滿足RF處理需求的嵌入式儀器設(shè)計(jì)

1、滿足rf處理需求的嵌入式儀器設(shè)計(jì)無(wú)線市場(chǎng)就像是我們的一個(gè)新生的領(lǐng)域。新的(rf)技術(shù)的爆炸性增長(zhǎng)為解決老問(wèn)題制造了新機(jī)會(huì)。靈便的高辨別率波形生成，數(shù)字化以及分析子系統(tǒng)能夠利用射頻信號(hào)協(xié)作下變頻, 并且調(diào)節(jié)多個(gè)關(guān)懷點(diǎn)也是必須的。在并發(fā)，實(shí)時(shí)和多通道解調(diào)這些領(lǐng)域必需用法各式各樣的策略。通常，這種設(shè)備必需便于攜帶和在操作惡劣環(huán)境條件下用法，因此給包裝，能耗和管理提出了巨大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有解決計(jì)劃采納陣列的專用數(shù)字信號(hào)處理器()與一個(gè)rf數(shù)字化轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作提供需要實(shí)施下變頻和解調(diào)功能的計(jì)算帶寬。雖然有效，但是這種辦法是復(fù)雜和昂貴的，由于多處理器編程需要復(fù)雜的流程管理和負(fù)載平衡，同時(shí)還要避開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)條件和數(shù)據(jù)

2、瓶頸。兼顧行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的com express pc架構(gòu)以及結(jié)合采納基于pci express xmc模塊的開(kāi)發(fā)工具的高度模塊化的設(shè)備, 制造了經(jīng)濟(jì)、可定制的射頻處理模塊化的解決方法。辦法主流dsp器件的性能停滯不前，這種設(shè)備系統(tǒng)時(shí)鐘目前僅限于1ghz或更少，在100兆赫主頻與64位外部的條件下，帶寬限制在大約800mb/s的吞吐量。相比之下，英特爾和amd繼續(xù)進(jìn)展x86架構(gòu)，增強(qiáng)命令集的優(yōu)化，增加緩存，浮點(diǎn)協(xié)處理和片上多內(nèi)核逐步增強(qiáng)。四核心處理器3 ghz主頻的處理內(nèi)核和5gb/s的外部總線帶寬是無(wú)處不在。此外，卓越的英特爾高性能多媒體函數(shù)庫(kù)支持本地信號(hào)處理的x86處理器快于現(xiàn)有的dsp器

3、件一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且更便利和更精確地提供80位浮點(diǎn)能力。但是，臺(tái)式機(jī)或工業(yè)pc不符合許多應(yīng)用的便攜性，包裝要求和環(huán)境要求。幸運(yùn)的是，因?yàn)閜c作為一個(gè)開(kāi)發(fā)和處理工具的巨大影響，市場(chǎng)已經(jīng)提供了一些小尺寸的pc標(biāo)準(zhǔn)，十分適合建立嵌入式，便攜式儀表，如com-express架構(gòu)。在滿足各種用戶的最大牢靠性，可擴(kuò)展性，便攜性和計(jì)算性能要求這方面com-express架構(gòu)已成為實(shí)際上的標(biāo)準(zhǔn)。一些有信譽(yù)的產(chǎn)品創(chuàng)造商，如德國(guó)控創(chuàng)，radisys，dti和advantech提供了com-express模塊的產(chǎn)品。價(jià)格范圍大約從每塊400美元到2000美元。定價(jià)主要取決于計(jì)算能力和所需要的溫度，震驚和環(huán)境功能要求。

4、com-express模塊都是中間層模塊，可以安裝到定制以滿足特定的應(yīng)用需求的載板上。innovative integration已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)特別的載板以滿足嚴(yán)格要求的嵌入式射頻處理市場(chǎng)。打包到該公司新嵌入式儀器中的產(chǎn)品有：一個(gè)com-express模塊， i / o擴(kuò)展模塊和一系列的集成外設(shè)相結(jié)合，制造一個(gè)可嵌入到oem設(shè)備中的小型結(jié)實(shí)耐用pc機(jī)，可以創(chuàng)造一個(gè)智能，自我管理儀器，伺服控制或rf處理節(jié)點(diǎn)。通常在電腦上任何的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，包括以太網(wǎng)通信，磁盤驅(qū)動(dòng)器， 和sata接口，基于嵌入式儀器系統(tǒng)都可以用法。鍵盤和視頻端口可以輔助現(xiàn)場(chǎng)診斷。例如，我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式儀器安裝在位于外國(guó)的遠(yuǎn)程站

