PXI-based DAQStreaming 高速实时数据记录系统在高速数字信号检测上的应用

随着科技的进步,数字通信在生活中的应用日渐普及,如计算机间的数据交换、电话语音、电视节目转播、GPS 全球定位系统,到气象或地貌卫星的信息传递的搜集,都与数字通信有直接的联系。以卫星通信为例,卫星通信中通常利用 C 或 Ku 波段的高频电磁波做为载波,在载波上调变一高速的序列化数字数据,数据的速率约在数百 Mbps 到数个 Gbps。地面卫星站在收到卫星信号后,将高频信号进行解调变,再将序列化的数字数据还原成有用的数据形式。为了确保在传输过程中数据的完整性与可靠性,我们必须有一套有效的机制来记录通讯过程中传递的数字数据,以便事后的检测与分析。由于计算机系统中硬盘速度的瓶颈、PCI 频宽的限制,以及档案系统的 overhead,如何去采集并持续记录如此大量而高速的数据,一直是一项极大的挑战。

凌华科技的 DAQStreaming 是一套用于高速数据撷取与纪录的系统。有别于传统上利用昂贵的特殊硬件装置进行高速数据记录的做法,DAQStreaming 系统利用先进的软件技术搭配商用的数据采集装置与 SCSI 储存装置来达成 40MB/s 的高速数据记录。透过精确的 DMA 控制与直接存取 SCSI 硬盘的能力,DAQStreaming 可以实现实时的数据采集与记录,最长可以在 40MB/s 的数据量下持续记录 90 分钟。

DAQStreaming 系统提供数种不同的配置以适用于不同的信号种类与操作环境,包括了用于高速模拟信号记录的 A1 系列、用于多信道同步信号记录的 S1 系列,以及用于高速数字信号记录的 D1 系列。在平台的选择上,则有适合在户外使用的便携式机箱,以及适用于高温、潮湿、震动等恶劣环境的 PXI 机箱。

PXI 结合 CompactPCI 强固的的机构设计以及量测应用所需的同步及触发电气信号,俨然成为下一代量测平台的新标准。在接下的应用范例讨论中,客户利用 PXI-based 的 DAQStreaming 系统进行卫星信号的记录,并且透过 DAQStreaming波形重放的功能在实验室中重新产生所记录的卫星信号。

在这个应用中,我们要记录一组调变于载波上的高速序列化数字信号,数字信号的频率为 300Mbps。DAQStreaming D1 系列的数据采集模块提供高速数字采样的功能,可以使用 10MHz 的频率采样 32 个信道的数字信号,或是以 20MHz 的频率采样 16 个信道的数字信号。在接收卫星信号后,首先进行解调变的动作,去除信号中的载波成分,得到一组 300Mbps 的序列化数字信号。接下来客户透过一个自制的模块将这一组序列化的信号转为 30 通道并列 (parallel) 的信号,然后输入到 DAQStreaming 的数据采集模块。DAQStreaming 会以 10MHz 的频率进行采样,透过精确的 DMA 控制将采样数据传至主存储器中,并透过直接控制 SCSI 硬盘存取的方式,将 300Mbps (37.5MB/s) 的数据实时储存至硬盘中。数据记录的流程如下图所示:

除了高速的数字数据记录之外,DAQStreaming D1 系列同时支持波形回放的功能。用户可以将 DAQStreaming D1 的数字数据采集模块设定为 32-CH @ 10MHz 或 16-CH @ 20MHz 的高速数字输出。透过相反的流程,所有接收并储存在 DAQStreaming 系统中的数据可以在实验室中重现,用来检测接收设备的品质,或对接收到的数据作后续的分析。

DAQStreaming 提出了一套实行高速数据记录的全新架构。有别于传统透过特殊硬盘控制卡的方式,DAQStreaming 使用先进的软件技术搭配商用的数据采集卡及 SCSI 装置,提供一套高达 40MB/s 数据记录解决方案。同时配合 DAQStreaming 内完整的软件架构,用户可以轻易执行数据记录储存/检视的功能,或是透过 API 及 ActiveX 组件的协助,开发特殊的数据记录或后续处理的应用程序。在本文的应用范例中,用户选择 PXI-based 的 DAQStreaming 系统用于恶劣的工作环境中。针对其它的操作环境,DAQStreaming 亦提供了便携式的机箱,可以在户外或实验室内操作。DAQStreaming 的出现,为需要高速数据记录应用的客户,提供一套完整而经济的解决方案。