Maximierung von Datenbewegungen und Signalverarbeitung mit dem seriellen PXI-Hochgeschwindigkeitsmodul von NI

Diese PXI-Hochgeschwindigkeitsmodule für serielle Protokolle und Coprozessoren wurden für Ingenieure entwickelt, die leistungsstarke FPGA-Coprocessing-Funktionen benötigen, um großvolumige Datenbewegungen und eine Inline-Echtzeit-Signalverarbeitung zu erzielen. Sie bestehen aus offenen FPGAs, die mit LabVIEW FPGA oder VHDL programmiert werden können. Diese Geräte nutzen Multi-Gigabit-Transceiver (MGTs) zur Unterstützung von Leitungsraten von bis zu 28,2 Gb/s und bis zu 48 TX- und RX-Lanes. Als Teil der PXI-Plattform profitieren die Module von PXI-Takt- und Triggerfunktionen sowie von Funktionen zur Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung, darunter Streaming zum und vom Datenträger sowie Peer-to-Peer-Streaming (P2P) mit Raten von bis zu 7 GB/s.

Tabelle 1. Serielle Hochgeschwindigkeits- und Coprozessormodule

¹ Modul mit zwei Steckplätzen 

Anwendungen wie die oben genannten benötigen leistungsstarke Hardware und Software, um die Testanforderungen zu erfüllen. Das PXIe-7903 wurde entwickelt, um den Datenaustausch und die Rechenleistung zu maximieren. Das PXIe-7903, das zwei Steckplätze eines PXI-Chassis belegt, verfügt über 12 Mini-SAS-zHD-Anschlüsse (Molex iPass+ zHD). Jeder Anschluss verfügt über vier AC-gekoppelte, differentielle TX- und RX-Kanäle, sodass insgesamt 48 Kanäle mit Leitungsraten von bis zu 28,2 Gb/s unterstützt werden. Das PXIe-7903 enthält einen benutzerprogrammierbaren Virtex™ UltraScale+™ VU11P-FPGA, der die Inline-Signalverarbeitung für mehrere Messgeräte mit hoher Bandbreite ermöglicht.

Abbildung 1. Detailliertes Diagramm des PXIe-7903

Das PXIe-7903 wird mit Protokollunterstützung für 100 GbE und Aurora 64b/66b geliefert, einschließlich Beispielen in LabVIEW FPGA, um Benutzern den Einstieg zu erleichtern. Der VU11P verfügt über neun gehärtete Media Access Controller (CMACs) für 100 GbE, wodurch der Ressourcenverbrauch der FPGA-Struktur reduziert, der Timing-Abschluss vereinfacht und der Stromverbrauch reduziert wird. Der VU11P verfügt außerdem über eine robuste Reed-Solomon-Vorwärtsfehlerkorrektur (RS-FEC), mit der Bitfehler erkannt und korrigiert werden können.

Das Aurora-Protokoll bietet ein einfaches Protokoll mit kurzer Wartezeit und kleinem Footprint, das für serielle Punkt-zu-Punkt-Schnittstellen entwickelt wurde. Aurora wurde in erster Linie für Datenbewegungen mit hoher Bandbreite entwickelt und bietet Ablaufsteuerung, flexible Gestaltung und Optionen für Simplex- oder Vollduplex-Kanäle. Aurora 64b/66b ist ein von Xilinx entwickeltes Punkt-zu-Punkt-Protokoll. Aurora enthält CRC zur Fehlerkorrektur, aber im Gegensatz zu 100 GbE umfasst dieses Protokoll keine Vorwärtsfehlerkorrektur. Weitere Informationen zu seriellen Hochgeschwindigkeitsmessgeräten und deren Protokollunterstützung finden Sie unter An Introduction to NI High-Speed Serial Instruments.

Das PXIe-7903 eignet sich für die folgenden Anwendungen:

• Echtzeitspektrumanalyse
• Radarzielerzeugung
• Prototypenerstellung von Kommunikationsalgorithmen
• Emulation des zu prüfenden Systems
• Emulation eines RF-Kanals
• Digitales Beamforming

Herausforderungen ergeben sich, wenn mehrere RF-Messgeräte Daten zur Offline-Verarbeitung, Visualisierung und Speicherung auf einen Server auslagern müssen. Breitband-RF-Messgeräte wie der PXI-Vektorsignal-Transceiver (VST) können eine Momentanbandbreite von mehr als 1 GHz erzeugen und empfangen, wodurch I/Q-Daten mit einer Geschwindigkeit von mehreren GB/s verarbeitet und gespeichert werden müssen. Diese Datenmengen stellen nicht nur eine Herausforderung für die Signalverarbeitung dar, sondern führen möglicherweise auch dazu, dass Datenübertragungsschnittstellen bei der Verarbeitung von derart hohen Datenraten einen Engpass darstellen.

