PXI Express：支持高性能混合信號(hào)測試平臺(tái)

PXI Express的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

        由于PXI標(biāo)準(zhǔn)采用了PCIe技術(shù)，PXI自動(dòng)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(kuò)展所得。新型PXI Express機(jī)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(duì)自動(dòng)測試應(yīng)用領(lǐng)域，PXI與PXI Express系統(tǒng)均具有如下三大技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

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(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)的靈活性，您可以為各種測量應(yīng)用重新配置測試系統(tǒng)。對(duì)于針對(duì)某臺(tái)設(shè)備需要進(jìn)行多種協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)測量的RF/通信設(shè)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(gè)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(jí)精度和1000 V量程的快速7位半數(shù)字萬用表
高密度開關(guān)陣列，在單個(gè)3U插槽中具有512個(gè)交叉點(diǎn)
高達(dá)6.6 GHz的RF信號(hào)分析與發(fā)生儀
高密度通道計(jì)數(shù)與同步，高達(dá)5000個(gè)動(dòng)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(gè)測試系統(tǒng)測試多種混合信號(hào)設(shè)備。一個(gè)常見應(yīng)用便是使用PXI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)混合信號(hào)半導(dǎo)體ASIC的表征。

        最后，PXI與PXI Express儀器均具有一條能實(shí)現(xiàn)從儀器到主機(jī)PC的高性能信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線。PXI儀器能夠?yàn)榭偩€上的所有設(shè)備提供高達(dá)132 MB/s的共享帶寬。PXI Express儀器通過PCIe總線甚至能夠達(dá)到更高的吞吐量。PCIe總線是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的高速串行總線，其每插槽帶寬可以從250 MB/s擴(kuò)展至2 GB/s。例如，一個(gè)x4（“乘4”） PXI Express插槽為該插槽中的設(shè)備提供高達(dá)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(yīng)增加。

圖1. PCIe的吞吐量隨所使用儀器的數(shù)目擴(kuò)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(xiàng)新型應(yīng)用。憑借總線的高吞吐量，您可以在高速數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤或數(shù)據(jù)流導(dǎo)出磁盤配置應(yīng)用中，協(xié)同使用PXI Express儀器與PXI Express RAID硬盤驅(qū)動(dòng)器。兩個(gè)特殊的應(yīng)用——信號(hào)情報(bào)與數(shù)字視頻測試——的實(shí)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(jié)合定制算法或常見測量值（如上升時(shí)間或 THD（總諧波失真）），對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(wù)。

        一個(gè)需要使用軟件定義測量的應(yīng)用領(lǐng)域便是RF與通信制造測試。由于現(xiàn)在的無線設(shè)備使用多種通信協(xié)議，如802.11g、GSM、GPS和藍(lán)牙等，無線設(shè)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(tái)儀器以表征不同通信標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)備性能。糟糕的是，使用多臺(tái)獨(dú)立儀器的成本會(huì)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(shè)備、通過重新配置軟件從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多種通信協(xié)議的測試。因而，您可以用同一臺(tái)儀器與不同的軟件結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)不同的測試功能。一個(gè)面向無線標(biāo)準(zhǔn)測試的儀器復(fù)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩通信制造測試

        如圖所示，單個(gè)PXI失量信號(hào)分析儀捕獲對(duì)應(yīng)不同通信標(biāo)準(zhǔn)的各種頻率的RF信號(hào)。由于通信協(xié)議堆棧用軟件實(shí)現(xiàn)，您可以將同一臺(tái)儀器復(fù)用于每一個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)。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(hào)ASIC的表征

        對(duì)于混合信號(hào)測試，PXI的另一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)便是，它提供了在同一個(gè)系統(tǒng)中緊密集成多個(gè)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?jǐn)?shù)據(jù)間的相關(guān)，并減少了儀器所占用的空間。這種實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)的混合信號(hào)方式使得多種測試應(yīng)用獲益匪淺。范例之一便是多通道混合信號(hào)專用集成電路ASIC，如數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

        現(xiàn)代 ASIC要求混合信號(hào)輸入和輸出以及各種信號(hào)需求。以往，這些設(shè)備的自動(dòng)化測試需要多個(gè)臺(tái)式儀器，這需要耗費(fèi)相當(dāng)?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(tái)解決方案，通過該方案，您可以在單個(gè)測試中集成多臺(tái)儀器。

