基于ＰＸｌ Ｅｘｐｒｅｓｓ的高速混合信號測試系統

PXI Express為PXI儀器平臺增添了眾多的技術優勢，開辟了許多新興測量領域。PXIExpress儀器系統提供的高達2GB/s的數據吞吐量使得以前只能通過定制硬件或是昂貴的專用儀器才能實現的高速測量應用變為可能。

PXI Express技術概覽

基于最新的PCI Express技術，PXI Ex－press使PXI背板帶寬從132MB/s增加至6GB/s，提升幅度超過45倍。除了PXI現有的定時和同步功能，PXI Express還提供了附加的定時和觸發總線，包括100 MHz差分系統時鐘、差分信號、以及差分星形觸發等。通過使用差分時鐘和觸發，PXI Express系統增加了對儀器時鐘的抗噪聲能力，并能傳輸更高頻率的時鐘信號。

在性能大幅提升的同時，PXI Express具備和PXI軟硬件上完全的兼容性。PCI Express的軟件兼容性使得PXI提供的標準軟件框架同樣適用于PXI Express。為了保證硬件的兼容性，PXI Express標準中定義了一種混合插槽，使得工程師能夠在同一個插槽中安裝PXI或是PXI Express的模塊。有了這些技術，工程師和廠商能夠利用硬件和軟件上的兼容性，最大程度地保留了在PXI系統和產品上現有的投資。

PXIExpress的技術優勢

針對自動化的測量和控制應用，PXUPXIExpress平臺能夠提供以下的三大技術優勢：

靈活的、軟件定義的儀器系統

高度集成的模塊化架構

高數據吞吐量和精確的定時同步特性

通過軟件定義的解決方案，用戶可以獲取原始的測量數據，通過應用不同的分析方法，獲得靈活的、完全自定義的測量結果。例如對于RF/通信領域的測試，面臨層出不窮的無線標準，就必須采用基于統一硬件平臺的軟件無線電架構，只需要改變軟件上的調制解調方式就可以實現對不同無線協議的測試。

其次，依賴于模塊化的架構，可以從超過1500種現有的高性能PXI儀器中選擇合適的測量儀器，同時幫助節省投資成本，隨時方便的升級控制器和模塊的性能。例如，模塊化的架構能夠使您在一個系統中實現多種混合信號的ASIC特性描述，并能根據信號的要求配置和升級測試系統。

再者，PXI Express的高吞吐量使得更多的高速測量應用變為可能，如高帶寬的IF(中頻)儀器，高速的數字視頻測試等。配合PXIExpress RAID硬盤驅動器，還可以實現高達600 MB/s的實時數據流盤。對于通道間相位誤差要求很高的聲音振動測試、結構測試等，PXI/PXI Ex－press精確的定時和同步功能更是不可或缺。

軟件定義的測量：RF/通信測試

由于現在的無線設備集成了越來越多的通信協議，如802，11g、GSM、GPS和藍牙等，無線設備測試所面臨的挑戰和測試成本都日趨上升。以往，您可能需要多臺儀器來測試在不同通信標準下的設備性能，而這需要耗費相當的成本和物理空間。現在，采用軟件定義的模塊化的架構，您可以使用同一個2，7GHz的PXI的RF軟件無線電平臺測試多種的無線通信協議。此外，您還可以在通信設備的測試中加入數字協議的測試，音頻分析等更多集成的功能。一個無線通信設備測試的典型案例就是手機的生產線測試。

PXI矢量信號分析儀能夠捕獲不同通信標準下的各種頻率的RF信號，由于通信協議的編解碼是由軟件實現的，因此在同一個平臺上可以完成對GSM、IEEE 802，11g、藍牙等不同協議的測試。這樣軟件定義的測量方式不僅減少了測試設備的體積，更是縮減了測試的成本。

集成的模塊化架構：混合信號的ASIC特性描述

現代ASIC通常擁有多個混合信號的輸入和輸出。PXI儀器系統所提供的單平臺解決方案，可以在一個平臺中集成多種儀器的測試功能，完成對復雜的ASIC芯片的特性描述。

例如，我們需要測試一個四通道、12位、100 MHz的數模轉換器芯片，這樣的ASIC需要48路同步的數字I/O通道，4路精確的模擬輸入通道和一個可編程的DC電源模塊。基于PXI/PXI Express的平臺，您可以將上述的測量模塊集成在一個系統中，在這樣的系統中實現多個數字I/O模塊之間的同步，確保48個通道間的同步誤差小于lns；此外，PXI的高速數字化儀在100 MS/s的采樣率下能夠提供高達14位的分辨率，再配合一個低損耗的RF開關模塊，就可以對四路的高速模擬信號進行切換測試；最后，基于PXI可編程的電源模塊能夠提供0V－6V、以120laV為間隔進行變化的電壓信號對ASIC的Vcc進行供電。