5、點(diǎn)，可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)用法遠(yuǎn)程桌面或vnc的的技術(shù)支持在公司辦事處工作人員提供交互式支持或軟件升級(jí)。雖然，com express pc的成本和計(jì)算優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)芯片級(jí)dsp解決計(jì)劃相比是巨大的， com-express架構(gòu)效益的一個(gè)重要方面是能夠利用現(xiàn)有的良好的可用于個(gè)人電腦開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具。而鑒于或公司是他們dsp器件編譯器和調(diào)試工具的唯一來(lái)源，個(gè)人電腦市場(chǎng)上成千上萬(wàn)的供給商提供先進(jìn)的成熟的x86電腦開(kāi)發(fā)工具，具有優(yōu)異的性能和低成本。此外，傳統(tǒng)的臺(tái)式機(jī)可用作主機(jī)，這些工具進(jìn)一步加快和簡(jiǎn)化了com-express的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程。雖然擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力，但是一個(gè)com-express電腦沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)采集和分

6、析的射頻模擬信號(hào)提供挺直支持。此外，多核心x86處理器現(xiàn)在已經(jīng)廣泛采納，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，將沒(méi)有足夠的帶寬來(lái)實(shí)時(shí)處理射頻信號(hào)。因此，需要某種形式的輸入/輸出和處理擴(kuò)展。正如的com-express將電腦重新包裝成一個(gè)帶有中間層擴(kuò)展卡的形式， 輸入/輸出卡也可做成適合應(yīng)用在嵌入式儀器中的一種小而結(jié)實(shí)耐用的形狀。這種形式之一被稱為pmc (pci中間層卡） 。 pmc模塊支持pci或支持pcie (pci express)舉行總線通信，采納臺(tái)式電腦相同的標(biāo)準(zhǔn)，但打包成一個(gè)小而結(jié)實(shí)耐用的形式。繼承了pci總線的pci express是經(jīng)批準(zhǔn)的pc行業(yè)替代pci 輸入/輸出擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)。 pcie特點(diǎn)是與

7、pci軟件的兼容性，并且大大提高的吞吐量是pci的64倍。此外，總線特色是保證服務(wù)質(zhì)量和p2p (點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）數(shù)據(jù)流的能力，使其成為實(shí)時(shí)應(yīng)用最佳挑選。該嵌入式儀器的com express電腦完成初始化、監(jiān)督控制、用戶接口以及在射頻處理應(yīng)用中高性能計(jì)算的職責(zé)。基于pci express的pmc模塊提供輸入/輸出和數(shù)字信號(hào)處理擴(kuò)展，所示框圖如下。用戶界面的設(shè)備，如鍵盤，鼠標(biāo)和可能做成診斷端口或所有省略。另外，拜訪流行的嵌入式用戶接口控制器件，如按鈕，圖形o(有機(jī)發(fā)光顯示器organic light emitting display)顯示器等是頻繁的嵌入式儀器可以提供的功能。同樣，usb和硬盤接口在初步

8、設(shè)計(jì)中是躲藏的或省略的, 或作為可選設(shè)備，惟獨(dú)在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中才提供。嵌入式儀器的電腦運(yùn)行的是標(biāo)準(zhǔn)windows或及其變種，如xp或opensuse 10.2,充分利用現(xiàn)有的pmc模塊驅(qū)動(dòng)。這些電腦都提供了用于高性能開(kāi)發(fā)的信號(hào)處理的c+庫(kù)，這些基于最佳化英特爾高性能多媒體函數(shù)庫(kù)的c+庫(kù)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)x86平臺(tái)上提供世界一流的dsp功能和性能。兩個(gè)pci express xmc模塊端口所提供輸入輸出擴(kuò)展。一個(gè)通常用于pmc模塊的實(shí)現(xiàn)rf前端的模擬輸入和輸出和基于的數(shù)字信號(hào)處理能力。其次個(gè)端口是沒(méi)有確定用途可用于將來(lái)的擴(kuò)展。許多的pcie的兼容pmc模塊兼容這個(gè)端口可以提供額外的功能，如光通道的以太網(wǎng)通信

