Maximizar el movimiento de datos y el procesamiento de señales con el módulo serial de alta velocidad NI PXI

Estos módulos PXI de coprocesador y seriales de alta velocidad fueron diseñados para ingenieros que necesitan capacidades de co-procesamiento FPGA de alto rendimiento para lograr un alto volumen de movimiento de datos y procesamiento de señales en línea en tiempo real. Consisten en FPGAs abiertos que pueden ser programados usando LabVIEW FPGA o VHDL. Estos instrumentos aprovechan los transceptores multigigabit (MGT) para soportar velocidades de línea de hasta 28.2 Gbps y hasta 48 líneas TX y RX. Como parte de la plataforma PXI, se benefician de las capacidades de sincronización, disparo y movimiento de datos de alta velocidad de PXI, incluyendo la transmisión hacia y desde el disco, incluyendo transferencia peer-to-peer (P2P) a velocidades de hasta 7 GB/s.

Tabla 1. Módulos coprocesador y seriales de alta velocidad

¹ Módulo de dos ranuras 

Las aplicaciones como las mencionadas anteriormente necesitan potentes hardware y software para cumplir con sus requisitos de pruebas. El PXIe-7903 fue diseñado para maximizar el movimiento de datos y la potencia de cómputo. El PXIe-7903, que ocupa dos ranuras en un chasis PXI, cuenta con 12 conectores Mini-SAS zHD (Molex iPass+ zHD). Cada conector incluye cuatro canales TX y RX diferenciales acoplados en AC para un total de 48 canales que soportan velocidades de línea de hasta 28.2 Gbps. El PXIe-7903 aloja un FPGA Virtex™ UltraScale+™ VU11P programable por el usuario, que permite el procesamiento de señales en línea para múltiples instrumentos de alto ancho de banda.

Figura 1. Diagrama detallado del PXIe-7903

El PXIe-7903 incluye soporte de protocolo para 100 GbE y Aurora 64b/66b y ejemplos de envío en LabVIEW FPGA para ayudar a los usuarios a comenzar. El VU11P tiene nueve controladores de acceso a medios (CMAC) reforzados para 100GbE, lo que reduce el consumo de recursos de la estructura FPGA, simplifica el cierre de temporización y reduce el consumo de energía. El VU11P también incluye corrección de errores de reenvío Reed-Solomon (RS-FEC), que puede detectar y corregir errores de bits.

El protocolo Aurora proporciona un protocolo ligero, de baja latencia y de tamaño pequeño diseñado para interfaces seriales punto a punto. Diseñada principalmente para el movimiento de datos de alto ancho de banda, Aurora proporciona control de flujo, marcos flexibles y opciones para canales simplex o full-duplex. Aurora 64b/66b es un protocolo punto a punto desarrollado por Xilinx. Aurora incluye CRC para corrección de errores, pero a diferencia de 100 GbE, no incluye corrección de errores directa. Aprenda más sobre instrumentos seriales de alta velocidad y soporte de protocolo en Una introducción a los instrumentos seriales de alta velocidad.

El PXIe-7903 es ideal para las siguientes aplicaciones:

• Análisis de espectro en tiempo real
• Generación de dispositivo de radar
• Generación de prototipos de algoritmos de comunicaciones
• Emulación del sistema bajo prueba (SUT)
• Emulación de canal de RF
• Beamforming digital

Los desafíos surgen cuando hay varios instrumentos de RF que deben descargar datos a un servidor para procesamiento, visualización y almacenamiento fuera de línea. Los instrumentos de RF de banda ancha, como el transceptor vectorial de señales (VST) PXI, pueden generar y recibir más de 1 GHz de ancho de banda instantáneo, lo que resulta en varios GB/s de datos I/Q para procesar y almacenar. Esta cantidad de datos no solamente crea un desafío para el procesamiento de señales, sino que las interfaces de movimiento de datos pueden producir un cuello de botella cuando se trata de velocidades de datos tan altas.

Los instrumentos seriales de alta velocidad alivian este cuello de botella al usar múltiples líneas de transceptores multigigabit (MGT) para transmitir datos a un potente FPGA para su procesamiento, lo que permite agregar datos de RF de múltiples instrumentos.

