NI PXI 고속 시리얼 모듈을 사용한 데이터 이동과 신호 처리 최대화

이 PXI 고속 시리얼 및 코프로세서 모듈은 대용량 데이터 이동과 인라인 리얼타임 신호 처리를 위해 고성능 FPGA 코프로세싱 기능이 필요한 엔지니어를 위해 설계되었습니다. LabVIEW FPGA 또는 VHDL을 사용하여 프로그래밍할 수 있는 개방형 FPGA로 구성됩니다. 이 계측기는 멀티기가비트 트랜시버 (MGT)를 활용하여 최대 28.2 Gbps의 라인 속도와 최대 48개의 TX 및 RX 레인을 지원합니다. PXI 플랫폼의 일부로서 PXI 클럭, 트리거링 및 고속 데이터 이동 기능 (디스크 스트리밍, 최대 7 GB/s의 P2P 스트리밍 포함)의 이점을 이용합니다.

표 1. 고속 시리얼 및 코프로세서 모듈

¹ 2 슬롯 모듈 

앞서 언급한 것과 같은 어플리케이션을 테스트 요건에 맞추려면 강력한 하드웨어와 소프트웨어가 필요합니다. PXIe-7903은 데이터 이동과 계산 성능을 최대로 끌어올립니다. PXIe-7903은 PXI 섀시에서 2개의 슬롯을 사용하며, 12개의 Mini-SAS zHD (Molex iPass+ zHD) 커넥터가 있습니다. 각 커넥터에는 최대 28.2 Gbps의 라인 속도를 지원하는 총 48개 채널에 4개의 AC 커플링 차동 TX와 RX 채널이 포함되어 있습니다. PXIe-7903에는 사용자가 프로그래밍 가능한 Virtex™ UltraScale+™ VU11P FPGA가 있어 여러 고대역폭 계측기의 인라인 신호 처리가 가능합니다.

그림 1. PXIe-7903 상세 다이어그램

PXIe-7903은 사용자의 시작을 지원하기 위해 LabVIEW FPGA 예제와 100 GbE 및 Aurora 64b/66b의 프로토콜 지원을 함께 제공합니다. VU11P에는 100 GbE용의 강화된 미디어 액세스 컨트롤러 (CMAC)가 9개 있으며, 이를 통해 FPGA 패브릭 리소스 소비를 줄이고 타이밍 폐쇄를 단순화하며 전력 소모를 줄입니다. VU11P에는 또한 비트 에러를 감지하고 수정할 수 있는 하드 리드 솔로몬 순방향 오류 정정 (RS-FEC)이 포함되어 있습니다.

Aurora 프로토콜은 포인트 간 시리얼 인터페이스용으로 설계된 프로토콜로, 설치 공간이 작고 가벼우며 지연 시간이 짧습니다. Aurora는 주로 고대역폭 데이터 이동을 위해 설계되었으며, 흐름 제어, 유연한 프레이밍, 단방향 또는 전이중 채널의 옵션을 제공합니다. Aurora 64b/66b는 Xilinx에서 개발한 포인트 간 프로토콜입니다. Aurora에는 에러 수정용 CRC가 포함되어 있지만, 100 GbE와 달리 순방향 오류 정정은 포함되어 있지 않습니다. 고속 시리얼 계측기와 프로토콜 지원에 대한 자세한 정보는 NI 고속 시리얼 계측기 소개를 참조하십시오.

PXIe-7903은 다음 어플리케이션에 적합합니다.

• 리얼타임 스펙트럼 분석
• 레이더 타겟 생성
• 통신 알고리즘 프로토타이핑
• 테스트 중인 시스템 (SUT) 에뮬레이션
• RF 채널 에뮬레이션
• 디지털 빔형성

오프라인 처리, 시각화, 저장을 위해 서버에 데이터를 오프로드해야 하는 RF 계측기가 여럿인 경우 문제가 발생합니다. PXI 벡터 신호 트랜시버 (VST)와 같은 광대역 RF 계측기는 1 GHz 이상의 순간 대역폭을 생성하고 수신할 수 있어 처리하고 저장해야 할 I/Q 데이터가 초당 수 GB에 달하게 됩니다. 이러한 데이터의 양은 신호 처리 시 문제를 일으킬 뿐만 아니라 데이터 이동 인터페이스 때문에 높은 데이터 속도를 처리할 때 병목 현상이 발생할 수 있습니다.

