(shù)據(jù)流導入磁盤應用的另一種方案，您也可以將來自一個高速數(shù)字化儀的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式導入您的PXI控制器的板載內存中。這一方法不要求一個 RAID硬盤驅動器配置，而且吞吐量也不受硬盤驅動器的磁盤寫入速度限制。實際上，吞吐量受到PCIe總線帶寬的限制，而采集數(shù)據(jù)大小則受限于可用PC存儲器的空間大小。在一個典型的數(shù)據(jù)流導入磁盤應用中，PC存儲器只是作為數(shù)據(jù)的臨時緩存。由于一個典型的嵌入式控制器能夠支持40 MB/s的磁盤寫入速度，所以您可以將數(shù)據(jù)存儲在存儲器中直至您將其寫入磁盤。

        在下列數(shù)據(jù)流導入存儲器場景的標定中，使用了一個具有2 GB板載存儲空間的PXI Express雙核控制器。對于每通道100M采樣點數(shù)的采集大小，該測試需要高達1.2 GB的PC存儲器以支持六個通道。這里，再次使用了多個具有256 MB板載存儲空間的NI PXIe-5122數(shù)字化儀，以獲取最佳結果。其結果如表2所示。

表2。NI PXIe-5122高速數(shù)字化儀的最大數(shù)據(jù)流導入存儲器速率

        數(shù)據(jù)流導入磁盤和數(shù)據(jù)流導入內存應用之所以能夠在PXI中達到如此之高的吞吐量，其原因之一便是采用了一個高帶寬、低時延的數(shù)據(jù)總線——PCIe。如果您將該總線與其它標準數(shù)據(jù)總線相比較，您將發(fā)現(xiàn)該總線提供了最高的吞吐量和最低的數(shù)據(jù)時延。

圖6.常見儀器總線的帶寬與時延比較

        這種將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式導入磁盤的能力使得許多應用獲益匪淺。在此，我們將詳細討論兩個常見應用：1）信號情報/頻譜監(jiān)測和2）數(shù)字視頻測試。

信號情報：中頻數(shù)據(jù)流導入磁盤

        現(xiàn)代軍事偵察、衛(wèi)星通信和頻譜監(jiān)測應用，需要長時間地將大量數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式導入硬盤的能力。以往，這些應用只能借助構建和維護都十分昂貴的、定制的硬件來實現(xiàn)。然而，您現(xiàn)在可以利用商業(yè)現(xiàn)成可用（ COTS）的PXI和PXI Express儀器系統(tǒng)，開發(fā)面向信號情報的波形數(shù)據(jù)流導入磁盤應用。

圖7。通信系統(tǒng)測試中的數(shù)據(jù)流導入磁盤的配置

        為捕獲RF信號，我們使用一個高速數(shù)字化儀以采集來自下變頻器的中頻（IF）信號。該下變頻器工作于RF頻段，并使用一個或多個混頻器將RF信號轉換到一個您可以通過高速數(shù)模轉換器進行捕獲的頻率范圍。利用NI PXIe-5122高速數(shù)字化儀的兩個采樣率為100 MS/s的通道，您可以采集到兩個IF信號，每個通道的帶寬為50 MHz。基于此，您可以采集總RF帶寬為100 MHz的信號。

        對于信號情報應用，典型情況下，部分頻譜以數(shù)據(jù)流的方式導入磁盤持續(xù)數(shù)分鐘或甚至數(shù)個小時。一旦保存，該數(shù)據(jù)便可以通過功率譜或時頻譜進行后續(xù)軟件處理。一些實例中，也可以通過任意波形發(fā)生器反向生成所捕獲的頻譜數(shù)據(jù)，以模擬實際環(huán)境。

消費電子產品：數(shù)字視頻測試

        另一項需要長時間采集測試波形的應用便是數(shù)字視頻測試。DVI標準支持LCD顯示器和平板等離子顯示器。新的技術需要更高的時鐘速率，因此生成和采集移動DVI顯示圖形甚至需要更長的波形。

        對于利用DVI輸出精確測試現(xiàn)代機頂盒時，長時間生成或采集數(shù)字視頻模式的能力變得非常關鍵。例如，測試當天的機頂盒的圖像解壓縮和解碼算法，需要移動測試模式。由于像素偏移僅在移動圖像上發(fā)生，您必須每次持續(xù)采集數(shù)字信號傳輸達數(shù)秒或甚至數(shù)分鐘，以檢測這些位誤差。在圖8中，您可以觀察到像素偏移對數(shù)字圖像的影響。

圖8。傳輸錯誤導致像素偏移的發(fā)生

        借助PXI Express，您可以利用現(xiàn)成可用的RAID硬盤驅動器配置，持續(xù)采集DVI圖像長達數(shù)分鐘或者甚至數(shù)小時。例如，您可以配置NI PXIe-6537高速數(shù)字I/O模塊，從而以高達200 MB/s的速率持續(xù)數(shù)小時（2.5小時 = 1.8 TB）實現(xiàn)數(shù)據(jù)流導入磁盤。因而，您可以利用現(xiàn)成可用的快速PXI儀器執(zhí)行準確的數(shù)字視頻像素偏移測試。

總結

利用PXI平臺，您可以實現(xiàn)：

靈活的、軟件定義的測量
模塊化儀器的集成
高數(shù)據(jù)吞吐量
        憑借這些技術優(yōu)勢，PXI儀器系統(tǒng)使得各種應用獲益匪淺，其中包括RF與通信測量、混合信號ASIC表征、信號情報和數(shù)字視頻測試等。而且，雖然PXI平臺業(yè)已提供了所有這些技術優(yōu)勢，但是PXI Express通過利用PCIe總線大幅提高吞吐量，顯著改進了該平臺的性能。因而，您可以創(chuàng)建高精度的自動化測試系統(tǒng)，與以往系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)不僅測試時間更短，而且測試能力也更為強大。