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Digitizer mit Block Average

Neues Verfahren für die Mittelung langer und schwacher Signale

26. März 2019, 16:45 Uhr | Nicole Wörner

Das neue Averaging-Paket ist für alle Nutzer interessant, die mit schwachen Signalen arbeiten oder bei denen Signaldetails aufgrund von starkem Rauschen verloren gehen.

Ein neues Signal-Averaging-Paket von Spectrum Instrumentation könnte die Art und Weise, wie Signale erfasst und gemittelt werden können, revolutionieren.

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Die Signalmittelung spielt eine entscheidende Rolle in Anwendungen, in denen Signaldetails, die in zufälligem Rauschen verborgen sind, extrahiert und analysiert werden müssen. Ein neues Signal-Averaging-Paket von Spectrum Instrumentation verwendet SCAPP (Spectrums CUDA Access for Parallel Processing) zusammen mit den neuesten Digitizern des Unternehmens, um die parallele Struktur einer CUDA-Grafikkarte zur Datenbearbeitung nutzbar zu machen. Dabei werden die Daten mithilfe von RDMA-Übertragung (Remote Direct Memory Access) direkt an eine GPU gesendet, wo eine schnelle Zeit- und Frequenzbereichs-Signalmittelung möglich ist und Einschränkungen, die bei anderen Ansätzen auftreten, vermieden werden.

Zum Hintergrund:…

...»Bisher hatten Entwickler, die eine Signalmittelung durchführen wollten, drei grundlegende Möglichkeiten«, erklärt Oliver Rovini, Technischer Leiter und Prokurist bei Spectrum Instrumentation. »Sie konnten zum einen ein digitales Oszilloskop kaufen, das die Signalmittelung beinhaltet. Eine weitere Möglichkeit war die Anschaffung einer Digitizer-Karte, wobei die digitalisierten Daten an einen PC gesendet werden und der Host-Prozessor die Berechnungen durchführt. Als dritte Möglichkeit konnten sie einen speziellen Digitizer erwerben, der mit FPGA-Technologie die Signalmittelung selbst übernimmt. Jedoch haben alle diese drei Techniken gravierende Einschränkungen, wenn die Mittelung für lange Signale durchgeführt werden muss. Digitale Oszilloskope verwenden normalerweise 8-bit-Analog-Digital-Wandler (ADCs), was ein ungünstiges Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zur Folge hat. Darüber hinaus ist die Fähigkeit zur Mittelung typischerweise durch kleine Prozessoren und einen begrenzten Onboard-Speicher eingeschränkt. Schnelle Digitizer können im Allgemeinen viel höhere A/D-Auflösungen und mehr Speicher bieten. Jedoch wird die Erfassungsgeschwindigkeit der Digitizerkarte normalerweise durch die maximale Datenübertragungsrate des PCs limitiert, während außerdem der Host-Prozessor neben der Mittelung viele weitere Aufgaben ausführen muss. Digitizer, die hingegen FPGA-Technologie verwenden, benötigen große und teure FPGAs, um selbst moderate Signallängen zu mitteln. Daher sind FPGA-basierte Lösungen meist teuer und bieten nur begrenzte Aufzeichnungslängen.«

Mittelung extrem langer Signale

Im Gegensatz dazu kann der neue Ansatz von Spectrum Instrumentation eine Mittelung selbst für extrem lange Signale durchführen und Benutzern gleichzeitig eine sehr hohe Flexibilität bieten. Das Paket arbeitet mit den schnellen PCIe-Digitizerkarten der M4i-Serie sowie der M2p-Serie in der mittleren Leistungsklasse. Die M4i-Serie umfasst Digitizer, die Signale mit bis zu 5 GSample/s bei 8 bit Auflösung, 500 MSample/s bei 14 bit Auflösung oder 250 MSample/s bei 16 bit Auflösung abtasten können. Die M2p-Karten bieten Abtastraten von 20 bis 125 MSample/s, alle mit 16 bit Auflösung und bis zu 8 Kanälen pro Karte.

Weil die Daten unter Verwendung der RDMA-Übertragung, ohne Eingreifen des Host-Prozessors, direkt zur GPU-Karte transferiert werden, kann eine Mittelung für Signale fast beliebiger Länge erfolgen. Beispielsweise kann ein M4i.2220-x8-Digitizer Signale mit 2,5 GSample/s kontinuierlich abtasten und, selbst bei Längen von mehreren Sekunden, diese fortlaufend mitteln, ohne ein Ereignis zu verpassen. Ebenso kann ein M4i.4451-x8-Digitizer mit einer Auflösung von 14 bit dieselbe Funktion ausführen, während er vier Signale gleichzeitig mit 450 MSample/s abtastet. Darüber hinaus verfügen die Digitizer-Karten über flexible Trigger-, Erfassungs- und Auslesemodi, die es ermöglichen, die Wellenformen auch bei extrem hohen Triggerraten zu mitteln. »Im Gegensatz zu der FPGA-basierten Lösung, die FPGAs mit höchster Leistung erfordern, sind bei dem neuen Verfahren selbst CUDA-Grafikkarten der Einstiegsklasse zu den schnellen Berechnungen imstande«, so Rovini.