PXI Express：支持高性能混合信号测试平台

编辑笔记：PXI Express仪器采用PCIe总线技术，为PXI平台新添了许多技术优势。该总线至多个仪器系统的数据吞吐量可以高达2 GB/s，从而可用于那些曾经只能通过定制硬件才可能实现的应用。

PXI Express的技术优势

由于PXI标准采用了PCIe技术，PXI自动化测试系统提供了前所未有的高性能。在有些情况下，PXI仪器现在可以执行一些迄今一直无法完成的测量。

        PXI Express是由PXI扩展所得。新型PXI Express机箱提供了支持PXI与PXI Express模块协同工作于同一系统的混合兼容的插槽。所以，针对自动测试应用领域，PXI与PXI Express系统均具有如下三大技术优势：

• 灵活的、软件定义的仪器系统
• 模块化仪器的集成
• 高数据吞吐量

利用软件定义方式实现仪器系统的灵活性，您可以为各种测量应用重新配置测试系统。对于针对某台设备需要进行多种协议的标准测量的RF/通信设备制造测试，这种灵活的测试方案显得尤为适用。

其次，通过将模块化仪器集成到同一个系统，您可以从超过1500种现有PXI仪器中选择合适的仪器。这些仪器包括测试与测量行业中最高性能的仪器：

• 18-位分辨率的高精度多功能数据采集卡
• 24位分辨率、500 kS/s采样率数字化仪
• 具有pA级精度和1000 V量程的快速7位半数字万用表
• 高密度开关阵列，在单个3U插槽中具有512个交叉点
• 高达6.6 GHz的RF信号分析与发生仪
• 高密度通道计数与同步，高达5000个动态通道

通过在同一系统中使用多种PXI模块化仪器，您可以通过单个测试系统测试多种混合信号设备。一个常见应用便是使用PXI系统实现混合信号半导体ASIC的表征。

最后，PXI与PXI Express仪器均具有一条能实现从仪器到主机PC的高性能信息传输的数据总线。PXI仪器能够为总线上的所有设备提供高达132 MB/s的共享带宽。PXI Express仪器通过PCIe总线甚至能够达到更高的吞吐量。PCIe总线是一个点对点的高速串行总线，其每插槽带宽可以从250 MB/s扩展至2 GB/s。例如，一个x4（“乘4”） PXI Express插槽为该插槽中的设备提供高达1 GB/s专用带宽。此外，系统的总吞吐量随着您添加更多仪器至系统中相应增加。

图1. PCIe的吞吐量随所使用仪器的数目扩展

您可以利用PXI Express仪器的高数据吞吐量的特性，创建若干项新型应用。凭借总线的高吞吐量，您可以在高速数据流导入磁盘或数据流导出磁盘配置应用中，协同使用PXI Express仪器与PXI Express RAID硬盘驱动器。两个特殊的应用——信号情报与数字视频测试——的实现便是得益于这一功能。

软件定义的测量：RF与通信测试

利用虚拟仪器系统的方式，PCI或PCIe被用作从仪器到PC的数据总线。您可以结合定制算法或常见测量值（如上升时间或THD（总谐波失真）），对数据进行分析。利用软件定义测量，您可以重新配置仪器以执行各种任务。

一个需要使用软件定义测量的应用领域便是RF与通信制造测试。由于现在的无线设备使用多种通信协议，如802.11g、GSM、GPS和蓝牙等，无线设备测试的挑战性和测试成本均日趋上升。以往，您需要多台仪器以表征不同通信标准下的设备性能。糟糕的是，使用多台独立仪器的成本会非常之高。如今，使用这种软件定义的RF测试方案，可以使用相同的硬件设备、通过重新配置软件从而实现对多种通信协议的测试。因而，您可以用同一台仪器与不同的软件结合使用，实现不同的测试功能。一个面向无线标准测试的仪器复用的常见范例，便是蜂窝电话制造测试，如图2所示。

图2.涉及多个标准的蜂窝通信制造测试

如图所示，单个PXI失量信号分析仪捕获对应不同通信标准的各种频率的RF信号。由于通信协议堆栈用软件实现，您可以将同一台仪器复用于每一个通信标准。因而，软件定义的测量方式缩减了测试成本与空间占用。

多仪器集成：混合信号ASIC的表征

对于混合信号测试，PXI的另一个技术优势便是，它提供了在同一个系统中紧密集成多个仪器的能力。这一能力提供了仪器间的精确同步和模拟与数字数据间的相关，并减少了仪器所占用的空间。这种实现仪器系统的混合信号方式使得多种测试应用获益匪浅。范例之一便是多通道混合信号专用集成电路ASIC，如数模转换器。

