導入PCIe匯流排技術　PXI測試系統效能升級

PXI Express優勢顯著

PXI標準現已具備PCI Express技術，也讓PXI自動化測試系統達到前所未有的高效能。在某些情況下，PXI儀器將可執行某些之前無法進行的量測作業。PXI Express即為PXI的延伸。

新款PXI Express機箱具備混合式插槽，可於單一系統中使用PXI與PXI Express模組。因此，針對自動化測試應用，PXI與PXI Express系統均具備以軟體定義的彈性儀控功能、整合模組化儀器、高資料輸送率等三大技術優勢。

透過軟體定義儀控的靈活性，可為多種量測作業重新設定測試系統。而對於須以多種協定測試單一裝置的特定標準量測作業尤為如此，因此特別適用於射頻(RF)/通訊製造測試。

其次，由於可用單一系統整合模組化儀器，因此可自由選用一千五百款現有的PXI儀器。由於可於單一系統中使用多款PXI模組化儀器，因此亦可用單一系統測試多款混合式訊號設備。常見應用便是以PXI系統建構混合式訊號的半導體特定應用積體電路(ASIC)特性描述(Characterization)作業。

圖1　若增加搭配儀器的數量，則PCIe傳輸率亦將跟著提升。

最後，PXI與PXI Express儀器均具備一組高效能資料匯流排，可於儀器到主機電腦之間傳輸資訊。針對匯流排所銜接的全部裝置，PXI儀器可達最高132MB/s共用頻寬。PXI Express儀器更能透過PCIe匯流排到更高傳輸率。PCIe匯流排屬於點對點(Point-to-point)的高速序列匯流排，各個插槽可調整250M～2GB/s均可。以一組x4的PXI Express插槽為例，則可為該插槽中的裝置提供最高1GB/s專屬頻寬。此外，若系統新增更多儀器，則系統總傳輸率亦將隨著增加(圖1)。

在PXI Express儀器提高傳輸率後，即可進一步建立多種新應用。憑藉匯流排的高傳輸率，將可於高速磁碟串流設定中，使用PXI Express儀器搭配PXI Express磁碟陣列(RAID)硬碟。另外，如訊號情報與數位視訊測試的特殊應用，亦可因高傳輸率而大幅提升效能。

軟體定義的量測：射頻與通訊測試

利用虛擬儀控的方式，PCI或PCIe匯流排均可作為儀器到電腦間的資料匯流排。另外，可透過客製演算法或常見量測而分析資料，如上升時間(Rise Time)或總諧波失真(THD)。透過軟體定義的量測，將可重新設定儀器以執行各種作業細項。

而必備軟體定義量測的應用領域之一，即是射頻與通訊製造測試。由於現有的無線設備均使用多種通訊協定如802.11g、全球行動通訊系統(GSM)、全球衛星定位系統(GPS)、藍牙(Bluetooth)，無線設備的測試挑戰性與成本往往居高不下。

在此之前，工程師必須透過多組儀器，才能針對不同的通訊標準確實界定裝置效能。但多台獨立儀器同時也代表著極高的成本。如今，透過軟體定義的射頻量測作業，即可重複使用相同射頻儀器而測試多種協定。因此，單一儀器可搭配不同的軟體特性。重複使用儀器而測試無線標準相容性的常見範例之一，便是行動電話製造作業(圖2)。

圖2　必須測試多種標準的行動電話製造測試

如圖2所示，針對不同通訊標準，單一PXI向量訊號分析器，將以不同頻率擷取射頻訊號。由於通訊協定堆疊是以軟體所建置，因此單一儀器可重複用於所有通訊標準。軟體定義的量測方式可大幅降低測試成本與空間。

多款儀器整合：混合式訊號ASIC

PXI對混合式訊號測試的另一項優點是，可於單一個系統中緊密整合多款的功能。此特性除了可以精確同步化多款儀器外，也能整合類比與數位資料，進而減少儀器體積。此混合式訊號的儀控功能可大幅提升多種測試應用。常見範例便是多通道混合式訊號的ASIC，如數位類比轉換器(DAC)。

現有ASIC均有多樣的訊號需求，達到混合式訊號的輸入/輸出(I/O)。在此之前，這些裝置的自動化測試均需多款桌上型儀器，也因此需要極高的成本與實體空間。而現今，PXI儀控即提供單一平台解決方案，可將多款儀器整合為單一測試作業。