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

圖3.4-通道DAC表征的參考架構(gòu)

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

圖4。混合信號(hào)PXI儀器系統(tǒng)

        利用儀器系統(tǒng)的模塊化實(shí)現(xiàn)方式，您可以通過重新配置該系統(tǒng)或?qū)ζ鋽U(kuò)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(shí)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(shè)備的全面表征。

Applications高數(shù)據(jù)吞吐量：數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤應(yīng)用

        PXI Express儀器系統(tǒng)的最大技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于PCIe總線的高數(shù)據(jù)吞吐量。這一優(yōu)勢(shì)不僅縮短了常見自動(dòng)化測試應(yīng)用的測試時(shí)間，也使得使用現(xiàn)有商用硬件無法實(shí)現(xiàn)的新型應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。范例之一便是數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤，如信號(hào)情報(bào)和數(shù)字視頻測試等。

        傳統(tǒng)的臺(tái)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(chǔ)器作為存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的臨時(shí)緩存。板上存儲(chǔ)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(duì)于數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤或數(shù)據(jù)流導(dǎo)入內(nèi)存等應(yīng)用，需要高得多的吞吐量。PXI Express憑借其高吞吐量和低總線時(shí)延，提供了一個(gè)引人矚目的解決方案。

        幸運(yùn)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(dǎo)入磁盤應(yīng)用。由于 LabVIEW動(dòng)態(tài)地分配編程任務(wù)至多個(gè)線程，您可以通過將儀器I/O和文件I/O分解成兩個(gè)獨(dú)立的while循環(huán)，實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量。推薦使用的編程方式為生產(chǎn)者-消費(fèi)者循環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5。帶有隊(duì)列結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)者-消費(fèi)者循環(huán)結(jié)構(gòu)

        在上例中，上面的循環(huán)（生產(chǎn)者）從一個(gè)高速數(shù)字化儀中采集數(shù)據(jù)，并將其傳遞至一個(gè)隊(duì)列結(jié)構(gòu)（一個(gè)LabVIEW FIFO隊(duì)列）。您可以使用該隊(duì)列結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)LabVIEW中的多個(gè)while循環(huán)間的數(shù)據(jù)傳遞。下面的循環(huán)（消費(fèi)者）自隊(duì)列結(jié)構(gòu)中讀取數(shù)據(jù)并將其寫入到磁盤。該生產(chǎn)者-消費(fèi)者循環(huán)結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤應(yīng)用提供了最佳的性能，因?yàn)樵谙M(fèi)者循環(huán)將數(shù)據(jù)寫入到磁盤的同時(shí)，生產(chǎn)者循環(huán)可以繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。

標(biāo)定數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤應(yīng)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(dǎo)入磁盤應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的采樣率和更多的通道數(shù)。為了標(biāo)定數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤應(yīng)用的準(zhǔn)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(gè)數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤應(yīng)用場景：NI PXIe-5122高速數(shù)字化儀的兩個(gè)通道以100 MS/s的最大采樣率進(jìn)行采樣。注意，NI PXIe-5122是一個(gè)14-位的數(shù)字化儀。因而，每個(gè)采樣值需要2字節(jié)存儲(chǔ)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(gè)真實(shí)系統(tǒng)的性能，使用一個(gè)PXI Express雙核嵌入式控制器，以及一個(gè)速率為650 MB/s的PXI Express x4 RAID-0硬盤驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于該測試，所用的采集大小為40 GB。在如下所示的測試結(jié)果中，使用了多個(gè)具有256 MB板載存儲(chǔ)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(dǎo)入磁盤應(yīng)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(dǎo)入磁盤的標(biāo)定速率

        作為數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤應(yīng)用的另一種方案，您也可以將來自一個(gè)高速數(shù)字化儀的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式導(dǎo)入您的PXI控制器的板載內(nèi)存中。這一方法不要求一個(gè) RAID硬盤驅(qū)動(dòng)器配置，而且吞吐量也不受硬盤驅(qū)動(dòng)器的磁盤寫入速度限制。實(shí)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(chǔ)器的空間大小。在一個(gè)典型的數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤應(yīng)用中，PC存儲(chǔ)器只是作為數(shù)據(jù)的臨時(shí)緩存。由于一個(gè)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(chǔ)在存儲(chǔ)器中直至您將其寫入磁盤。

