運用 NI PXI 高速序列模組，充分發揮資料移動與訊號處理效能

這些 PXI 高速序列與協同處理器模組是專為需要高效能 FPGA 協同處理功能的工程師所設計，有助於移動大量資料與進行行內即時訊號處理。其中包括能使用 LabVIEW FPGA 或 VHDL 進行程式設計的開放式 FPGA。這些儀器採用 Multi-Gigabit 收發儀 (MGT)，最高支援 28.2 Gbps 的線路速率，以及最多 48 個 TX 和 RX 通道。由於這些儀器皆屬於 PXI 平台，因此能運用其時脈、觸發及高速資料移動功能，包括磁碟往返串流，以及速度最高 7 GB/s 的點對點 (P2P) 串流功能。

表 1.高速序列與協同處理器模組

¹ 雙插槽模組 

前述用途皆必須採用功能強大的軟硬體，才能因應測試需求。PXIe-7903 能充分發揮最高的資料移動與運算效能。PXIe-7903 有 12 個 Mini-SAS zHD (Molex iPass+ zHD) 接頭，會用到兩個 PXI 機箱插槽。每個接頭各有四個 AC 偶合差動 TX 與 RX 通道，共 48 個通道，最高支援 28.2 Gbps 的線路速率。PXIe-7903 搭載使用者可程式化的 Virtex™ UltraScale+™ VU11P FPGA，支援多台高頻寬儀器進行行內訊號處理。

圖 1.PXIe-7903 細部圖

PXIe-7903 支援 100 GbE 與 Aurora 64b/66b 的協定，另於 LabVIEW FPGA 隨附範例，能協助使用者開始使用。VU11P 有九個適用於 100GbE 的強化媒體存取控制器 (CMAC)，能減少 FPGA 架構消耗的資源、簡化時序收斂，以及降低耗電量。VU11P 還包含硬式的 Reed-Solomon 前向錯誤修正 (RS-FEC)，能偵測並修正位元錯誤。

Aurora 協定是專為序列點對點介面設計的協定，精簡、低潛時，而且所需空間不大。Aurora 主要是為了高頻寬資料遷移而設計的，可針對單一或全雙工通道提供流量控制、靈活定框和豐富選項。Aurora 64b/66b 是 Xilinx 開發的點對點協定。Aurora 包含可用於錯誤修正的 CRC，但不含前向錯誤修正，這是不同於 100 GbE 之處。請參閱 NI 高速序列儀器簡介，進一步了解高速序列儀器與協定支援。

PXIe-7903 非常適合下列用途：

• 即時頻譜分析
• 雷達目標產生
• 通訊演算法原型製作
• 受測系統 (SUT) 模擬
• RF 通道模擬
• 數位波束賦形

有多組 RF 儀器必須將資料卸載至伺服器進行離線處理、視覺呈現以及儲存等各項作業時，往往相當困難。像 PXI 向量訊號收發儀 (VST) 這類寬頻 RF 儀器，能夠產生及接收超過 1 GHz 的瞬間頻寬，因此需要處理與儲存數 GB/s 的 I/Q 資料。如此大量的資料會在訊號處理時造成困難，而且，處理如此高的資料傳輸速率時，也會因為資料移動介面而出現瓶頸。

高速序列儀器使用 Multigigabit 收發儀 (MGT) 的多個通道，將資料串流至功能強大的 FPGA 進行處理，利於彙整源於多台儀器的 RF 資料，因此能夠減緩這方面的瓶頸。

在這類用途中，高速序列模組可以執行下列功能：

• 同時彙整源自多台 RF 儀器的資料
• 最高可達 PXI 背板傳輸量的 20 倍
• 高速記錄與播放從 RF 儀器傳送到伺服器的資料
• 透過 100 GbE 與 Aurora 之類的不同協定進行通訊

如用於記錄寬頻、多通道 RF 資料，必須同時彙整並處理大量資料。舉例來說，您的 PXI VST 可能要擷取源自多個天線的同步化 RF 資料。接下來需彙整、處理擷取到的資料，再將資料卸載至伺服器，利於離線分析。您可能還需要播放該資料，以利測試受測系統的回應。

PXI 系統適用的記錄與播放解決方案通常會包含 RF 儀器、PXI 機箱和儲存裝置。資料串流速率一旦提高，PXI 背板的串流速率有可能會成為瓶頸。

運用 PXIe-7903 這類高速序列模組，就能略過 PXI 背板，發揮高達 20 倍的傳輸率。PXI 背板含八個通道，每個通道的串流速率是 8 Gb/s，總傳輸率是 64 Gb/s。PXIe-7903 有 48 個通道，串流速率達 28.2 Gb/s。因此，傳輸率總計達 1.35 Tb/s。

圖 2.PXIe-7903 使用前後的資料串流速率比較

若要將 PXIe-5841 VST 運用於記錄與播放應用，1.25 GS/s 的 VST 樣本能提供 1 GHz 的頻寬。每個 VST 都能經由 Aurora 64b/66b 介面，以 5 GB/s 的速率串流至 PXIe-7903。將八個 VST 的資料傳輸率全數彙整起來，就必須要達到 40 GB/s 的資料處理速率，PXIe-7903 可以同步彙整及處理這些資料。接下來，您可以將 VST 所串流的 I/Q 資料卸載至伺服器，以利進行分析和儲存作業。