En estas aplicaciones, los módulos seriales de alta velocidad pueden realizar las siguientes funciones:

• Agregar datos simultáneamente de múltiples instrumentos de RF
• Alcanzar hasta 20 veces el rendimiento del plano trasero PXI
• Grabar y reproducir datos desde instrumentos de RF a servidores a altas velocidades
• Comunicarse a través de diferentes protocolos como 100 GbE y Aurora

Las aplicaciones de grabación de datos de RF multicanal de banda ancha requieren que usted agregue y procese grandes cantidades de datos simultáneamente. Por ejemplo, usted puede tener un VST PXI que está adquiriendo datos de RF sincronizados desde múltiples antenas. Esos datos deberán agregarse, procesarse y descargarse en servidores para su análisis fuera de línea. Es posible que también deba reproducir esos datos para probar la respuesta del sistema bajo prueba.

Tradicionalmente, las soluciones de grabación y reproducción para sistemas PXI incluirían un instrumento de RF, un chasis PXI y un dispositivo de almacenamiento. A medida que las velocidades de transferencia de datos aumentan, las velocidades de transmisión del plano trasero PXI pueden convertirse en un cuello de botella.

Al usar módulos seriales de alta velocidad como el PXIe-7903, usted puede omitir el plano trasero PXI para obtener hasta 20 veces más rendimiento. El plano trasero PXI consta de ocho líneas que transmiten a 8 Gb/s para un rendimiento total de 64 Gb/s. Alternativamente, el PXIe-7903 tiene 48 líneas que transmiten a 28.2 Gb/s. Esta combinación da como resultado un rendimiento total de 1.35 Tb/s.

Figura 2. Comparación de velocidades de transferencia de datos con y sin el PXIe-7903

Si tuviera que utilizar el VST PXIe-5841 en una aplicación de grabación y reproducción, los muestreos del VST a 1.25 GS/s proporcionan 1 GHz de ancho de banda. Cada VST puede transmitir 5 GB/s al PXIe-7903 a través de una interfaz Aurora 64b/66b. Agregar el rendimiento de datos en los ocho VSTs da como resultado un requisito de 40 GB/s de procesamiento de datos, que el PXIe-7903 puede agregar y procesar simultáneamente. Luego puede descargar los datos I/Q transmitidos desde los VSTs a un servidor para su análisis y almacenamiento.

Figura 3. El PXIe-7903 puede agregar datos de hasta ocho instrumentos, convertir datos de Aurora a 100 GbE y transmitir a servidores.

Por ejemplo, si hubiera ocho VSTs NI PXIe-5841 adquiriendo datos de RF sincronizados, los datos I/Q adquiridos en cada PXIe-5841 se escribirán en una interfaz Aurora 64b/66b de cuatro líneas y se transmitirán al PXIe-7903. El PXIe-7903 multiplexa los datos I/Q de un par de interfaces Aurora de cuatro líneas en un solo paquete UDP de 100 GbE, para un total de cuatro interfaces de 100 GbE para enviar datos al disco. En este ejemplo, no se realiza ningún procesamiento en línea, lo que deja hasta el 90% del FPGA sin usar y disponible.

Figura 4. PXIe-7903 procesamiento de datos de RF desde la interfaz Aurora 64b/66b a 100 GbE

Al usar módulos seriales de alta velocidad, puede aumentar enormemente el movimiento de datos de su sistema PXI para aplicaciones que necesitan agregar grandes cantidades de datos a altas velocidades.

El procesamiento de señales en tiempo real se ha convertido en un componente crítico para aplicaciones como radar e imágenes. Estas aplicaciones generalmente incluyen la simulación de condiciones de pruebas específicas para evaluar la fidelidad de su sistema bajo prueba. No se puede subestimar la importancia de los datos de RF de alta resolución, ya que son vitales para la detección, el seguimiento y la generación de imágenes de objetivos precisos.

Para lograr esta precisión, estos sistemas requieren hardware determinístico en tiempo real, algoritmos eficientes y una arquitectura de procesamiento que pueda manejar la gran cantidad de datos generados. La transmisión de datos sostenida en tiempo real permite la capacidad de cambiar parámetros y formas de onda sobre la marcha para visualizar las características de la señal durante la operación para simular aplicaciones del mundo real.

Un componente clave en este proceso es el uso de un FPGA programable por el usuario. Este FPGA es necesario para el procesamiento en tiempo real y la implementación de IP personalizada que se necesita para crear estos escenarios de pruebas realistas. La combinación de estos elementos proporciona una solución integral para simular condiciones del mundo real en un entorno controlado, para mejorar la precisión, la fiabilidad y reducir el riesgo.

