NI PXI高速シリアルモジュールを使用して、データ移動と信号処理を最大化する

これらのPXI高速シリアルおよびコプロセッサモジュールは、大量のデータ移動とインラインリアルタイム信号処理を実現するための高性能FPGAコプロセッシング機能を必要とするエンジニア向けに設計されています。これらは、LabVIEW FPGAまたはVHDLを使用してプログラム可能なオープンFPGAで構成されています。これらの計測器は、マルチギガビットトランシーバ (MGT) を活用して、最大28.2 Gbpsのラインレートを実現し、最大48個のTX/RXレーンに対応します。PXIプラットフォームに基づくため、PXIクロック機能とトリガをはじめ、ディスク間データストリーミングやピアツーピア (P2P) ストリーミングなどの高速データ移動機能を最大レート7 GB/sで利用できるという利点があります。

表1.高速シリアルおよびコプロセッサモジュール

¹ 2スロットモジュール 

前述のようなアプリケーションでは、テスト要件を満たすために強力なハードウェアとソフトウェアが必要です。PXIe-7903は、データ移動と計算能力を最大限に高めるように設計されています。PXIe-7903は、1つのPXIシャーシに2つのスロットを搭載し、12個のMini-SAS zHD (Molex iPass+ zHD) コネクタを装備しています。各コネクタには、4つのACカプリングされた差動TXおよびRXチャンネルがあり、合計48チャンネルで最大28.2 Gbpsのラインレートをサポートします。PXIe-7903には、ユーザによるプログラミングが可能なVirtex™ UltraScale+™ VU11P FPGAが搭載されており、複数の高帯域計測器のインライン信号処理を可能にします。

図1.PXIe-7903の詳細図

PXIe-7903には、100 GbEおよびAurora 64b/66b用のプロトコルサポートが付属しており、出荷時にLabVIEW FPGAにサンプルが含まれており、ユーザが使用を開始するのに役立ちます。VU11Pには、100GbE用の9つの強化されたメディアアクセスコントローラ (CMAC) が搭載されており、FPGAファブリックのリソース消費を削減し、タイミングクロージャを簡素化し、消費電力を削減します。VU11Pには、ビットエラーを検出および訂正できるハードリードソロモン前方誤り訂正 (RS-FEC) も搭載されています。

Auroraプロトコルは、シリアルポイントツーポイントインタフェース向けに設計された軽量、低レイテンシ、省スペースのプロトコルです。本来高帯域データ移動のために設計されたもので、フロー制御、フレキシブルフレーミング、シンプレックス/フルデュプレックスチャンネルのオプションがあります。Aurora 64b/66bは、Xilinxが開発したポイントツーポイントプロトコルです。Auroraにはエラー訂正用のCRCが含まれていますが、100 GbEとは異なり、前方誤り訂正は含まれていません。高速シリアル計測器とプロトコルのサポートの詳細については、NI高速シリアル計測器の概要を参照してください。

PXIe-7903は、以下のアプリケーションに最適です。

• リアルタイムスペクトル解析
• レーダーターゲットの生成
• 通信アルゴリズムのプロトタイピング
• テスト対象システム (SUT) エミュレーション
• RFチャンネルエミュレーション
• デジタルビームフォーミング

オフライン処理、視覚化、保存のためにデータをサーバにオフロードする必要があるRF計測器が複数ある場合、問題が発生します。PXIベクトル信号トランシーバ (VST) などの広帯域RF計測器は、1 GHzを超える瞬時帯域幅を生成および受信できるため、処理および保存するI/Qデータが数GB/sになります。このような高データレートを処理する際は、このようにデータ量が多いことによって信号処理が困難になるだけでなく、データ移動インタフェースがボトルネックになる可能性があります。

高速シリアル計測器は、マルチギガビットトランシーバ (MGT) の複数のレーンを使用して、データを強力なFPGAにストリーミングして処理し、複数の計測器からのRFデータの集約を可能にすることで、このボトルネックを軽減します。

これらのアプリケーションでは、高速シリアルモジュールは以下の機能を実行できます。

• 複数のRF計測器からのデータを同時に集約
• PXIバックプレーンの最大20倍のスループットを達成
• RF計測器からサーバに高速でデータを記録および再生
• 100 GbEやAuroraなどのさまざまなプロトコルを介して通信

