CN113258941A - 一种矢量信号产生模块及产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种矢量信号产生模块及产生方法，将部署有GPU显卡的通用计算机计算产生的数字基带信号通过GPU显卡自带的Displayport接口传送至DA信号产生板卡，进行数字上变频和数模转换处理，转换为模拟中频信号输出，产生矢量信号。本发明通过GPU显卡自带的Displayport接口作为数字矢量信号的传输接口，不需要通过PCIe总线，从而避免了PCIe总线带宽的占用。同时，这种方法也不需要PCIe桥接卡，从而大幅度节省了成本。本发明降低了CPU+GPU联合计算产生数字矢量信号向DA板卡传输的中间延迟，消除这一传输过程对PCIe资源的消耗，并且能够降低传输成本。
Description
技术领域
本发明属于微波射频信号产生领域，具体涉及一种矢量信号产生模块及产生方法。
背景技术
在通信、雷达、电子战等领域，微波射频信号的产生是非常重要的一个基础环节。在现代电信技术条件下，基于“软件无线电”的矢量信号产生技术成为了微波射频信号产生的主流方法。
矢量信号产生技术的主要原理是：利用高性能数字处理器产生时域数字信号，并把这个数字信号送入数模转换（DA）芯片中，由DA芯片产生低频或中频微波信号。再通过混频器、滤波器等变频模块，将低频或中频信号搬移至所需要的频段上。由于基带信号是在数字域产生的，因此，矢量信号产生技术能够产生各种各样的调制波形，信号生成样式丰富，且可灵活变化。系统设计师们可以根据实际的应用需求，采用矢量信号产生技术，灵活的产生所需要的信号波形。这成为了现代电信技术实现“软件无线电”的重要基石。
矢量信号产生技术的关键之一是计算产生数字基带信号的方法。一般而言，有以下几种技术可供选择：
a. 利用传统CPU计算产生数字基带信号；
b. 利用专用信号处理芯片DSP计算产生数字基带信号；
c. 利用现场可编程逻辑芯片FPGA计算产生数字基带信号；
d. 利用专用芯片计算产生数字基带信号；
e. 利用CPU+GPU联合，计算产生数字基带信号。
现逐一分析。
方法a：由于CPU指令集复杂，因此执行信号处理算法效率非常低下。这种方法一般仅适用于离线产生数字基带信号并回放。
方法b、c、d：采用DSP、FPGA、专用芯片等来计算产生数字基带信号是一种主流的技术方法。但是采用这一方法成本较高，且需要专业技术背景的开发人员进行专门的开发。通常这种方法多应用于实际产品开发中。对于研究、测试等应用条件下，无法采用这种技术手段进行。
方法e：随着GPU技术的发展，采用CPU+GPU联合计算的方式成为快速产生大带宽矢量数字信号的热门方案。由于其部署的便捷性，这种方法可以被广泛的用于科学研究、检验测试等需要快速生成矢量信号的领域中。
但是，采用CPU+GPU联合计算产生数字矢量信号如何高效的传输给DA芯片，成为这一技术进一步应用的关键瓶颈。
目前的解决方案有以下几种：
a. 研制带有DA芯片的PCIe板卡，将其直接集成进计算机系统中。CPU+GPU联合计算产生的数字矢量信号通过PCIe总线DMA方式传输进PCIe DA板卡，在PCIe DA板卡上变换为模拟信号输出。
这一方法的问题主要有两点：
1. PCIe板卡有尺寸限制，在一个计算机系统内又有体积和功耗的限制，这注定了PCIe DA板卡不能设计的很复杂。对于多通道、高采样率的DA芯片，就无法通过这一方法实现。
2. 这一方法本质上是将CPU+GPU联合计算产生的数字矢量信号通过PCIe总线的DMA方式传输。这在实际上是消耗的PCIe的总线资源，也增加了信号传输链路，提高了信号传输延迟。
b. 研制专用的PCIe光纤传输板卡，将其直接集成进计算机系统中。CPU+GPU联合计算产生的数字矢量信号通过PCIe总线DMA方式传输进PCIe光纤传输板卡。PCIe光纤传输板卡再将数字信号通过光纤传输至DA板卡上，然后在DA板卡上将数字信号转换为模拟信号输出。
这一方法解决了方案a的第一个问题，DA板卡的尺寸、功耗可以不受计算机系统的限制，从而可以实现高带宽、多通道的复杂DA技术。但是方案a的第二个问题依旧存在。而且由于多了光纤链路，致使整个系统的链路环节进一步提升，延迟进一步增加。
同时，不管是方案a还是方案b，都是要设计专用板卡。由于高带宽矢量信号产生一般用于科学研究、检验检测领域，因此用户数量较小，难以形成足以降低成本的批量化生产。故而，不管是方案a还是方案b，都具有较高的成本。
下面简述两种现行的较为成熟的矢量信号产生方法。