9、，輔助語(yǔ)音或超聲波波段模擬通道或額外的fpga資源。每個(gè)嵌入式儀器端口有必須支持持續(xù)的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃膫€(gè)或八個(gè)2.5gbps的pci express的i/o lanes。即使在非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上，如windows xp或linux(suse 10.2)，持續(xù)主機(jī)-模塊傳輸1gb/s的流量也是很簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的。此外，這兩個(gè)端口提供8個(gè)專用通信lane，允許在兩個(gè)模塊之間執(zhí)行的算法分享的大容量數(shù)據(jù)。即使占用效率低下，持續(xù)的端口之間的數(shù)據(jù)傳輸速率1.2gb/s已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。pci express總線提供了極好com express cpu和pmc模塊之間高帶寬的銜接性。假如采納1gb/s的持續(xù)吞吐量，接口有足

10、夠的帶寬，為低帶寬、下變換基帶數(shù)據(jù)增強(qiáng)了大量額外預(yù)留帶寬，以便在將來(lái)的應(yīng)用中增強(qiáng)捕獲或記錄原始中頻數(shù)據(jù)成為很簡(jiǎn)單的事。pcie還支持迅速的隨機(jī)、異步輸入/輸出使問(wèn)xmc模塊外設(shè)寄存器，以完成系數(shù)上傳， ddc的渠道調(diào)節(jié)，以及調(diào)節(jié)通常在軟件應(yīng)用中需要的任何其他行動(dòng)的操作。通常，用法現(xiàn)代的com - express模塊完成將在1微秒內(nèi)單個(gè)的從模式拜訪。新的x5模塊產(chǎn)品系列采納了最強(qiáng)大的 virtex5 fpga; 各種射頻速度、高辨別率的模擬輸入/輸出設(shè)備和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的pmc / xmc模塊包裝。這些產(chǎn)品結(jié)合了4個(gè)通道的高辨別率模擬輸入/輸出加上基于fpga的信號(hào)處理核心，能夠?qū)崟r(shí)執(zhí)行信號(hào)數(shù)字化、數(shù)

11、據(jù)緩沖和射頻處理應(yīng)用所需的信號(hào)處理。這些xmc模塊根據(jù)vita 20規(guī)格解釋采取導(dǎo)冷卻。此外，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)律中還包括提供延續(xù)溫度監(jiān)控。溫度超過(guò)編程警告門限時(shí), 溫度軟件可能會(huì)收到警告消息，假如溫度超過(guò)了設(shè)計(jì)故障門限溫度, 規(guī)律配置為自動(dòng)關(guān)閉。這種先進(jìn)的熱管理機(jī)制保證了在現(xiàn)實(shí)世界中產(chǎn)品在特定區(qū)域內(nèi)的牢靠性。fpga的定制固件，可用法標(biāo)準(zhǔn)的ip內(nèi)核建立，并在matlab下充分模擬，這有利于提高嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品性能和縮短上市時(shí)光。建立供給商提供的規(guī)律框架基礎(chǔ)上virtex 5的fpga定制固件提供了板上模擬設(shè)備、ddr和qdr內(nèi)存池和pci express總線接口。固件、基于pc的軟件工具和c + +庫(kù)一起

12、為主機(jī)應(yīng)用程序與pmc集成提供完整的軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。framework logic和malibu軟件庫(kù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可以從找到。為了提供最佳的ac性能，高速模擬輸入，射頻驅(qū)動(dòng)力必需用法一個(gè)穩(wěn)定，低顫動(dòng)的采樣時(shí)鐘。內(nèi)建時(shí)鐘電路是一個(gè)從公司現(xiàn)有clockgen pmc模塊衍生的出來(lái)的， 在6.25至270 mhz的時(shí)鐘范圍內(nèi)顫動(dòng)小于1 ps，有長(zhǎng)久熱穩(wěn)定性，并且集成的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器能夠同時(shí)源于每一個(gè)xmc端口上的50歐姆負(fù)載和通過(guò)外部時(shí)鐘銜接的外部設(shè)備。在某些應(yīng)用中，要求全球定位系統(tǒng)的電路提供的世界時(shí)光同步模塊采樣時(shí)鐘。為了適應(yīng)這些要求， 嵌入式儀器載板集成了一個(gè)接收器和采樣時(shí)鐘時(shí)基電路。嵌入到fpga的載板

