满足RF处理需求的嵌入式仪器设计

概论

      无线市场就像是我们的一个新生的领域。新的射频(RF)技术的爆炸性增长为解决老问题创造了新机会。灵活的高分辨率波形生成，数字化以及分析子系统能够利用射频信号配合下变频, 并且调整多个关心点也是必需的。在并发，实时和多通道解调这些领域必须使用各种各样的策略。通常，这种设备必须便于携带和在操作恶劣环境条件下使用，因此给包装，能耗和管理提出了巨大的挑战。

      现有解决方案采用阵列的专用数字信号处理器(DSP)与一个RF数字化转换器协同工作提供需要实施下变频和解调功能的计算带宽。虽然有效，但是这种方法是复杂和昂贵的，因为多处理器编程需要复杂的流程管理和负载平衡，同时还要避免竞争条件和数据瓶颈。

      兼顾行业标准，现有的COM Express PC架构以及结合采用基于PCI Express XMC模块的开发工具的高度模块化的设备, 创造了经济、可定制的射频处理模块化的解决办法。

方法

      主流DSP器件的性能停滞不前，这种设备系统时钟目前仅限于1GHz或更少，在100兆赫主频与64位外部总线的条件下，带宽限制在大约800MB/s的吞吐量。相比之下，英特尔和AMD继续发展x86架构，增加指令集的优化，增强缓存，浮点协处理和片上多内核逐步增加。四核心处理器3 GHz主频的处理内核和5Gb/s的外部总线带宽是无处不在。此外，卓越的英特尔高性能多媒体函数库支持本地信号处理的x86处理器快于现有的DSP器件一个数量级，并且更方便和更准确地提供80位浮点能力。但是，台式机或工业PC不符合许多嵌入式应用的便携性，包装要求和环境要求。

      幸运的是，由于PC作为一个开发和处理工具的巨大影响，市场已经提供了一些小尺寸的PC标准，非常适合建立嵌入式，便携式仪表，如COM-Express架构。在满足各种用户的最大可靠性，可扩展性，便携性和计算性能要求这方面COM-Express架构已成为事实上的标准。

      一些有信誉的电子产品制造商，如德国控创，Radisys，DTI和Advantech提供了COM-Express模块的产品。价格范围大约从每块400美元到2000美元。定价主要取决于计算能力和所需要的温度，震动和环境功能要求。

      COM-Express模块都是中间层模块，可以安装到定制以满足特定的应用需求的载板上。

      Innovative Integration已经开发了一个特殊的载板以满足严格要求的嵌入式射频处理市场。打包到该公司新嵌入式仪器中的产品有：一个COM-Express模块， I / O扩展模块和一系列的集成外设相结合，创造一个可嵌入到OEM设备中的小型坚固耐用PC机，可以制造一个智能，自我管理仪器，伺服控制或RF处理节点。

      通常在电脑上任何的标准外设，包括以太网通信，磁盘驱动器， USB和SATA接口，基于嵌入式仪器系统都可以使用。键盘和视频端口可以辅助现场诊断。例如，我们可以实现一个嵌入式仪器安装在位于外国的远程站点，可通过互联网使用远程桌面或VNC的的技术支持在公司办事处工作人员提供交互式支持或软件升级。

      虽然，COM Express PC的成本和计算优势与传统芯片级DSP解决方案相比是巨大的， COM-Express架构效益的一个重要方面是能够利用现有的良好的可用于个人电脑开发和调试工具。而鉴于德州仪器或ADI公司是他们DSP器件编译器和调试工具的唯一来源，个人电脑市场上成千上万的供应商提供先进的成熟的X86电脑开发工具，具有优异的性能和低成本。此外，传统的台式机可用作主机，这些工具进一步加快和简化了COM-Express的产品开发的过程。

      虽然拥有强大的计算能力，但是一个COM-Express电脑没有对数据采集和分析的射频模拟信号提供直接支持。此外，多核心x86处理器现在已经广泛采用，在可预见的未来，将没有足够的带宽来实时处理射频信号。因此，需要某种形式的输入/输出和处理扩展。