现代ASIC要求混合信号输入和输出以及各种信号需求。以往，这些设备的自动化测试需要多个台式仪器，这需要耗费相当的成本和物理空间。今天，PXI仪器系统提供了一种单平台解决方案，通过该方案，您可以在单个测试中集成多台仪器。

例如，考虑表征一个4-通道、12-位、100 MHz数模转换器所需的测试仪器。该ASIC需要超过48个同步数字I/O的通道、4个精确模拟输入通道和一个可编程的DC电源。利用PXI仪器系统，您可以通过在同一个系统中集成多个PXI仪器解决这一测试挑战。如图3所示，您可以实现多个数字I/O模块的同步，以确保48个通道满足通道间偏移小于1 ns。此外，一个PXI高速数字化仪在100 MS/s采样率时能提供14-位的精度。对于该测试系统，您仅需要一个数字化仪，以及一个低插入损耗的RF开关。最后，您可以使用一个PXI可编程电源供应，以提供从0V到6V的、120µV间隔变化的电压。图3表示了一个多通道DAC的参考架构。

图3.4-通道DAC表征的参考架构

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利用PXI模块化仪器系统，您可以将一个混合信号测试平台集成至单个测试系统中。图4表示了测试一个4-通道DAC所需的系统。

图4。混合信号PXI仪器系统

利用仪器系统的模块化实现方式，您可以通过重新配置该系统或对其扩展以满足未来的测试需求。此外，通过与NI LabVIEW编程环境的连接，您可以实现如THD、SFDR和SINAD等量的测量。在该系统中，您可以通过观察其在电源、电流等各种因素下的性能，得到被测设备的全面表征。

Applications高数据吞吐量：数据流导入磁盘应用

        PXI Express仪器系统的最大技术优势在于PCIe总线的高数据吞吐量。这一优势不仅缩短了常见自动化测试应用的测试时间，也使得使用现有商用硬件无法实现的新型应用得以实现。范例之一便是数据流导入磁盘，如信号情报和数字视频测试等。

传统的台式仪器，如任意波形发生器、逻辑分析仪和示波器等，使用板上有限的存储器作为存储波形数据的临时缓存。板上存储器昂贵而且可用空间有限。然后，这些仪器系统可以通过GPIB、LAN或USB接口将波形输入至PC或自PC输出波形。糟糕的是，这样的数据吞吐量仅仅是数兆字节每秒。对于数据流导入磁盘或数据流导入内存等应用，需要高得多的吞吐量。PXI Express凭借其高吞吐量和低总线时延，提供了一个引人瞩目的解决方案。

幸运的是，您可以使用NI LabVIEW的多线程编程模型，方便地优化数据流导入磁盘应用。由于LabVIEW动态地分配编程任务至多个线程，您可以通过将仪器I/O和文件I/O分解成两个独立的while循环，实现更高的吞吐量。推荐使用的编程方式为生产者-消费者循环结构，如图5所示。

图5。带有队列结构的生产者-消费者循环结构

在上例中，上面的循环（生产者）从一个高速数字化仪中采集数据，并将其传递至一个队列结构（一个LabVIEW FIFO队列）。您可以使用该队列结构，以实现LabVIEW中的多个while循环间的数据传递。下面的循环（消费者）自队列结构中读取数据并将其写入到磁盘。该生产者-消费者循环结构为数据流导入磁盘应用提供了最佳的性能，因为在消费者循环将数据写入到磁盘的同时，生产者循环可以继续采集数据。

标定数据流导入磁盘应用

得益于PXI Express仪器系统吞吐量的提高，您可以在数据流导入磁盘应用中实现更高的采样率和更多的通道数。为了标定数据流导入磁盘应用的准确吞吐量，使用如下等式：

吞吐量=采样率x字节/样本x通道数

例如，考虑一个数据流导入磁盘应用场景：NI PXIe-5122高速数字化仪的两个通道以100 MS/s的最大采样率进行采样。注意，NI PXIe-5122是一个14-位的数字化仪。因而，每个采样值需要2字节存储空间或磁盘空间。NI PXIe-5122的最大吞吐量如下所示：

吞吐量=100 MS/s x 2字节/采样 x 2通道=400 MB/s

为了精确表征一个真实系统的性能，使用一个PXI Express双核嵌入式控制器，以及一个速率为650 MB/s的PXI Express x4 RAID-0硬盘驱动器。对于该测试，所用的采集大小为40 GB。在如下所示的测试结果中，使用了多个具有256 MB板载存储的NI PXIe-5122数字化仪。表一根据所需通道的数目，描述了数据流导入磁盘应用的最大采样率。