1）专用处理方法。
如图1所示，专用处理方法产生矢量信号是采用FPGA或DSP或ASIC（或是多种结合），研制专用的处理板卡，进行数字矢量信号的计算与产生。然后将计算好的数字矢量信号通过高速总线发送给DA板卡。通过DA板卡进行后续工作。
这种方法最大的问题就是专用处理板卡研制费用高昂，不易升级，使用不灵活，导致矢量信号产生设备研发周期长，不易升级迭代，成本较高。
2）GPU计算方法。
GPU计算方法采用GPU作为数字矢量信号计算的物理器件。由于GPU通用化程度较高，开发灵活。因此，在科学研究、检验检测领域，应用较为广泛。
其主要原理框图如图2所示，在计算机的控制下，GPU计算数字矢量信号，并将数字矢量信号通过PCIe DMA方式直接传送给PCIe桥接卡。PCIe桥接卡将数字矢量信号转发给DA板卡。通过DA板卡进行后续工作。
GPU计算方法能够解决专用处理方法开发不灵活，研发周期长，不易升级迭代的问题。但是由于增加PCIe桥接卡，导致信号传输链路较长，延迟较大，占用计算机PCIe总线带宽等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种矢量信号产生模块及产生方法，能够降低CPU+GPU联合计算产生数字矢量信号向DA板卡传输的中间延迟，消除这一传输过程对PCIe资源的消耗，并且能够降低传输成本。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种矢量信号产生模块，包括：
部署有GPU显卡的通用计算机，用于计算产生数字基带信号，并将数字基带信号通过GPU显卡自带的Displayport接口传送至DA信号产生板卡；
DA信号产生板卡，用于对接收到的数字基带信号进行数字上变频和数模转换处理，转换为模拟中频信号输出，产生矢量信号；
参考频率源，用于为DA信号产生板卡提供参考时钟。
还包括上变频模块，用于当所需要的矢量信号频率超过DA信号产生板卡直接输出的中频频率范围时，将DA信号产生板卡输出的中频信号频率搬移到所需要的矢量信号频率范围内，此时参考频率源模块还用于为上变频模块提供本振信号。
所述DA信号产生板卡包括以下电子元件：
DP UFP连接器：通过Displayport电缆与GPU显卡输出接口连接，再将Displayport电缆的信号连接到retimer芯片上；
retimer芯片：对接收到的Displayport信号进行调理放大，再将调理放大后的Displayport信号接到FPGA芯片上；
FPGA芯片：利用Displayport IP对接收到的Displayport信号进行协议解析和信号处理，产生DA输出数字信号，然后将DA输出数字信号传送至DA芯片；
DA芯片：对接收到的DA输出数字信号进行数模转换，变成模拟信号，并传送至SMA连接器；
SMA连接器：将接收到的模拟信号对外输出。
所述DP UFP连接器与retimer芯片之间通过4x PCB高速走线连接，retimer芯片与FPGA芯片之间通过4x PCB高速走线连接，FPGA芯片与DA芯片之间通过jesd204b PCB高速走线连接。
所述FPGA芯片中布置有以下IP：
Video PHY IP：将进入FPGA芯片的Displayport信号转换为FPGA内部总线信号；
Displayport IP：将FPGA内部总线信号转换为AXIS信号；
JESD204B IP：将AXIS信号转换为JESD204B信号输出。
一种矢量信号产生方法，包括以下步骤：
1）采用部署有GPU显卡的通用计算机计算产生数字基带信号；
2）数字基带信号通过GPU显卡自带的Displayport接口传送至DA信号产生板卡；DA信号产生板卡接收到数字基带信号后，进行数字上变频和数模转换处理，转换为模拟中频信号输出，产生矢量信号；在此过程中参考频率源模块为DA信号产生板卡提供参考时钟；
3）当所需要的矢量信号频率较高，超过了DA信号产生板卡直接输出的中频频率范围时，增加上变频模块，将DA信号产生板卡输出的中频信号频率搬移到所需要的矢量信号频率范围内，此时参考频率源模块还为上变频模块提供本振信号。
所述步骤2）具体包括以下步骤：
2-1） GPU显卡输出接口通过Displayport电缆与DA信号产生板卡上的DP UFP连接器连接；DP UFP连接器通过4x PCB高速走线将Displayport电缆的信号连接到retimer芯片上；
2-2）retimer芯片将接收到的信号进行调理放大后，再通过4x PCB高速走线连接到FPGA芯片中；
