Optimiser le transfert des données et le traitement du signal avec le module série haute vitesse PXI de NI

Ces modules co-processeurs et série haute vitesse PXI sont destinés aux ingénieurs qui ont besoin de capacités de co-traitement FPGA hautes performances pour obtenir des transferts de données en volume et un traitement du signal temps réel incorporé. Ils sont constitués de FPGA ouverts qui peuvent être programmés en utilisant LabVIEW FPGA ou VHDL. Ces instruments tirent parti des émetteurs-récepteurs multigigabits (MGT) pour prendre en charge des vitesses de ligne allant jusqu'à 28,2 Gbit/s et jusqu'à 48 lignes TX et RX. Faisant partie de la plate-forme PXI, ils bénéficient des capacités de cadencement, de déclenchement et de déplacement de données à haute vitesse PXI, notamment pour le transfert en continu vers et depuis le disque, ainsi que pour le transfert en continu pair-à-pair (P2P) à des vitesses pouvant atteindre 7 Go/s .

Tableau 1. Modules série et coprocesseurs haute vitesse

¹ Module à deux emplacements 

Les applications telles que celles mentionnées précédemment nécessitent du matériel et des logiciels puissants afin de répondre aux exigences de test. Le PXIe-7903 a été construit pour optimiser le transfert des données et la puissance de calcul. Le PXIe-7903 qui occupe deux emplacements sur un châssis PXI, dispose de 12 connecteurs Mini-SAS zHD (Molex iPass + zHD). Chaque connecteur inclut quatre voies TX et RX différentielles couplées en courant alternatif, pour un total de 48 voies prenant en charge des vitesses qui peuvent atteindre 28,2 Gbit/s. Le PXIe-7903 intègre un FPGA Virtex™ UltraScale+™ VU11P programmable par l’utilisateur, permettant le traitement du signal incorporé pour plusieurs instruments à large bande passante.

Figure 1. Diagramme détaillé du PXIe-7903

Le PXIe-7903 inclut la prise en charge du protocole pour 100 GbE et Aurora 64b/66b, ainsi que des exemples dans LabVIEW FPGA, pour vous aider à démarrer. Le VU11P intègre neuf contrôleurs d'accès au support (CMAC) durcis pour 100 GbE, ce qui réduit la consommation des ressources du circuit FPGA, simplifie la fermeture du cadencement et réduit la consommation d'énergie. Le VU11P inclut également la correction directe d'erreur Reed-Solomon (RS-FEC) qui permet de détecter et de corriger les erreurs de bit.

Le protocole Aurora est un protocole léger, à faible latence et à faible encombrement, conçu pour les interfaces série point à point. Principalement conçu pour le transfert de données à large bande passante, Aurora offre un contrôle de flux, un cadrage flexible et des options pour les voies simplex ou full-duplex. Aurora 64b/66b est un protocole point à point développé par Xilinx. Aurora inclut le CRC pour la correction d'erreur mais, contrairement au protocole 100 GbE, il n'inclut pas la correction d'erreur directe. Pour en savoir plus sur les instruments série haute vitesse et la prise en charge des protocoles, consultez le document Une introduction aux instruments NI série haute vitesse.

Le PXIe-7903 est parfaitement adapté aux applications suivantes :

• Analyse de spectre temps réel
• Génération de cibles radar
• Prototypage d'algorithme de communication
• Émulation de système sous test (SUT)
• Émulation de voie RF
• Formation de faisceaux numérique

Des défis surviennent lorsque plusieurs instruments RF doivent décharger des données sur des serveurs pour un traitement, une visualisation et un stockage hors ligne. Les instruments RF à large bande, tels que le transcepteur de signaux vectoriels (VST) PXI, peuvent générer et recevoir plus de 1 GHz de bande passante instantanée, résultant en plusieurs Go/s de données I/Q à traiter et à stocker. Non seulement cette quantité de données crée un problème de traitement du signal, mais les interfaces de transfert de données peuvent générer un goulot d’étranglement lorsqu’il s’agit de débits de données aussi élevés.

Les instruments série haute vitesse permettent d’éviter ce goulot d'étranglement en utilisant plusieurs voies de transcepteurs multigigabits (MGT) pour transférer les données dans un puissant FPGA pour leur traitement, permettant ainsi l'agrégation des données RF de plusieurs instruments.

