基于PXI Express的高速混合信号测试系统

PXI Express为PXI仪器平台增添了众多的技术优势，开辟了许多新兴测量领域。PXI Express仪器系统提供的高达2GB/s的数据吞吐量使得以前只能通过定制硬件或是昂贵的专用仪器才能实现的高速测量应用变为可能。

　　PXI Express技术概览

　　基于的PCI Express技术，PXI Express使PXI背板带宽从132 MB/s 增加至6 GB/s，提升幅度超过45倍。除了PXI现有的定时和同步功能，PXI Express还提供了附加的定时和触发总线，包括100 MHz差分系统时钟、差分信号、以及差分星形触发等(见图1)。通过使用差分时钟和触发，PXI Express系统增加了对仪器时钟的抗噪声能力，并能传输更高频率的时钟信号。

　　图1 在PXI平台现有功能的基础上，PXI Express提供了附加的定时和同步功能，实现了更高的测量

　　在性能大幅提升的同时，PXI Express具备和PXI软硬件上完全的兼容性。PCI Express的软件兼容性使得PXI提供的标准软件框架同样适用于PXI Express。为了保证硬件的兼容性，PXI Express标准中定义了一种混合插槽，使得工程师能够在同一个插槽中安装PXI或是PXI Express的模块。有了这些技术，工程师和厂商能够利用硬件和软件上的兼容性，地保留了在PXI系统和产品上现有的投资。

　　PXI Express的技术优势

　　针对自动化的测量和控制应用，PXI/PXI Express平台能够提供以下的三大技术优势：

　　*灵活的、软件定义的仪器系统

　　*高度集成的模块化架构

　　*高数据吞吐量和的定时同步特性

　　通过软件定义的解决方案，用户可以获取原始的测量数据，通过应用不同的分析方法，获得灵活的、完全自定义的测量结果。例如对于RF/通信领域的测试，面临层出不穷的无线标准，就必须采用基于统一硬件平台的软件无线电架构，只需要改变软件上的调制解调方式就可以实现对不同无线协议的测试。

　　其次，依赖于模块化的架构，可以从超过1500种现有的高性能PXI仪器中选择合适的测量仪器，同时帮助节省投资成本，随时方便的升级控制器和模块的性能。例如，模块化的架构能够使您在一个系统中实现多种混合信号的ASIC特性描述，并能根据信号的要求配置和升级测试系统。

　　再者，PXI Express的高吞吐量使得更多的高速测量应用变为可能，如高带宽的IF(中频)仪器，高速的数字视频测试等。配合PXI Express RAID硬盘驱动器，还可以实现高达600 MB/s的实时数据流盘。对于通道间相位误差要求很高的声音振动测试、结构测试等，PXI/PXI Express的定时和同步功能更是不可或缺。

　　软件定义的测量：RF/通信测试

　　由于现在的无线设备集成了越来越多的通信协议，如802.11g、GSM、GPS和蓝牙等，无线设备测试所面临的挑战和测试成本都日趋上升。以往，您可能需要多台仪器来测试在不同通信标准下的设备性能，而这需要耗费相当的成本和物理空间。现在，采用软件定义的模块化的架构，您可以使用同一个2.7GHz的PXI的RF软件无线电平台测试多种的无线通信协议。此外，您还可以在通信设备的测试中加入数字协议的测试，音频分析等更多集成的功能。一个无线通信设备测试的典型就是手机的生产线测试，如图2所示。

　　图2 集成多种无线标准和功能的手机生产线测试

　　图2中的PXI矢量信号分析仪能够捕获不同通信标准下的各种频率的RF信号，由于通信协议的编解码是由软件实现的，因此在同一个平台上可以完成对GSM、IEEE 802.11g、蓝牙等不同协议的测试。这样软件定义的测量方式不仅减少了测试设备的体积，更是缩减了测试的成本。

　　集成的模块化架构：混合信号的ASIC特性描述

　　现代ASIC通常拥有多个混合信号的输入和输出。PXI仪器系统所提供的单平台解决方案，可以在一个平台中集成多种仪器的测试功能，完成对复杂的ASIC芯片的特性描述。

　　例如，我们需要测试一个四通道、12位、100 MHz的数模转换器芯片，这样的ASIC需要48路同步的数字I/O通道，4路的模拟输入通道和一个可编程的DC电源模块。基于PXI/PXI Express的平台，您可以将上述的测量模块集成在一个系统中，在这样的系统中实现多个数字I/O模块之间的同步，确保48个通道间的同步误差小于1ns;此外，PXI的高速数字化仪在100 MS/s的采样率下能够提供高达14位的分辨率，再配合一个低损耗的RF开关模块，就可以对四路的高速模拟信号进行切换测试;，基于PXI可编程的电源模块能够提供0V~6V、以120mV为间隔进行变化的电压信号对ASIC的Vcc进行供电(如图3所示)。

