Le PXI Express : plate-forme de test à signaux mixtes hautes performances

Les instruments PXI Express offrent de nouveaux avantages via l’utilisation du bus PCI Express. Ce bus offre jusqu’à 2 Go/s de débit de données vers plusieurs systèmes d’instrumentation et permet des applications autrefois possibles uniquement avec du matériel personnalisé.

Les avantages du PXI Express

Depuis que le standard PXI inclut la technologie PCI Express, les systèmes de test automatisé PXI offrent des performances plus élevées qu'auparavant. Dans certains cas, les instruments PXI peuvent désormais effectuer des mesures qui n'étaient pas possibles dans le passé.

Le PXI Express est une extension du PXI. Les nouveaux châssis PXI Express offrent des emplacements hybrides qui permettent aux modules PXI et PXI Express de fonctionner dans le même système. En conséquence, les systèmes PXI et PXI Express présentent les trois avantages essentiels suivants pour les applications de test automatisé :

• une instrumentation flexible et définie par logiciel
• une intégration des instruments modulaires
• un débit élevé des données

Avec la flexibilité d'une approche de l'instrumentation définie par logiciel, vous pouvez reconfigurer des systèmes de test pour plusieurs mesures. C'est particulièrement pertinent dans les tests de production RF/de communication, pour lesquels les mesures propres au standard provenant de plusieurs protocoles sont nécessaires pour tester le même matériel.

Deuxièmement, via l'intégration d'instruments modulaires dans le même système, vous pouvez choisir parmi plus de 15000 instruments PXI existants. Ces instruments figurent parmi les plus performants de l'industrie du test et de la mesure :

• acquisition de données multifonction de haute précision avec 18 bits de résolution
• numériseur haute résolution 24 bits max. à une fréquence de 500 kéch./s
• multimètre numérique rapide 7 chiffres ½ avec une précision de l'ordre du picoampère et une gamme allant jusqu'à 1000 V
• commutation haute densité avec jusqu'à 512 points de connexion dans un simple emplacement 3U
• analyse de signaux RF et génération jusqu'à 6,6 GHz
• nombre de voies haute densité et synchronisation (jusqu'à 5000 voies dynamiques)

Avec la capacité d'utiliser plusieurs instruments PXI dans le même système, vous pouvez tester toute une variété de matériels à signaux mixtes avec un seul et unique système de test. Une application courante consiste à utiliser des systèmes PXI pour la caractérisation d'ASIC de semiconducteurs à signaux mixtes.

Enfin, les instruments PXI et PXI Express présentent un bus de données hautes performances afin de transférer des informations de l'instrument vers le PC hôte. Les instruments PXI sont capables d'atteindre 132 Mo/s de bande passante partagée pour tous les matériels sur le bus. Les instruments PXI Express sont capables d'un débit même supérieur avec le bus PCI Express. Le bus PCI Express est un bus série haute vitesse point à point capable de mettre à l'échelle de 250 Mo/s à 2 Go/s par emplacement. En guise d'exemple, un emplacement PXI Express x4 ("par quatre") offre jusqu'à 1 Go/s de bande passante dédiée vers le matériel dans cet emplacement. En outre, le débit du système tout entier augmente au fur et à mesure que vous ajoutez des instruments au système.

 

 

 

Figure n°1. Le débit du PCI Express se met à l'échelle avec le nombre d'instruments utilisés.

 

Vous pouvez utiliser le débit amélioré des instruments PXI Express afin de créer plusieurs nouvelles applications. Grâce au débit du bus, vous pouvez utiliser des instruments PXI Express avec des disques durs RAID PXI Express dans des configurations enregistrement-sur-disque ou enregistrement-depuis-disque haute vitesse. Deux applications spécifiques, l'intelligence de signaux et le test vidéo numérique, profitent largement de cette caractéristique.

Mesures définies de façon logicielle : test des communications et des radiofréquences

Avec l'approche de l'instrumentation virtuelle, le bus PCI ou PCI Express sert de bus de données entre l'instrument et le PC. Vous pouvez analyser les données avec des algorithmes personnalisés ou des mesures courantes comme le temps de montée ou THD (distorsion harmonique totale). Avec les mesures définies par logiciel, vous pouvez reconfigurer les instruments pour qu'ils effectuent toute une variété de tâches.

Un domaine d'application où les mesures définies par logiciel sont nécessaires est le test en production RF ou de communications. Vu que les matériels sans fil d'aujourd'hui utilisent plusieurs protocoles de communication, comme le 802.11g, GSM, GPS et Bluetooth, les défis en matière de tests et les coûts des tests des matériels sans fil ne cessent d'augmenter. Autrefois, il fallait plusieurs instruments pour caractériser les performances des matériels pour plusieurs standards de communications. Malheureusement, l'utilisation de plusieurs instruments autonomes revenait cher. À l'heure actuelle, la capacité d'effectuer des mesures RF définies par logiciel permet de réutiliser des instruments RF pour tester la conformité de nombreux protocoles. Par conséquent, vous pouvez utiliser le même instrument avec plusieurs personnalités logicielles. Un exemple courant de réutilisation d'instruments pour le test de conformité des standards sans fil est la production de téléphones portables, comme l'illustre la Figure n°2.

