利用NI PXI高速串行模块最大化数据移动和信号处理能力

PXI高速串行和协处理器模块专为需要高性能FPGA协同处理能力的工程师设计，以实现大容量数据移动和在线实时信号处理。该模块由开放式FPGA组成，可使用LabVIEW FPGA或VHDL进行编程。这些仪器采用多千兆位收发仪(MGT)，可支持高达28.2 Gbps的线速率和多达48个TX和RX通道。作为PXI平台的一部分，它们同样受益于PXI时钟、触发、高速数据移动功能，包括高达7 GB/s的数据流盘和点对点(P2P)数据流。

表1.高速串行和协处理器模块

¹双插槽模块 

只有功能强大的硬件和软件才能满足上述应用的测试要求。PXIe-7903旨在最大限度地提高数据移动和运算处理能力。PXIe-7903在PXI机箱上占用2个插槽，并具有12个Mini-SAS zHD (Molex iPass+ zHD)连接器。每个连接器包括4个交流耦合、差分TX和RX通道，共计48个通道，支持高达28.2 Gbps的线速率。PXIe-7903内置用户可编程的Virtex™ UltraScale+™ VU11P FPGA，支持多台高带宽仪器的在线信号处理。

图1.PXIe-7903详细结构图

PXIe-7903支持100 GbE和Aurora 64b/66b协议，并随附LabVIEW FPGA范例，可帮助用户入门。VU11P拥有9个用于100 GbE的加固媒体访问控制器(CMAC)，可减少FPGA架构资源消耗、简化时序收敛并降低功耗。VU11P还包含硬Reed-Solomon前向纠错(RS-FEC)功能，可检测并纠正比特错误。

Aurora协议提供了一种专为串行点对点接口而设计的轻量级、低延迟、紧凑型协议。Aurora旨在用于高带宽数据移动，可提供流量控制、灵活成帧以及单工或全双工通道选项。Aurora 64b/66b是Xilinx开发的点对点协议。Aurora包含用于纠错的CRC，但不同于100 GbE，它并不包含前向纠错。如需详细了解高速串行仪器和协议支持，请参阅NI高速串行仪器简介。

PXIe-7903非常适合以下应用：

• 实时频谱分析
• 雷达目标生成
• 通信算法原型验证
• 待测系统(SUT)仿真
• RF信道仿真
• 数字波束形成

在多个RF仪器必须将数据转移至服务器，以进行离线处理、可视化和存储时，就会遇到挑战。PXI矢量信号收发仪(VST)等宽带RF仪器可生成和接收大于1 GHz的瞬时带宽，从而可处理和存储数GB/s的I/Q数据。如此庞大的数据量不仅会给信号处理带来挑战，而且在处理超高数据传输速率时，数据移动接口也会成为瓶颈。

高速串行仪器通过使用多通道多千兆位收发仪(MGT)将数据流传输至功能强大的FPGA进行处理，因此可聚合来自多台仪器的RF数据，从而缓解了这一问题。

高速串行模块可在这些应用中执行以下功能：

• 同时聚合多台RF仪器的数据
• 吞吐量高达PXI背板的20倍
• 高速记录和回放从RF仪器到服务器的数据
• 通过100 GbE和Aurora等不同协议进行通信

宽带、多通道RF数据记录应用需要同时聚合和处理大量数据。例如，PXI VST可能正在从多个天线采集同步RF数据。需要聚合、处理这些数据，然后将其转移至服务器进行离线分析。可能还需要回放该数据以测试待测系统的响应情况。

传统上，PXI系统的记录和回放解决方案包括RF仪器、PXI机箱和存储设备。随着数据流传输速率的提高，PXI背板的流传输速率也可能成为瓶颈。

可以通过使用PXIe-7903等高速串行模块，绕过PXI背板，实现高达20倍的吞吐量。PXI背板由8个通道组成，流传输速率为8 Gb/s，总吞吐量为64 Gb/s。而PXIe-7903具有48个通道，流传输速率为28.2 Gb/s。这种组合的总吞吐量为1.35 Tb/s。

图2.使用PXIe-7903和未使用PXIe-7903的数据流传输速率比较

如果在记录和回放应用中使用PXIe-5841 VST，其中VST以1.25 GS/s采样速率可提供1 GHz带宽。每个VST可通过Aurora 64b/66b接口以5 GB/s的速率向PXIe-7903流传输数据。聚合全部8个VST的数据吞吐量需要40 GB/s的数据处理速度，而PXIe-7903可同时聚合和处理这些数据。然后，可以将从VST流传输的I/Q数据转移至服务器进行分析和存储。