Serielle Hochgeschwindigkeitsmessgeräte beseitigen diesen Engpass, indem sie mehrere Lanes von Multi-Gigabit-Transceivern (MGTs) verwenden, um Daten zur Verarbeitung an einen leistungsstarken FPGA zu streamen, wodurch die Aggregation von RF-Daten von mehreren Geräten ermöglicht wird.

In diesen Anwendungen können serielle Hochgeschwindigkeitsmodule die folgenden Funktionen ausführen:

• Simultanes Aggregieren von Daten von mehreren RF-Messgeräten
• Erreichen eines 20-mal höheren Durchsatzes im Vergleich zur PXI-Backplane
• Aufzeichnung und Wiedergabe von Daten von RF-Messgeräten auf Servern mit hohen Geschwindigkeiten
• Kommunizieren über verschiedene Protokolle wie 100 GbE und Aurora

Breitband-RF-Datenaufzeichnungsanwendungen mit mehreren Kanälen erfordern das gleichzeitige Aggregieren und Verarbeiten großer Datenmengen. Angenommen, Sie haben einen PXI-VST, der synchronisierte RF-Daten von mehreren Antennen erfasst. Diese Daten müssen aggregiert, verarbeitet und für die Offline-Analyse auf Server ausgelagert werden. Möglicherweise müssen Sie die Daten auch wiedergeben, um die Reaktion des zu prüfenden Systems zu testen.

Aufzeichnungs- und Wiedergabelösungen für PXI-Systeme umfassen üblicherweise ein RF-Messgerät, ein PXI-Chassis und ein Speichergerät. Da Daten mit immer höherer Geschwindigkeit gestreamt werden, können die Streaming-Raten der PXI-Backplane zum Engpass werden.

Durch den Einsatz serieller Hochgeschwindigkeitsmodule wie dem PXIe-7903 können Sie die PXI-Backplane umgehen und einen bis zu 20-mal höheren Durchsatz erzielen. Die PXI-Backplane besteht aus acht Lanes, die mit 8 Gb/s streamen und einen Gesamtdurchsatz von 64 Gb/s erzielen. Alternativ dazu verfügt das PXIe-7903 über 48 Lanes mit einer Streaming-Rate von 28,2 Gb/s. Diese Kombination führt zu einem Gesamtdurchsatz von 1,35 Tb/s.

Abbildung 2. Vergleich der Daten-Streaming-Raten mit und ohne PXIe-7903

Wenn Sie den PXIe-5841-VST in einer Aufzeichnungs- und Wiedergabeanwendung einsetzen, stellen die VST-Samples bei 1,25 GS/s eine Bandbreite von 1 GHz bereit. Jeder VST kann über eine Aurora-64b/66b-Schnittstelle 5 GB/s an das PXIe-7903 streamen. Die Aggregation des Datendurchsatzes über alle acht VSTs erfordert eine Datenverarbeitungsgeschwindigkeit von 40 GB/s und das PXIe-7903 kann Daten gleichzeitig aggregieren und verarbeiten. Anschließend können Sie die von den VSTs gestreamten I/Q-Daten zur Analyse und Speicherung auf einen Server auslagern.

Abbildung 3: Das PXIe-7903 kann Daten von bis zu acht Geräten aggregieren, Daten von Aurora in 100 GbE konvertieren und an Server streamen.

Wenn beispielsweise acht PXIe-5841-VSTs von NI synchronisierte RF-Daten erfassen, werden die von jedem PXIe-5841 erfassten I/Q-Daten in eine Aurora-64b/66b-Schnittstelle mit vier Lanes geschrieben und an das PXIe-7903 gestreamt. Das PXIe-7903 multiplext die I/Q-Daten von einem Aurora-Schnittstellenpaar mit vier Lanes in ein einziges 100-GbE-UDP-Paket, sodass insgesamt vier 100-GbE-Schnittstellen Daten auf den Datenträger ausgeben können. In diesem Beispiel wird keine Inline-Verarbeitung durchgeführt, wodurch bis zu 90 % der FPGA-Kapazität ungenutzt und verfügbar bleiben.

