Aktuelle Funktionen für modulare Digitizer

Den modularen Hochgeschwindigkeits-Digitzern hat Spectrum Instrumentation neue Funktionen und verbesserte Features hinzugefügt, wie eine höhere Bandbreite, ein größerer Erfassungsspeicher, eine Mehrkanal-Option für bis zu 16 synchrone Kanäle, schnellere Datenübertragung und einen integrierten Pulsgenerator.

Zwei neue Modelle der modularen Digitzern der M5i-Serie

Zwei neue Modelle, die die M5i-Serie ergänzen, verfügen über eine erweiterte analoge Bandbreite von 4,7 GHz: das einkanalige Modell M5i.3360-x16 und die zweikanalige Variante M5i.3367-x16. Diese PCIe-Digitizerkarten haben eine maximale Einkanal-Abtastrate von 10 Gigasamples pro Sekunde (GS/s) mit 12 Bit Amplitudenauflösung und verfügen über Eingangsspannungsbereiche von ±200 mV bis ±2,5 V. Der Standard-Erfassungsspeicher beträgt 2 Gigasamples und kann auf 8 GS erweitert werden. Bei der maximalen Abtastrate von 10 GS/s ist eine Aufzeichnungslänge von 800 ms möglich. Durch die beiden Digitizer erhöht sich die Gesamtzahl der M5i-Modelle auf sieben. Die Varianten verfügen über maximale Abtastraten von 3,2 und 6,4 sowie 10 GS/s und Bandbreiten von 1, 2, 3 und 4,7 GHz.

Anwendungsbeispiel für einen Breitband-Digitizer

Die Bandbreite definiert den Frequenzbereich, den der Digitizer ohne nennenswerte Dämpfung erfassen kann. Sie liegt zwischen den beiden Grenzfrequenzen eines Eingangssignals, bei denen die Amplitude auf -3 dB abgefallen ist, was einer Verstärkung von 0,707 entspricht.

Ein Anwendungsbeispiel für einen Breitband-Digitizer ist die Erfassung und Analyse von seriellen Hochgeschwindigkeits-Datenströmen. Als allgemeine Faustregel gilt, dass für die Messung eines seriellen Datenstroms die erforderliche Bandbreite das drei- bis fünffache der Taktrate des Datenstroms betragen sollte. Bild 2 zeigt die Aufzeichnung eines mit 1 GHz getakteten Non-Return-to-Zero-Datenstroms (NRZ) durch einen M5i.3360-x16 Digitizer.

Die Daten bestehen aus einem pseudo-zufälligen Binärstrom, der üblicherweise bei seriellen Datentests verwendet wird, mit einem 2⁷-Datenmuster (PRBS 7). Das obere Display zeigt die gesamte Erfassung mit 10 ms Länge und 10 GS/s Abtastrate; das untere Display enthält eine horizontal gezoomte Ansicht, die einen Ausschnitt von etwa 160 ns zeigt. Dort sind Details des PRBS-7-Datenmusters zu erkennen, das sich alle 128 ns wiederholt. Der rote und blaue Cursor (vertikal) markieren einen vollständigen Datenzyklus. Die SBench 6 Software misst die Anstiegs- und Abfallzeit des Signals mit knapp über 290 ps (roter und blauer Cursor horizontal).

SBench 6 erstellt auch die schnelle Fourier-Transformation (FFT) des erfassten Signals, die im mittleren Display dargestellt wird. Dort ist die Frequenzbereichsansicht bzw. das Spektrum des Datensignals zu sehen. Es deckt einen Bereich von 5 GHz ab, denn dies ist die Nyquist-Frequenz der Abtastrate von 10 GS/s. Die FFT zeigt das erwartete Sin(x)/x-Frequenzspektrum des digitalen Datenstroms mit Null-Werten bei den Vielfachen der Taktfrequenz, in diesem Fall 1 GHz. Dabei fällt die FFT-Amplitude oberhalb von 4 GHz auf die Grundlinie ab. Dies zeigt, dass die 4,7 GHz-Bandbreite der neuen Digitizer M5i.3360-x16 oder M5i.3367-x16 gut zum Frequenzinhalt des Signals passt.

