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概論 無線市場就像是我們的一個新生的領域。新的射頻(RF)技術的爆炸性增長為解決老問題創造了新機會。靈活的高分辨率波形生成，數字化以及分析子系統能夠利用射頻信號配合下變頻, 并且調整多個關心點也是必需的。在并發，實時和多通道解調這些領域必須使用各種各樣的策略。通常，這種設備必須便于攜帶和在操作惡劣環境條件下使用，因此給包裝，能耗和管理提出了巨大的挑戰。 現有解決方案采用陣列的專用數字信號處理器(DSP)與一個RF數字化轉換器協同工作提供需要實施下變頻和解調功能的計算帶寬。雖然有效，但是這種方法是復雜和昂貴的，因為多處理器編程需要復雜的流程管理和負載平衡，同時還要避免競爭條件和數據瓶頸。 兼顧行業標準，現有的COM Express PC架構以及結合采用基于PCI Express XMC模塊的開發工具的高度模塊化的設備, 創造了經濟、可定制的射頻處理模塊化的解決辦法。 方法 主流DSP器件的性能停滯不前，這種設備系統時鐘目前僅限于1GHz或更少，在100兆赫主頻與64位外部總線的條件下，帶寬限制在大約800MB/s的吞吐量。相比之下，英特爾和AMD繼續發展x86架構，增加指令集的優化，增強緩存，浮點協處理和片上多內核逐步增加。四核心處理器3 GHz主頻的處理內核和5Gb/s的外部總線帶寬是無處不在。此外，卓越的英特爾高性能多媒體函數庫支持本地信號處理的x86處理器快于現有的DSP器件一個數量級，并且更方便和更準確地提供80位浮點能力。但是，臺式機或工業PC不符合許多嵌入式應用的便攜性，包裝要求和環境要求。 幸運的是，由于PC作為一個開發和處理工具的巨大影響，市場已經提供了一些小尺寸的PC標準，非常適合建立嵌入式，便攜式儀表，如COM-Express架構。在滿足各種用戶的最大可靠性，可擴展性，便攜性和計算性能要求這方面COM-Express架構已成為事實上的標準。 一些有信譽的電子產品制造商，如德國控創，Radisys，DTI和Advantech提供了COM-Express模塊的產品。價格范圍大約從每塊400美元到2000美元。定價主要取決于計算能力和所需要的溫度，震動和環境功能要求。 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用需求的載板上。 Innovative Integration已經開發了一個特殊的載板以滿足嚴格要求的嵌入式射頻處理市場。打包到該公司新嵌入式儀器中的產品有：一個COM-Express模塊， I / O擴展模塊和一系列的集成外設相結合，創造一個可嵌入到OEM設備中的小型堅固耐用PC機，可以制造一個智能，自我管理儀器，伺服控制或RF處理節點。 通常在電腦上任何的標準外設，包括以太網通信，磁盤驅動器， USB和SATA接口，基于嵌入式儀器系統都可以使用。鍵盤和視頻端口可以輔助現場診斷。例如，我們可以實現一個嵌入式儀器安裝在位于外國的遠程站點，可通過互聯網使用遠程桌面或VNC的的技術支持在公司辦事處工作人員提供交互式支持或軟件升級。 雖然，COM Express PC的成本和計算優勢與傳統芯片級DSP解決方案相比是巨大的， COM-Express架構效益的一個重要方面是能夠利用現有的良好的可用于個人電腦開發和調試工具。而鑒于德州儀器或ADI公司是他們DSP器件編譯器和調試工具的唯一來源，個人電腦市場上成千上萬的供應商提供先進的成熟的X86電腦開發工具，具有優異的性能和低成本。此外，傳統的臺式機可用作主機，這些工具進一步加快和簡化了COM-Express的產品開發的過程。 雖然擁有強大的計算能力，但是一個COM-Express電腦沒有對數據采集和分析的射頻模擬信號提供直接支持。此外，多核心x86處理器現在已經廣泛采用，在可預見的未來，將沒有足夠的帶寬來實時處理射頻信號。因此，需要某種形式的輸入/輸出和處理擴展。 