Realisierung eines High Speed Data Streaming Systems
Ausgangssituation und Aufgabenstellung
Bei der Realisierung von Testapplikationen wird immer wieder der Wunsch vorgebracht, Daten mit großer Bandbreite aufzeichnen und wiedergeben zu können. Hersteller aus den Bereichen Telekommunikation, Automobil- oder Radartechnik müssen in der Lage sein, ihre Produkte im Bezug auf Empfangsqualität reproduzierbar zu testen. Um dies zu ermöglichen, wurde in Kooperation mit der Hochschule Niederrhein in Krefeld ein robustes modulares High Speed Data Streaming System realisiert, das sowohl für den Laboreinsatz als auch für den mobilen Betrieb konfiguriert werden kann.
Schnellere Computersysteme sowie Innovationen im Bereich vielkanaliger oder breitbandiger Datenerfassung führen dazu, dass immer größere Datenmengen aufgenommen und verwaltet werden müssen. Bei der Erfassung verwendet man die teuren aber begrenzten Onboard-Speicher der Datenerfassungskarten, die die Dauer der aufgezeichneten und erzeugten breitbandigen Signale zeitlich stark begrenzen. Bei Auflösungen von 14 bis 16 Bit und Sample-Raten von 50MS/s ist ein dauerhaftes Streaming auf Basis bestehender PC-Technologie nicht ohne weitere Modifikation möglich.
Umsetzung und Herausforderung
Auf Basis der offenen PXI-Plattform und der StreamStor-Technologie konnte ein funktionsfähiges Hochgeschwindigkeitserfassungs- und Wiedergabesystem realisiert werden. Die StreamStor-Technologie basiert auf einem Festplattencontroller, mit Raidsystem. Spezielle Treiber ermöglichen den unmittelbaren Zugriff auf die Daten in den Speichern der Erfassungs-/Generierungskarten. Hierzu wird der Embedded PXI-Controller umgangen, so dass die gesamte Bandbreite des PXI-Busses zur Verfügung steht und gleichzeitig zwei Probleme gelöst werden: Zum einen müssen die Daten nicht zweifach (Erfassen und Speichern) über den PXI-Bus transportiert werden, zum anderen müssen die aufgezeichneten Daten nicht von der CPU verarbeitet werden. Sie werden in Rohform direkt auf dem Raidsystem abgelegt. Das System erlaubt eine maximale, kontinuierliche Datenrate von 100MByte/s.
Da die Daten im Rohformat vorliegen und nur als Ganzes betrachtet werden können, gestaltet sich ihre Handhabung sehr schwierig. Mittels der Programmiersprache LabVIEW wurde auf Basis einer speziell auf das StreamStor-System zugeschnittenen File Allocation Table (FAT) ein Filehandling-System entwickelt.
Aufgrund der fast 100-prozentigen Auslastung des PXI-Busses durch das Echtzeit-Streaming können keine Daten von anderen Quellen gespeichert werden. Über ein synchronisiertes File auf dem Embedded Controller, in dem alle FAT-Informationen, Aufnahmeparameter und Metainformationen enthalten sind, ist eine Verwaltung des Streams möglich.
Bei der Realisierung von Testapplikationen wird immer wieder der Wunsch vorgebracht, Daten mit großer Bandbreite aufzeichnen und wiedergeben zu können. Hersteller aus den Bereichen Telekommunikation, Automobil- oder Radartechnik müssen in der Lage sein, ihre Produkte im Bezug auf Empfangsqualität reproduzierbar zu testen. Um dies zu ermöglichen, wurde in Kooperation mit der Hochschule Niederrhein in Krefeld ein robustes modulares High Speed Data Streaming System realisiert, das sowohl für den Laboreinsatz als auch für den mobilen Betrieb konfiguriert werden kann.
Schnellere Computersysteme sowie Innovationen im Bereich vielkanaliger oder breitbandiger Datenerfassung führen dazu, dass immer größere Datenmengen aufgenommen und verwaltet werden müssen. Bei der Erfassung verwendet man die teuren aber begrenzten Onboard-Speicher der Datenerfassungskarten, die die Dauer der aufgezeichneten und erzeugten breitbandigen Signale zeitlich stark begrenzen. Bei Auflösungen von 14 bis 16 Bit und Sample-Raten von 50MS/s ist ein dauerhaftes Streaming auf Basis bestehender PC-Technologie nicht ohne weitere Modifikation möglich.
Umsetzung und Herausforderung
Auf Basis der offenen PXI-Plattform und der StreamStor-Technologie konnte ein funktionsfähiges Hochgeschwindigkeitserfassungs- und Wiedergabesystem realisiert werden. Die StreamStor-Technologie basiert auf einem Festplattencontroller, mit Raidsystem. Spezielle Treiber ermöglichen den unmittelbaren Zugriff auf die Daten in den Speichern der Erfassungs-/Generierungskarten. Hierzu wird der Embedded PXI-Controller umgangen, so dass die gesamte Bandbreite des PXI-Busses zur Verfügung steht und gleichzeitig zwei Probleme gelöst werden: Zum einen müssen die Daten nicht zweifach (Erfassen und Speichern) über den PXI-Bus transportiert werden, zum anderen müssen die aufgezeichneten Daten nicht von der CPU verarbeitet werden. Sie werden in Rohform direkt auf dem Raidsystem abgelegt. Das System erlaubt eine maximale, kontinuierliche Datenrate von 100MByte/s.
