Digitizer setzen neuen Maßstab
Endloses Datenstreaming mit 10 GS/s Abtastrate
Dank des neuen Streaming-Modus können die M5i.33-Digitizer von Spectrum kontinuierlich Daten mit bis zu 10 GS/s Abtastrate erfassen, streamen, analysieren und speichern - und das nur mit Standard-PC-Komponenten wie GPUs für endlose Signalverarbeitung oder SSD-Arrays für stundenlange Aufzeichnungen.
Die M5i.33xx-Modelle sind die Flaggschiffe unter den Digitizern von Spectrum Instrumentation. Insgesamt besteht die Serie aus sieben verschiedenen Modellen mit Abtastraten von 3,2 bis 10 GSample/s, einer vertikalen Auflösung von 12 bit sowie Bandbreiten von 1 bis 4,7 GHz. Alle Produktvarianten verfügen über ein 16-Lane-Gen3-PCIe-Interface, wodurch Daten mit bis zu 12,8 GB/s übertragen werden können. Dank dieses bislang unerreichten Streamings können Daten, die auf einem Kanal mit 6,4 GSamples/s Abtastrate erfasst werden (oder auf zwei Kanälen mit 3,2 GSamples/s) ohne Informationsverlust direkt in die PC-Umgebung gestreamt werden. Wenn schnellere Abtastraten erforderlich sind, wird auf den neuen 8-bit-Modus umgeschaltet, so dass Daten mit 10 GSamples/s auf einem Kanal (oder 5 GSamples/s auf zwei Kanälen) gestreamt werden können.
Datenstreaming an eine GPU zur kontinuierlichen Signalverarbeitung
Für Messungen, in denen Streaming und detaillierte Signalverarbeitung erforderlich sind, verwenden die M5i.33xx-Digitizer das Softwarepaket SCAPP (Spectrum CUDA Access for Parallel Processing). Dabei werden die erfassten Daten mithilfe eines RDMA-Verfahrens direkt von den Digitizern an handelsübliche GPU-Karten gestreamt. Diese GPUs, die auf dem CUDA-Standard von Nvidia basieren, eignen sich perfekt für die parallele Verarbeitung riesiger Datenmengen, weil sie bis zu 10.000 Verarbeitungskerne und bis zu 48 GB Speicher besitzen.
SCAPP umfasst eine Reihe von Routinen für die Interaktion zwischen den Digitizern und den GPU-Karten sowie eine Reihe von Programmierbeispielen für die CUDA-Parallelverarbeitung. Diese Beispiele bieten einfache Bausteine für leistungsstarke Verarbeitungsfunktionen wie digitale Abwärtskonvertierung (DDC), Filterung, Signalmittelung, De-Multiplexing, Datenkonvertierung und schnelle Fourier-Transformationen (FFTs). Die gesamte SCAPP-Software basiert auf C/C++ und Python, so dass die Implementierung und Anpassung mit normalen Programmierkenntnissen möglich ist.
Beispielsweise können bei Anwendungen, die eine kontinuierliche Spektralanalyse erfordern, Zeitbereichsdaten mit 10 GSamples/s erfasst und direkt an eine GPU gestreamt werden, um dort eine kontinuierliche FFT-Analyse durchzuführen. Mit einem PC-System, das einen M5i.33xx-Digitizer (umgestellt auf den neuen 8-bit-Modus), SCAPP und eine preisgünstige GPU enthält, ist ein endlos laufender Konvertierungsprozess möglich. Dieser kann Analyseaufgaben wie Multiplexing und Windowing beinhalten oder FFT und Mittelwertbildung (mit einer FFT-Blockgröße von 1 MSample). Bei einer Abtastrate von 10 GSamples/s deckt eine solche FFT einen Frequenzbereich von DC bis 5 GHz ab und liefert eine Frequenzauflösung von 10 kHz. Um noch bessere Auflösungen zu erzielen, können auch größere FFT-Blockgrößen verwendet werden.
Datenstreaming auf RAID-Speicher zur späteren Signalverarbeitung
Spectrum Instrumentation bietet außerdem fertige Streaming- und Datenspeichersysteme auf Basis eines Supermicro-Servers mit einem AMD-EPYC-Prozessor und RAID-Speicher mit U.2-SSDs an. Mit bis zu 240 TB Speicher können diese COTS-Systeme unglaubliche sechs Stunden (und mehr) Daten bei einer maximalen Abtastrate von 10 GSamples/s aufzeichnen. Die erfassten Daten sind völlig lückenlos und können nach der Speicherung untersucht, aufgeteilt und verarbeitet werden.
PC-Systeme mit COTS-Komponenten
»Wir suchen immer nach Möglichkeiten, kostengünstige Lösungen für anspruchsvolle Signalerfassungs- und Analyseanwendungen bereitzustellen«, sagt Oliver Rovini, CTO bei Spectrum. »Indem wir unseren Digitizerkarten die direkte Verbindung mit Standard-PC-Komponenten wie GPUs und RAID-basierten SSD-Speichersystemen ermöglichen, können unsere Kunden direkt von den neuesten Entwicklungen in der PC-Welt profitieren. GPUs sind eine großartige Lösung für verarbeitungsintensive Messaufgaben, wie sie häufig in Bereichen wie Imaging, Kommunikation, Astronomie, Spektroskopie sowie Luft- und Raumfahrt vorkommen. Speichersysteme hingegen sind die passende Wahl, wenn Signale über längere Zeiträume beobachtet werden müssen, beispielsweise in Qualitätskontrolle, Kartierung oder Überwachung.«
Software
Um eine einfache Integration in fast jedes Testsystem zu ermöglichen, können die Digitizer mit einer Vielzahl gängiger Sprachen programmiert werden, darunter C, C++, C#, Delphi, VB.NET, J#, Python, Julia, Java, LabVIEW und MATLAB. Zum Lieferumfang gehört ein SDK, das eine Reihe von Programmierbeispielen und die erforderlichen Treiberbibliotheken für Windows- und Linux-Betriebssysteme enthält. Für Kunden, die nicht selbst programmieren möchten, bietet Spectrum seine eigene Messsoftware SBench 6 Professional an, die vollständige Kartenkontrolle sowie Anzeige-, Analyse-, Speicher- und Dokumentationsfunktionen beinhaltet. SBench 6 ist für die Verarbeitung großer Datenmengen konzipiert und verfügt über eine Reihe von großartigen Processing-Tools, darunter eine Plug-in-Schnittstelle, die die Verwendung benutzerdefinierter Berechnungsfunktionen sowie verschiedene Import- und Exportfilter ermöglicht.
Die Digitizer und Streaming-Systeme der M5i.33xx-Serie sind ab sofort verfügbar, der neue 8-bit-Übertragungsmodus ist Bestandteil jeder M5i-Digitizerkarte.
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