고속 시리얼 계측기는 멀티기가비트 트랜시버 (MGT)의 여러 레인을 사용하여 데이터를 강력한 FPGA로 스트리밍하여 처리하고, 여러 계측기의 RF 데이터를 집계하여 이러한 병목 현상을 완화합니다.

이러한 어플리케이션에서 고속 시리얼 모듈은 다음 기능을 수행할 수 있습니다.

• 동시에 여러 RF 계측기의 데이터를 집계
• PXI 백플레인 처리량의 최대 20배 도달
• 고속으로 RF 계측기에서 서버로 데이터를 기록하고 재생
• 100 GbE 및 Aurora와 같은 다양한 프로토콜을 통해 통신

광대역의 멀티채널 RF 데이터 기록 어플리케이션을 사용하려면 대량의 데이터를 동시에 집계하고 처리해야 합니다. 예를 들어, 여러 안테나에서 동기화된 RF 데이터를 수집하는 PXI VST를 보유하고 있을 수 있습니다. 이 데이터를 집계하고 처리한 후 오프라인으로 분석하기 위해 서버로 오프로드해야 합니다. 또한 테스트 중인 시스템의 응답을 테스트하기 위해 해당 데이터를 재생해야 할 수도 있습니다.

일반적으로 PXI 시스템용 기록 및 재생 솔루션에는 RF 계측기, PXI 섀시, 스토리지 디바이스가 포함되어 있습니다. 데이터 스트리밍 속도가 증가함에 따라 PXI 백플레인의 스트리밍 속도에 문제가 발생할 수 있습니다.

PXIe-7903과 같은 고속 시리얼 모듈을 사용하면 처리량의 최대 20배까지 PXI 백플레인을 우회할 수 있습니다. PXI 백플레인은 각각 8 Gb/s로 스트리밍하는 8개의 레인으로 구성되어 있어 총 64 Gb/s를 처리합니다. 또는 PXIe-7903에는 28.2 Gb/s로 스트리밍하는 48개의 레인이 있습니다. 이 둘을 함께 사용하면 총 처리량은 1.35 Tb/s가 됩니다.

그림 2. PXIe-7903이 있는 경우와 없는 경우의 데이터 스트리밍 속도 비교

기록하고 재생하는 어플리케이션에서 PXIe-5841 VST를 사용하면 1.25 GS/s의 VST 샘플에서 1 GHz의 대역폭을 얻을 수 있습니다. 각 VST는 Aurora 64b/66b 인터페이스를 통해 5 GB/s를 PXIe-7903으로 스트리밍할 수 있습니다. 8개의 모든 VST의 데이터 처리량을 집계하려면 데이터를 40 GB/s로 처리해야 하는데, PXIe-7903은 이를 동시에 집계하고 처리할 수 있습니다. 그런 다음 분석하고 저장하기 위해 VST에서 스트리밍된 I/Q 데이터를 서버로 오프로드할 수 있습니다.

그림 3. PXIe-7903은 최대 8개의 계측기에서 데이터를 집계하고 Aurora에서 100 GbE로 데이터를 변환하여 서버로 스트리밍할 수 있습니다.

예를 들어, 동기화된 RF 데이터를 수집하는 NI PXIe-5841 VST가 8개라면 각 PXIe-5841에서 수집된 I/Q 데이터는 레인이 4개인 Aurora 64b/66b 인터페이스에 작성되고 PXIe-7903으로 스트리밍됩니다. PXIe-7903은 레인이 4개인 Aurora 인터페이스 한 쌍의 I/Q 데이터를 단일 100 GbE UDP 패킷으로 멀티플렉스하여 총 4개의 100 GbE 인터페이스로 데이터를 디스크로 출력합니다. 이 예제에서는 인라인 처리가 수행되지 않기 때문에 FPGA의 최대 90%가 사용되지 않고 남아있게 됩니다.