 

 

 

Figure n°2. Test en production de téléphones cellulaires nécessitant plusieurs standards

 

Comme l'illustre la figure, un analyseur de signaux vectoriels PXI capture, à lui seul, des signaux RF à différentes fréquences pour des standards de communications différents. Vu que la pile de protocole de communication est mise en œuvre de façon logicielle, vous pouvez réutiliser le même instrument pour chaque standard de communications. Ainsi, l'approche des mesures définies par logiciel réduit le coût des tests et leur encombrement.

Intégration d'instruments différents : caractérisation d'ASIC à signaux mixtes

Un autre avantage du PXI pour tester les signaux mixtes est qu'il offre la capacité d'intégrer étroitement plusieurs instruments dans le même système. Cela garantit une synchronisation précise entre les instruments ainsi que la corrélation de données analogiques et numériques, et offre un encombrement des instruments moins important. Toute une variété d'applications de test profite largement de l'approche de l'instrumentation à signaux mixtes. Un exemple est une caractérisation d'ASIC à signaux mixtes multivoies, comme un convertisseur numérique-analogique.

Les ASIC modernes nécessitent des entrées et sorties à signaux mixtes avec divers besoins en matière de signaux. Habituellement, le test automatisé de ces matériels nécessitait plusieurs instruments de table qui se révélaient coûteux et occupaient beaucoup d'espace. De nos jours, l'instrumentation PXI offre une solution à plate-forme unique avec laquelle vous pouvez intégrer plusieurs instruments dans un seul test.

En guise d'exemple, considérons l'instrumentation de test nécessaire pour caractériser un convertisseur numérique-analogique 100 MHz, 12 bits à quatre voies. Cet ASIC nécessite plus de 48 voies d'E/S numériques synchronisées, quatre voies d'entrées analogiques précises ainsi qu'une source d'alimentation DC programmable. En ayant recours à l'instrumentation PXI, vous pouvez relever ce défi en termes de tests en intégrant plusieurs instruments PXI dans le même système. Comme l'illustre la Figure n°3, vous pouvez synchroniser plusieurs modules d'E/S numériques pour offrir 48 voies fonctionnant en 1 ns de déphasage voie-à-voie. En outre, un numériseur haute vitesse PXI offre une précision de 14 bits à 100 Méch./s. Pour le système de test, vous n'avez besoin que d'un numériseur combiné à la commutation RF de perte d'insertion basse. Enfin, vous pouvez utiliser une alimentation programmable PXI pour balayer une tension comprise entre 0 et 6 V dans des pas de 120 µV. L'architecture de référence pour un convertisseur numérique-analogique multivoies est présentée dans la Figure n°3.

 

 

Figure n°3. Architecture de référence pour la caractérisation d'un convertisseur numérique-analogique à 4 voies

 

En utilisant des instruments modulaires PXI, vous pouvez intégrer une plate-forme de test à signaux mixtes dans un système de test unique. Le système nécessaire pour tester un convertisseur numérique-analogique à 4 voies est présenté dans la Figure n°4.

 

 

Figure n°4. Système d'instrumentation PXI à signaux mixtes

Avec une approche modulaire de l'instrumentation, vous pouvez reconfigurer le système ou l'étendre pour qu'il satisfasse les prochains besoins des tests. En outre, en vous connectant à l'environnement de programmation NI LabVIEW, vous pouvez relever des mesures de type THD, SFDR et SINAD. Dans ce système, vous pouvez caractériser de façon complète l'appareil sous test en observant les performances en fonction de toute une variété de facteurs comme la puissance et le courant.

Débit des données élevé : applications enregistrement-sur-disque

L'avantage le plus important des instruments PXI Express est le débit de données élevé du bus PCI Express. Non seulement, cela améliore les temps de test sur les applications de test automatisé courantes, mais en plus, cela permet de nouvelles applications qui n'étaient pas possibles jusqu'alors avec du matériel standard. Un exemple de ceci se présente sous forme de scénarios enregistrement-sur-disque pour des applications comme l'intelligence de signaux et le test vidéo numérique.

