滿足RF處理需求的嵌入式儀器設(shè)計(jì)

　　每個(gè)嵌入式儀器端口有必需支持持續(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的流量也是很容易實(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)行的算法共享的大容量數(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模塊之間高帶寬的連接性。如果采用1Gb/s的持續(xù)吞吐量，接口有足夠的帶寬，為低帶寬、下變換基帶數(shù)據(jù)增加了大量額外預(yù)留帶寬，以便在未來(lái)的應(yīng)用中增加捕捉或記錄原始中頻數(shù)據(jù)成為很容易的事。

　　PCIe還支持快速的隨機(jī)、異步輸入/輸出訪問(wèn)XMC模塊外設(shè)寄存器，以完成濾波器系數(shù)上傳， DDC的渠道調(diào)整，以及調(diào)整通常在軟件無(wú)線電應(yīng)用中需要的任何其他行動(dòng)的操作。通常，使用現(xiàn)代的COM - Express模塊完成將在1微秒內(nèi)單個(gè)的從模式訪問(wèn)。

　　新的X5模塊產(chǎn)品系列采用了最強(qiáng)大的Xilinx Virtex5 FPGA; 各種射頻速度、高分辨率的模擬輸入/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)通道的高分辨率模擬輸入/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)據(jù)緩沖和射頻處理應(yīng)用所需的信號(hào)處理。

　　這些XMC模塊按照VITA 20規(guī)格說(shuō)明實(shí)行導(dǎo)冷卻。此外，標(biāo)準(zhǔn)邏輯中還包括提供連續(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，如果溫度超過(guò)了設(shè)計(jì)故障門限溫度, 邏輯配置為自動(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)的可靠性。

　　FPGA的定制固件，可使用標(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)間。建立供應(yīng)商提供的邏輯框架基礎(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)。

　　為了提供最佳的AC性能，高速模擬輸入電路，射頻驅(qū)動(dòng)力必須使用一個(gè)穩(wěn)定，低抖動(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)抖動(dòng)小于1 ps，有長(zhǎng)期熱穩(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)鐘連接器連接的外部設(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)間同步模塊采樣時(shí)鐘。為了適應(yīng)這些要求， 嵌入式儀器載板集成了一個(gè)GPS接收器和采樣時(shí)鐘時(shí)基電路。嵌入到FPGA的載板控制邏輯的伺服鎖鎖定時(shí)間上的一點(diǎn)(1PPS）輸出全球定位系統(tǒng)接收器所產(chǎn)生的事件，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)始采集和采樣同步。

　　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。

　　X5C210M模塊的顯著特點(diǎn)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(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。

　　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X(jué)ilinx core Generator編程。通常，修改FPGA可以實(shí)施獨(dú)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)必須在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電腦進(jìn)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進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Simulink是用來(lái)模擬信號(hào)處理的位真，真實(shí)周期的設(shè)計(jì)，然后可以在有硬件的回路中直接測(cè)試硬件。這使得信號(hào)處理可以使用Xilinx經(jīng)過(guò)驗(yàn)證IP內(nèi)核在較高的水平上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并在MATLAB環(huán)境中進(jìn)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)間。然后，從MATLAB來(lái)的信號(hào)處理邏輯核心被集成到FrameWorks LogicHDL的最后邏輯設(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(kuò)展，形成最后用戶應(yīng)用固件的基礎(chǔ)。

　　通常情況下，依據(jù)所希望的、特定應(yīng)用的信號(hào)處理功能可以由提供模塊的制造商或?qū)ｉT從事知識(shí)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、高分辨率的FFT處理塊，并能在持續(xù)速率超過(guò)100 MHz情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)移到客戶端的工程人員的培訓(xùn)會(huì)議上。這是最經(jīng)濟(jì)的和時(shí)間效益綜合平衡的發(fā)展進(jìn)程。采用了這個(gè)基礎(chǔ)設(shè)備，工程小組“立即進(jìn)入角色” ，不需要修改退出代碼就可以滿足特定應(yīng)用的要求。

　　總結(jié)

　　新的超小型個(gè)人電腦允許使用的COTS硬件建立一個(gè)新的嵌入式儀器來(lái)降低系統(tǒng)成本和提高可用性。COM-Express處理器模塊可以為當(dāng)前和未來(lái)的產(chǎn)品提供可擴(kuò)展性的主機(jī)處理能力。利用先進(jìn)的PCI Express PMC模塊，集成高性能的基于FPGA的計(jì)算引擎，并可動(dòng)態(tài)加載定制固件，以滿足不斷變化的RF處理市場(chǎng)的需求。