그림 4. PXIe-7903으로 Aurora 64b/66b 인터페이스에서 100 GbE까지 RF 데이터 처리

고속 시리얼 모듈을 사용하면 대량의 데이터를 고속으로 집계해야 하는 어플리케이션에서 PXI 시스템의 데이터 이동을 크게 늘릴 수 있습니다.

리얼타임 신호 처리는 레이더 및 이미징과 같은 어플리케이션의 중요 구성요소로 부상했습니다. 이러한 어플리케이션에는 테스트 중인 시스템의 충실도를 평가하기 위해 일반적으로 특정 테스트 조건에서의 시뮬레이션이 포함됩니다. 고분해능 RF 데이터가 정확한 타겟 감지, 추적, 이미징 모두에 매우 중요하기 때문에 그 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다.

이러한 시스템에서 필요한 수준으로 정확도를 높이려면 리얼타임의 타이밍 결정성이 높은 하드웨어, 효율적인 알고리즘, 생성된 대량의 데이터를 처리할 수 있는 처리 아키텍처가 필요합니다. 지속적인 리얼타임 데이터 스트리밍을 사용하면 파라미터와 웨이브폼을 즉시 변경하여 작동 중에 신호 특성을 시각화하여 실제 어플리케이션을 시뮬레이션할 수 있습니다.

이 프로세스의 핵심은 사용자가 프로그래밍 가능한 FPGA를 사용하는 것입니다. 이 FPGA는 이러한 실제와 같은 테스트 시나리오를 생성하는 데 필요한 리얼타임 처리와 사용자 정의 IP 구현에 필요합니다. 이러한 요소를 조합하여 실제와 같이 통제된 환경 조건에서 시뮬레이션할 수 있는 종합적인 솔루션을 활용하여 정확도와 신뢰도를 높이고 위험을 줄일 수 있습니다.

이러한 어플리케이션에서 고속 시리얼 모듈을 사용하면 다음과 같은 이점이 있습니다.

• 사용자가 프로그래밍 가능한 FPGA를 통해 사용자 정의 기능 추가
• 지속적인 리얼타임 데이터 스트리밍
• 인라인 측정, 웨이브폼 재생, 증강된 신호 처리 등 실제와 같은 테스트 시나리오를 위한 충실도

최신 레이더는 시스템 개발 주기 전반에 걸쳐 구성요소 레벨에서 전체 시스템 레벨에 이르기까지 광범위한 테스트가 필요합니다. 레이더 타겟 생성기는 처리 기술과 함께 RF I/O를 활용하여 검증과 기능 테스트를 위해 레이더 시스템 성능을 평가할 수 있는 합성 타겟을 만듭니다.

NI는 Radar Target Generation Software를 제공하여 VST를 리얼타임 폐루프 레이더 타겟 생성기로 사용할 수 있도록 지원합니다. 이 소프트웨어는 설정 가능한 시간 지연, 주파수 오프셋, 진폭 게인을 통해 채널당 4개의 동시 빔 내 타겟을 가능케 합니다. 이 시스템에 코프로세싱용 고속 시리얼 계측기를 추가하면 파라미터 테스트와 펄스 분석을 위해 또는 인라인 프로세싱을 위해 사용자 정의 IP를 통합하여 테스트 중인 레이더 시스템에 실제와 같은 테스트 환경을 조성할 수 있습니다.

그림 5는 VST를 통해 SUT의 레이더 펄스를 수집한 후 고속 시리얼 링크를 사용하여 코프로세서로 분기하는 방법을 보여줍니다. VST 내에서 합성 타겟이 신호에 추가됩니다. 코프로세서 내에서 신호는 인라인 측정을 위해 또는 SUT로 다시 전송되는 에코를 증강하기 위해 사용자 정의된 처리 과정을 거칩니다. 이 과정을 통해 날씨, 클러터, 전파 방해 또는 기타 조건으로 인해 발생하는 효과를 추가할 수 있습니다.