Dans ces applications, les modules série haute vitesse peuvent remplir les fonctions suivantes :

• Regrouper simultanément les données de plusieurs instruments RF
• Atteindre un débit 20 fois supérieur au fond de panier PXI
• Enregistrer et lire les données des instruments RF vers les serveurs à haute vitesse
• Communiquer via différents protocoles tels que 100 GbE et Aurora

Les applications d'enregistrement de données RF à large bande et multivoies nécessitent l'agrégation et le traitement simultanés de grandes quantités de données. Par exemple, vous pouvez avoir un VST PXI qui acquiert des données RF synchronisées à partir de plusieurs antennes. Ces données devront être regroupées, traitées et transférées vers des serveurs pour une analyse hors ligne. Vous devrez peut-être aussi relire ces données pour tester la réponse du système testé.

Traditionnellement, les solutions d'enregistrement et de lecture pour les systèmes PXI comprennent un instrument RF, un châssis PXI et un périphérique de stockage. À mesure que les vitesses de transfert de données augmentent, celles du fond de panier PXI peuvent générer un goulot d'étranglement.

En utilisant des modules série haute vitesse, tel que le PXIe-7903, vous pouvez éviter le fond de panier PXI pour un débit 20 fois plus élevé. Le fond de panier PXI consiste en huit lignes qui transfèrent en continu à 8 Gbit/s pour un débit total de 64 Gbit/s. Le PXIe-7903 est également doté de 48 lignes qui transmettent à 28,2 Gbit/s. Cette combinaison permet d'atteindre un débit total de 1,35 Tbit/s.

Figure 2. Comparaison des vitesses de transfert en continu de données avec et sans le PXIe-7903

Si vous utilisiez le VST PXIe-5841 dans une application d'enregistrement et de relecture, les échantillons de VST à 1,25 Géch./s fournissent 1 GHz de bande passante. Chaque VST peut transférer des données à 5 Go/s vers le PXIe-7903 via une interface Aurora 64b/66b. L’agrégation du débit de données sur les huit VST nécessite un traitement de données de 40 Go/s, que le PXIe-7903 peut agréger et traiter simultanément. Vous pouvez ensuite transférer les données I/Q transmises par les VST à un serveur pour analyse et stockage.

Figure 3. Le PXIe-7903 peut regrouper des données provenant de huit instruments maximum, convertir des données Aurora en 100 GbE et les transférer en continu vers les serveurs.

Par exemple, si huit VST NI PXIe-5841 sont en train d'acquérir des données RF synchronisées, les données I/Q acquises sur chaque PXIe-5841 seront écrites sur une interface Aurora 64b/66b à quatre voies et transmises au PXIe-7903. Le PXIe-7903 multiplexe les données I/Q provenant de deux interfaces Aurora à quatre voies en un seul paquet UDP 100 GbE, pour un total de quatre interfaces 100 GbE pour exporter les données sur disque. Dans cet exemple, aucun traitement en ligne n'est effectué, ce qui laisse jusqu'à 90 % du FPGA inutilisé et disponible.

Figure 4. Le PXIe-7903 traite les données RF de l'interface Aurora 64b/66b vers 100 GbE

En utilisant des modules série haute vitesse, vous pouvez augmenter considérablement le transfert des données de votre système PXI pour les applications qui ont besoin d’agréger de grandes quantités de données à des vitesses élevées.

Le traitement de signaux en temps réel est devenu un composant critique pour des applications comme le radar et l'imagerie. Ces applications incluent généralement la simulation de conditions de test spécifiques pour évaluer la fidélité du système sous test. On ne peut pas sous-estimer l'importance des données RF haute résolution, car elles sont essentielles à la détection, à l'imagerie et au suivi précis des cibles.

Pour atteindre cette précision, ces systèmes nécessitent un matériel déterministe en temps réel, des algorithmes efficaces et une architecture de traitement capable de gérer la grande quantité de données générées. Le transfert continu des données en temps réel permet de modifier les paramètres et les waveforms à la volée pour visualiser les caractéristiques du signal pendant le fonctionnement afin de simuler des applications réelles.

Un élément clé de ce processus est l'utilisation d'un FPGA programmable par l'utilisateur. Ce FPGA est nécessaire pour le traitement en temps réel et l'implémentation d'IP personnalisés nécessaires à la création de ces scénarios de test réalistes. La combinaison de ces éléments fournit une solution complète pour simuler des conditions réelles dans un environnement contrôlé, pour améliorer la précision et la fiabilité, et réduire les risques.

Dans ces applications, les modules série haute vitesse offrent les avantages suivants :

• Possibilité d'ajouter des fonctionnalités personnalisées via un FPGA programmable par l'utilisateur
• Flux de données soutenu en temps réel
• Fidélité pour des scénarios de test réalistes tels que les mesures en ligne, la lecture de waveform et le traitement du signal augmenté

Les radars modernes nécessitent des tests approfondis, du niveau du composant au niveau du système complet, tout au long du cycle de développement du système. Les générateurs de cibles radar utilisent des E/S RF en plus des technologies de traitement pour créer des cibles synthétiques qui permettent d’évaluer les performances du système radar à des fins de validation et de test fonctionnel.

