Extrem schnelle PCIe-Digitizer

10 GSample/s, 12 bit, 12,8 GByte/s

20. März 2023, 10:56 Uhr | Nicole Wörner

M5i-Digitizer von Spectrum Instrumentation: Signalerfassung und Analyse für sämtliche Signale im GHz-Bereich

Spectrum Instrumentation krönt seine Flaggschiff-Serie M5i mit zwei extrem schnellen PCIe-Digitizerkarten. Die neuen Modelle punkten mit einer bislang nicht gesehenen Kombination aus 10 GSample/s Abtastrate, 12 bit Auflösung und 12,8 GByte/s Datenstreaming über den PCIe-Bus.

Die PCIe-Digitizer der neuen M5i.33xx-Serie sind die schnellsten und leistungsstärksten Digitizer in der Firmengeschichte von Spectrum Instrumentation. »Diese neuen Digitizerkarten sind für uns ein bedeutender Schritt in die Zukunft«, ist auch Oliver Rovini, Chief Technical Officer bei Spectrum, überzeugt. In der Tat warten die neuen Geräte mit Spezifikationen auf, die es in dieser Kombination noch nicht gegeben hat.

Die Serie umfasst fünf Modelle...

...mit Abtastraten von 3,2 oder 6,4 oder 10 GSample/s, Bandbreiten von 1, 2 oder 3 GHz und einem oder zwei Kanälen. Um das Datenstreaming von 12,8 GByte/s über den PCIe-Bus zu erreichen, wird eine PCIe-Schnittstelle mit 16 Lanes, Gen3, benutzt. Die erfassten Daten können direkt an den PC-Speicher oder zur kontinuierlichen Signalverarbeitung an CPUs und GPUs gesendet werden. Die Karten verfügen außerdem über ein Front-End mit über 3 GHz Bandbreite sowie bis zu 16 GByte (8 GSamples) On-Board-Speicher. Die sind ideal für alle Ingenieure und Wissenschaftler, die mit anspruchsvollen Signalen im GHz-Bereich arbeiten.

Mit einer Auflösung von 12 bit...

...bieten diese Digitizer einen besseren Dynamikbereich als die meisten herkömmlichen Testinstrumente. Beispielsweise liefern sie eine 16-mal höhere Auflösung als viele digitale Oszilloskope, die normalerweise 8-bit-Analog/Digital-Wandler verwenden. Die zusätzliche Auflösung ermöglicht Messungen mit besserem Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) und höherer Genauigkeit. Benutzer können damit auch feine Signaldetails erfassen und charakterisieren.

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Die neuen PCIe-Digitizer der Serie M5i warten mit einer Kombination aus Features auf, die es so bislang noch nicht gegeben hat.

Die Karten sind für eine Vielzahl von Signalen ausgelegt, wie sie beispielsweise in der Kommunikationstechnik, Halbleiterprüfung, Spektroskopie, in optischen Systemen und in der Quantenphysik zu finden sind. Die Front-End-Schaltung hat eine Bandbreite von über 3 GHz mit programmierbaren Vollskalen-Bereichen von ±200 mV bis ±2,5 V und variablem Offset. Aufzeichnungen können im Single-Shot- oder Multiple-Waveform-Modus durchgeführt werden. Die Mehrfachaufzeichnung unterteilt den integrierten Speicher in Segmente und ermöglicht die Erfassung zahlreicher Ereignisse, selbst bei sehr hohen Triggerraten. Dies ist perfekt für z.B. das Testen von seriellen Bussen oder von Stimulus-Response-Systemen wie LIDAR und RADAR. Für zusätzliche Flexibilität kann der integrierte Speicher als Ringpuffer verwendet werden, der ähnlich wie ein herkömmliches Oszilloskop funktioniert, oder als FIFO-Puffer für das kontinuierliche Streamen von Daten in die PC-Umgebung.

Um auch anspruchsvollste Signale zu erfassen,...

...stehen eine Vielzahl von Triggermodi für die Kanäle oder die externen Triggereingänge zur Verfügung. Zu diesen Modi gehören konventionelles Flankentriggern sowie ausgefeiltere Methoden wie Window, Re-Arm, Or/And (logisch), Software und Delay. Die Triggerung erfolgt extrem präzise, da die Wellenformdaten zusammen mit ihren relevanten Trigger-Zeitstempelinformationen gespeichert werden. Auf der Frontplatte finden sich SMA-Anschlüsse für die Kanaleingänge, vier multifunktionale digitale I/O-Leitungen sowie Ein- und Ausgänge für Clock und Trigger. Die zusätzlichen Takt- und Triggeranschlüsse ermöglichen es, die Karte mit zusätzlichen Digitizern oder anderen Messgeräten zu synchronisieren.

