15.11.2018

Spectrum: Digitizer für extrem lange und schwache Signale

Spectrum hat Digitizer entwickelt, die mit der Funktion Block Average für extrem lange und schwache Signale ausgestattet sind. Dabei wurde eine Kombination aus Digitizer und CUDA-Grafikkarte geschaffen. Das Averaging Paket ist für Nutzer interessant, die mit schwachen Signalen arbeiten oder bei denen Signaldetails aufgrund von starkem Rauschen verloren gehen. Dazu gehören u.a. Massenspektrometrie, LIDAR, Radioastronomie, Automation, Radar, Biomedizin und Sonar.


Bild: Spectrum

Das neue "Signal Averaging"-Paket ändert die Art und Weise, wie Signale erfasst und gemittelt werden können. Die Signalmittelung spielt eine entscheidende Rolle bei Anwendungen, in denen Signaldetails, die in zufälligem Rauschen verborgen sind, extrahiert und analysiert werden müssen. Das neue 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.



Das Averaging Paket ist ...

für Nutzer interessant, die mit schwachen Signalen arbeiten oder bei denen Signaldetails aufgrund von starkem Rauschen verloren gehen. Dazu gehören Anwendungen wie Massenspektrometrie, LIDAR, Radioastronomie, Automation, Radar, Biomedizin, Sonar und viele mehr. Das Paket steht ab sofort zur Verfügung.



Die technischen Grundlagen

Bisher hatten Anwender, die eine Signalmittelung durchführen wollten, drei Möglichkeiten: Sie konnten ein digitales Oszilloskop kaufen, das die Signalmittelung beinhaltet. Eine weitere Möglichkeit war die Anschaffung einer Digitizerkarte, wobei die digitalisierten Daten an einen PC gesendet werden und der Host-Prozessor die Berechnungen durchführt. Als dritte Möglichkeit konnte ein spezieller Digitizer erworben werden, der mit FPGA-Technologie (Field Programmable Gate Array) die Signalmittelung selbst übernimmt. Jedoch haben alle diese drei Techniken 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.



Spectrum ultralong signal averaging

Im Gegensatz dazu kann der Ansatz von Spectrum Instrumentation eine Mittelung selbst für extrem lange Signale durchführen und Benutzern gleichzeitig Flexibilität bieten. Das Paket funktioniert mit den PCIe-Digitizerkarten der M4i-Serie sowie der M2p-Serie in der mittleren Leistungsklasse.


Die M4i-Serie bietet Digitizer, welche Signale mit bis zu 5 GS/s bei 8 Bit Auflösung, 500 MS/s bei 14 Bit Auflösung oder 250 MS/s bei 16 Bit Auflösung abtasten können. Die M2p-Karten bieten Abtastraten von 20 MS/s bis 125 MS/s, alle mit 16 Bit Auflösung und bis zu 8 Kanälen pro Karte. Somit können Benutzer das Leistungsniveau auswählen, das ihren Anforderungen an die Signalerfassung entspricht.


Da 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 durchgeführt werden.



Beispielsweise kann ein M4i.2220-x8 Digitizer ...

Signale mit 2,5 GS/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 MS/s abtastet. Die Digitizerkarten verfügen außerdem 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.



Das Paket zur Mittelwertbildung …

ist Teil des SCAPP-Treiberpakets und enthält die Erweiterung für die RDMA-Übertragung, um den direkten Datentransfer vom Digitizer zur GPU zu ermöglichen. Das Paket enthält außerdem eine Reihe von Beispielen für die Interaktion mit dem Digitizer sowie Beispiele für die CUDA-Parallelverarbeitung mit den grundlegenden Mittelungsfunktionen. Die Beispiele enthalten Block-Mittelung zusammen mit Rauschunterdrückungs-Methoden sowie lückenlose Mittelung von Signalen im Frequenzbereich.


Die Nutzung der mitgelieferten, getesteten und optimierten Beispiele führt zu sofortigen Ergebnissen. Die gesamte Software basiert auf C / C ++ und kann erweitert werden. Eigene spezifische Algorithmen für die Mittelwertbildung können eingebunden werden. Das SCAPP-Paket ermöglicht für PCs mit LINUX-Betriebssystem die RDMA-Übertragung direkt an die GPU oder für PCs mit Windows-basiertem Betriebssystem eine Übertragung mit dem Umweg über die CPU.


 


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