满足RF处理需求的嵌入式仪器设计

2009-07-27 17:06:17来源: 北京麦克泰软件技术有限公司

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。

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关键字:PCI  Express  RF  嵌入式  DSP  FPGA

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2009/0727/article_673.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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