다목적 COTS 데이터 수집 시스템 설계
다목적 데이터 수집 (DAQ) 시스템 설계는 관심 신호의 기능을 현재 최신 A / D 컨버터의 기능과 비교하는 것으로 시작됩니다. 특히 신호 대역폭과 최대 신호 주파수는 A / D 최대 샘플링 속도 및 대역폭과 비교됩니다. 표 1의 사양은 현재 A / D의 일반적인 사양입니다.
DAQ의 기본 원리는 최소 허용 샘플링 속도 (나이 퀴 스트 샘플링 속도)를 입력 신호 대역폭과 관련시킵니다. 관심있는 신호의 각 주파수 성분을 고유하게 구별하려면 샘플링 속도가 신호 대역폭의 2 배 이상 (실제로는 3 ~ 4 배)이어야합니다. 표 1에서 이론적으로 신호 대역폭이 80MHz 미만이면 160MSPS에서 16 비트 변환기로 샘플링 할 수 있습니다. 신호 대역폭이 250MHz 미만이면 12 비트 A / D를 사용할 수 있고 1500MHz 미만이면 8 비트 A / D를 사용해야합니다.
DAQ의 첫 번째 절충점은 신호 대역폭의 증가가 일반적으로 컨버터 분해능과 SNR의 감소를 필요로한다는 점입니다. A / D 컨버터의 샘플링 속도가 높을수록 각 샘플을 고정밀로 변환하기가 더 어려워집니다. 따라서 효율적이고 다재다능한 DAQ 시스템을 통해 여러 다른 A / D 컨버터 프런트 엔드를 선택할 수 있으므로 "백엔드"(Post A / D) 처리를 변경하지 않고도 해상도 (SNR)를 최대화 할 수 있습니다. 기존의 임베디드 프로세싱 알고리즘과 호스트 소프트웨어를 활용하면서 새로운 어플리케이션의 DAQ 시스템.
가장 간단한 DAQ 시스템 (그림 1, 상단)에서 입력 신호는베이스 밴드로 변환되고 A / D 컨버터는 최소한 Nyquist 샘플링 속도만큼 빠르게 샘플링됩니다. 즉, 최대 신호 주파수의 사이클 당 최소 2 개 (바람직하게는 3-4 개)의 샘플이 있습니다. 신호 대역폭을 샘플링 속도의 절반 이하로 제한하여 앨리어스를 방지하기 위해 A / D 전에 저역 통과 필터 (LPF)가 사용됩니다.
또 다른 패러다임 (그림 1, 중간)은 입력 신호를 "언더 샘플링"하는 것입니다. 즉, Nyquist 주파수보다 낮은 속도로 샘플링하는 것입니다. 이를 하위 나이 퀴 스트 (또는 IF) 샘플링이라고합니다. 최대 샘플링 속도가 500MSPS이고 입력 대역폭이 1400MHz 인 일반적인 12 비트 A / D 시나리오를 고려하십시오. 500MSPS 샘플링 속도에서 1000MHz ~ 1200MHz의 주파수로 신호를 직접 샘플링 할 수 있습니다. 이를 위해 A / D 전에 입력 신호를 대역 통과 필터 (BPF)하여 앨리어싱을 방지해야합니다. 1000MHz는 파형의 동일한 지점에서 다른주기마다 한 번씩 샘플링하므로 DC로 다운 샘플링됩니다. 1200MHz 신호는 200MHz로 다운 샘플링됩니다. BPF는 DC 및 200MHz (및 기타 모든 별칭)가 A / D에 표시되지 않도록하므로 각 주파수 구성 요소를 고유하게 결정할 수 있습니다. 이러한 상황을 이용하여 DAQ 시스템은 높은 주파수에서 샘플링하지 않는 고해상도, 고 대역폭 A / D를 사용하여 수집 속도를 줄이고 SNR을 높일 수 있습니다. 다목적 DAQ 시스템을 사용하면 샘플링 속도를 조정할 수 있으며 (다운 샘플링 된 신호의 주파수 위치를 제어하기 위해) 신호의 중심 주파수가 애플리케이션간에 변경 될 때 다른 프런트 엔드 필터를 사용할 수 있습니다.
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| 그림 1. Nyquist (위), Sub-Nyquist / Direct IF (중간), 초 광대역 프리 샘플러를 사용한 직접 RF 샘플링 (아래). |
세 번째 시나리오 (그림 1, 하단)는 A / D 전에 초 광대역 프리 샘플러를 사용하여 DAQ 시스템의 유효 입력 대역폭을 크게 증가시킵니다. A / D 이전에 초고 대역폭 샘플 앤 홀드가 사용됩니다. 샘플 앤 홀드는 큰 입력 대역폭 (좁은 샘플링 간극)과 훨씬 더 낮은 출력 대역폭 (조리개가 열려있는 동안 입력에 비례하여 훨씬 더 오랫동안 안정적으로 유지되는 아날로그 출력) . 사전 샘플러는 A / D와 동일한 주파수에서 실행되거나 실행되지 않을 수 있습니다. 프리 샘플러 샘플링 속도를 변경하여 다운 샘플링 된 신호를 A / D 전에 주파수 스펙트럼의 이상적인 위치에 배치 할 수 있습니다. 또한 허용 가능한 신호 대역폭을 최대화하기 위해 A / D 샘플링 속도를 최대 샘플링 속도에 가깝게 유지할 수 있습니다.
