支持高性能混合信号测试平台 吞吐量, 测量, 技术, 领域, 软件

Bazinga

PXI Express的技术优势
　　由于PXI标准采用了PCIe技术，PXI自动化测试系统提供了前所未有的高性能在有些情况下，PXI仪器现在可以执行一些迄今一直无法完成的测量
　　PXI Express是由PXI扩展所得新型PXI Express机箱提供了支持PXI与PXI Express模块协同工作于同一系统的混合兼容的插槽所以，针对自动测试应用领域，PXI与PXI Express系统均具有如下三大技术优势：
　　灵活的、软件定义的仪器系统
　　模块化仪器的集成
　　高数据吞吐量
　　利用软件定义方式实现仪器系统的灵活性，您可以为各种测量应用重新配置测试系统对于针对某台设备需要进行多种协议的标准测量的RF/通信设备制造测试，这种灵活的测试方案显得尤为适用
　　其次，通过将模块化仪器集成到同一个系统，您可以从超过1500种现有PXI仪器中选择合适的仪器这些仪器包括测试与测量行业中最高性能的仪器：
　　18-位分辨率的高精度多功能数据采集卡
　　24位分辨率、500 kS/s采样率数字化仪
　　具有pA级精度和1000 V量程的快速7位半数字万用表
　　高密度开关阵列，在单个3U插槽中具有512个交叉点
　　高达6.6 GHz的RF信号分析与发生仪
　　高密度通道计数与同步，高达5000个动态通道
　　通过在同一系统中使用多种PXI模块化仪器，您可以通过单个测试系统测试多种混合信号设备一个常见应用便是使用PXI系统实现混合信号半导体ASIC的表征
　　最后，PXI与PXI Express仪器均具有一条能实现从仪器到主机PC的高性能信息传输的数据总线PXI仪器能够为总线上的所有设备提供高达132 MB/s的共享带宽PXI Express仪器通过PCIe总线甚至能够达到更高的吞吐量PCIe总线是一个点对点的高速串行总线，其每插槽带宽可以从250 MB/s扩展至2 GB/s例如，一个x4（“乘4”） PXI Express插槽为该插槽中的设备提供高达1 GB/s专用带宽此外，系统的总吞吐量随着您添加更多仪器至系统中相应增加

图1. PCIe的吞吐量随所使用仪器的数目扩展
　　您可以利用PXI Express仪器的高数据吞吐量的特性，创建若干项新型应用凭借总线的高吞吐量，您可以在高速数据流导入磁盘或数据流导出磁盘配置应用中，协同使用PXI Express仪器与PXI Express RAID硬盘驱动器两个特殊的应用——信号情报与数字视频测试——的实现便是得益于这一功能
　　软件定义的测量：RF与通信测试
　　利用虚拟仪器系统的方式，PCI或PCIe被用作从仪器到PC的数据总线您可以结合定制算法或常见测量值（如上升时间或THD（总谐波失真）），对数据进行分析利用软件定义测量，您可以重新配置仪器以执行各种任务
　　一个需要使用软件定义测量的应用领域便是RF与通信制造测试由于现在的无线设备使用多种通信协议，如802.11g、GSM、GPS和蓝牙等，无线设备测试的挑战性和测试成本均日趋上升以往，您需要多台仪器以表征不同通信标准下的设备性能糟糕的是，使用多台独立仪器的成本会非常之高如今，使用这种软件定义的RF测试方案，可以使用相同的硬件设备、通过重新配置软件从而实现对多种通信协议的测试因而，您可以用同一台仪器与不同的软件结合使用，实现不同的测试功能一个面向无线标准测试的仪器复用的常见范例，便是蜂窝电话制造测试，如图2所示

　　图2.涉及多个标准的蜂窝通信制造测试
　　如图所示，单个PXI失量信号分析仪捕获对应不同通信标准的各种频率的RF信号由于通信协议堆栈用软件实现，您可以将同一台仪器复用于每一个通信标准因而，软件定义的测量方式缩减了测试成本与空间占用
　　多仪器集成：混合信号ASIC的表征
　　对于混合信号测试，PXI的另一个技术优势便是，它提供了在同一个系统中紧密集成多个仪器的能力这一能力提供了仪器间的精确同步和模拟与数字数据间的相关，并减少了仪器所占用的空间这种实现仪器系统的混合信号方式使得多种测试应用获益匪浅范例之一便是多通道混合信号专用集成电路ASIC，如数模转换器
　　现代ASIC要求混合信号输入和输出以及各种信号需求以往，这些设备的自动化测试需要多个台式仪器，这需要耗费相当的成本和物理空间今天，PXI仪器系统提供了一种单平台解决方案，通过该方案，您可以在单个测试中集成多台仪器
例如，考虑表征一个4-通道、12-位、100 MHz数模转换器所需的测试仪器该ASIC需要超过48个同步数字I/O的通道、4个精确模拟输入通道和一个可编程的DC电源利用PXI仪器系统，您可以通过在同一个系统中集成多个PXI仪器解决这一测试挑战如图3所示，您可以实现多个数字I/O模块的同步，以确保48个通道满足通道间偏移小于1 ns此外，一个PXI高速数字化仪在100 MS/s采样率时能提供14-位的精度对于该测试系统，您仅需要一个数字化仪，以及一个低插入损耗的RF开关最后，您可以使用一个PXI可编程电源供应，以提供从0V到6V的、120μV间隔变化的电压图3表示了一个多通道DAC的参考架构

