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Design-Praxis

Echtzeitfähiges Multi-GHz-Streaming-System

20. Februar 2018, 10:20 Uhr | Neil Feiereisel, Shivansh Chaudhary, RF Department, R&D, National Instruments

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Fortsetzung des Artikels von Teil 4

Systemkonfigurationen

In Bild 5 ist ein Aufzeichnungs- und Wiedergabesystem mit vier Kanälen dargestellt, das aus einem Chassis PXIe-1085 mit 24 GB/s, einem Embedded-Controller PXIe-8880, vier Vektorsignal-Transceivern PXIe-5840 (VSTs) und vier RAID-Speichersystemen HDD-8266 von National Instruments besteht.

Jeder Kanal unterstützt eine HF-Echtzeitbandbreite bis 1 GHz im Frequenzbereich von 1 bis 6 GHz. Das System kann entweder auf zwei Kanälen Daten mit 16 bit oder auf vier Kanälen Daten, die auf 10 bit komprimiert sind, vom und zum Speichersystem übertragen. Bei Auflösungen von 10, 12, 14 oder den vollen 16 bit sind Bandbreiten unter 1 GHz einfacher zu erreichen. Die größte Einschränkung im System ist die Speicherbandbreite des Embedded-Controllers (PXIe-8880).

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Das in Bild 6 dargestellte System zeigt eine Peer-to-Peer-Übertragung von vier VSTs (PXIe-5840) über PCI Express zu vier FPGA-Coprozessor-Modulen (PXIe-7915) für eine kontinuierliche Verarbeitung in Echtzeit. Dabei konnte auf vier Kanälen eine HF-Echtzeitbandbreite von 1 GHz (5 GB/s) pro Kanal demonstriert werden mit einem möglichen fünften Kanal in einem der drei leeren Steckplätze. Da der Datentransfer lokal über einen PCI-Express-Switch erfolgt, wird zudem keine Speicherbandbreite des Controllers belegt. In dieser Konfiguration kann eine HF-Echtzeitbandbreite von insgesamt 4 GHz verarbeitet werden. Die gebündelte Übertragung aller Daten (20 GB/s insgesamt) auf einen FPGA-Coprozessor ist nicht möglich, jedoch können kleinere Mengen an Steuerdaten zwischen den vier FPGA-Coprozessoren mittels P2P-Streams oder DMA vom und zum Systemspeicher kommuniziert werden. Diese Konfiguration bietet sich für Anwendungen wie Spektrumüberwachung und Kanalemulation an.

In Bild 7 ist ein 4-Kanal-System mit 1 GHz pro Kanal zu sehen, bestehend aus vier VSTs (PXIe-5840), die anstelle von PCI Express über Multi-Gigabit-Transceiver (MGTs) mit einem FPGA-Modul für ATCA (ATCA-3671) von NI kommunizieren, das vier miteinander gekoppelte Virtex-7-690T-FPGAs von Xilinx umfasst. Mit dieser Konfiguration lassen sich die Einschränkungen herkömmlicher Systeme in Bezug auf die Datenaggregation überwinden, sodass 5G- und Wireless-MIMO-Anwendungen, Spectral Stitching (Zusammenfügen von Spektrum) für eine höhere effektive HF-Echtzeitbandbreite [4] und andere Mehrkanalanwendungen mit Datenaggregation möglich werden. Die dedizierten MGT-Verbindungen zwischen den HF-Geräten und FPGAs sorgen zudem für die geringstmögliche Latenz von nur wenigen hundert Nanosekunden. Im dargestellten System sind vier HF-Geräte mit vier FPGAs verbunden. Es sollte jedoch auch möglich sein, Daten von bis zu 16 HF-Geräten mit einer HF-Echtzeitbandbreite von jeweils 1 GHz auf ein ATCA-3671 zu streamen, wobei die vier FPGAs mit jeweils vier Datenkanälen verbunden sind.

Um die aggregierte Verarbeitung mehrerer Kanäle an einem spezifischen Beispiel zu zeigen, wurde das Spektrum von vier VSTs (PXIe-5840) per Spectral Stitching miteinander verknüpft. Jeder VST wurde dabei auf eine andere Frequenz eingestellt, jedoch mit einigen Überlappungen wie im Konzeptdiagramm in Bild 8 zu sehen ist.

Das Ergebnis ist in Bild 9 zu sehen. Durch die Verwendung eines analogen Splitters, mit dem das ursprüngliche HF-Signal auf die vier einzelnen VSTs mit jeweils 1 GHz HF-Echtzeitbandbreite verteilt wurde, konnten die einzelnen Spektren miteinander verknüpft werden. Daraus ergab sich eine HF-Echtzeitbandbreite von 3,5 GHz bei einer Mittenfrequenz von 4 GHz.

Wenn auch nicht Teil dieser Demonstration wird es durch zukünftige Verbesserungen möglich sein, das kombinierte HF-Spektrum von 3,5 GHz für die Aufzeichnung kontinuierlich auf einen Datenträger zu streamen. Darüber hinaus soll dies zukünftig auch für das Senden von Signalen möglich sein und nicht nur für das Empfangen.