Компактная 64‑канальная система сбора данных с функциями обработки синхронных и когерентных сигналов

Недавно компания Keysight Techno-logies представила 64‑канальную синхронную систему сбора данных, состоящую из восьми высокоскоростных 12‑разрядных дигитайзеров/широкополосных цифровых приемников M9703A в формате AXIe, устанавливаемых в 14‑слотовое шасси (рис. 1). Система разработана компанией Keysight в тесном сотрудничестве с компанией «Научное оборудование», которая привлекла компанию IPrium для создания комплексного решения для заказчика — лидера в области построения спутниковых систем связи, основные требования которого заключались в многоканальной синхронизации и возможности программирования ПЛИС.

Рис. 1. Компактная 64 канальная синхронная когерентная система сбора данных

Многоканальная синхронизация между несколькими платами осуществляется за счет общей тактовой частоты, распределяемой по всем модулям и обеспечивающей синхронное тактирование всех каналов АЦП, и специальной системы многоплатной синхронизации, которая обеспечивает когерентность всех гетеродинов цифровых понижающих преобразователей частоты (DDC).

Для синхронизации тактовой частоты применяется задающий генератор специальной конструкции, который использует для распределения тактовой частоты уникальную ИС компании Keysight, позволяющую подавать на АЦП выровненную частоту выборки с добавленным джиттером всего 25 фс. Когерентностью сигналов гетеродинов цифровых понижающих преобразователей частоты управляет специальная ПЛИС. Она обеспечивает синхронизацию всех ПЛИС блоков цифровой обработки (DPU), расположенных в отдельных модулях, и синхронизацию управляющих ПЛИС всех смежных модулей (рис. 2).

Рис. 2. Упрощенная структурная схема дигитайзера M9703A AXIe

Встроенная ПЛИС позволяет реализовать специальную обработку данных в режиме реального времени, что минимизирует объем передаваемых данных и ускоряет анализ. Чтобы удовлетворить требованиям заказчика к обработке сигналов, включающей цифровое понижение частоты и формирование диаграммы направленности, было разработано специальное микропрограммное обеспечение для ПЛИС с помощью пакета для проектирования ПЛИС (FDK) Keysight U5340A. Функциональность системы обеспечивается за счет обработки сигналов в режиме реального времени во встроенных ПЛИС каждого модуля и передачи данных посредством отдельного канала связи между ПЛИС соседних модулей дигитайзеров M9703A. Благодаря такой масштабируемости 64‑канальную конфигурацию можно потенциально расширить до 104 каналов путем простого увеличения числа модулей M9703A в шасси AXIe.

Решение, поддерживающее AXIe

Своим появлением 64‑канальная система сбора данных компании Keysight во многом обязана возможностям, предоставляемым стандартом AXIe. Приборы в формате AXIe, и в частности M9703A, предлагают идеальную основу для реализации формирователей диаграммы направленности, состоящих из нескольких модулей. Это достигается за счет использования функции передачи данных по локальной шине AXIe между двумя модулями. Интерфейс синхронизации AXIe и шина запуска AXIe образуют инфраструктуру синхронизации каналов за счет применения общей тактовой частоты AXIe CLK100 для всех M9703A и синхросигнала AXIe SYNC. Благодаря наличию нескольких моделей шасси AXIe можно создавать системы, содержащие от 16 до 104 каналов.

Помимо этих достоинств, модульные решения на базе приборов AXIe чрезвычайно компактны, а это значит, что размер оборудования можно сократить, одновременно обеспечивая поддержку большего числа каналов сбора данных. Благодаря инновационной конструкции 64‑канальная система сбора данных Keysight объединяет в одном шасси восемь дигитайзеров (рис. 3).

Рис. 3. Эта структурная схема системы подчеркивает преимущества локальной шины AXIe, которая синхронизирует восемь дигитайзеров M9703A AXIe и обеспечивает взаимодействие между ПЛИС для формирования диаграммы направленности

«Ключевым элементом системы является функция многоканальной синхронизации между несколькими платами AXIe, которая делает возможным высокоскоростной многоканальный захват данных с настраиваемой обработкой сигналов в режиме реального времени и уникальной когерентностью, — сказал Пьер-Франсуа Местр (Pierre-Francois Maistre), менеджер научно-исследовательских проектов компании Keysight Technologies. — Мы уже проверили эту 64‑канальную систему сбора данных на соответствие требованиям заказчика и теперь собираемся расширить ее до 104 каналов».

64‑канальная модульная система состоит из:

• восьми высокоскоростных 8‑канальных 12‑разрядных дигитайзеров/широкополосных цифровых приемников M9703A AXIe, способных захватывать сигналы в диапазоне от постоянного тока до 2 ГГц с частотой дискретизации 1,6 Гвыб/с;
• одного пакета U5340A для разработки ПЛИС, который предлагает полную среду для создания алгоритмов обработки сигналов в режиме реального времени на высокоскоростных дигитайзерах;
• одного 14‑слотового шасси M9514A AXIe, которое имеет 13 слотов для модульных приборов и один системный слот AXIe;
• одного системного модуля M9521A AXIe, который обеспечивает необходимые коммуникационные функции и функции синхронизации.

Создание специализированного микропрограммного обеспечения для ПЛИС

64‑канальная модульная система Keysight является важным достижением в области проектирования систем для решения специализированных задач на базе приборов в формате AXIe. Данил Шендрик, руководитель компании IPrium, которая разработала приложение для заказчика, пояснил: «Нашей задачей была реализация 64‑канального приемника с возможностью выбора рабочего диапазона частот от постоянного тока до 400 МГц и полосы пропускания от 50 кГц до 50 МГц. Сложность этого проекта заключалась в том, что нужно было объединить данные всех 64 каналов с учетом точных значений амплитуды и фазы. Широкополосный дигитайзер M9703A является полнофункциональным решением для многоканальной цифровой обработки сигналов, и в сочетании с пакетом U5340A для проектирования ПЛИС он позволил нам разработать и внедрить сложное специальное устройство в очень короткий срок. Благодаря дигитайзеру M9703A, пакету U5340A и собственным блокам IPrium DDC мы смогли создать 64‑канальную систему, отвечающую требованиям заказчика без каких-либо компромиссов» (рис. 4).

Рис. 4. Применение решения IPrium для ПЛИС

Эта многоканальная система сбора данных с настраиваемой обработкой сигнала в режиме реального времени и уникальной когерентностью является важным шагом на пути к оптимизации объема данных для хранения на уровне аппаратных средств дигитайзера. Кроме того, пакет U5340A для разработки ПЛИС представляет собой полноценную среду для создания, проверки и реализации алгоритмов обработки, которая позволяет разрабатывать сложные заказные изделия. В совокупности это оборудование, программное обеспечение и накопленный опыт позволили создать высокопроизводительное интегрированное решение, отвечающее требованиям заказчика, в виде одной модульной и гибко масштабируемой системы.

Если вы хотите получить дополнительные сведения или проконсультироваться о наилучшем и экономически выгодном решении, обращайтесь к нам по адресу: digitizers@keysight.com.

Дополнительная информация о конфигурации приборов Keysight приведена на странице www.keysight.com/find/M9703A.

Дополнительная информация о реализации алгоритмов обработки компании IPrium IP приведена на сайте www.iprium.com.