Spectrum儀器數(shù)字化儀可通過(guò)GPU進(jìn)行連續(xù)數(shù)字下變頻

——Spectrum儀器推出DDC，可將RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)

中國(guó)北京，2023年4月19日訊——Spectrum儀器PCIe數(shù)字化儀系列產(chǎn)品現(xiàn)已支持?jǐn)?shù)字下變頻（DDC），這主要得益于產(chǎn)品使用的可進(jìn)行動(dòng)態(tài)及即時(shí)處理的外接顯卡，這也顯著降低了產(chǎn)品的成本。DDC被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)，其中包括數(shù)字無(wú)線電、雷達(dá)、移動(dòng)通信、空間通信或衛(wèi)星通信。在數(shù)字下變頻過(guò)程中，RF信號(hào)或微波信號(hào)被轉(zhuǎn)換為含有有用信號(hào)的基帶。該轉(zhuǎn)換不僅減少了結(jié)果數(shù)據(jù)集，還顯著地提升了信號(hào)的質(zhì)量和測(cè)量的精準(zhǔn)度。Spectrum儀器旗下共有48款PCIe數(shù)字化儀卡（采樣率為5MS/s到10GS/s），均具備DDC功能，因此用戶能夠?yàn)槠鋺?yīng)用選擇最為匹配的型號(hào)。

基于FPGA的板上DDC還是外接GPU卡?

大部分?jǐn)?shù)字化儀是通過(guò)FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字下變頻的。進(jìn)入的模擬信號(hào)先轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，再發(fā)送至FPGA進(jìn)行下變頻。這種方法雖然快速有效，但也存在局限性。因?yàn)樗枰褂么笮颓覂r(jià)格昂貴的FPGA技術(shù)和定制化固件。通常，定制化固件需要具備專業(yè)的固件開(kāi)發(fā)技能，并使用價(jià)格不菲的軟件工具。這一切就造成了這種方法的短板。

Spectrum儀器的方法顯著地解決了這些弊端。通過(guò)該公司的SCAPP（Spectrum的CUDA Access for Parallel Processing）軟件包，數(shù)字化儀獲取的數(shù)據(jù)就能夠通過(guò)其PCIe總線直接傳輸至基于CUDA的GPU。GPU擁有數(shù)千個(gè)并行工作的內(nèi)核，可通過(guò)C/C++語(yǔ)言創(chuàng)建處理軟件。由于可使用普通的編程撰方式撰寫(xiě)定制化的固件，數(shù)字下變頻也變得更加容易。即使使用測(cè)試版數(shù)字下變頻也能獲得立竿見(jiàn)影的效果，這為軟件的進(jìn)一步優(yōu)化提供了一個(gè)絕佳的平臺(tái)。

圖1:Spectrum儀器M5i數(shù)字化儀和702 MHz信號(hào)在數(shù)字下變頻前后的頻域截圖。
數(shù)據(jù)流以12.8GB/s的速度傳輸至GPU進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，再通過(guò)Spectrum的SBench6軟件顯示

12.8 GB/s流速率的運(yùn)行工作示例

Spectrum儀器的數(shù)字化儀系列產(chǎn)品包括基于M2p、M4i和M5i平臺(tái)的PCIe卡。這些產(chǎn)品的采樣率最低可至5MS/s，最高可達(dá)10GS/s；分辨率為8至16位，帶寬范圍也在2.5MHz至3GHz以上。圖1所示的M5i系列產(chǎn)品為尖端產(chǎn)品，擁有最快的采樣率和最高的帶寬，分辨率可達(dá)12位。此外，M5i系列的另一個(gè)關(guān)鍵功能是它們能夠以12.8 GB/s的市場(chǎng)領(lǐng)先速率通過(guò)PCIe總線傳輸數(shù)據(jù)!

圖1為信號(hào)在數(shù)字下變頻前后的頻域截圖。使用M5i.3337-x16數(shù)字化儀卡對(duì)速率為6.4GS/s的702MHz輸入信號(hào)采樣。采集到的數(shù)據(jù)以12.8GB/s的最大傳輸速度持續(xù)傳輸至6144核的Nvidia RTX A4000 GPU上。自此，工作示例就擁有了進(jìn)行數(shù)字下變頻所需的各種處理模塊，這其中包括直接數(shù)字頻率合成器（DDS）、低通濾波和下采樣。GPU則用于數(shù)字下變頻。在這種情況下，它將數(shù)據(jù)與復(fù)正弦波（由DDS生成）混合，使用移動(dòng)平均法抽取結(jié)果（在此情況下為512倍），將抽取后的數(shù)據(jù)通過(guò)有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器傳遞并重新縮放，隨后將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至電腦的內(nèi)存進(jìn)行存儲(chǔ)或進(jìn)一步處理。

根據(jù)兩個(gè)頻域的截圖顯示，下轉(zhuǎn)換(綠色)信號(hào)的信噪比比原始(黃色)信號(hào)提高了近10 dB。此外，數(shù)據(jù)文件已經(jīng)大幅減少了512倍，但仍然保留了所需信號(hào)頻率范圍內(nèi)的所有重要信息。對(duì)于傳統(tǒng)的個(gè)人電腦來(lái)說(shuō)，越小的數(shù)據(jù)文件越容易存儲(chǔ)、分析和顯示。

即日起，數(shù)字下變頻將成為兼具成本效益的SCAPP軟件包的一部分。該軟件包需要結(jié)合Spectrum儀器全新或已上市的數(shù)字化儀及GPU卡共同使用。

關(guān)于Spectrum儀器

Spectrum儀器成立于1989年，迄今為止設(shè)計(jì)和研發(fā)了多款模塊化數(shù)字化儀及發(fā)生器產(chǎn)品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及獨(dú)立以太網(wǎng)設(shè)備（LXI）。在過(guò)去30年間，Spectrum獲得了業(yè)界的廣泛認(rèn)可，旗下產(chǎn)品也被用于行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)及一流大學(xué)的眾多產(chǎn)品和科研項(xiàng)目中。Spectrum儀器總部位于德國(guó)漢堡附近的格羅斯?jié)h斯多爾夫，憑借卓越的技術(shù)能力和優(yōu)質(zhì)的客戶服務(wù)享譽(yù)全球。