　　图3.4-通道DAC表征的参考架构
　　利用PXI模块化仪器系统，您可以将一个混合信号测试平台集成至单个测试系统中图4表示了测试一个4-通道DAC所需的系统

　　图4混合信号PXI仪器系统
　　利用仪器系统的模块化实现方式，您可以通过重新配置该系统或对其扩展以满足未来的测试需求此外，通过与NI LabVIEW编程环境的连接，您可以实现如THD、SFDR和SINAD等量的测量在该系统中，您可以通过观察其在电源、电流等各种因素下的性能，得到被测设备的全面表征
　　Applications高数据吞吐量：数据流导入磁盘应用
　　PXI Express仪器系统的最大技术优势在于PCIe总线的高数据吞吐量这一优势不仅缩短了常见自动化测试应用的测试时间，也使得使用现有商用硬件无法实现的新型应用得以实现范例之一便是数据流导入磁盘，如信号情报和数字视频测试等
　　传统的台式仪器，如任意波形发生器、逻辑分析仪和示波器等，使用板上有限的存储器作为存储波形数据的临时缓存板上存储器昂贵而且可用空间有限然后，这些仪器系统可以通过GPIB、LAN或USB接口将波形输入至PC或自PC输出波形糟糕的是，这样的数据吞吐量仅仅是数兆字节每秒对于数据流导入磁盘或数据流导入内存等应用，需要高得多的吞吐量PXI Express凭借其高吞吐量和低总线时延，提供了一个引人瞩目的解决方案
　　幸运的是，您可以使用NI LabVIEW的多线程编程模型，方便地优化数据流导入磁盘应用由于LabVIEW动态地分配编程任务至多个线程，您可以通过将仪器I/O和文件I/O分解成两个独立的while循环，实现更高的吞吐量推荐使用的编程方式为生产者-消费者循环结构，如图5所示


　　图5带有队列结构的生产者-消费者循环结构
　　在上例中，上面的循环（生产者）从一个高速数字化仪中采集数据，并将其传递至一个队列结构（一个LabVIEW FIFO队列）您可以使用该队列结构，以实现LabVIEW中的多个while循环间的数据传递下面的循环（消费者）自队列结构中读取数据并将其写入到磁盘该生产者-消费者循环结构为数据流导入磁盘应用提供了最佳的性能，因为在消费者循环将数据写入到磁盘的同时，生产者循环可以继续采集数据
　　标定数据流导入磁盘应用
　　得益于PXI Express仪器系统吞吐量的提高，您可以在数据流导入磁盘应用中实现更高的采样率和更多的通道数为了标定数据流导入磁盘应用的准确吞吐量，使用如下等式：
　　吞吐量=采样率x字节/样本x通道数
　　例如，考虑一个数据流导入磁盘应用场景：NI PXIe-5122高速数字化仪的两个通道以100 MS/s的最大采样率进行采样注意，NI PXIe-5122是一个14-位的数字化仪因而，每个采样值需要2字节存储空间或磁盘空间NI PXIe-5122的最大吞吐量如下所示：
　　吞吐量=100 MS/s x 2字节/采样 x 2通道=400 MB/s
　　为了精确表征一个真实系统的性能，使用一个PXI Express双核嵌入式控制器，以及一个速率为650 MB/s的PXI Express x4 RAID-0硬盘驱动器对于该测试，所用的采集大小为40 GB在如下所示的测试结果中，使用了多个具有256 MB板载存储的NI PXIe-5122数字化仪表一根据所需通道的数目，描述了数据流导入磁盘应用的最大采样率
　　表1.NI PXIe-5122高速数字化仪的数据流导入磁盘的标定速率