圖 3.PXIe-7903 最多可以彙整源於八台儀器的資料，將資料從 Aurora 轉換至 100 GbE，並且串流至伺服器。

舉例來說，如果有八台 NI PXIe-5841 VST 在擷取同步的 RF 資料，則每台 PXIe-5841 所擷取到的 I/Q 資料，全數會被寫入四通道的 Aurora 64b/66b 介面，並且串流至 PXIe-7903。PXIe-7903 可以將源於一對四通道 Aurora 介面的 I/Q 資料多工處理成單一 100GbE UDP 封包，共使用四個 100GbE 介面將資料輸出至磁碟。這個範例並未執行行內處理，因此，閒置未用的 FPGA 多達 90%。

圖 4.PXIe-7903 處理從 Aurora 64b/66b 介面傳至 100 GbE 的 RF 資料

使用高速序列模組能夠大幅提升 PXI 系統傳輸資料的速度，適用於需要高速彙整大量資料的用途。

即時訊號處理已經成為雷達與成像等用途的關鍵元件。這類用途通常包括要模擬特定的測試條件，以利評估受測系統的精確度。高解析度 RF 資料的重要性不容小覷，因為這類資料對於準確掌握目標偵測、追蹤與成像均十分重要。

為了達到這樣的準確度，這類系統必須使用即時精確的硬體、有效率的演算法，以及能夠處理大量資料的處理架構。持續地即時串流資料有助於即時更改參數和波形，在進行模擬實際用途的操作階段，能夠視覺呈現訊號特性。

在這個流程中，使用者可程式化 FPGA 的運用十分關鍵。要建立實際的測試情境，必須即時處理及執行自訂 IP，這個時候就必須用到這樣的 FPGA。結合這幾項要素，就能得到在受控環境中模擬實際條件的完整解決方案，從而提升準確度、穩定性並且降低風險。

在這類用途中，高速序列模組可以發揮下列優勢：

• 可以透過使用者可程式化的 FPGA 新增自訂功能
• 即時持續的資料串流
• 行內量測、波形重播及加強訊號處理等實際測試情境，都能保持精確

從元件層級到完整系統層級，現代雷達在系統開發週期當中必須接受相當多的測試。雷達目標產生器運用 RF I/O 與處理技術建立合成目標，用於評估雷達系統的效能，以利進行驗證與功能測試。

NI 提供 Radar Target Generation Software，能讓 VST 發揮即時閉迴路雷達目標產生器的作用。這個軟體支援每個通道設定四個同步光束內目標，而且能夠設定時間延遲、頻率偏移以及振幅增益。在這個系統中加入高速序列儀器，用於協同處理，可以整合自訂 IP 進行參數化測試和脈衝分析，或可用於進行行內處理，將實際測試情境投入於受測雷達系統中。

圖 5 說明 VST 擷取 SUT 雷達脈衝後，使用高速序列連結將脈衝分流至協同處理器的方式。在 VST 中，會將合成目標新增至訊號。在協同處理器中，訊號需進行自訂處理，用於行內量測，抑或用於加強傳回 SUT 的回音。這個流程支援將天氣、雜波、干擾或其他情境造成的作用列入考量。

圖 5.運用高速序列儀器上的 FPGA 進行自訂用途

高速序列裝置的通道數多，並且具備 FPGA 協同處理能力，因此可以針對雷達系統執行大量測試，從而建立實際穩定的受控環境，利於降低風險並因應嚴苛的測試需求。

LabVIEW FPGA 讓工程師與科學家能夠使用圖形化程式設計功能設計 FPGA。LabVIEW FPGA 是強大的工具，適用於設計與執行客製化硬體電路，這些電路能針對相當廣泛的用途進行高速、低潛時處理，適用於工業自動化、機器人、航太以及科學研究等等。LabVIEW FPGA 能支援您設計即時執行的自訂硬體電路，以利執行高速、低潛時且精確的控制與訊號處理系統。LabVIEW FPGA 能支援系統整合商和測試工程師提供工作流程及工具，協助他們在 NI 硬體上快速將複雜的 IP/DSP 實體化。

圖 6.LabVIEW FPGA 提供圖形化的程式設計法，能簡化 I/O 介接作業與資料處理作業，大幅提升設計產能並縮短上市時程。

若要使用 VHDL 進行程式設計，有經驗的數位工程師可以使用 LabVIEW FPGA 2017 及更新版本隨附的 Vivado Project Export 功能，運用 Vivado 開發、模擬以及編譯硬體。若工程師需要初階的控制、最佳化與工作流程，則建議採用這個方式。您可以將設計不可或缺的硬體檔案全數匯出到預先針對特定部署目標所設定的 Vivado 專案。LabVIEW 設計中使用的任何 LabVIEW 訊號處理 IP，全數包含在匯出項目中；不過所有 NI IP 一律經加密處理。您可以在所有搭載 Kintex 7 或更新版 FPGA 的高速序列裝置上使用 Vivado Project Export。

在 NI 高速序列儀器簡介的軟體章節中，可以找到更多關於使用高速序列儀器進行程式設計的資訊。

圖 7.對於有經驗的數位工程師而言，Vivado Project Export 功能支援將不可或缺的硬體設計檔全數匯出到 Vivado 專案，利於進行開發、模擬與編譯。

PXI 高速序列儀器也是下列航太、國防與半導體應用解決方案的關鍵元件：

• 驗證 SATCOM 資料連結與遙測
• 執行與測試衛星連結模擬
• 6G Sub-THz 研究與測試
• 驗證雷達系統

• 深入了解 LabVIEW FPGA。
• 深入了解向量訊號收發儀。
• 使用 PXI 平台進行測試系統自動化。
• 探索高速序列模組。
• 查看更多適用於 PXI 的使用者可程式化 FPGA 模組。