Da die Daten im Rohformat vorliegen und nur als Ganzes betrachtet werden können, gestaltet sich ihre Handhabung sehr schwierig. Mittels der Programmiersprache LabVIEW wurde auf Basis einer speziell auf das StreamStor-System zugeschnittenen File Allocation Table (FAT) ein Filehandling-System entwickelt.
Aufgrund der fast 100-prozentigen Auslastung des PXI-Busses durch das Echtzeit-Streaming können keine Daten von anderen Quellen gespeichert werden. Über ein synchronisiertes File auf dem Embedded Controller, in dem alle FAT-Informationen, Aufnahmeparameter und Metainformationen enthalten sind, ist eine Verwaltung des Streams möglich.
Zusätzliche GPS-Daten können auf der integrierten Festplatte des PXI-Controllers hinterlegt werden. Daraus ergeben sich umfangreiche Möglichkeiten, Zusammenhänge zwischen den aufgenommenen Signalen und den vom Anwender festgelegten Zusatzinformationen wie Umgebungsdaten, Metainformationen und Kommentaren herzustellen. Um die benutzerfreundliche, interaktive Verwaltung der Streaming-Daten zu vervollständigen, sind weitere Funktionen wie Backup, Restore und ein Editor für Benutzerdaten integriert. Damit können auch andere Schnittstellen (CAN, MOST, LIN) in das System integriert werden.
Fazit und Ausblick
Mit dem High Speed Data Streaming System lassen sich Signale mit einer maximalen Bandbreite von 20MHz aufzeichnen und wiedergeben. Über entsprechende Mischertechnologien kann der Arbeitsbereich von 250kHz bis 2,7GHz frei gewählt werden. Dies ermöglicht dem System ein breites Anwendungsspektrum.
Das System konnte unmittelbar zu einem Car Radio Tester weiterentwickelt und für den Test von Autoradios optimiert werden. Es ist möglich, den FM Bereich von 88MHz bis 108MHz während einer Testfahrt mit Zusatzinformationen aufzuzeichnen und im Labor abzuspielen, so dass reproduzierbare Testszenarien aufgebaut werden können.
Entwickler von Navigationsgeräten oder mobilen Multimediageräten benötigen reale Umgebungen, um die Produkte zu validieren bzw. zu testen. Dies war bislang nur bedingt möglich, wobei aufwendige und zeitintensive Testfahrten durchgeführt werden mussten. Treten besondere Merkmale oder Fehler in bestimmten Sendegebieten auf, können sie in einem Testprofil abgelegt und in Echtzeit wiedergeben werden. Bei einer maximalen Aufnahmedauer von 7,5 Stunden kann ein aussagekräftiges Portfolio von Testszenarien mit Aufnahmen signifikanter Teilstrecken für AM, FM oder DAB zusammengestellt werden. Es wird derzeit an weiteren Varianten des Systems gearbeitet, um neueste Technologien, wie PXIe zu integrieren. Eine Erhöhung der Datenrate ist ebenso denkbar wie parallele Anwendungen durch die Kombination von PXI und PXIe-Technologien. Lesen Sie mehr hierzu bei URT und den neuesten RF Record- & Playback Systemen.
Fazit und Ausblick
Mit dem High Speed Data Streaming System lassen sich Signale mit einer maximalen Bandbreite von 20MHz aufzeichnen und wiedergeben. Über entsprechende Mischertechnologien kann der Arbeitsbereich von 250kHz bis 2,7GHz frei gewählt werden. Dies ermöglicht dem System ein breites Anwendungsspektrum.
Das System konnte unmittelbar zu einem Car Radio Tester weiterentwickelt und für den Test von Autoradios optimiert werden. Es ist möglich, den FM Bereich von 88MHz bis 108MHz während einer Testfahrt mit Zusatzinformationen aufzuzeichnen und im Labor abzuspielen, so dass reproduzierbare Testszenarien aufgebaut werden können.
Entwickler von Navigationsgeräten oder mobilen Multimediageräten benötigen reale Umgebungen, um die Produkte zu validieren bzw. zu testen. Dies war bislang nur bedingt möglich, wobei aufwendige und zeitintensive Testfahrten durchgeführt werden mussten. Treten besondere Merkmale oder Fehler in bestimmten Sendegebieten auf, können sie in einem Testprofil abgelegt und in Echtzeit wiedergeben werden. Bei einer maximalen Aufnahmedauer von 7,5 Stunden kann ein aussagekräftiges Portfolio von Testszenarien mit Aufnahmen signifikanter Teilstrecken für AM, FM oder DAB zusammengestellt werden. Es wird derzeit an weiteren Varianten des Systems gearbeitet, um neueste Technologien, wie PXIe zu integrieren. Eine Erhöhung der Datenrate ist ebenso denkbar wie parallele Anwendungen durch die Kombination von PXI und PXIe-Technologien. Lesen Sie mehr hierzu bei URT und den neuesten RF Record- & Playback Systemen.