表1.NI PXIe-5122高速数字化仪的数据流导入磁盘的标定速率

作为数据流导入磁盘应用的另一种方案，您也可以将来自一个高速数字化仪的数据以数据流的形式导入您的PXI控制器的板载内存中。这一方法不要求一个RAID硬盘驱动器配置，而且吞吐量也不受硬盘驱动器的磁盘写入速度限制。实际上，吞吐量受到PCIe总线带宽的限制，而采集数据大小则受限于可用PC存储器的空间大小。在一个典型的数据流导入磁盘应用中，PC存储器只是作为数据的临时缓存。由于一个典型的嵌入式控制器能够支持40 MB/s的磁盘写入速度，所以您可以将数据存储在存储器中直至您将其写入磁盘。

在下列数据流导入存储器场景的标定中，使用了一个具有2 GB板载存储空间的PXI Express双核控制器。对于每通道100M采样点数的采集大小，该测试需要高达1.2 GB的PC存储器以支持六个通道。这里，再次使用了多个具有256 MB板载存储空间的NI PXIe-5122数字化仪，以获取最佳结果。其结果如表2所示。

表2。NI PXIe-5122高速数字化仪的最大数据流导入存储器速率

数据流导入磁盘和数据流导入内存应用之所以能够在PXI中达到如此之高的吞吐量，其原因之一便是采用了一个高带宽、低时延的数据总线——PCIe。如果您将该总线与其它标准数据总线相比较，您将发现该总线提供了最高的吞吐量和最低的数据时延。

图6.常见仪器总线的带宽与时延比较

这种将数据以数据流的形式导入磁盘的能力使得许多应用获益匪浅。在此，我们将详细讨论两个常见应用：1）信号情报/频谱监测和2）数字视频测试。

信号情报：中频数据流导入磁盘

现代军事侦察、卫星通信和频谱监测应用，需要长时间地将大量数据以数据流的形式导入硬盘的能力。以往，这些应用只能借助构建和维护都十分昂贵的、定制的硬件来实现。然而，您现在可以利用商业现成可用（COTS）的PXI和PXI Express仪器系统，开发面向信号情报的波形数据流导入磁盘应用。

图7。通信系统测试中的数据流导入磁盘的配置

为捕获RF信号，我们使用一个高速数字化仪以采集来自下变频器的中频（IF）信号。该下变频器工作于RF频段，并使用一个或多个混频器将RF信号转换到一个您可以通过高速数模转换器进行捕获的频率范围。利用NI PXIe-5122高速数字化仪的两个采样率为100 MS/s的通道，您可以采集到两个IF信号，每个通道的带宽为50 MHz。基于此，您可以采集总RF带宽为100 MHz的信号。

对于信号情报应用，典型情况下，部分频谱以数据流的方式导入磁盘持续数分钟或甚至数个小时。一旦保存，该数据便可以通过功率谱或时频谱进行后续软件处理。一些实例中，也可以通过任意波形发生器反向生成所捕获的频谱数据，以模拟实际环境。

消费电子产品：数字视频测试

另一项需要长时间采集测试波形的应用便是数字视频测试。DVI标准支持LCD显示器和平板等离子显示器。新的技术需要更高的时钟速率，因此生成和采集移动DVI显示图形甚至需要更长的波形。

对于利用DVI输出精确测试现代机顶盒时，长时间生成或采集数字视频模式的能力变得非常关键。例如，测试当天的机顶盒的图像解压缩和解码算法，需要移动测试模式。由于像素偏移仅在移动图像上发生，您必须每次持续采集数字信号传输达数秒或甚至数分钟，以检测这些位误差。在图8中，您可以观察到像素偏移对数字图像的影响。

图8。传输错误导致像素偏移的发生

借助PXI Express，您可以利用现成可用的RAID硬盘驱动器配置，持续采集DVI图像长达数分钟或者甚至数小时。例如，您可以配置NI PXIe-6537高速数字I/O模块，从而以高达200 MB/s的速率持续数小时（2.5小时 = 1.8 TB）实现数据流导入磁盘。因而，您可以利用现成可用的快速PXI仪器执行准确的数字视频像素偏移测试。

总结

利用PXI平台，您可以实现：

• 灵活的、软件定义的测量
• 模块化仪器的集成
• 高数据吞吐量

凭借这些技术优势，PXI仪器系统使得各种应用获益匪浅，其中包括RF与通信测量、混合信号ASIC表征、信号情报和数字视频测试等。而且，虽然PXI平台业已提供了所有这些技术优势，但是PXI Express通过利用PCIe总线大幅提高吞吐量，显著改进了该平台的性能。因而，您可以创建高精度的自动化测试系统，与以往系统相比，该系统不仅测试时间更短，而且测试能力也更为强大。