L'instrumentation de table traditionnelle comme les générateurs de formes d'ondes arbitraires, les analyseurs logiques et les oscilloscopes utilisent une mémoire embarquée limitée en guise de buffer temporaire afin de stocker les données des formes d'ondes. La mémoire embarquée coûte cher et n'existe que dans des tailles limitées. Ces instruments pourraient ensuite transférer des formes d'ondes vers ou depuis un PC via une interface GPIB, LAN ou USB. Malheureusement, le débit des données ne s'élève qu'à plusieurs mégaoctets par seconde. Pour les applications enregistrement-sur-disque ou enregistrement-sur-mémoire, un débit nettement plus élevé est requis. Le PXI Express offre une solution attrayante pour son débit élevé et la basse latence du bus.

Heureusement, vous pouvez utiliser le modèle de programmation multithread NI LabVIEW pour optimiser facilement les applications enregistrement-sur-disque. Vu que LabVIEW attribue de façon dynamique des tâches de programmation à plusieurs threads, vous pouvez obtenir un débit plus élevé en divisant les E/S d'instruments et les E/S sur fichier en deux boucles While indépendantes. L'approche de programmation conseillée est la structure de boucle producteur-consommateur, présentée dans la Figure n°5.

 

 

 

Figure n°5. Architecture de boucle producteur-consommateur avec Structure de file d'attente

Dans l'exemple ci-dessus, la boucle du haut (producteur) acquiert des données depuis un numériseur haute vitesse et les achemine dans une structure de file d'attente (une FIFO LabVIEW). Vous pouvez utiliser la structure de file d'attente pour acheminer les données parmi plusieurs boucles While dans LabVIEW. La boucle du bas (consommateur) lit les données dans la structure de file d'attente et les écrit sur disque. La structure de boucle producteur-consommateur offre les meilleures performances possibles pour les applications enregistrement-sur-disque parce que la boucle producteur peut continuer à acquérir des données pendant que la boucle consommateur est en train de les écrire sur disque.

 

Tester les applications enregistrement-sur-disque

Avec le débit amélioré des instruments PXI Express, vous pouvez atteindre des vitesses d'échantillonnage et un nombre de voies plus élevés dans les scénarios enregistrement-sur-disque. Pour tester avec exactitude le débit des applications enregistrement-sur-disque, utilisez l'équation suivante :

 

Comme exemple, considérons un scénario enregistrement-sur-disque de deux voies du numériseur haute vitesse NI PXIe-5122 à une vitesse d'échantillonnage maximale de 100 Méch./s. Notez que le NI PXIe-5122 est un numériseur 14 bits. Ainsi, chaque échantillon nécessite 2 octets de mémoire ou d'espace disque. Le débit maximum pour le NI PXIe-5122 est présenté ci-dessous :

Pour caractériser avec précision les performances d'un système réel, utilisez un contrôleur embarqué double-cœur PXI Express avec un disque dur RAID-0 PXI Express x4 à 650 Mo/s. Pour le test, utilisez une taille d'acquisition de 40 Go. Les résultats du test ci-dessous font état de l'utilisation de plusieurs numériseurs NI PXIe-5122 avec 256 Mo de mémoire embarquée. Le Tableau n°1 illustre la vitesse d'échantillonnage maximale pour les applications d'enregistrement-sur-disque en fonction du nombre de voies requises.

 

 

Tableau n°1. Vitesses enregistrement-sur-disque testées pour le numériseur haute vitesse NI PXIe-5122

Comme alternative à une application enregistrement-sur-disque, vous pouvez aussi enregistrer les données depuis un numériseur haute vitesse dans la mémoire embarquée de votre contrôleur PXI. Cette méthode ne nécessite pas de configuration du disque dur RAID, et le débit n'est pas limité par les vitesses d'écriture d'un disque dur. À la place, le débit est limité par la bande passante du bus PCI Express et la taille de l'acquisition est limitée par la quantité de mémoire existant sur le PC. Dans une application standard d'enregistrement-sur-disque, la mémoire du PC n'est qu'un buffer temporaire pour les données. Vu qu'un contrôleur embarqué typique est capable de vitesses d'écriture sur disque de 40 Mo/s, vous pouvez stocker les données en mémoire jusqu'à ce que vous puissiez les écrire sur disque.

Le banc de test suivant pour un scénario enregistrement-sur-disque utilise un contrôleur double-cœur PXI Express avec 2 Go de mémoire embarquée. Avec une taille d'acquisition de 100 millions d'échantillons par voie, le test nécessite jusqu'à 1,2 Go de mémoire PC pour six voies. Là encore, utilisez plusieurs numériseurs NI PXIe-5122 avec 256 Mo de mémoire embarquée pour prétendre au meilleur résultat. Les résultats sont présentés dans le Tableau n°2.

 

 

 

Tableau n°2. Vitesses enregistrement-sur-mémoire maximales pour le numériseur haute vitesse NI PXIe-5122

 

L'une des raisons pour lesquelles les applications enregistrement-sur-disque et enregistrement-sur-mémoire sont capables d'atteindre un tel débit en PXI est l'utilisation d'un bus de données à bande passante importante et à faible latence – le PCI Express. Si vous comparez ce bus à d'autres bus de données standards, vous noterez qu'il offre à la fois le débit le plus important et la latence de données la plus basse.