Die Karten können fast jeden PC...

...in ein leistungsstarkes Messinstrument verwandeln. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für alle Anwender, die die neueste CPU- und GPU-Hardware für die Signalverarbeitung und Analyse verwenden wollen. Die Digitizerkarten werden mit allen Tools geliefert, die für die Verwendung mit einem Windows- oder Linux-Betriebssystem erforderlich sind.

Mit Hilfe des beiliegenden Software-Development-Kits (SDK)...

...können die Karten mit fast jeder gängigen Sprache programmiert werden. Dazu gehören C, C++, C#, Delphi, VB.NET, J#, Python, Julia, Java, LabVIEW und MATLAB. Das SDK enthält alle erforderlichen Treiber sowie Programmierbeispiele. Für Benutzer, die keinen eigenen Code schreiben wollen, bietet Spectrum die leistungsstarke Messsoftware SBench 6 Professional an. Diese bietet vollständige Kartenkontrolle sowie eine Vielzahl von Funktionen zur Datenanzeige, Analyse, Speicherung und Dokumentation.

Ein besonderes Feature aller PCIe-Karten...

...von Spectrum Instrumentation ist ihre Fähigkeit, Daten direkt zu und von einer CUDA-GPU zu streamen. Möglich ist dies dank des SCAPP-Pakets (Spectrum's CUDA Access for Parallel Processing), das als kostengünstige Option erhältlich ist. SCAPP enthält die Treiber für die CUDA-GPU-Unterstützung und ermöglicht es den Benutzern, ihre eigenen Verarbeitungsroutinen zu entwickeln. Um den Einstieg zu erleichtern, enthält das Paket Arbeitsbeispiele, die als Grundlage dienen und modifiziert werden können. Die Kombination aus PCIe-Digitizer, SCAPP und einer CUDA-GPU ist perfekt für datenintensives Processing, wie beispielsweise bei der kontinuierlichen Mittelwertbildung zur Rauschunterdrückung oder MPoint-FFTs für die Spektralanalyse.

Eine weitere Option für die neuen Karten...

...ist das on-board Block Averaging (Option M5i.33xx-spavg). Diese Summenmittelung ist ein sehr nützliches Werkzeug, um unerwünschtes Signalrauschen zu reduzieren. Gleichzeitig kann es die standardmäßige 12 Bit Auflösung der M5i-Digitizer vergrößern und damit eine höhere Dynamik und ein besseres SNR liefern. Für die Mittelung der Wellenformen wird die fortschrittliche FPGA-Technologie der Karte genutzt, dies ist selbst bei der höchsten Abtastrate von 10 GS/s möglich. Das Ergebnis ist eine der schnellsten Block-Averaging-Lösungen auf dem Markt mit der Möglichkeit, bis zu 15 Millionen Ereignisse pro Sekunde zu mitteln - basierend auf der extrem kleinen Totzeit von unter 40 ns zwischen einzelnen Segmenten.

»Indem wir schnellere Abtastraten und eine höhere Bandbreite anbieten,...

...können wir jetzt einen breiteren Markt ansprechen«, sagt Oliver Rovini, Chief Technical Officer bei Spectrum. »Das hilft vielen Ingenieuren und Wissenschaftlern, die Wellenformen im GHz-Bereich oder sehr schnelle Pulse im Sub-Nanosekundenbereich erfassen und charakterisieren müssen. Wir haben unsere neuen Messkarten so konzipiert, dass sie zum einen einfach zu bedienen sind, zum anderen sehr flexibel einsetzt werden können, auch für extreme Signale. Dabei kann es sich beispielsweise um einen schwachen Puls eines reflektierten Lasers handeln, oder um High-Speed-Kommunikationssignale mit einer ausgeklügelten Modulationstechnik.«

Wie für alle Produkte...

...bietet Spectrum auch für die neuen Karten M5i.3350-x16 (Einkanal) und M5i.3357-x16 (Zweikanal) eine fünfjährige Gewährleistung, kostenlose Software- und Firmware-Updates sowie Support direkt vom Entwicklerteam - für die gesamte Lebensdauer des Produkts.