広帯域のマルチチャンネルRFデータ記録アプリケーションでは、大量のデータを同時に集約し、処理する必要があります。たとえば、複数のアンテナから同期されたRFデータを収集するPXI VSTがあるとします。そのデータは、オフライン解析のために集約、処理され、サーバにオフロードされる必要があります。また、テスト対象システムの応答をテストするために、そのデータを再生する必要がある場合もあります。

従来のPXIシステムの記録と再生ソリューションには、RF計測器、PXIシャーシ、ストレージデバイスが含まれていました。データストリームレートが増加するにつれて、PXIバックプレーンのストリーミングレートがボトルネックになる可能性があります。

PXIe-7903などの高速シリアルモジュールを使用すると、PXIバックプレーンをバイパスして最大20倍のスループットを実現できます。PXIバックプレーンは、8 Gb/sでストリーミングする8つのレーンで構成されており、合計スループットは64 Gb/sです。また、PXIe-7903には28.2 Gb/sでストリーミングする48レーンがあります。この組み合わせにより、合計スループットは1.35 Tb/sになります。

図2.PXIe-7903を使用した場合と使用しない場合のデータストリーミングレートの比較

PXIe-5841 VSTを記録および再生アプリケーションで使用する場合、1.25 GS/sでのVSTサンプルは1 GHzの帯域幅を提供します。各VSTは、Aurora 64b/66bインタフェース経由でPXIe-7903に5 GB/sでストリーミングできます。8つのVSTすべてのデータスループットを集約すると、40 GB/sのデータ処理が必要となりますが、PXIe-7903は集約と処理を同時に行うことができます。その後、VSTからストリームされたI/Qデータを解析と保存用にサーバにオフロードできます。

図3.PXIe-7903は、最大8台の計測器からのデータを集約し、Auroraから100 GbEにデータを変換し、サーバにストリーミングできます。

たとえば、8つのNI PXIe-5841 VSTが同期されたRFデータを収集する場合、各PXIe-5841で収集されたI/Qデータは4レーンのAurora 64b/66bインタフェースに書き込まれ、PXIe-7903にストリーミングされます。PXIe-7903は、1組の4レーンAuroraインタフェースからのI/Qデータを単一の100GbE UDPパケットに多重化し、合計4つの100GbEインタフェースがディスクにデータを出力します。この例では、インライン処理は実行されないため、FPGAの最大90%が未使用で使用可能になります。

図4:PXIe-7903 Aurora 64b/66bインタフェースから100 GbEへのRFデータを処理

高速シリアルモジュールを使用することで、大量のデータを高速で集約する必要があるアプリケーション向けに、PXIシステムのデータ移動量を大幅に増やすことができます。

リアルタイム信号処理は、レーダーや画像処理などのアプリケーションにとって重要なコンポーネントとして注目されています。これらのアプリケーションには通常、テスト対象システムの忠実性を評価するための特定のテスト条件のシミュレーションが含まれています。高分解能RFデータは、正確なターゲット検出、追跡、画像処理に必須であるため、その重要性はいくら強調してもしすぎることはありません。

この確度を実現するために、これらのシステムにはリアルタイムの確定的ハードウェア、効率的なアルゴリズム、生成された大量のデータを処理できる処理アーキテクチャが必要です。リアルタイムの持続的なデータストリームは、パラメータと波形をリアルタイムで変更し、動作中に信号特性を視覚化し、実世界のアプリケーションをシミュレートする機能を可能にします。

このプロセスの重要な要素は、ユーザがプログラム可能なFPGAを使用することです。このFPGAは、リアルタイム処理およびこれらの現実的なテストシナリオを作成するために必要なカスタムIPの実装に必要です。これらの要素を組み合わせることで、包括的なソリューションが提供され、制御された環境で実世界の状態をシミュレートし、確度と信頼性を向上し、リスクが軽減されます。

これらのアプリケーションでは、高速シリアルモジュールには以下の利点があります。

• ユーザがプログラム可能なFPGAを介してカスタム機能を追加する機能
• リアルタイムの持続的なデータストリーム
• インライン測定、波形再生、拡張信号処理などの現実的なテストシナリオに忠実

最新のレーダーでは、システムの開発サイクル全体を通じて、コンポーネントレベルから完全なシステムレベルまで、広範なテストが必要です。レーダーターゲットジェネレータは、処理技術にRF I/Oを併用して、検証および機能テスト用にレーダーシステムの性能を評価できる合成ターゲットを作成します。