依賴于模塊化的儀器系統架構，該系統可以被重新配置或進行擴展以滿足未來的測試需求。配合使用NI LabVIEW的軟件編程環境，您還可以實現THD、SFDR、SINAD等多種ASIC標準參數的測量，并通過觀察其在不同功率、電流等因素下的性能，對待測芯片進行復雜全面的特性描述。

高數據吞吐量：數據的實時流盤應用

高速的測量應用，如RF/IF信號的采集、數字視頻的測試、高速圖像的采集等，如今變的越來越廣泛，傳統的臺式儀器雖然具有非常高的采樣率和帶寬，但由于板載內存容量的限制，其連續采集的時間和波形存儲的容量畢竟有限，通過GPIB(或者是以太網、USB)傳回控制PC的往往也只是分析的結果，如果要傳遞原始的測量數據將耗費大量的測試時間(GPIB的帶寬約為1MB/s)。這樣，測量的功能就完全由儀器廠商所定義，用戶拿不到原始的數據，就無法做自定義的分析，也就失去了對數據的控制權。

如今，借助于PXI/PXI Express的高帶寬，用戶可以輕松的采集大量的原始數據、通過總線傳輸回控制器并實時的存儲在硬盤上，用于后續自定義的分析和數據備份。正是使用了商業現成可用(COTS)的PCI/PCI Express技術，使得原本需要昂貴的專用儀器才能實現的高速數據流盤應用變得更簡單可行。

讓我們來看一個IF信號采集和流盤的案例，通過案例來分析基于PXI Express的高速數據流盤應用的技術要點和編程的實現：

現代衛星通信和頻譜監測應用需要長時間地將大量的RF/IF信號存儲到硬盤上，用于后期的數據回放和信號的分析和捕獲。以往，這類應用只能借助于構建和維護都十分昂貴的定制硬件來實現。而現在，您可以使用高帶寬的PXI/PXI Express儀器系統，快速高效地開發此類應用。

在這個應用中，我們使用下變頻模塊將RF信號下變頻到可以進行模數轉換的IF信號，然后用一塊100 MS/s采樣率的高速數字化儀采集該IF信號。由于可以用數字化儀的兩個通道作同時的采集，每個通道的帶寬達50 MHz，因此這個系統可以采集高達100 MHz帶寬的RF信號。

對于信號監測的應用，通常需要將幾分鐘甚至是幾個小時的頻譜數據流盤，而實時數據吞吐量更會高達400 MB/s。在這里要注意的是該數字化儀具有14位的分辨率，因此每個采樣值就需要兩個字節的存儲空間。數據吞吐量的具體計算公式如下：

數據吞吐量=采樣率×字節/采樣點×通道數=100MS/s×2字節/采樣點×2通道=400MB/s

如此高的數據吞吐量對總線和硬盤都提出了巨大的挑戰，甚至普通的PXI總線都難以勝任，這里我們采用了高達2 GB/s數據吞吐量的PXI Express總線以及PXI Expressx4RAID-0硬盤驅動器(讀寫速率高達650MB/s)，并在高性能的雙核嵌入式控制器上進行后續的功率譜和聯合時頻域的軟件分析。

對于如此復雜系統的軟件編程，我們采用了NI LabVIEW內在的多線程并行編程模型，更好的優化了數據流盤的速度，并充分發揮了多核處理器的性能。由于LabVIEW會自動將編程任務分配至多個線程(多個線程也可以被指定在不同的核上運行)，我們可以將儀器I/O和文件I/O分成兩個獨立的循環運行，如圖6所示的這種生產者一消費者的編程架構。上面的循環(生產者)從高速的數字化儀中采集數據，并將其傳遞至一個隊列結構(一個LabVIEW FIFO)。下面的循環(消費者)從隊列結構中讀取數據并將其寫入到磁盤。這樣的生產者一消費者架構為數據流盤應用實現了最佳的性能，因為在消費者循環將數據寫入到磁盤的同時，生產者循環可以不間斷的采集數據。

結語

結合上述實際案例的分析，憑借這些技術優勢，PXI/PXI Express平臺能夠為諸如RF/IF信號采集，數字視頻測試以及混合信號ASIC特性描述等新興的應用提供高性價比的解決方案。憑借PXI Express上GHz的高帶寬，更能為高速的測量領域帶來全新的理念和實現方法，幫助用戶構建高效、低成本的自動化測試系統。