2-3）FPGA芯片利用Displayport IP对Displayport信号进行协议解析和信号处理，产生DA输出数字信号，然后通过jesd204b PCB高速走线将DA输出数字信号传送至DA芯片；
2-4）DA芯片对DA输出数字信号进行数模转换后变成模拟信号，模拟信号通过PCB走线进入到SMA连接器后，通过SMA连接器对外输出。
所述步骤2-3）具体包括以下步骤：
2-3-1）在FPGA芯片中布置一个Video PHY IP，将进入FPGA芯片的Displayport信号转换为FPGA内部总线信号；
2-3-2）布置一个Displayport IP，将FPGA内部总线信号转换为方便用户使用的AXIS信号，同时负责整个displayport传输过程中的控制和训练；
2-3-3）根据实际算法需求，用户可自行设计相关的信号处理IP，如不需要，则该信号处理IP可省略；
2-3-4）布置一个JESD204B IP，将AXIS信号转换为JESD204B信号输出。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明在GPU计算方法的基础上，通过GPU显卡自带的Displayport接口作为数字矢量信号的传输接口，不需要通过PCIe总线，从而避免了PCIe总线带宽的占用。同时，这种方法也不需要PCIe桥接卡，从而大幅度节省了成本。本发明能够降低CPU+GPU联合计算产生数字矢量信号向DA板卡传输的中间延迟，消除这一传输过程对PCIe资源的消耗，并且能够降低传输成本。
附图说明
图1是专用处理方法产生矢量信号的示意图；
图2是GPU计算方法产生矢量信号的示意图；
图3为本发明提供的矢量信号产生模块及方法的示意图；
图4为本发明中DA信号产生板卡的硬件结构图；
图5为本发明的DA信号产生板卡中的FPGA固件层面示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明，以下实例仅用于描述本发明而不用于限制本发明的使用范围，各领域工程技术人员对本发明的各种等价变换均包含在本发明所要求的权力范围内。
本发明提供的矢量信号产生模块包括以下几个部分：
1.一台部署了GPU显卡的通用计算机
2.一块DA信号产生板卡（简称DA板卡）
3.一个上变频模块（可根据需要选配）
4.一个参考频率源
其连接关系如图3所示。
通用计算机是用于计算产生数字基带信号的。由于数字基带信号实时运算量十分巨大，因此通常采用GPU显卡进行计算。当GPU显卡计算完以后，直接将数字基带信号通过GPU显卡自带的Displayport接口传送至DA板卡。
DA板卡接收到数字基带信号后，进行数字上变频和数模转换处理后，转换为模拟中频信号，输出至上变频模块。
上变频模块可以根据需要选配。如果所需要的矢量信号频率较低，DA板卡直接输出的中频频率范围已经能够满足，则不需要上变频模块；如果所需要的矢量信号频率较高，超过了DA板卡直接输出的中频频率范围，则需要增加上变频模块，将频率搬移到所需要的频率范围内。
参考频率源模块为DA板卡提供参考时钟，同时为上变频模块提供本振信号。
如图4所示，所述DA信号产生板卡具体包括以下电子元件：
DP UFP连接器：通过Displayport电缆与GPU显卡输出接口连接，再将Displayport电缆的信号通过4x PCB高速走线连接到retimer芯片上；
retimer芯片：对接收到的Displayport信号进行调理放大，再将调理放大后的Displayport信号通过4x PCB高速走线接到FPGA芯片上；
FPGA芯片：利用Displayport IP对接收到的Displayport信号进行协议解析和信号处理，产生DA输出数字信号，然后通过jesd204b PCB高速走线将DA输出数字信号传送至DA芯片；
DA芯片：对接收到的DA输出数字信号进行数模转换，变成模拟信号，并传送至SMA连接器；
SMA连接器：将接收到的模拟信号对外输出。
如图5所示，所述FPGA芯片中布置有以下IP：
Video PHY IP：将进入FPGA芯片的Displayport信号转换为FPGA内部总线信号；
Displayport IP：将FPGA内部总线信号转换为AXIS信号；
信号处理IP（可选）：根据实际算法需求，用户可自行设计；如不需要，则可省略；
JESD204B IP：将AXIS信号转换为JESD204B信号输出。
参见图3，本发明提供的矢量信号产生方法包括以下步骤：
1）采用一台部署有GPU显卡的通用计算机计算产生数字基带信号；