Abbildung 4. PXIe-7903, das RF-Daten von der Aurora-64b/66b-Schnittstelle in 100 GbE konvertiert

Durch den Einsatz serieller Hochgeschwindigkeitsmodule können Sie die Datenbewegungen Ihres PXI-Systems für Anwendungen, die große Datenmengen mit hohen Geschwindigkeiten aggregieren müssen, erheblich verbessern.

Die Echtzeit-Signalverarbeitung hat sich zu einer kritischen Komponente für Anwendungen wie Radar und Bildgebung entwickelt. Diese Anwendungen umfassen in der Regel die Simulation bestimmter Testbedingungen, um die Genauigkeit des zu prüfenden Systems zu bewerten. Die Bedeutung hochauflösender RF-Daten kann nicht genug betont werden, denn sie sind für die genaue Zielerkennung, -verfolgung und -darstellung unerlässlich.

Um diese Genauigkeit zu erreichen, erfordern diese Systeme deterministische Echtzeithardware, effiziente Algorithmen und eine Verarbeitungsarchitektur, die die großen Mengen an erzeugten Daten verarbeiten kann. Das kontinuierliche Daten-Streaming in Echtzeit ermöglicht die Änderung von Parametern und Signalverläufen im laufenden Betrieb, um die Signaleigenschaften während des Betriebs zu visualisieren und reale Anwendungen zu simulieren.

Eine Schlüsselkomponente in diesem Prozess ist der Einsatz eines benutzerprogrammierbaren FPGA. Dieser FPGA ist für die Echtzeitverarbeitung und Implementierung von benutzerdefiniertem IP (Intellectual Property, geistiges Eigentum) erforderlich, ohne das die Erstellung dieser realistischen Testszenarien nicht möglich ist. Die Kombination dieser Elemente resultiert in einer umfassenden Lösung für die Simulation realer Bedingungen in einer kontrollierten Umgebung, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern und Risiken zu verringern.

Bei diesen Anwendungen bieten serielle Hochgeschwindigkeitsmodule die folgenden Vorteile:

• Möglichkeit zum Hinzufügen benutzerdefinierter Funktionen durch benutzerprogrammierbare FPGAs
• Kontinuierliches Daten-Streaming in Echtzeit
• Genauigkeit für realistische Testszenarien wie Inline-Messungen, Wiedergabe von Signalverläufen und erweiterte Signalverarbeitung

Moderne Radargeräte erfordern während des gesamten Entwicklungszyklus des Systems umfangreiche Tests – angefangen bei den einzelnen Komponenten bis hin zum vollständigen System. Radarzielgeneratoren verwenden neben Verarbeitungstechnologien auch RF-I/O, um synthetische Ziele zu erstellen, mit denen die Leistung des Radarsystems für die Validierung und den Funktionstest bewertet werden kann.

NI bietet Radar Target Generation Software an, mit der VSTs die Funktion von Echtzeit-Radarzielgeneratoren mit geschlossenem Regelkreis übernehmen können. Die Software ermöglicht vier simultane In-Beam-Ziele pro Kanal mit konfigurierbarer Zeitverzögerung, Frequenzoffset und Amplitudenverstärkung. Das Hinzufügen eines seriellen Hochgeschwindigkeitsmessgeräts für das Coprocessing in dieses System ermöglicht die Integration von benutzerdefiniertem IP für parametrische Tests und Impulsanalysen oder für die Inline-Verarbeitung, um realistische Testszenarien in das zu testende Radarsystem zu integrieren.

Abbildung 5 zeigt, wie Radarimpulse des zu prüfenden Systems vom VST erfasst und dann über eine serielle Hochgeschwindigkeitsverbindung zum Coprozessor abgezweigt werden. Innerhalb des VST werden dem Signal synthetische Ziele hinzugefügt. Innerhalb des Coprozessors wird das Signal einer benutzerdefinierten Verarbeitung für Inline-Messungen oder zur Verstärkung der Echos unterzogen, die an das zu prüfende System zurückgesendet werden. Dieser Prozess ermöglicht das Hinzufügen von Effekten, die durch Wetter, Störechos, Störsignale oder andere Szenarien verursacht werden.

