滿(mǎn)足RF處理需求的嵌入式儀器設計

　　每個(gè)嵌入式儀器端口有必需支持持續的高速數據傳輸的四個(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(shí)現的。此外，這兩個(gè)端口提供8個(gè)專(zhuān)用通信lane，允許在兩個(gè)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(jīng)實(shí)現。

　　PCI Express總線(xiàn)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(lái)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(fǎng)問(wèn)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(wú)線(xiàn)電應用中需要的任何其他行動(dòng)的操作。通常，使用現代的COM - Express模塊完成將在1微秒內單個(gè)的從模式訪(fǎng)問(wèn)。

　　新的X5模塊產(chǎn)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(yè)標準的PMC / XMC模塊包裝。這些產(chǎn)品結合了4個(gè)通道的高分辨率模擬輸入/輸出加上基于FPGA的信號處理核心，能夠實(shí)時(shí)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(shuō)明實(shí)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(guò)編程警告門(mén)限時(shí), 溫度軟件可能會(huì )收到警告消息，如果溫度超過(guò)了設計故障門(mén)限溫度, 邏輯配置為自動(dòng)關(guān)閉。這種先進(jìn)的熱管理機制保證了在現實(shí)世界中產(chǎn)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(chǎn)品性能和縮短上市時(shí)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(xiàn)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(kāi)發(fā)系統。

　　為了提供最佳的AC性能，高速模擬輸入電路，射頻驅動(dòng)力必須使用一個(gè)穩定，低抖動(dòng)的采樣時(shí)鐘。內建時(shí)鐘電路是一個(gè)從公司現有ClockGen PMC模塊衍生的出來(lái)的， 在6.25至270 MHz的時(shí)鐘范圍內抖動(dòng)小于1 ps，有長(cháng)期熱穩定性，并且集成的時(shí)鐘驅動(dòng)器能夠同時(shí)源于每一個(gè)XMC端口上的50歐姆負載和通過(guò)外部時(shí)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(shí)間同步模塊采樣時(shí)鐘。為了適應這些要求， 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微妙之內開(kāi)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(méi)有修改X5的PCIe總線(xiàn)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。

　　X5C210M模塊的顯著(zhù)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(zhuān)業(yè)內存基礎上的高性能的處理核心、采樣率時(shí)鐘和同步、以及一個(gè)用于系統集成的高性能的數據包協(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)施獨立的下變頻信道、過(guò)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(dòng)。該嵌入式儀器的COM-Express電腦進(jìn)行初始化，監督控制，用戶(hù)接口以及在射頻處理應用中高性能計算任務(wù)。

　　在MATLAB的X5-210M板支持包允許信號處理利用MATLAB/simulink進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Simulink是用來(lái)模擬信號處理的位真，真實(shí)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(jīng)過(guò)驗證IP內核在較高的水平上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并在MATLAB環(huán)境中進(jìn)行測試。

　　該技術(shù)通過(guò)從強大MATLAB/simulink的環(huán)境中，高效和徹底核查信號處理過(guò)程來(lái)降低風(fēng)險，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。然后，從MATLAB來(lái)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(fā)多隊列數據緩沖、DDC控制和PCI總線(xiàn)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(hù)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(zhuān)門(mén)從事知識產(chǎn)權產(chǎn)品或射頻引擎工程公司開(kāi)發(fā)。這樣的固件可以執行自定義的數字下變頻、優(yōu)化、高分辨率的FFT處理塊，并能在持續速率超過(guò)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(fā)表在一個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的技術(shù)轉移到客戶(hù)端的工程人員的培訓會(huì )議上。這是最經(jīng)濟的和時(shí)間效益綜合平衡的發(fā)展進(jìn)程。采用了這個(gè)基礎設備，工程小組“立即進(jìn)入角色” ，不需要修改退出代碼就可以滿(mǎn)足特定應用的要求。

　　總結

　　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)降低系統成本和提高可用性。COM-Express處理器模塊可以為當前和未來(lái)的產(chǎn)品提供可擴展性的主機處理能力。利用先進(jìn)的PCI Express PMC模塊，集成高性能的基于FPGA的計算引擎，并可動(dòng)態(tài)加載定制固件，以滿(mǎn)足不斷變化的RF處理市場(chǎng)的需求。