正如的COM-Express將電腦重新包裝成一個帶有中間層擴展卡的形式， 輸入/輸出卡也可做成適合應用在嵌入式儀器中的一種小而堅固耐用的外形。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)進行總線通信，采用臺式電腦相同的標準，但打包成一個小而堅固耐用的形式。 繼承了PCI總線的PCI Express是經批準的PC行業替代PCI 輸入/輸出擴展的標準。 PCIe特點是與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質量和P2P (點對點）數據流的能力，使其成為實時應用最佳選擇。 該嵌入式儀器的COM Express電腦完成初始化、監督控制、用戶接口以及在射頻處理應用中高性能計算的職責。基于PCI Express的PMC模塊提供輸入/輸出和數字信號處理擴展，所示框圖如下。 用戶界面的設備，如鍵盤，鼠標和顯示器可能做成診斷端口或全部省略。另外，訪問流行的嵌入式用戶接口控制器件，如按鈕，圖形OLED(有機發光顯示器Organic Light Emitting Display)顯示器等是常見的嵌入式儀器可以提供的功能。同樣，USB和硬盤接口在初步設計中是隱藏的或省略的, 或作為可選設備，只有在設計系統中才提供。 嵌入式儀器的電腦運行的是標準Windows或Linux及其變種，如XP或openSUSE 10.2,充分利用現有的PMC模塊驅動。這些電腦都提供了用于高性能開發的信號處理的C++庫，這些基于最佳化英特爾高性能多媒體函數庫的C++庫在一個標準x86平臺上提供世界一流的DSP功能和性能。 兩個PCI Express XMC模塊端口所提供輸入輸出擴展。一個通常用于PMC模塊的實現RF前端的模擬輸入和輸出和基于FPGA的數字信號處理能力。第二個端口是沒有確定用途可用于未來的擴展。許多的PCIe的兼容PMC模塊兼容這個端口可以提供額外的功能，如光通道的以太網通信，輔助語音或超聲波波段模擬通道或額外的FPGA資源。 每個嵌入式儀器端口有必需支持持續的高速數據傳輸的四個或八個2.5Gbps的PCI Express的I/O lanes。即使在非實時操作系統上，如Windows XP或Linux(Suse 10.2)，持續主機-模塊傳輸1Gb/s的流量也是很容易實現的。此外，這兩個端口提供8個專用通信lane，允許在兩個模塊之間執行的算法共享的大容量數據。即使占用效率低下，持續的端口之間的數據傳輸速率1.2Gb/s已經實現。 PCI Express總線提供了極好COM EXPRESS CPU和PMC模塊之間高帶寬的連接性。如果采用1Gb/s的持續吞吐量，接口有足夠的帶寬，為低帶寬、下變換基帶數據增加了大量額外預留帶寬，以便在未來的應用中增加捕捉或記錄原始中頻數據成為很容易的事。 PCIe還支持快速的隨機、異步輸入/輸出訪問XMC模塊外設寄存器，以完成濾波器系數上傳， DDC的渠道調整，以及調整通常在軟件無線電應用中需要的任何其他行動的操作。通常，使用現代的COM - Express模塊完成將在1微秒內單個的從模式訪問。 新的X5模塊產品系列采用了最強大的Xilinx Virtex5 FPGA; 各種射頻速度、高分辨率的模擬輸入/輸出設備和行業標準的PMC / XMC模塊包裝。這些產品結合了4個通道的高分辨率模擬輸入/輸出加上基于FPGA的信號處理核心，能夠實時執行信號數字化、數據緩沖和射頻處理應用所需的信號處理。 這些XMC模塊按照VITA 20規格說明實行導冷卻。此外，標準邏輯中還包括提供連續溫度監控。溫度超過編程警告門限時, 溫度軟件可能會收到警告消息，如果溫度超過了設計故障門限溫度, 邏輯配置為自動關閉。這種先進的熱管理機制保證了在現實世界中產品在特定區域內的可靠性。 FPGA的定制固件，可使用標準的IP內核建立，并在MATLAB下充分模擬，這有利于提高嵌入式應用產品性能和縮短上市時間。建立供應商提供的邏輯框架基礎上Virtex 5的FPGA定制固件提供了板上模擬設備、DDR和QDR內存池和PCI Express總線接口。