NI propose un Radar Target Generation Software qui permet aux VST de se comporter comme des générateurs de cibles radar en temps réel en boucle fermée. Le logiciel prend en charge quatre cibles simultanées dans le faisceau par voie, avec un retard, un offset de fréquence et un gain d'amplitude configurables. L'ajout d'un instrument série haute vitesse pour le co-traitement dans ce système permet d'intégrer une IP personnalisée pour le test paramétrique et l'analyse d'impulsions, ou pour le traitement en ligne afin d'introduire des scénarios de test réalistes dans le système radar sous test.

La Figure n°5 montre comment les impulsions radar du SUT sont acquises par le VST puis transmises au coprocesseur par le biais d'une liaison série haute vitesse. Dans le VST, des cibles synthétiques sont ajoutées au signal. Dans le coprocesseur, le signal subit un traitement personnalisé pour effectuer des mesures en série ou pour augmenter les échos renvoyés au SUT. Ce processus permet d'ajouter des effets causés par les conditions météorologiques, l’encombrement, le brouillage ou d'autres scénarios.

Figure 5. Utilisation du FPGA sur des instruments série haute vitesse pour des applications personnalisées

Le grand nombre de voies et la puissance de co-traitement des FPGA des matériels série haute vitesse permet d'effectuer des tests approfondis sur les systèmes radar afin de créer des environnements réalistes, fiables et contrôlés, ainsi que de réduire les risques et de répondre à des exigences de test strictes.

LabVIEW FPGA permet aux ingénieurs et aux scientifiques de programmer des FPGA en utilisant la programmation graphique. LabVIEW FPGA est un outil puissant pour la conception et l'implémentation de circuits matériels personnalisés qui peuvent fournir un traitement haute vitesse et à faible latence pour un large éventail d'applications, y compris l'automatisation industrielle, la robotique, l'aérospatiale et la recherche scientifique. LabVIEW FPGA permet de concevoir des circuits matériels personnalisés qui s'exécutent en temps réel pour mettre en œuvre des systèmes de contrôle et de traitement du signal déterministes haute vitesse à faible latence. LabVIEW FPGA fournit un flux de travail et un outil aux intégrateurs de systèmes et aux ingénieurs de test pour instancier rapidement des IP ou DSP complexes sur du matériel NI.

Figure 6. Le LabVIEW FPGA propose une approche de programmation graphique qui simplifie l'interfaçage aux E/S et le traitement des données, ce qui améliore considérablement la productivité et accélère la mise sur le marché.

Les ingénieurs numériques expérimentés peuvent utiliser la fonctionnalité d'exportation de projet Vivado incluse avec LabVIEW FPGA 2017 et les versions ultérieures pour développer, simuler et compiler du matériel avec Vivado. Cette méthode peut être préférée pour les ingénieurs qui ont besoin d’un contrôle, d’une optimisation et d’un flux de travail de niveau inférieur. Vous pouvez exporter tous les fichiers matériels nécessaires à une conception dans un projet Vivado préconfiguré pour votre cible de déploiement spécifique. Toute IP de traitement de signaux LabVIEW utilisée dans la conception LabVIEW sera incluse dans l'exportation ; cependant, toutes les IP NI sont cryptées. Vous pouvez utiliser Vivado Project Export sur tous les périphériques série haute vitesse avec Kintex 7 ou des FPGA plus récents.

Vous trouverez plus d'informations sur la programmation avec des instruments série haute vitesse NI dans la section dédiée au logiciel du document Une introduction aux instruments NI série haute vitesse.

Figure 7. Pour les ingénieurs numériques expérimentés, la fonctionnalité Vivado Project Export permet d'exporter tous les fichiers de conception de matériel nécessaires vers un projet Vivado pour le développement, la simulation et la compilation.

L'instrument série haute vitesse PXI est également un élément clé des solutions suivantes pour les applications de l'aérospatiale, de la défense et des semi-conducteurs :

• Validation des liaisons de données et de la télémétrie SATCOM
• Effectuer et tester une émulation de liaison satellite
• Recherche et test 6G Sub-THz
• Validation des systèmes radar

• En savoir plus sur LabVIEW FPGA.
• En savoir plus sur le transcepteur de signaux vectoriels.
• Automatisez vos systèmes de test avec la plate-forme PXI.
• Explorer les modules série haute vitesse.
• Afficher d'autres modules FPGA programmables par l'utilisateur pour le PXI