      正如的COM-Express将电脑重新包装成一个带有中间层扩展卡的形式， 输入/输出卡也可做成适合应用在嵌入式仪器中的一种小而坚固耐用的外形。这种形式之一被称为PMC (PCI中间层卡） 。 PMC模块支持PCI或支持PCIe (PCI Express)进行总线通信，采用台式电脑相同的标准，但打包成一个小而坚固耐用的形式。

      继承了PCI总线的PCI Express是经批准的PC行业替代PCI 输入/输出扩展的标准。 PCIe特点是与PCI软件的兼容性，并且大大提高的吞吐量是PCI的64倍。此外，总线特色是保证服务质量和P2P (点对点）数据流的能力，使其成为实时应用最佳选择。

      该嵌入式仪器的COM Express电脑完成初始化、监督控制、用户接口以及在射频处理应用中高性能计算的职责。基于PCI Express的PMC模块提供输入/输出和数字信号处理扩展，所示框图如下。

      用户界面的设备，如键盘，鼠标和显示器可能做成诊断端口或全部省略。另外，访问流行的嵌入式用户接口控制器件，如按钮，图形OLED(有机发光显示器Organic Light Emitting Display)显示器等是常见的嵌入式仪器可以提供的功能。同样，USB和硬盘接口在初步设计中是隐藏的或省略的, 或作为可选设备，只有在设计系统中才提供。[page]

      嵌入式仪器的电脑运行的是标准Windows或Linux及其变种，如XP或openSUSE 10.2,充分利用现有的PMC模块驱动。这些电脑都提供了用于高性能开发的信号处理的C++库，这些基于最佳化英特尔高性能多媒体函数库的C++库在一个标准x86平台上提供世界一流的DSP功能和性能。

      两个PCI Express XMC模块端口所提供输入输出扩展。一个通常用于PMC模块的实现RF前端的模拟输入和输出和基于FPGA的数字信号处理能力。第二个端口是没有确定用途可用于未来的扩展。许多的PCIe的兼容PMC模块兼容这个端口可以提供额外的功能，如光通道的以太网通信，辅助语音或超声波波段模拟通道或额外的FPGA资源。

      每个嵌入式仪器端口有必需支持持续的高速数据传输的四个或八个2.5Gbps的PCI Express的I/O lanes。即使在非实时操作系统上，如Windows XP或Linux(Suse 10.2)，持续主机-模块传输1Gb/s的流量也是很容易实现的。此外，这两个端口提供8个专用通信lane，允许在两个模块之间执行的算法共享的大容量数据。即使占用效率低下，持续的端口之间的数据传输速率1.2Gb/s已经实现。

      PCI Express总线提供了极好COM EXPRESS CPU和PMC模块之间高带宽的连接性。如果采用1Gb/s的持续吞吐量，接口有足够的带宽，为低带宽、下变换基带数据增加了大量额外预留带宽，以便在未来的应用中增加捕捉或记录原始中频数据成为很容易的事。

      PCIe还支持快速的随机、异步输入/输出访问XMC模块外设寄存器，以完成滤波器系数上传， DDC的渠道调整，以及调整通常在软件无线电应用中需要的任何其他行动的操作。通常，使用现代的COM - Express模块完成将在1微秒内单个的从模式访问。

      新的X5模块产品系列采用了最强大的Xilinx Virtex5 FPGA; 各种射频速度、高分辨率的模拟输入/输出设备和行业标准的PMC / XMC模块包装。这些产品结合了4个通道的高分辨率模拟输入/输出加上基于FPGA的信号处理核心，能够实时执行信号数字化、数据缓冲和射频处理应用所需的信号处理。

      这些XMC模块按照VITA 20规格说明实行导冷却。此外，标准逻辑中还包括提供连续温度监控。温度超过编程警告门限时, 温度软件可能会收到警告消息，如果温度超过了设计故障门限温度, 逻辑配置为自动关闭。这种先进的热管理机制保证了在现实世界中产品在特定区域内的可靠性。