En estas aplicaciones, los módulos seriales de alta velocidad ofrecen los siguientes beneficios:

• Capacidad para agregar funcionalidad personalizada a través de FPGA programable por el usuario
• Transmisión de datos sostenida en tiempo real
• Fidelidad para escenarios de pruebas realistas, como medidas en línea, reproducción de formas de onda y procesamiento de señales aumentadas

Los radares modernos requieren exhaustivas pruebas, desde nivel de componente hasta nivel del sistema completo, durante todo el ciclo de desarrollo del sistema. Los generadores de objetivos de radar utilizan E/S de RF junto con tecnologías de procesamiento para crear objetivos sintéticos que permiten evaluar el rendimiento del sistema de radar para validación y pruebas funcionales.

NI ofrece el Radar Target Generation Software que permite a los VSTs actuar como generadores de objetivos de radar de circuito cerrado en tiempo real. El software permite cuatro dispositivos in-beam simultáneos por canal, con retraso de tiempo configurable, desfase de frecuencia y ganancia de amplitud. Agregar un instrumento serial de alta velocidad para co-procesamiento en este sistema permite integrar IP personalizada para pruebas paramétricas y análisis de pulso o para procesamiento en línea para inyectar escenarios de pruebas realistas en el sistema de radar bajo prueba.

La Figura 5 muestra cómo los pulsos de radar del SUT son adquiridos por el VST y luego se derivan al coprocesador utilizando un enlace serial de alta velocidad. Dentro del VST, los objetivos sintéticos se agregan a la señal. Dentro del coprocesador, la señal se somete a un procesamiento personalizado para medidas en línea o para aumentar los ecos enviados de vuelta al SUT. Este proceso permite agregar efectos causados por el clima, desorden, interferencias u otros escenarios.

Figura 5. Utilizar el FPGA en instrumentos seriales de alta velocidad para aplicaciones personalizadas

La gran cantidad de canales y la potencia de co-procesamiento FPGA de los dispositivos seriales de alta velocidad ofrecen la capacidad de realizar pruebas exhaustivas en sistemas de radar para crear entornos realistas, confiables y controlados y para reducir el riesgo y cumplir con los estrictos requisitos de pruebas.

LabVIEW FPGA permite a ingenieros y científicos programar FPGAs usando programación gráfica. LabVIEW FPGA es una poderosa herramienta para diseñar e implementar circuitos de hardware personalizados que pueden proporcionar procesamiento de alta velocidad y baja latencia para una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo automatización industrial, robótica, aeroespacial e investigación científica. Con LabVIEW FPGA, usted puede diseñar circuitos personalizados de hardware que se ejecutan en tiempo real, para que pueda implementar sistemas de control y procesamiento de señales de alta velocidad, baja latencia y determinísticos. LabVIEW FPGA ayuda a proporcionar un flujo de trabajo y una herramienta para integradores de sistemas e ingenieros de pruebas para crear instancias rápidamente de IP/DSP complejo en hardware de NI.

Figura 6. LabVIEW FPGA proporciona un enfoque de programación gráfica que simplifica la tarea de interactuar con E/S y procesar datos, mejorando enormemente la productividad del diseño y reduciendo el tiempo de comercialización.

Para la programación con VHDL, los ingenieros digitales experimentados pueden usar la función Vivado Project Export incluida con LabVIEW FPGA 2017 y versiones posteriores para desarrollar, simular y compilar hardware con Vivado. Este método es el preferido para ingenieros que necesitan control de nivel inferior, optimización y flujos de trabajo. Puede exportar todos los archivos de hardware necesarios para un diseño a un proyecto de Vivado que está preconfigurado para su objetivo de implementación específico. Cualquier IP de procesamiento de señales de LabVIEW utilizada en el diseño de LabVIEW se incluirá en la exportación; sin embargo, toda la IP de NI está encriptada. Puede usar Vivado Project Export en todos los dispositivos seriales de alta velocidad con Kintex 7 o FPGAs más nuevos.

En la sección de software de Una introducción a los instrumentos seriales de alta velocidad, puede encontrar más información sobre programación con instrumentos seriales de alta velocidad.

Figura 7. Para ingenieros digitales experimentados, la función Vivado Project Export permite exportar todos los archivos de diseño de hardware necesarios a un proyecto Vivado para desarrollo, simulación y compilación.

El instrumento serial PXI de alta velocidad también es un componente clave en las siguientes soluciones para aplicaciones aeroespaciales, de defensa y de semiconductores:

• Validar el enlace de datos y la telemetría de SATCOM
• Realizar y probar la emulación de enlace satelital
• Investigación y pruebas de 6G Sub-THz
• Validar sistemas de radar

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