以一組四個通道、12位元、100MHz的DAC特性描述作業為例，此ASIC的同步化數位I/O將需要超過四十八個通道、精確的四個類比輸入通道，與一組可程式化的DC電源。透過PXI儀控功能，即可於單一個系統中整合多款PXI儀器，而解決此測試難題。

圖3　適用於四通道數位類比轉換器特性描述作業的參考架構

如圖3所示，可同步化多組數位I/O模組，讓四十八個通道達到1奈秒(ns)以內的通道對通道歪曲。此外，單一PXI高速示波器可於100MS/s取樣率達到14位元的精確度。而針對測試系統，僅需一組示波器以整合低插入損耗的射頻切換器。最後，PXI可程式化電源供應器可達120微伏特(μV)的步進間隔，掃描0～6伏特的電壓。圖3為多通道DAC的參考架構。

利用PXI模組化儀器，可將混合式訊號測試平台整合至單一測試系統中。圖4為四通道DAC的必要測試系統。

圖4　混合式訊號PXI儀控系統

透過模組化的儀控功能，即可隨時重設或擴充系統，以滿足未來的測試需求。此外，若連接美商國家儀器(NI)LabVIEW程式設計環境，將可進行如總諧波失真(THD)、無雜散動態範圍(SFDR)、訊號雜訊失真比(SINAD)的量測。在此系統中，將可觀察各種因素如電源、電流，而了解裝置效能，以完整進行待測裝置(DUT)的特性描述。

高資料傳輸率：磁碟串流應用

PXI Express儀器的最大優勢，在於其PCIe匯流排的高資料傳輸率，如此不僅可縮短常見自動化應用的測試時間，而且在此之前以現成硬體無法建構的新應用，亦可輕鬆建構。範例之一便是磁碟串流(Stream-to-disk)應用，如訊號情報與數位視訊測試。

傳統桌上型儀器如任意波形發生器、邏輯分析器、高速示波器，均僅內建有限的記憶體，以作為波形資料的臨時暫存區。內建記憶體不僅昂貴且空間有限。而這些儀器可接著透過通用介面匯流排(GPIB)、區域網路(LAN)、通用序列匯流排(USB)介面，於電腦之間來回傳輸波形。而如此僅能達到數個Mbit/s的資料傳輸率。對磁碟串流或記憶體串流(Stream-to-memory)的應用，均需更高的傳輸率。PXI Express憑藉其高傳輸率與低潛時的特性，可提供絕佳的解決方案。

此外，也可以使用美商國家儀器LabVIEW的多執行緒程式設計模型，輕鬆最佳化磁碟串流的應用。由於LabVIEW可動態指派程式設計作業至多個執行緒，因此可將儀器I/O與檔案I/O區分兩組獨立的While迴圈，以達更高的傳輸率。推薦的程式設計方式即為上方迴圈-下方迴圈(Producer-consumer)迴圈結構(圖5)。

圖5　具備佇列結構的Producer-consumer迴圈結構

在圖5中，上方迴圈將透過高速示波器擷取資料，並將資料傳輸至佇列結構，即一組LabVIEW先進先出(FIFO)。而透過此佇列結構，即可於LabVIEW中的多個While迴圈之間傳輸資料。下方迴圈則是從佇列結構中讀取資料，並將其寫入至磁碟中。因為在下方迴圈將資料寫入至磁碟的同時，上方迴圈可繼續擷取資料。此Producer-consumer迴圈結構，可為磁碟串流應用達到最佳效能。

磁碟串流應用效能測試

基於PXI Express儀器的高傳輸率，使用者可讓磁碟串流達到更高的取樣率與通道數。為了確立磁碟串流應用的傳輸率基準，此處使用等式： 傳輸率=取樣率×位元組/樣本×通道數

舉例來說，若使用一組PXIe-5122高速示波器的兩個通道，以最高100MS/s取樣率進行磁碟串流。而這時須注意的是，PXIe-5122為14位元示波器，因此各組樣本均需2B的儲存空間。而PXIe-5122的最高傳輸率則為： 傳輸率=100MS/s×2位元組/樣本×2個通道=400MB/s

為了能夠精確描述真實系統的效能，此處使用一組PXI Express雙核心嵌入式控制器，搭配一組650MB/s的x4 PXI Express RAID-0硬碟驅動。該測試另使用40GB的擷取大小。下列則是使用多組PXIe-5122示波器(其中搭載256MB記憶體)所得的測試結果。表1則根據所需的通道數，呈現磁碟串流應用的最高取樣率。