      FPGA的定制固件，可使用标准的IP内核建立，并在MATLAB下充分模拟，这有利于提高嵌入式应用产品性能和缩短上市时间。建立供应商提供的逻辑框架基础上Virtex 5的FPGA定制固件提供了板上模拟设备、DDR和QDR内存池和PCI Express总线接口。固件、基于PC的软件工具和C + +库一起为主机应用程序与PMC集成提供完整的软件开发系统。Framework Logic和Malibu软件库数据手册可以从http://www.innovative-dsp.com/products/software.htm找到。

      为了提供最佳的AC性能，高速模拟输入电路，射频驱动力必须使用一个稳定，低抖动的采样时钟。内建时钟电路是一个从公司现有ClockGen PMC模块衍生的出来的， 在6.25至270 MHz的时钟范围内抖动小于1 ps，有长期热稳定性，并且集成的时钟驱动器能够同时源于每一个XMC端口上的50欧姆负载和通过外部时钟连接器连接的外部设备。

      在某些应用中，要求全球定位系统的电路提供的世界时间同步模块采样时钟。为了适应这些要求， 嵌入式仪器载板集成了一个GPS接收器和采样时钟时基电路。嵌入到FPGA的载板控制逻辑的伺服锁锁定时间上的一点(1PPS）输出全球定位系统接收器所产生的事件，确保位于世界各地不同的地点嵌入式仪器电脑在1微妙之内开始采集和采样同步。

嵌入式信号处理

      X5的PMC模块的设计，支持射频信号处理应用最少的外部电路，并没有修改X5的PCIe总线接口或后端基础设施。例如，右面的图表显示了X5的- 2.1功能方框图。

      X5–210M模块的显着特点是其高性能的模拟前端。它包含：4通道210 MSPS、14位A / D、建立在Xilinx Virtex5 Pro FPGA和专业内存基础上的高性能的处理核心、采样率时钟和同步、以及一个用于系统集成的高性能的数据包协议栈的PCI Express接口。

      如同所有的X5模块，210M可编程FPGA的特性是可以使用HDL或MATLAB的加Xilinx core Generator编程。通常，修改FPGA可以实施独立的下变频信道、过滤器、 FFTs和为了形成基准射频调谐功能基础必须在FPGA内中频频率上完成的其他许多行动。该嵌入式仪器的COM-Express电脑进行初始化，监督控制，用户接口以及在射频处理应用中高性能计算任务。

      在MATLAB的X5-210M板支持包允许信号处理利用MATLAB/simulink进行开发。Simulink是用来模拟信号处理的位真，真实周期的设计，然后可以在有硬件的回路中直接测试硬件。这使得信号处理可以使用Xilinx经过验证IP内核在较高的水平上进行开发，并在MATLAB环境中进行测试。

      该技术通过从强大MATLAB/simulink的环境中，高效和彻底核查信号处理过程来降低风险，缩短开发时间。然后，从MATLAB来的信号处理逻辑核心被集成到FrameWorks LogicHDL的最后逻辑设计中。

      模块中提供FrameWorks Logic包提供了硬件接口和支持功能，如A / D转换接口，内存控制器，主机数据接口和控制。象A / D转换接口、触发多队列数据缓冲、DDC控制和PCI总线控制器接口等标准的逻辑功能作为组件被提供。它必须使用Simulink或Xilinx ISE中的定制逻辑块加以扩展，形成最后用户应用固件的基础。

      通常情况下，依据所希望的、特定应用的信号处理功能可以由提供模块的制造商或专门从事知识产权产品或射频引擎工程公司开发。这样的固件可以执行自定义的数字下变频、优化、高分辨率的FFT处理块，并能在持续速率超过100 MHz情况下操作或者完成应用程序指定的其他功能。本文发表在一个开发过程中的技术转移到客户端的工程人员的培训会议上。这是最经济的和时间效益综合平衡的发展进程。采用了这个基础设备，工程小组“立即进入角色” ，不需要修改退出代码就可以满足特定应用的要求。

总结

      新的超小型个人电脑允许使用的COTS硬件建立一个新的嵌入式仪器来降低系统成本和提高可用性。COM-Express处理器模块可以为当前和未来的产品提供可扩展性的主机处理能力。利用先进的PCI Express PMC模块，集成高性能的基于FPGA的计算引擎，并可动态加载定制固件，以满足不断变化的RF处理市场的需求。