 

 

Figure 6. Bande passante et latence des bus d'instrumentation classiques

La capacité d'enregistrer des données sur disque offre des avantages considérables pour bon nombre d'applications. Deux applications courantes, examinées dans ce document, sont l'intelligence de signaux/la surveillance de spectre et le test vidéo numérique.

Intelligence de signaux : Enregistrement-sur-disque de fréquence intermédiaire

Les applications modernes de surveillance militaire, de communications satellites et de surveillance de spectres nécessitent la capacité d'enregistrer des quantités importantes de données sur disque dur pour des périodes prolongées. Dans le passé, ces applications nécessitaient du matériel personnalisé qui revenait cher à construire et à maintenir. Mais désormais, vous pouvez développer des applications pour enregistrer des formes d'ondes sur disque pour l'intelligence de signaux avec de l'instrumentation PXI et PXI Express standard.

 

 

Figure n°7. Configuration de l'enregistrement-sur-disque pour le test de systèmes de communication

Pour capturer des signaux RF, utilisez un numériseur haute vitesse afin d'acquérir une fréquence intermédiaire (FI) depuis un convertisseur abaisseur de fréquences. Ce convertisseur abaisseur de fréquences fonctionne à la fréquence RF et utilise un ou plusieurs mélangeurs pour traduire des signaux RF, que vous pouvez capturer avec un convertisseur numérique-analogique haute vitesse, en une gamme de fréquences. En utilisant deux voies d'un numériseur haute vitesse NI PXIe-5122 échantillonnant des données à 100 Méch./s, vous pouvez acquérir deux signaux FI avec 50 MHz de bande passante sur chaque voie. Pour cette raison, vous pouvez acquérir une bande passante RF totale de 100 MHz.

Avec les applications d'intelligence de signaux, une partie du spectre est habituellement enregistrée sur disque pendant plusieurs minutes ou même pendant des heures. Une fois enregistrées, ces données peuvent être post-traitées de façon logicielle avec un spectre de puissance ou un spectrogramme temps-fréquence. Dans certains cas, les données de spectre capturées sont aussi générées avec un générateur de formes d'ondes arbitraires afin de simuler un environnement du monde réel.

Électronique de grande consommation : test vidéo numérique

Une autre application qui requiert une longue acquisition de formes d'ondes de tests est le test vidéo numérique. Le standard DVI supporte les écrans LCD et les écrans plasma plats. Au fur et à mesure que les nouvelles technologies exigent des vitesses d'horloge plus élevées, la génération et l'acquisition de patterns d'affichage DVI mobiles nécessitent des formes d'ondes encore plus longues.

La capacité de générer ou d'acquérir des patterns vidéo numériques pendant de longues périodes est essentielle pour la précision des tests des boîtiers modernes avec sortie DVI. En guise d'exemple, le test des algorithmes de décompression et de décodage des images des boîtiers actuels nécessite des patterns de test mobiles. Vu que l'animation image par image a lieu uniquement avec des images mobiles, vous devez acquérir la transmission numérique pendant plusieurs secondes ou même plusieurs minutes à chaque fois afin de détecter ces erreurs de bits. Dans la Figure n°8, vous pouvez vous rendre compte des effets de l'animation image par image sur une image numérique.

 

 

 

Figure n°8. La pixélisation a lieu suite à une erreur de transmission.

 

Grâce au PXI Express, vous pouvez acquérir des images DVI en continu pendant plusieurs minutes ou même plusieurs heures en utilisant des configurations de disques durs RAID standards. Par exemple, vous pouvez configurer le module d'E/S numériques haute vitesse NI PXIe-6537 pour qu'il enregistre sur disque à des vitesses pouvant atteindre 200 Mo/s pendant plusieurs heures (2,5 heures = 1,8 To). En conséquence, vous pouvez utiliser des instruments PXI Express standards pour effectuer des tests précis de pixélisation vidéo numérique.

Conclusion

Grâce à la plate-forme PXI, vous pouvez obtenir :

• des mesures flexibles et définies par logiciel
• une intégration des instruments modulaires
• un débit élevé des données

 

Grâce à ces atouts, l'instrumentation PXI offre des avantages significatifs comparés à toute une variété d'applications comme les mesures RF et de communication, la caractérisation d'ASIC à signaux mixtes, l'intelligence de signaux, le test vidéo numérique. En outre, bien que chaque avantage existe sur la plate-forme PXI, le PXI Express améliore de façon considérable la plate-forme en offrant un débit nettement plus important utilisé avec le bus PCI Express. Par conséquent, vous pouvez créer des systèmes de test automatisé très précis avec des temps de test plus faibles et des caractéristiques de test plus élevées qu'auparavant.