磁碟串流的變化應用之一，亦是從高速示波器，將資料串流至PXI控制器的內建記憶體。此方法無需RAID硬碟設定，且傳輸率亦不受限於硬碟的寫入速度。實際上，此傳輸率將受限於PCIe的匯流排頻寬，而擷取資料的大小則受限於可用的電腦記憶體空間。

在典型的記憶體串流應用中，電腦記憶體僅作為資料的臨時緩衝區。由於常見的嵌入式控制器可達40MB/s的磁碟寫入速度，因此資料可儲存於記憶體中，直到使用者將其寫入至磁碟為止。

在下列記憶體串流的基本效能中，則採用搭載2GB記憶體的PXI Express雙核心控制器。而各通道可達一億個樣本的擷取大小，讓此測試作業的六個通道需要最多1.2GB電腦記憶體。此處同樣使用多組搭載美商國家儀器256MB記憶體的PXIe-5122示波器，以達取最佳結果，其結果如表2所示。

磁碟串流與記憶體串流應用，之所以能達到極高PXI傳輸率的原因之一，便是採用高頻寬、低潛時的PCIe資料匯流排。若與其他標準資料匯流排相較，則可發現PCIe可達最高輸送率與最低潛時。

中頻磁碟串流建構訊號情報

現有的軍事偵察、衛星通訊、頻譜監控應用，均需長時間將大量資料串流至硬碟。在此之前，這些應用都必須透過高價的客製化硬體，才能建構並維護。但現在卻只要現成(COTS)的PXI與PXI Express儀控功能，即可將波形串流至磁碟，以建構訊號情報(Signal Intelligence)的應用(圖6)。

圖6　通訊系統測試中的磁碟串流設定

為了擷取射頻訊號，此處使用一組高速示波器，透過降轉換器擷取中頻(IF)訊號。此降轉換器是以射頻頻率操作，並使用一組或更多的混頻器而轉譯射頻訊號，讓高速DAC可以順利擷取。透過PXIe-5122高速示波器的兩個通道與100MS/s取樣率，各個通道可透過50MHz頻寬而擷取兩筆中頻訊號。同樣地，將可擷取100MHz的射頻總頻寬。

透過訊號情報應用，往往需要數分鐘或數小時，才能將部分頻譜串流至磁碟。一旦儲存完畢，該份資料即可搭配功率頻譜或時頻頻譜，在軟體中進行後續處理。在某些實例中，也可以透過任意波形產生器，反向產生已擷取的頻譜資料，以模擬出實際環境。

數位視訊測試需長時間擷取波形

另外需要長時間擷取測試波形的應用，即是數位視訊測試。數位視訊介面(DVI)標準可支援液晶顯示器(LCD)與平面電漿顯示器(PDP)。由於新技術需要更高的時脈率，因此移動DVI顯示波形的產生與擷取作業，將需要更長的波形。

圖7　傳輸錯誤所導致的畫素偏移

若要以DVI輸出功能而精確測試機上盒時，是否能長時間產生/擷取數位視訊波形就變得十分重要。舉例來說，若要測試現有機上盒的影像解壓縮與解碼演算法，將須要移動測試波形。由於必須移動圖像才能產生畫素效果，因此單次即必須擷取數位傳輸作業達數秒或數分鐘，才能偵測這些位元錯誤。圖7即顯示畫素對數位影像的影響。

透過PXI Express，即可利用現成的RAID硬碟設定，連續擷取DVI影像達數分鐘甚至數小時。舉例來說，美商國家儀器的PXIe-6537高速數位I/O模組可串流至磁碟，並以最高200MB/s速率持續數小時(2.5小時=1.8TB)。利用現成的PXI儀器，即可進行精確的數位視訊畫素測試。

PXI Express青出於藍更勝於藍

PXI平台可實現軟體定義的彈性量測、整合模組化儀器及極高的資料傳輸率。憑藉這些優勢，PXI儀控可讓各種應用大幅躍進，其中當然包含射頻/通訊量測、混合式訊號ASIC特性描述、訊號情報、數位視訊測試。此外，雖然PXI平台早已提供這些技術優勢，但是PXI Express卻可透過PCIe匯流排而大幅提高傳輸率，更顯著地提升此平台的效能。因而，使用者可建構高精確度的自動測試系統。與先前的系統相較，新款系統不僅可縮短測試時間，也具備更強大的測試功能。

(本文作者任職於美商國家儀器)