        在下列數(shù)據(jù)流導(dǎo)入存儲(chǔ)器場景的標(biāo)定中，使用了一個(gè)具有2 GB板載存儲(chǔ)空間的PXI Express雙核控制器。對(duì)于每通道100M采樣點(diǎn)數(shù)的采集大小，該測試需要高達(dá)1.2 GB的PC存儲(chǔ)器以支持六個(gè)通道。這里，再次使用了多個(gè)具有256 MB板載存儲(chǔ)空間的NI PXIe-5122數(shù)字化儀，以獲取最佳結(jié)果。其結(jié)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(dǎo)入存儲(chǔ)器速率

        數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤和數(shù)據(jù)流導(dǎo)入內(nèi)存應(yīng)用之所以能夠在PXI中達(dá)到如此之高的吞吐量，其原因之一便是采用了一個(gè)高帶寬、低時(shí)延的數(shù)據(jù)總線——PCIe。如果您將該總線與其它標(biāo)準(zhǔn)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(shí)延。

圖6.常見儀器總線的帶寬與時(shí)延比較

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

信號(hào)情報(bào)：中頻數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤

        現(xiàn)代軍事偵察、衛(wèi)星通信和頻譜監(jiān)測應(yīng)用，需要長時(shí)間地將大量數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式導(dǎo)入硬盤的能力。以往，這些應(yīng)用只能借助構(gòu)建和維護(hù)都十分昂貴的、定制的硬件來實(shí)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(hào)情報(bào)的波形數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤應(yīng)用。

圖7。通信系統(tǒng)測試中的數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤的配置

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

        對(duì)于信號(hào)情報(bào)應(yīng)用，典型情況下，部分頻譜以數(shù)據(jù)流的方式導(dǎo)入磁盤持續(xù)數(shù)分鐘或甚至數(shù)個(gè)小時(shí)。一旦保存，該數(shù)據(jù)便可以通過功率譜或時(shí)頻譜進(jìn)行后續(xù)軟件處理。一些實(shí)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(shí)際環(huán)境。

消費(fèi)電子產(chǎn)品：數(shù)字視頻測試

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

        對(duì)于利用DVI輸出精確測試現(xiàn)代機(jī)頂盒時(shí)，長時(shí)間生成或采集數(shù)字視頻模式的能力變得非常關(guān)鍵。例如，測試當(dāng)天的機(jī)頂盒的圖像解壓縮和解碼算法，需要移動(dòng)測試模式。由于像素偏移僅在移動(dòng)圖像上發(fā)生，您必須每次持續(xù)采集數(shù)字信號(hào)傳輸達(dá)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(duì)數(shù)字圖像的影響。

圖8。傳輸錯(cuò)誤導(dǎo)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(qū)動(dòng)器配置，持續(xù)采集DVI圖像長達(dá)數(shù)分鐘或者甚至數(shù)小時(shí)。例如，您可以配置NI PXIe-6537高速數(shù)字I/O模塊，從而以高達(dá)200 MB/s的速率持續(xù)數(shù)小時(shí)（2.5小時(shí) = 1.8 TB）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流導(dǎo)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(zhǔn)確的數(shù)字視頻像素偏移測試。

總結(jié)

利用PXI平臺(tái)，您可以實(shí)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(shù)優(yōu)勢(shì)，PXI儀器系統(tǒng)使得各種應(yīng)用獲益匪淺，其中包括RF與通信測量、混合信號(hào)ASIC表征、信號(hào)情報(bào)和數(shù)字視頻測試等。而且，雖然PXI平臺(tái)業(yè)已提供了所有這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是PXI Express通過利用PCIe總線大幅提高吞吐量，顯著改進(jìn)了該平臺(tái)的性能。因而，您可以創(chuàng)建高精度的自動(dòng)化測試系統(tǒng)，與以往系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)不僅測試時(shí)間更短，而且測試能力也更為強(qiáng)大。