Spectrum儀器數字化儀可通過(guò)GPU進(jìn)行連續數字下變頻

——Spectrum儀器推出DDC，可將RF信號轉換為基帶信號

中國北京，2023年4月19日訊——Spectrum儀器PCIe數字化儀系列產(chǎn)品現已支持數字下變頻（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(zhù)降低了產(chǎn)品的成本。DDC被廣泛應用于通信系統，其中包括數字無(wú)線(xiàn)電、雷達、移動(dòng)通信、空間通信或衛星通信。在數字下變頻過(guò)程中，RF信號或微波信號被轉換為含有有用信號的基帶。該轉換不僅減少了結果數據集，還顯著(zhù)地提升了信號的質(zhì)量和測量的精準度。Spectrum儀器旗下共有48款PCIe數字化儀卡（采樣率為5MS/s到10GS/s），均具備DDC功能，因此用戶(hù)能夠為其應用選擇最為匹配的型號。

基于FPGA的板上DDC還是外接GPU卡?

大部分數字化儀是通過(guò)FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)技術(shù)進(jìn)行數字下變頻的。進(jìn)入的模擬信號先轉換為數字數據，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。因為它需要使用大型且價(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(zhuān)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(zhù)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，數字化儀獲取的數據就能夠通過(guò)其PCIe總線(xiàn)直接傳輸至基于CUDA的GPU。GPU擁有數千個(gè)并行工作的內核，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，數字下變頻也變得更加容易。即使使用測試版數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。

圖1:Spectrum儀器M5i數字化儀和702 MHz信號在數字下變頻前后的頻域截圖。
數據流以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流速率的運行工作示例

Spectrum儀器的數字化儀系列產(chǎn)品包括基于M2p、M4i和M5i平臺的PCIe卡。這些產(chǎn)品的采樣率最低可至5MS/s，最高可達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(xiàn)傳輸數據!

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

根據兩個(gè)頻域的截圖顯示，下轉換(綠色)信號的信噪比比原始(黃色)信號提高了近10 dB。此外，數據文件已經(jīng)大幅減少了512倍，但仍然保留了所需信號頻率范圍內的所有重要信息。對于傳統的個(gè)人電腦來(lái)說(shuō)，越小的數據文件越容易存儲、分析和顯示。

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

關(guān)于Spectrum儀器

Spectrum儀器成立于1989年，迄今為止設計和研發(fā)了多款模塊化數字化儀及發(fā)生器產(chǎn)品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及獨立以太網(wǎng)設備（LXI）。在過(guò)去30年間，Spectrum獲得了業(yè)界的廣泛認可，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)品和科研項目中。Spectrum儀器總部位于德國漢堡附近的格羅斯漢斯多爾夫，憑借卓越的技術(shù)能力和優(yōu)質(zhì)的客戶(hù)服務(wù)享譽(yù)全球。