Erfassung von Mehrkanal-Systeme

Die Erfassung von mehr als einem oder zwei Kanälen wird durch die Star-Hub-Option (Bild 1) ermöglicht. Dadurch können bis zu acht Digitizerkarten der M5i-Serie miteinander synchronisiert werden. Durch die Nutzung gemeinsamer Takt- und Triggersignale wird zwischen den Karten eine extrem geringe Phasenverzögerung und nur ein minimaler Zeitversatz gewährleistet. Der Star-Hub ermöglicht Datenerfassungssysteme mit 2 bis 16 Kanälen. Sobald der Star-Hub installiert ist, wird das Timing für alle Karten im System vom internen Takt gesteuert, der eine Genauigkeit von ±1 ppm hat. Alternativ kann der Nutzer einen externen Takt über den SMA-Anschluss auf der Vorderseite des Star-Hub-Moduls einspeisen. Der Takt-Skew zwischen den Digitizerkarten kann per Software kompensiert werden.

Anwendungsbeispiel: Überprüfung eines DDR-Speichers

Ein Anwendungsbeispiel ist die Überprüfung eines DDR-Speichers. DDR-Speichergeräte verwenden drei Daten- und Zeitsignale: Takt, Datenstrobe und das Datensignal selbst. Bild 3 zeigt die Erfassung dieser Zeitsignale mit drei einkanaligen M5i.3360-x16 Digitizern, die jeweils mit 10 GS/s abtasten und über den Star-Hub miteinander synchronisiert sind.

Jede der drei Erfassungen (obere Reihe) hat eine Dauer von 100 ms, was bei 10 GS/s Abtastrate eine Million Samples des integrierten Erfassungsspeichers belegt. Die Phasenbeziehung zwischen dem Datensignal (DQ) und dem Datenstrobesignal (DQS) gibt die Art der im Speicher ausgeführten Operation an. Die DQ- und DQS-Signale sind während eines Lesevorgangs in Phase und während eines Schreibvorgangs phasenverschoben. Die beiden unteren Displays zeigen die Phasenbeziehungen zwischen den Datenstrobesignalen (violett) und den Datensignalen (rot). Das untere linke Display (Analoganzeige 7) zeigt einen Schreibvorgang, während Analoganzeige 6 einen Lesevorgang anzeigt. Der Zeitversatz zwischen den DQ- und DQS-Signalen im Schreibvorgang wird mithilfe des blauen und roten Cursors ermittelt und liegt bei 1,064 ns.

Übertragen von Daten an den Computer

Durch die hohen Übertragungsraten der Daten an den Computer, wird eine sofortige Verarbeitung oder lückenlose Speicherung der riesigen Datenmengen möglich. Benötigt werden dafür lediglich handelsübliche PC-Komponenten (COTS = Commercial-Off-The-Shelf), z. B. Grafikprozessoren (GPUs) für endlose Signalverarbeitung und SSD-Festplatten-Arrays für mehr als 6 Stunden Datenspeicherung.

Die M5i-Digitizer nutzen eine 16-lane Gen 3 PCIe-Schnittstelle, um Daten mit bis zu 12,8 GByte/s zu übertragen. Dies ermöglicht es, einen Kanal mit 6,4 GS/s oder zwei Kanäle mit 3,2 GS/s kontinuierlich ohne Datenverlust auf den PC zu streamen. Durch die Verwendung des 8-Bit-Aufzeichnungsmodus, können noch höhere Abtastraten ohne Datenverlust gestreamt werden. Der Modus unterstützt Datenstreaming mit Erfassungsraten von bis zu 10 GS/s auf einem Kanal oder bis zu 5 GS/s auf zwei Kanälen.