NIでは、VSTをリアルタイムの閉ループレーダーターゲットジェネレータとして動作可能にするRadar Target Generation Softwareを提供しています。このソフトウェアでは、構成可能な遅延時間、周波数オフセット、振幅ゲインを使用して、チャンネルあたり4つの同時インビームターゲットが可能です。このシステムのコプロセッシング用に高速シリアル計測器を追加することで、カスタムIPをパラメトリックテストおよびパルス解析用に統合したり、インライン処理用に統合して、現実的なテストシナリオをテスト対象のレーダーシステムに追加することができます。

図5は、SUTからのレーダーパルスがどのようにVSTによって収集され、高速シリアルリンクを使用してコプロセッサに分岐されるかを示しています。VST内では、合成ターゲットが信号に追加されます。コプロセッサ内で、信号はインライン測定またはSUTに戻されるエコーを補強するためのカスタム処理を受けます。このプロセスにより、気象、クラッタ、妨害、またはその他のシナリオによる影響を追加することができます。

図5.カスタムアプリケーション用の高速シリアル計測器でFPGAを使用する

高速シリアルデバイスの多チャンネル数とFPGAコプロセッシング能力により、レーダーシステムで広範なテストを実行して、現実的で信頼性の高い制御された環境を作成し、リスクを軽減し、厳しいテスト要件を満たすことができます。

LabVIEW FPGAを使用して、エンジニアや科学者はグラフィカルプログラミングを使用してFPGAをプログラムできます。LabVIEW FPGAは、産業オートメーション、ロボット工学、航空宇宙、科学研究などの幅広いアプリケーションに高速かつ低レイテンシの処理を提供するカスタムハードウェア回路を設計および実装するための強力なツールです。LabVIEW FPGAを使用すると、リアルタイムで動作するカスタムハードウェア回路を設計できるため、高速、低レイテンシ、確定的な制御、信号処理システムを実装できます。LabVIEW FPGAは、システムインテグレータやテストエンジニアがNIハードウェアで複雑なIP/DSPを迅速にインスタンス化するためのワークフローとツールを提供するのに役立ちます。

図6.LabVIEW FPGAは、I/Oへのインタフェースとデータ処理のタスクを簡素化するグラフィカルプログラミングアプローチを提供し、設計の生産性を大幅に向上させ、市場投入までの時間を短縮します。

VHDLを使用してプログラミングする場合、経験豊富なデジタルエンジニアは、LabVIEW FPGA 2017以降に含まれているVivadoプロジェクトエクスポート機能を使用して、Vivadoでハードウェアを開発、シミュレーション、コンパイルできます。この方法は、下位レベルの制御、最適化、ワークフローを必要とするエンジニアに適しています。設計に必要なすべてのハードウェアファイルを、特定のデプロイメントターゲット用に事前構成されたVivadoプロジェクトにエクスポートできます。LabVIEW設計で使用されているLabVIEW信号処理IPはすべてエクスポートに含まれます。ただし、すべてのNI IPは暗号化されています。Vivadoプロジェクトエクスポートは、Kintex 7以降のFPGAを搭載したすべての高速シリアルデバイスで使用できます。

高速シリアル計測器を使用したプログラミングの詳細については、「NI高速シリアル計測器の概要」のソフトウェアセクションを参照してください。

図7.対象はデジタル回路の開発経験が豊富なエンジニアですが、Vivadoプロジェクトエクスポート機能では、開発、シミュレーション、コンパイルに必要なすべてのハードウェア設計ファイルをVivadoプロジェクトにエクスポートできます。

PXI高速シリアル計測器は、航空宇宙、防衛、半導体アプリケーション向けの、次のソリューションの重要なコンポーネントでもあります。

• SATCOMのデータリンクとテレメトリを検証する
• サテライトリンクエミュレーションの実行とテスト
• 6Gサブテラヘルツの研究とテスト
• レーダーシステムの検証

• LabVIEW FPGAの詳細。
• ベクトル信号トランシーバの詳細。
• PXIプラットフォームを使用したテストシステムの自動化。
• 高速シリアルモジュールの詳細情報。
• その他のPXI用のユーザによるプログラミングが可能なFPGAモジュールを確認する。