13、控制規(guī)律的伺服鎖鎖定時(shí)光上的一點(diǎn)(1pps）輸出全球定位系統(tǒng)接收器所產(chǎn)生的大事，確保位于世界各地不同的地點(diǎn)嵌入式儀器電腦在1微妙之內(nèi)開(kāi)頭采集和采樣同步。嵌入式信號(hào)處理x5的pmc模塊的設(shè)計(jì)，支持射頻信號(hào)處理應(yīng)用最少的外部電路，并沒(méi)有修改x5的pcie總線接口或后端基礎(chǔ)設(shè)施。例如，右面的圖表顯示了x5的- 2.1功能方框圖。x5210m模塊的顯著特點(diǎn)是其高性能的。它包含：4通道210 msps、14位a / d、建立在xilinx virtex5 pro fpga和專業(yè)內(nèi)存基礎(chǔ)上的高性能的處理核心、采樣率時(shí)鐘和同步、以及一個(gè)用于系統(tǒng)集成的高性能的數(shù)據(jù)包協(xié)議棧的pci express接口。猶如全部

14、的x5模塊，210m可編程fpga的特性是可以用法hdl或matlab的加xilinx core generator編程。通常，修改fpga可以實(shí)施自立的下變頻信道、過(guò)濾器、 ffts和為了形成基準(zhǔn)射頻調(diào)諧功能基礎(chǔ)必需在fpga內(nèi)中頻頻率上完成的其他許多行動(dòng)。該嵌入式儀器的com-express電腦舉行初始化，監(jiān)督控制，用戶接口以及在射頻處理應(yīng)用中高性能計(jì)算任務(wù)。在matlab的x5-210m板支持包允許信號(hào)處理利用matlab/simulink舉行開(kāi)發(fā)。simulink是用來(lái)模擬信號(hào)處理的位真，真切周期的設(shè)計(jì)，然后可以在有硬件的回路中挺直測(cè)試硬件。這使得信號(hào)處理可以用法xilinx經(jīng)過(guò)驗(yàn)證i

15、p內(nèi)核在較高的水平上舉行開(kāi)發(fā)，并在matlab環(huán)境中舉行測(cè)試。該技術(shù)通過(guò)從強(qiáng)大matlab/simulink的環(huán)境中，高效和徹底核查信號(hào)處理過(guò)程來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)光。然后，從matlab來(lái)的信號(hào)處理規(guī)律核心被集成到frameworks logichdl的最后規(guī)律設(shè)計(jì)中。模塊中提供frameworks logic包提供了硬件接口和支持功能，如a / d轉(zhuǎn)換接口，內(nèi)存控制器，主機(jī)數(shù)據(jù)接口和控制。象a / d轉(zhuǎn)換接口、觸發(fā)多隊(duì)列數(shù)據(jù)緩沖、ddc控制和pci總線控制器接口等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)律功能作為組件被提供。它必需用法simulink或xilinx ise中的定制規(guī)律塊加以擴(kuò)展，形成最后用戶應(yīng)用固件的基礎(chǔ)。通常狀況下，依據(jù)所希翼的、特定應(yīng)用的信號(hào)處理功能可以由提供模塊的創(chuàng)造商或特地從事學(xué)問(wèn)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品或射頻引擎工程公司開(kāi)發(fā)。這樣的固件可以執(zhí)行自定義的數(shù)字下變頻、優(yōu)化、高辨別率的fft處理塊，并能在持續(xù)速率超過(guò)100 mhz狀況下操作或者完成應(yīng)用程序指定的其他功能。本文發(fā)表在一個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的技術(shù)轉(zhuǎn)移到客戶端的工程