정보 추출, 신호
처리, 데이터 저장 입력 신호 대역폭이 큰 경우 높은 샘플링 속도가 필요하므로 수집 데이터 속도를 따라갈 수 있고 데이터를 적절하게 줄일 수있는 내장형 처리 엔진이 필요합니다. 후속 처리를 위해 빠르게 들어오는 데이터를 저장하기위한 대용량 고속 메모리. 많은 연속 리얼 타임 DAQ 어플리케이션의 경우 온보드 FPGA의 임베디드 프로세싱이 수신 데이터 속도를 따라갈 수 있으므로 나중에 고속 메모리 또는 호스트 버스로 전송되는 데이터 속도를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 처리 엔진이 들어오는 데이터를 따라 잡을 수 있더라도, 알고리즘 처리를위한 계수 저장, 신호 비교를위한 참조 신호 저장, 처리 된 신호 저장을 위해 고속 멀티 기가 바이트 메모리가 필요합니다.
출력 데이터 속도를 호스트 버스 처리량 이하로 줄임으로써 호스트 시스템 RAM을 사용하여 DAQ 시스템의 저장 용량을 크게 늘릴 수 있습니다. 출력 데이터 속도가 자기 디스크의 전송 속도 (초당 수백 메가 바이트)와 비슷한 경우 RAID를 사용하여 스토리지 용량을 수십 테라 바이트까지 늘릴 수 있습니다.
실제 사례
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| 그림 2. 대부분의 하이 엔드 데이터 수집 어플리케이션에 적합한 다목적 DAQ 시스템의 블록 다이어그램. |
다목적 DAQ 시스템의 원하는 기능을 고려한 후 이제 이러한 시스템의 예를 소개합니다. Ultraview의 PCIe DAQ 애드 인 카드 라인은 호스트 시스템의 RAM에 대해 약 1GBps의 연속 DMA 속도를 지원하고 최대 8GB의 온보드 메모리를 지원하며 1136 핀 Xilinx Virtex 5 FPGA 옵션을 제공합니다 (그림 2). 이 보드는 PCIe 버스에서 데이터를 동시에 스트리밍하는 동시에 6GBps 이상의 속도로 데이터를 캡처하고 처리 할 수 있습니다.
이 보드는 듀얼 8 비트 3000MSPS, 듀얼 12 비트 500MSPS, 듀얼 14 비트 400MSPS 또는 듀얼 16 비트 160MSPS A / D 컨버터는 물론 다운 컨버전 믹서 또는 샘플러, 필터링 및 이득 회로를 포함한 맞춤형 프런트 엔드 회로를 지원합니다. 잘 분할 된 모듈 식 VHDL 펌웨어는 기존 모듈을 교체하고 재 컴파일하여 다양한 프런트 엔드를 수용하고 설계자가 자신의 애플리케이션에 최적화 된 데이터 처리 펌웨어를 쉽게 통합 할 수 있도록합니다. 호스트 업로드 기능은 기술자를 현장으로 보내지 않고도 FPGA의 원격 재구성을 용이하게하여 처리 알고리즘을 변경하거나 버그 수정을 설치합니다.
초 광대역 DAQ, 프리 샘플러 및 인터리빙
Ultraview는 오랜 기간 동안 광대역 신호를 수집하기 위해 멀티 기가 바이트 딥 메모리가있는 고 대역폭 DAQ 시스템에 지속적으로 초점을 맞춰 왔습니다. Furaxa Inc.와의 협력으로 DAQ 시스템의 입력 대역폭을 극적으로 증가시키는 저비용, 초고 대역폭, 샘플 및 홀드 회로가 탄생했습니다. 이러한 집적 회로는 아날로그 메 자닌에 설치되며 신호 경로에서 A / D 앞에 배치됩니다. 이 IC에는 초 광대역 RACE (Rapid Automatic Cascode Exchange) 샘플러가 포함되어 있으며 일부는 입력 대역폭이 100GHz 이상입니다. 이러한 샘플 앤 홀드 IC는 빠르게 변화하는 신호가 조리개가 열린 몇 피코 초 시간 동안 비교적 일정하게 나타날 정도로 충분히 좁은 샘플링 조리개를 생성합니다. 그런 다음 샘플 값은 해당 상수 값으로 유지되고 낮은 대역폭 A / D는 유지 된 출력을 변환합니다. 이러한 IC에는 인터리브 된 A / D를 공급할 수있는 두 개의 고정 출력이 있습니다. 이는 DAQ 시스템의 입력 대역폭을 증가시킬뿐만 아니라 샘플링 속도를 증가시켜 입력 대역폭 (최대 입력 신호 중심 주파수)을 크게 증가시키고 최대 IF 대역폭 (신호 대역폭)을 두 배로 늘립니다.
이 IC에는 D / A 보드 용 업 컨버터로도 사용할 수있는 콤 신호 소스 역할을하는 임베디드 광대역 RACE 펄서도 포함되어 있습니다. 기존 애플리케이션 중 하나는 분광학을 위해 이러한 초 광대역 샘플러 / 펄서 IC를 사용합니다. 그림 3은 이러한 IC 중 하나를 사용하는 TDR (Time Domain Reflectometry) 시스템의 시간 및 주파수 도메인 플롯을 보여줍니다.
요약
더 빠른 실시간 수집 및 초고 대역폭 아날로그 신호의 더 복잡한 처리에 대한 끊임없이 증가하는 요구는 마이크로파 프리 샘플러, 프리 필터, 인터리브 A / D 컨버터, 호스트 재구성 가능 FPGA, 멀티 -기가 바이트 깊이의 온보드 메모리 버퍼 및 높은 처리량의 호스트 버스 인터페이스. 고속 아날로그 전처리, A / D 변환 및 온보드 디지털 후 처리의 결과 조합을 통해 이러한 데이터 수집 시스템은 매우 복잡한 RF, IF 및 기저 대역 신호를 수신하고 정보를 깊은 온보드 RAM에 저장하거나 가능하면 호스트 시스템이 지속적으로 수용 할 수있는 데이터 속도로 정보를 추출합니다.
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