固件、基于PC的軟件工具和C + +庫一起為主機應用程序與PMC集成提供完整的軟件開發系統。Framework Logic和Malibu軟件庫數據手冊可以從http://www.innovative-dsp.com/products/software.htm找到。 為了提供最佳的AC性能，高速模擬輸入電路，射頻驅動力必須使用一個穩定，低抖動的采樣時鐘。內建時鐘電路是一個從公司現有ClockGen PMC模塊衍生的出來的， 在6.25至270 MHz的時鐘范圍內抖動小于1 ps，有長期熱穩定性，并且集成的時鐘驅動器能夠同時源于每一個XMC端口上的50歐姆負載和通過外部時鐘連接器連接的外部設備。 在某些應用中，要求全球定位系統的電路提供的世界時間同步模塊采樣時鐘。為了適應這些要求， 嵌入式儀器載板集成了一個GPS接收器和采樣時鐘時基電路。嵌入到FPGA的載板控制邏輯的伺服鎖鎖定時間上的一點(1PPS）輸出全球定位系統接收器所產生的事件，確保位于世界各地不同的地點嵌入式儀器電腦在1微妙之內開始采集和采樣同步。 嵌入式信號處理 X5的PMC模塊的設計，支持射頻信號處理應用最少的外部電路，并沒有修改X5的PCIe總線接口或后端基礎設施。例如，右面的圖表顯示了X5的- 2.1功能方框圖。 X5–210M模塊的顯著特點是其高性能的模擬前端。它包含：4通道210 MSPS、14位A / D、建立在Xilinx Virtex5 Pro FPGA和專業內存基礎上的高性能的處理核心、采樣率時鐘和同步、以及一個用于系統集成的高性能的數據包協議棧的PCI Express接口。 如同所有的X5模塊，210M可編程FPGA的特性是可以使用HDL或MATLAB的加Xilinx core Generator編程。通常，修改FPGA可以實施獨立的下變頻信道、過濾器、 FFTs和為了形成基準射頻調諧功能基礎必須在FPGA內中頻頻率上完成的其他許多行動。該嵌入式儀器的COM-Express電腦進行初始化，監督控制，用戶接口以及在射頻處理應用中高性能計算任務。 在MATLAB的X5-210M板支持包允許信號處理利用MATLAB/simulink進行開發。Simulink是用來模擬信號處理的位真，真實周期的設計，然后可以在有硬件的回路中直接測試硬件。這使得信號處理可以使用Xilinx經過驗證IP內核在較高的水平上進行開發，并在MATLAB環境中進行測試。 該技術通過從強大MATLAB/simulink的環境中，高效和徹底核查信號處理過程來降低風險，縮短開發時間。然后，從MATLAB來的信號處理邏輯核心被集成到FrameWorks LogicHDL的最后邏輯設計中。 模塊中提供FrameWorks Logic包提供了硬件接口和支持功能，如A / D轉換接口，內存控制器，主機數據接口和控制。象A / D轉換接口、觸發多隊列數據緩沖、DDC控制和PCI總線控制器接口等標準的邏輯功能作為組件被提供。它必須使用Simulink或Xilinx ISE中的定制邏輯塊加以擴展，形成最后用戶應用固件的基礎。 通常情況下，依據所希望的、特定應用的信號處理功能可以由提供模塊的制造商或專門從事知識產權產品或射頻引擎工程公司開發。這樣的固件可以執行自定義的數字下變頻、優化、高分辨率的FFT處理塊，并能在持續速率超過100 MHz情況下操作或者完成應用程序指定的其他功能。本文發表在一個開發過程中的技術轉移到客戶端的工程人員的培訓會議上。這是最經濟的和時間效益綜合平衡的發展進程。采用了這個基礎設備，工程小組“立即進入角色” ，不需要修改退出代碼就可以滿足特定應用的要求。 總結 新的超小型個人電腦允許使用的COTS硬件建立一個新的嵌入式儀器來降低系統成本和提高可用性。COM-Express處理器模塊可以為當前和未來的產品提供可擴展性的主機處理能力。利用先進的PCI Express PMC模塊，集成高性能的基于FPGA的計算引擎，并可動態加載定制固件，以滿足不斷變化的RF處理市場的需求。 |
