Design-Praxis
Echtzeitfähiges Multi-GHz-Streaming-System
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Bewältigung der Datenflut
Üblicherweise wurden Daten entweder auf den Speicher eines HF-Geräts geschrieben oder aus diesem erzeugt. Diese Vorgehensweise eignet sich zwar gut für kurze Aufnahmen oder die Erzeugung repetitiver Signalverläufe, allerdings hinkt die Speicherkapazität, u.a. aus Kosten- und Platzgründen, in vielen Fällen den steigenden HF-Bandbreitenanforderungen und den immer komplexer werdenden Anwendungen hinterher.
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| Bustechnologie | Praktischer Durchsatz (GB/s) | Prozent von 5 GB/s für 1-GHz-HF-Bandbreite |
|---|---|---|
| Ethernet (1 Gbit/s) | 0,100 | 2% |
| Ethernet (10 Gbit/s) | 1,000 | 20% |
| USB 3.0 (5 Gbit/s) | 0,400 | 8% |
| USB 3.1 (10 Gbit/s) | 0,900 | 18% |
| Thunderbolt 3 (20 Gbit/s) | 2,750 | 55% |
| PCI Express x8 der 3. Generation (8 Gbit/s) | 6,800 | 136% |
| Seriell, Hochgeschwindigkeit, 4 Lanes (12,5 Gbit/s) | 6,048 | 121% |
| Seriell, Hochgeschwindigkeit, 8 Lanes (16 Gbit/s) | 15,484 | 310% |
Tabelle 1: Auslastungpotenzial der 1-GHz-HF-Schnittstelle auf gängigen Bussystemen
Für sehr große Signalverläufe (die nicht auf den Gerätespeicher passen) bzw. für eine kontinuierliche Datenverarbeitung sind daher andere Ansätze notwendig wie z.B.:
- Lokale Verarbeitung an der Datenquelle
- Übertragung über eine Busschnittstelle zu einem Verarbeitungselement
- Übertragung über eine dedizierte serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstelle zu einem Verarbeitungselement
Im Idealfall sollten Daten direkt nach der Erfassung bzw. vor der Erzeugung lokal auf dem jeweiligen Gerät verarbeitet werden. In vielen Fällen sind die lokalen Verarbeitungsressourcen jedoch bereits durch Vorgänge wie Triggern, Neuabtasten (Resampling), Filtern, Entzerren und dergleichen ausgelastet. Um Daten für die weitere Verarbeitung auf ein dediziertes Verarbeitungselement zu übertragen, ist eine durchsatzstarke und verlustfreie Verbindung mit geringer Latenz erforderlich. Zu diesem Zweck kommen verschiedene kommerzielle Bussysteme zum Einsatz, die jedoch jeweils unterschiedlichen Einschränkungen bezüglich Latenz und Durchsatz unterliegen. Tabelle I zeigt den Durchsatz verschiedener Bussysteme im Vergleich zu den erforderlichen 5 GB/s für ein 1-GHz-HF-Signal, das mit 1,25 GSamples/s abgetastet wird, bzw. den 5 GB/s für die resultierenden digitalen I/Q-Daten mit jeweils 16 bit.
Wie Tabelle 1 zeigt, lassen sich selbst mit einer 10-Gigabit-Ethernet-Verbindung oder dem aktuellen USB-3.1-Standard nur ca. 20 Prozent eines 1-GHz-HF-Datenstreams übertragen. Thunderbolt 3 kommt zwar näher an den nötigen Durchsatz heran, allerdings sind für die Datenübertragung mit 5 GB/s Hochgeschwindigkeitsprotokolle mit mehreren Lanes wie PCI Express [1] oder dedizierte serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstellen mit mehreren Lanes [2] erforderlich.
- Echtzeitfähiges Multi-GHz-Streaming-System
- Bewältigung der Datenflut
- Peer-To-Peer-Übertragung, Verarbeitung und Streamen
- Bit-Komprimierung
- Systemkonfigurationen
- Zusammenfassung
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