Abbildung 5. Einsatz des FPGA auf seriellen Hochgeschwindigkeitsmessgeräten für benutzerdefinierte Anwendungen

Die hohe Kanalanzahl und die FPGA-Coprozessorleistung der seriellen Hochgeschwindigkeitsgeräte ermöglichen umfangreiche Tests an Radarsystemen, um realistische, zuverlässige und kontrollierte Umgebungen zu schaffen, Risiken zu reduzieren und strenge Testanforderungen zu erfüllen.

LabVIEW FPGA ermöglicht Ingenieuren und Wissenschaftlern die Programmierung von FPGAs mithilfe grafischer Programmierung. LabVIEW FPGA ist ein leistungsstarkes Tool für das Entwerfen und Implementieren benutzerdefinierter Hardwareschaltungen, die eine Verarbeitung mit hohen Geschwindigkeiten und kurzer Wartezeit für ein breites Anwendungsspektrum ermöglichen, z. B. in der industriellen Automatisierung, Robotik, Luft- und Raumfahrt sowie in der wissenschaftlichen Forschung. Mit LabVIEW FPGA können Sie benutzerdefinierte Hardwareschaltungen entwerfen, die in Echtzeit ausgeführt werden, sodass Sie deterministische Steuerungs- und Signalverarbeitungssysteme mit hohen Geschwindigkeiten und kurzen Wartezeiten implementieren können. Mithilfe von LabVIEW FPGA können ein Workflow und Tools für Systemintegratoren und Testingenieure bereitgestellt werden, um schnell Exemplare komplexer IP/DSP (Intellectual Property/Digital Signal Processing, geistiges Eigentum/digitale Signalverarbeitung) auf NI-Hardware zu erzeugen.

Abbildung 6. LabVIEW FPGA bietet einen grafischen Programmieransatz, der die Anbindung an I/O und die Datenverarbeitung vereinfacht, wodurch die Entwurfsproduktivität erheblich gesteigert und die Markteinführungszeit verkürzt wird.

Für die Programmierung mit VHDL können erfahrene Digitalingenieure die in LabVIEW FPGA 2017 und höher enthaltene Vivado-Projektexportfunktion verwenden, um Hardware mit Vivado zu entwickeln, zu simulieren und zu kompilieren. Diese Methode wird möglicherweise von Ingenieuren bevorzugt, deren Anforderungen an Steuerung, Optimierung und Arbeitsabläufe geringer sind. Sie können alle erforderlichen Hardwaredateien für einen Entwurf in ein Vivado-Projekt exportieren, das für Ihr spezifisches Bereitstellungsziel vorkonfiguriert ist. Das gesamte im LabVIEW-Entwurf verwendete LabVIEW-Signalverarbeitungs-IP ist im Export enthalten. Allerdings ist das IP von NI grundsätzlich verschlüsselt. Sie können die Vivado-Projektexportfunktion auf allen seriellen Hochgeschwindigkeitsgeräten mit FPGAs der Kintex 7-Familie (oder neuer) verwenden.

Im Artikel An Introduction to NI High-Speed Serial Instruments finden Sie im Abschnitt zur Software weitere Informationen zur Programmierung mit seriellen Hochgeschwindigkeitsmessgeräten.

Abbildung 7: Erfahrene Digitalingenieure können mithilfe der Vivado-Projektexportfunktion alle erforderlichen Hardwareentwurfsdateien in ein Vivado-Projekt für die Entwicklung, Simulation und Kompilierung exportieren.

Das serielle PXI-Hochgeschwindigkeitsmessgerät ist außerdem eine wichtige Komponente in den folgenden Lösungen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Halbleitertechnik:

• SATCOM-Datenverbindungen und Telemetrie validieren
• Ausführen und Testen einer Satellitenverbindungsemulation
• 6G-Sub-THz-Forschung und -Tests
• Validieren von Radarsystemen

• Erfahren Sie mehr über LabVIEW FPGA.
• Weitere Informationen zum Vektorsignal-Transceiver.
• Automatisierung Ihrer Testsysteme mit der PXI-Plattform.
• Entdecken Sie serielle Hochgeschwindigkeitsmodule.
• Anzeigen zusätzlicher benutzerprogrammierbarer FPGA-Module für PXI.