 

 

　　图3 四通道高速DAC测试的参考架构

　　依赖于模块化的仪器系统架构，该系统可以被重新配置或进行扩展以满足未来的测试需求。配合使用NI LabVIEW的软件编程环境，您还可以实现THD、SFDR、SINAD等多种ASIC标准参数的测量，并通过观察其在不同功率、电流等因素下的性能，对待测芯片进行复杂全面的特性描述。

　　高数据吞吐量：数据的实时流盘应用

　　高速的测量应用，如RF/IF信号的采集、数字视频的测试、高速图像的采集等，如今变的越来越广泛，传统的台式仪器虽然具有非常高的采样率和带宽，但由于板载内存容量的限制，其连续采集的时间和波形存储的容量毕竟有限，通过GPIB(或者是以太网、USB)传回控制PC的往往也只是分析的结果，如果要传递原始的测量数据将耗费大量的测试时间(GPIB的带宽约为1MB/s)。这样，测量的功能就完全由仪器厂商所定义，用户拿不到原始的数据，就无法做自定义的分析，也就失去了对数据的控制权。

　　如今，借助于PXI/PXI Express的高带宽，用户可以轻松的采集大量的原始数据、通过总线传输回控制器并实时的存储在硬盘上，用于后续自定义的分析和数据备份。正是使用了商业现成可用(COTS)的PCI/PCI Express技术，使得原本需要昂贵的专用仪器才能实现的高速数据流盘应用变得更简单可行。

　　让我们来看一个IF信号采集和流盘的，通过来分析基于PXI Express的高速数据流盘应用的技术要点和编程的实现。

　　现代卫星通信和频谱监测应用需要长时间地将大量的RF/IF信号存储到硬盘上，用于后期的数据回放和信号的分析和捕获。以往，这类应用只能借助于构建和维护都十分昂贵的定制硬件来实现。而现在，您可以使用高带宽的PXI/PXI Express仪器系统，快速高效地开发此类应用。

　　在这个应用中，我们使用下变频模块将RF信号下变频到可以进行模数转换的IF信号，然后用一块100 MS/s采样率的高速数字化仪采集该IF信号。由于可以用数字化仪的两个通道作同时的采集，每个通道的带宽达50 MHz，因此这个系统可以采集高达100 MHz带宽的RF信号(见图4)。

 

 

　　图4 通信系统测试中的数据流盘架构图

　　对于信号监测的应用，通常需要将几分钟甚至是几个小时的频谱数据流盘，而实时数据吞吐量更会高达400 MB/s。在这里要注意的是该数字化仪具有14位的分辨率，因此每个采样值就需要两个字节的存储空间。数据吞吐量的具体计算公式如下。

　　数据吞吐量 = 采样率×字节/采样点×通道数= 100 MS/s×2字节/采样点×2通道 = 400MB/s

　　如此高的数据吞吐量对总线和硬盘都提出了巨大的挑战，甚至普通的PXI总线都难以胜任，这里我们采用了高达2 GB/s数据吞吐量的PXI Express总线以及PXI Express x4 RAID-0硬盘驱动器(读写速率高达650 MB/s)，并在高性能的双核嵌入式控制器上进行后续的功率谱和联合时频域的软件分析(见图5)。

 

 

　　图5 基于PXI Express的通信测试系统实物图

　　对于如此复杂系统的软件编程，我们采用了NI LabVIEW内在的多线程并行编程模型，更好的优化了数据流盘的速度，并充分发挥了多核处理器的性能。由于LabVIEW会自动将编程任务分配至多个线程(多个线程也可以被指定在不同的核上运行)，我们可以将仪器I/O和文件I/O分成两个独立的循环运行，如图6所示的这种生产者-消费者的编程架构。上面的循环(生产者)从高速的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)。下面的循环(消费者)从队列结构中读取数据并将其写入到磁盘。这样的生产者-消费者架构为数据流盘应用实现了的性能，因为在消费者循环将数据写入到磁盘的同时，生产者循环可以不间断的采集数据。

 

　　图6  LabVIEW中的生产者-消费者并行架构

结语

　　结合上述实际的分析，凭借这些技术优势，PXI/PXI Express平台能够为诸如RF/IF信号采集，数字视频测试以及混合信号ASIC特性描述等新兴的应用提供高性价比的解决方案。凭借PXI Express上GHz的高带宽，更能为高速的测量领域带来全新的理念和实现方法，帮助用户构建高效、低成本的自动化测试系统。