作为数据流导入磁盘应用的另一种方案，您也可以将来自一个高速数字化仪的数据以数据流的形式导入您的PXI控制器的板载内存中这一方法不要求一个RAID硬盘驱动器配置，而且吞吐量也不受硬盘驱动器的磁盘写入速度限制实际上，吞吐量受到PCIe总线带宽的限制，而采集数据大小则受限于可用PC存储器的空间大小在一个典型的数据流导入磁盘应用中，PC存储器只是作为数据的临时缓存由于一个典型的嵌入式控制器能够支持40 MB/s的磁盘写入速度，所以您可以将数据存储在存储器中直至您将其写入磁盘
　　在下列数据流导入存储器场景的标定中，使用了一个具有2 GB板载存储空间的PXI Express双核控制器对于每通道100M采样点数的采集大小，该测试需要高达1.2 GB的PC存储器以支持六个通道这里，再次使用了多个具有256 MB板载存储空间的NI PXIe-5122数字化仪，以获取最佳结果其结果如表2所示
表2NI PXIe-5122高速数字化仪的最大数据流导入存储器速率

　　数据流导入磁盘和数据流导入内存应用之所以能够在PXI中达到如此之高的吞吐量，其原因之一便是采用了一个高带宽、低时延的数据总线——PCIe如果您将该总线与其它标准数据总线相比较，您将发现该总线提供了最高的吞吐量和最低的数据时延

　　图6.常见仪器总线的带宽与时延比较
　　这种将数据以数据流的形式导入磁盘的能力使得许多应用获益匪浅在此，我们将详细讨论两个常见应用：1）信号情报/频谱监测和2）数字视频测试
　　信号情报：中频数据流导入磁盘
　　现代军事侦察、卫星通信和频谱监测应用，需要长时间地将大量数据以数据流的形式导入硬盘的能力以往，这些应用只能借助构建和维护都十分昂贵的、定制的硬件来实现然而，您现在可以利用商业现成可用（COTS）的PXI和PXI Express仪器系统，开发面向信号情报的波形数据流导入磁盘应用

图7通信系统测试中的数据流导入磁盘的配置
　　为捕获RF信号，我们使用一个高速数字化仪以采集来自下变频器的中频（IF）信号该下变频器工作于RF频段，并使用一个或多个混频器将RF信号转换到一个您可以通过高速数模转换器进行捕获的频率范围利用NI PXIe-5122高速数字化仪的两个采样率为100 MS/s的通道，您可以采集到两个IF信号，每个通道的带宽为50 MHz基于此，您可以采集总RF带宽为100 MHz的信号
　　对于信号情报应用，典型情况下，部分频谱以数据流的方式导入磁盘持续数分钟或甚至数个小时一旦保存，该数据便可以通过功率谱或时频谱进行后续软件处理一些实例中，也可以通过任意波形发生器反向生成所捕获的频谱数据，以模拟实际环境
　　消费电子产品：数字视频测试
　　另一项需要长时间采集测试波形的应用便是数字视频测试DVI标准支持LCD显示器和平板等离子显示器新的技术需要更高的时钟速率，因此生成和采集移动DVI显示图形甚至需要更长的波形
　　对于利用DVI输出精确测试现代机顶盒时，长时间生成或采集数字视频模式的能力变得非常关键例如，测试当天的机顶盒的图像解压缩和解码算法，需要移动测试模式由于像素偏移仅在移动图像上发生，您必须每次持续采集数字信号传输达数秒或甚至数分钟，以检测这些位误差在图8中，您可以观察到像素偏移对数字图像的影响

图8传输错误导致像素偏移的发生
　　借助PXI Express，您可以利用现成可用的RAID硬盘驱动器配置，持续采集DVI图像长达数分钟或者甚至数小时例如，您可以配置NI PXIe-6537高速数字I/O模块，从而以高达200 MB/s的速率持续数小时（2.5小时 = 1.8 TB）实现数据流导入磁盘因而，您可以利用现成可用的快速PXI仪器执行准确的数字视频像素偏移测试
　　总结
　　利用PXI平台，您可以实现：
　　灵活的、软件定义的测量
　　模块化仪器的集成
　　高数据吞吐量
　　凭借这些技术优势，PXI仪器系统使得各种应用获益匪浅，其中包括RF与通信测量、混合信号ASIC表征、信号情报和数字视频测试等而且，虽然PXI平台业已提供了所有这些技术优势，但是PXI Express通过利用PCIe总线大幅提高吞吐量，显著改进了该平台的性能因而，您可以创建高精度的自动化测试系统，与以往系统相比，该系统不仅测试时间更短，而且测试能力也更为强大