SW-Option für Spectrums PCIe Digitizer

Kontinuierliche Digital-Down-Conversion via GPU

15. Mai 2023, 15:39 Uhr | Nicole Wörner

Ein M5i-Digitizer von Spectrum Instrumentation sowie Diagramme eines 702-MHz-Signals vor und nach Abwärtskonvertierung. Die Daten werden mit 12,8 GB/s an eine GPU gestreamt, wo sie kontinuierlich verarbeitet werden.

Alle PCIe-Digitizer-Karten von Spectrum Instrumentation können jetzt mithilfe einer Software-Option und einer externen GPU-Karte eine digitale Abwärtskonvertierung (Digital-Down-Conversion, DDC) durchführen, um HF-Signale ins Basisband herunterzuwandeln.

DDC ist eine Technologie, die überwiegend in Kommunikationssystemen wie Digitalfunk, Radar, Mobiltelefonie, Weltraum- oder Satellitenkommunikation verwendet wird. Beim DDC-Verfahren werden HF- oder Mikrowellensignale in das Basisband umgewandelt, das wiederum die interessanten Signalanteile enthält. Die Konvertierung reduziert die Datenmenge drastisch und verbessert gleichzeitig die Signalqualität und Messgenauigkeit. Genau diese DDC-Funktion hat Spectrum Instrumentation nun für alle seine PCIe-Digitizer-Modelle verfügbar gemacht.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

DDC mit integriertem FPGA oder externer GPU-Karte?

Die meisten DDC-Implementierungen für Digitizer verwenden das on-board FPGA. Die eingehenden analogen Signale werden in digitale Daten umgewandelt, bevor diese zur Abwärtskonvertierung an das FPGA weitergeleitet werden. Das ist eine schnelle und effiziente Möglichkeit, hat aber Nachteile. Sie erfordert große und teure FPGA-Ressourcen sowie speziell erstellte Firmware. Die Anpassung dieser Firmware ist eine enorme Herausforderung, weil spezielle Kenntnisse in der Firmware-Entwicklung und kostspielige Software-Tools erforderlich sind.

Der Ansatz von Spectrum Instrumentation beseitigt diese Hürden. Durch die Verwendung spezieller SCAPP-Treiber (Spectrums CUDA Access for Parallel Processing) können die vom Digitizer erfassten Daten über den PCIe-Bus direkt an eine CUDA-basierte GPU-Karte gestreamt werden. Durch Verwendung einer GPU kann die Verarbeitungssoftware in C/C++ programmiert werden. Dies ermöglicht eine viel einfachere DDC-Implementierung, weil eine Anpassung mit normalen Programmierkenntnissen möglich ist. Der Start mit einem getesteten DDC-Beispiel liefert sofortige Ergebnisse für den Nutzer und bietet eine Plattform, von der aus weitere Softwareoptimierungen möglich sind.

Anwendungsbeispiel mit 12,8 GB/s Streaming-Rate

Das Digitizer-Sortiment von Spectrum Instrumentation umfasst unter anderem 48 PCIe-Karten in drei verschiedenen Modellfamilien (M2p, M4i und M5i). Diese bieten Abtastraten von niedrigen 5 MSamples/s bis hin zu ultraschnellen 10 GSamples/s, mit Auflösungen von 8 bis 16 bit und Bandbreiten von 2,5 MHz bis über 3 GHz. Bild 1 zeigt einen Digitizer der Flaggschiff-Serie M5i, die die schnellsten Abtastraten und höchsten Bandbreiten bietet, alle mit 12 bit Auflösung. Ein weiteres wichtiges Merkmal der M5i-Serie ist ihre Fähigkeit, Daten mit marktführender Datenrate von 12,8 GB/s über den PCIe-Bus zu streamen.

Bild 1 zeigt außerdem FFT-Diagramme eines Signals vor und nach der Abwärtskonvertierung. Ein 702-MHz-Signal wird von einem M5i.3337-x16-Digitizer mit einer Rate von 6,4 GSamples/s abgetastet. Die erfassten Daten werden kontinuierlich mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 12,8 GB/s über den PCIe-Bus an eine Nvidia RTX A4000-GPU mit 6144 Kernen gestreamt.

Das Arbeitsbeispiel aus der DDC-Softwareoption umfasst die verschiedenen Verarbeitungsblöcke, die zur Ausführung der DDC-Funktion benötigt werden. Dazu gehören ein Direct-Digital-Synthesizer (DDS), eine Tiefpassfilterung sowie ein Downsampling. Die GPU führt alle nötigen DDC-Aufgaben aus. In diesem Fall mischt die GPU die Daten mit einer komplexen Sinuskurve (erzeugt vom DDS), wendet einen gleitenden Durchschnitt an, dezimiert das Ergebnis (in diesem Fall um den Faktor 512), leitet die dezimierten Daten durch einen FIR-Filter (Finite Impulse Response), skaliert die Daten neu und überträgt das Ergebnis zur Speicherung (oder weiteren Verarbeitung) zurück in den PC.

Die beiden FFT-Diagramme des Signals zeigen, dass sich das Signal/Rausch-Verhältnis des konvertierten Signals (grün) im Vergleich zum Original (gelb) um fast 10 dB verbessert hat. Darüber hinaus wurde die Datenmenge um den Faktor 512 drastisch verkleinert, enthält aber immer noch alle wichtigen Informationen der ursprünglichen Wellenform. Die stark verkleinerte Datei kann jetzt viel einfacher von einem herkömmlichen PC gespeichert, analysiert und angezeigt werden.

Der neue DDC-Beispielcode ist ab sofort Bestandteil des SCAPP-Pakets. Dieses Softwarepaket ist erforderlich, um einen Spectrum Digitizer mit einer GPU-Karte zu kombinieren.