2）数字基带信号通过GPU显卡自带的Displayport接口传送至DA板卡；DA板卡接收到数字基带信号后，进行数字上变频和数模转换处理，转换为模拟中频信号输出，产生矢量信号；此过程中参考频率源模块为DA板卡提供参考时钟；
3）当所需要的矢量信号频率较高，超过了DA板卡直接输出的中频频率范围时，增加上变频模块，将频率搬移到所需要的频率范围内，此时参考频率源模块还为上变频模块提供本振信号。
本发明采用GPU自带Displayport接口传输数字矢量信号给DA设备，所述GPU可以是（但不限于）通用图形显示板卡（即显卡）。
本发明中使用Displayport接口接收数据的具体方案如下。
一、硬件层面
如图4所示。GPU显卡输出接口通过一根Displayport（DP）电缆，与DA信号产生板卡上的DP UFP连接器连接。在DA信号产生板卡上，DP UFP连接器通过4x PCB高速走线将DP电缆的信号连接到retimer芯片上。retimer芯片将信号进行调理放大后，再通过4x PCB高速走线连接到FPGA芯片中。FPGA芯片利用displayport IP对DP信号进行协议解析和信号处理，产生DA输出数字信号。然后FPGA芯片通过jesd204b PCB高速走线将DA数字信号传送至DA芯片。DA芯片进行数模转换后变成模拟信号，模拟信号通过一段PCB走线进入到SMA连接器后，通过SMA连接器对外输出。
上述器件均为货架产品，具体使用方式均有相应的说明书。
以下列出一种可能的选型配置清单，但不限于此。
GPU显卡：RTX3080
DP UFP连接器：2129320
retimer芯片：DP159RGZ
FPGA芯片：XCZU15EG-2FFVB1156
DA芯片：AD9172
SMA连接器：SMA-KYWHD17
二、GPU软件层面：
根据具体信号带宽，设定一种分辨率和刷新率。假设分辨率为1920×1080。在windows系统下，设计一个软件，其窗口大小为1920×1080。关闭所有GPU渲染通道。并通过软件编程，设定为全屏工作，工作屏幕可设定。
在GPU显卡与DA信号产生板卡互联后，该软件开始工作。将软件运行界面中的每个像素点定义为一个信号值，这样循环往复输出，从而完成GPU信号输出的功能，产生数字基带信号。
上述软件开发可使用但不限于python、visual studio等平台开发。软件开发过程并不涉及本领域技术人员不熟悉或不成熟的技术。
三、FPGA固件层面：
如图5所示：信号进入FPGA芯片后，首先在FPGA中布置一个Video PHY IP，将displayport信号转换为FPGA内部总线信号。然后布置一个Displayport IP，主要功能是将FPGA内部总线信号转换为方便用户使用的AXIS信号，同时负责整个displayport传输过程中的相关控制和训练。其次，根据实际算法需求，用户可自行设计相关的信号处理IP，如不需要，则该IP可省略。最后，布置一个JESD204B IP，将AXIS信号转换为JESD204B信号输出。
Video PHY IP、Displayport IP、JESD204B IP为公开销售的成熟IP，有完整的使用说明。信号处理IP为根据不同需求自主开发的IP，且可以去除，与本发明实质内容关联度不高，因此不予深入描述。
以下为Video PHY IP、Displayport IP、JESD204B IP的一种可能案例。
Video PHY IP：xilinx公司的video PHY Controller v2.2
Displayport IP：xilinx公司的displayport RX subsystem v2.1
JESD204B IP：xilinx公司的JESD204 v7.2
本发明的优势如下。
本发明在GPU计算方法的基础上，通过GPU显卡自带的Displayport接口作为数字矢量信号的传输接口，不需要通过PCIe总线，从而避免了PCIe总线带宽的占用。同时，这种方法也不需要PCIe桥接卡，从而大幅度节省了成本。
单个Displayport 1.4a支持最高32.4Gb/s以上的总线带宽，转换为信号带宽可达1.5GHz（I/Q共计16bit计算）。通常一块GPU显卡上带有3-4个Displayport接口。这样单显卡本身的数字信号输出能力最高可达4GHz以上。这足以满足大多数矢量信号产生的带宽需求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种矢量信号产生模块，其特征在于，包括：部署有GPU显卡的通用计算机，用于计算产生数字基带信号，并将数字基带信号通过GPU显卡自带的Displayport接口传送至DA信号产生板卡；DA信号产生板卡，用于对接收到的数字基带信号进行数字上变频和数模转换处理，转换为模拟中频信号输出，产生矢量信号；参考频率源，用于为DA信号产生板卡提供参考时钟。