图3.PXIe-7903最多可聚合8台仪器的数据、将数据从Aurora转换为100 GbE，并将数据流传输至服务器。

例如，如果有8个NI PXIe-5841 VST采集同步RF数据，则每个PXIe-5841采集的I/Q数据都会写入4通道Aurora 64b/66b接口，并流传输至PXIe-7903。PXIe-7903将一对4通道Aurora接口的I/Q数据多路复用至单个100 GbE UDP数据包，最终共有4个100 GbE接口将数据输出到磁盘。本范例中未执行在线处理，因此仍有多达90%的可用FPGA未使用。

图4.PXIe-7903处理来自Aurora 64b/66b接口至100 GbE的RF数据

使用高速串行模块可大幅增加PXI系统的数据移动速度，以满足需要高速聚合大量数据的应用需求。

实时信号处理已成为雷达和成像等应用的关键组成部分。这些应用通常包括对特定测试条件的仿真，以评估待测系统的保真度。高分辨率RF数据是重中之重，因为其对于精确的目标检测、跟踪和成像至关重要。

为实现这种精度，这些系统需要实时确定性硬件、高效的算法和能够处理大量数据的处理架构。实时持续数据流能够即时更改参数和波形，从而在操作过程中可视化信号特性，以仿真实际应用。

该过程的关键部分在于使用用户可编程FPGA。对于实时处理和实现创建这些真实测试场景需要的自定义IP，该FPGA必不可少。这些元素的组合为在受控环境中仿真真实条件提供了一个全面解决方案，以提高精度、可靠性并降低风险。

在这些应用中，高速串行模块具有以下优势：

• 能够通过用户可编程FPGA添加自定义功能
• 实时持续数据流
• 高保真的测试场景，如在线测量、波形回放和增强信号处理

现代雷达需要在整个系统开发周期中进行从组件级到完整系统级的广泛测试。雷达目标生成器利用RF I/O和处理技术来创建合成目标，从而评估雷达系统性能以进行验证和功能测试。

NI提供了Radar Target Generation Software，可支持VST充当实时、闭环雷达目标生成器。该软件支持每个通道同时传输4个光束内目标，并具有可配置的时间延迟、频率偏移和幅度增益。在该系统中添加用于协同处理的高速串行仪器，可集成自定义IP，将其用于参数测试和脉冲分析或进行在线处理，从而将真实的测试场景注入待测雷达系统。

图5所示为VST如何采集来自SUT的雷达脉冲，并通过高速串行链路将其分支至协处理器。在VST内，合成目标被添加至信号中。在协处理器内，信号经过自定义处理，用于在线测量或增强发送回SUT的回波。该过程可添加由气象、杂波、干扰或其他场景引起的影响。

图5.利用高速串行仪器上的FPGA实现自定义应用

高速串行设备的高通道数和FPGA协同处理能力使其能够对雷达系统执行广泛的测试，以创建真实、可靠、受控的环境，降低风险并满足严格的测试要求。

LabVIEW FPGA支持工程师和科学家使用图形化编程对FPGA进行编程。LabVIEW FPGA是一款功能强大的工具，可用于设计和实现自定义硬件电路，为工业自动化、机器人、航空航天和科学研究等各种应用提供高速、低延迟的处理能力。LabVIEW FPGA可助您设计实时运行的自定义硬件电路，从而实现高速、低延迟和确定性的控制和信号处理系统。LabVIEW FPGA为系统集成商和测试工程师提供了工作流程和工具，用于在NI硬件上快速实例化复杂的IP/DSP。

图6.LabVIEW FPGA提供了一种图形化编程方法，可简化连接I/O和处理数据的任务，大大提高了设计效率并缩短了产品上市时间。

掌握VHDL编程且经验丰富的数字工程师可使用LabVIEW FPGA 2017及更高版本随附的Vivado项目导出功能，通过Vivado开发、仿真和编译硬件。这是需要较低级别控制、优化和工作流程的工程师的首选方法。可以将设计所需的所有硬件文件导出至已针对特定部署终端进行预配置的Vivado项目。导出文件包含LabVIEW设计中使用的所有LabVIEW信号处理IP；需要注意的是，所有NI IP均已加密。可以在所有配备Kintex 7或更高版本FPGA的高速串行设备上使用Vivado项目导出。

请参阅NI高速串行仪器简介的软件部分，获取更多关于使用高速串行仪器编程的信息。

图7.对于经验丰富的数字工程师而言，Vivado项目导出功能可将所有必要的硬件设计文件导出至Vivado项目，以进行开发、仿真和编译。

PXI高速串行仪器也是以下航空航天、国防和半导体应用解决方案的关键组件：

• 卫星通信数据链和遥测验证
• 执行和测试卫星链路仿真
• 6G Sub-THz研究与测试
• 雷达系统验证

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• 详细了解矢量信号收发仪。
• 使用PXI平台自动化测试系统。
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