그림 5. 사용자 정의 어플리케이션을 위해 고속 시리얼 계측기에서 FPGA 활용

고속 시리얼 디바이스의 높은 채널 수와 FPGA 코프로세싱 성능을 통해 실제와 같고 신뢰도가 높으며 통제된 환경을 조성하는 것은 물론 위험을 줄이고 엄격한 테스트 요건을 충족하는 레이더 시스템에서 광범위하게 테스트할 수 있습니다.

엔지니어와 과학자는 LabVIEW FPGA를 통해 그래픽 프로그래밍을 사용하여 FPGA를 프로그래밍할 수 있습니다. LabVIEW FPGA는 산업 자동화, 로봇 공학, 항공우주, 과학 연구 등 광범위한 분야에서 사용하는 어플리케이션의 저지연 고속 처리를 가능케 하는 사용자 정의 하드웨어 회로를 설계하고 구현하는 강력한 도구입니다. LabVIEW FPGA를 사용하면 리얼타임으로 실행되는 사용자 정의 하드웨어 회로를 설계할 수 있어 고속에 지연 시간이 짧고 타이밍 결정성이 높은 컨트롤과 신호 처리 시스템을 구현할 수 있습니다. LabVIEW FPGA는 시스템 통합자와 테스트 엔지니어가 NI 하드웨어에서 복잡한 IP/DSP를 신속하게 설명할 수 있는 작업 흐름과 도구를 제공합니다.

그림 6. LabVIEW FPGA는 I/O와의 인터페이스와 데이터 처리 작업을 단순화하는 그래픽 프로그래밍 방식으로 설계 생산성을 크게 높이고 시장 출시 시간을 단축합니다.

VHDL을 사용하여 프로그래밍하는 경우, 숙련된 디지털 엔지니어는 LabVIEW FPGA 2017 이후 버전에 포함된 Vivado 프로젝트 내보내기 기능을 사용하여 Vivado로 하드웨어를 개발허고 시뮬레이션하며 컴파일할 수 있습니다. 이 방법은 하위 레벨 컨트롤, 최적화, 작업 흐름이 필요한 엔지니어에게 적합할 수 있습니다. 배포 타겟에 맞게 사전 구성된 Vivado 프로젝트로 설계에 필요한 하드웨어 파일을 모두 내보낼 수 있습니다. 내보내기에는 LabVIEW 설계에 사용된 LabVIEW 신호 처리 IP가 모두 포함됩니다. 단, NI IP는 암호화된 상태로 포함됩니다. Vivado 프로젝트 내보내기 기능은 Kintex 7이나 최신 FPGA가 적용된 모든 고속 시리얼 디바이스에서 사용 가능합니다.

고속 시리얼 계측기를 사용한 프로그래밍에 대한 자세한 정보는 NI 고속 시리얼 계측기 소개의 소프트웨어 섹션에서 확인하십시오.

그림 7. 숙련된 디지털 엔지니어를 위해 제공되는 Vivado 프로젝트 내보내기 기능을 사용하면 개발, 시뮬레이션 및 컴파일을 위해 Vivado 프로젝트로 필수 하드웨어 설계 파일을 모두 내보낼 수 있습니다.

PXI 고속 시리얼 계측기는 또한 항공우주, 국방, 반도체 어플리케이션을 위한 다음 솔루션의 핵심 요소입니다.

• SATCOM 데이터 링크 및 원격 측정 검증
• 위성 링크 에뮬레이션 수행 및 테스트
• 6G Sub-THz 연구 및 테스트
• 레이더 시스템 검증

• LabVIEW FPGA에 대해 자세히 알아보기
• 벡터 신호 트랜시버에 대해 자세히 알아보기
• PXI 플랫폼으로 테스트 시스템 자동화하기
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