2.根据权利要求1所述的矢量信号产生模块，其特征在于：还包括上变频模块，用于当所需要的矢量信号频率超过DA信号产生板卡直接输出的中频频率范围时，将DA信号产生板卡输出的中频信号频率搬移到所需要的矢量信号频率范围内，此时参考频率源模块还用于为上变频模块提供本振信号。
3.根据权利要求1或2所述的矢量信号产生模块，其特征在于：所述DA信号产生板卡包括以下电子元件：
DP UFP连接器：通过Displayport电缆与GPU显卡输出接口连接，再将Displayport电缆的信号连接到retimer芯片上；
retimer芯片：对接收到的Displayport信号进行调理放大，再将调理放大后的Displayport信号接到FPGA芯片上；
FPGA芯片：利用Displayport IP对接收到的Displayport信号进行协议解析和信号处理，产生DA输出数字信号，然后将DA输出数字信号传送至DA芯片；
DA芯片：对接收到的DA输出数字信号进行数模转换，变成模拟信号，并传送至SMA连接器；
SMA连接器：将接收到的模拟信号对外输出。
4.根据权利要求3所述的矢量信号产生模块，其特征在于：所述DP UFP连接器与retimer芯片之间通过4x PCB高速走线连接，retimer芯片与FPGA芯片之间通过4x PCB高速走线连接，FPGA芯片与DA芯片之间通过jesd204b PCB高速走线连接。
5.根据权利要求3所述的矢量信号产生模块，其特征在于：所述FPGA芯片中布置有以下IP：
Video PHY IP：将进入FPGA芯片的Displayport信号转换为FPGA内部总线信号；
Displayport IP：将FPGA内部总线信号转换为AXIS信号；
JESD204B IP：将AXIS信号转换为JESD204B信号输出。
6.一种矢量信号产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）采用部署有GPU显卡的通用计算机计算产生数字基带信号；
2）数字基带信号通过GPU显卡自带的Displayport接口传送至DA信号产生板卡；DA信号产生板卡接收到数字基带信号后，进行数字上变频和数模转换处理，转换为模拟中频信号输出，产生矢量信号；在此过程中参考频率源模块为DA信号产生板卡提供参考时钟；
3）当所需要的矢量信号频率较高，超过了DA信号产生板卡直接输出的中频频率范围时，增加上变频模块，将DA信号产生板卡输出的中频信号频率搬移到所需要的矢量信号频率范围内，此时参考频率源模块还为上变频模块提供本振信号。
7.根据权利要求6所述的矢量信号产生方法，其特征在于：所述步骤2）具体包括以下步骤：
2-1） GPU显卡输出接口通过Displayport电缆与DA信号产生板卡上的DP UFP连接器连接；DP UFP连接器通过4x PCB高速走线将Displayport电缆的信号连接到retimer芯片上；
2-2）retimer芯片将接收到的信号进行调理放大后，再通过4x PCB高速走线连接到FPGA芯片中；
2-3）FPGA芯片利用Displayport IP对Displayport信号进行协议解析和信号处理，产生DA输出数字信号，然后通过jesd204b PCB高速走线将DA输出数字信号传送至DA芯片；
2-4）DA芯片对DA输出数字信号进行数模转换后变成模拟信号，模拟信号通过PCB走线进入到SMA连接器后，通过SMA连接器对外输出。
8.根据权利要求7所述的矢量信号产生方法，其特征在于：所述步骤2-3）具体包括以下步骤：
2-3-1）在FPGA芯片中布置一个Video PHY IP，将进入FPGA芯片的Displayport信号转换为FPGA内部总线信号；
2-3-2）布置一个Displayport IP，将FPGA内部总线信号转换为方便用户使用的AXIS信号，同时负责整个Displayport传输过程中的控制和训练；
2-3-3）根据实际算法需求，用户可自行设计相关的信号处理IP，如不需要，则该信号处理IP可省略；
2-3-4）布置一个JESD204B IP，将AXIS信号转换为JESD204B信号输出。
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