Um Daten direkt an handelsübliche Grafikprozessoren (GPUs) zu streamen, verwenden die M5i-Digitizer das Softwarepaket SCAPP (Spectrum’s CUDA Access for Parallel Processing). SCAPP ermöglicht die Übertragung der erfassten Daten über RDMA (Remote Direct Memory Access) an GPUs unter Verwendung des CUDA-Standards (Compute Unified Device Architecture) von Nvidia. Auf diese Weise kann die extrem hohe Rechenleistung einer GPU für die Bearbeitung und Analyse großer Datenmengen genutzt werden. Die SCAPP-Software umfasst alle notwendigen Routinen, um die Interaktion zwischen Digitizer und GPU zu steuern. Außerdem erhält das SCAPP-Paket Beispielroutinen für komplexe Verarbeitungsfunktionen wie digitale Abwärtskonvertierung (DDC), Filterung, Mittelwertbildung, FFT, Daten-Demultiplexing und Datenkonvertierung. SCAPP basiert auf C/C++ und Python, daher ist die Implementierung und Anpassung mit normalen Programmierkenntnissen möglich.

Beispiel für eine SCAPP-Anwendung

Ein Beispiel für eine SCAPP-Anwendung ist die Nutzung des Digitizers als digitalen Abwärtswandler (DDC, Digital Down Conversion). In diesem Fall wurde ein 702 MHz-Eingangssignal mit einer M5i.3337-x16-Digitizerkarte mit einer Abtastrate von 6,4 GS/s erfasst. Die Daten wurden kontinuierlich mit der maximalen Übertragungsgeschwindigkeit von 12,8 GB/s direkt an eine Nvidia RTX A4000 Grafikkarte mit 6.144 GPU-Kernen gestreamt. Die SCAPP-Software verwendet eine Reihe von Verarbeitungsblöcken für die DDC-Funktion. Dazu gehören ein Direct-Digital-Synthesizer (DDS), Tiefpassfilterung und Downsampling. Alle Verarbeitungsschritte werden in der GPU ausgeführt. Die GPU mischt 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.

Neben der Abwärtskonvertierung des Signals von 702 MHz auf 2 MHz wurde durch die Filterung auch das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert. Außerdem hat der Dezimierungsprozess die Datenmenge verringert. Für Anwendungen, bei denen Signale über längere Zeiträume erfasst werden müssen, bietet Spectrum Instrumentation auch komplette Streaming-Systeme an. Sie bestehen aus einem Supermicro-Server mit AMD EPYC-Prozessor sowie einem RAID-Speicher bestehend aus bis zu acht U.2-SSDs mit bis zu 240 TB Speicher.

Eingebauter Pulsgenerator kann vier digitale Pulse oder Pulsströme zu erzeugen

Automatisierte Test- und Messprozesse erfordern häufig eine Signalquelle. Spectrum Instrumentation bietet Arbiträrgeneratoren (AWGs) und digitale Ein-/Ausgabe-Instrumente (Digital I/O) an. Darüber hinaus steht eine digitale Pulsgenerator-Option (DPG) für sämtliche Digitizer und AWGs zur Verfügung. Der DPG bietet die Möglichkeit, vier digitale Pulse oder Pulsströme zu erzeugen und diese über die Mehrzweck-I/O-Anschlüsse auf der Frontplatte auszugeben. Diese Pulssignale sind synchron mit dem Takt des Digitizers bzw. des Arbiträrgenerators und laufen unabhängig von Datenerfassung bzw. Signalerzeugung. Der DPG kann einzelne Pulse, Pulsfolgen oder kontinuierliche Pulsströme ausgeben. Das Timing dieser Pulse kann freilaufend oder getaktet sein, außerdem lassen sich sämtliche internen und externen Triggerquellen des Instruments nutzen. Grundlegende Parameter der Pulse wie Frequenz, Tastverhältnis und Phasenverzögerung, sind ebenso einfach zu programmieren wie die Triggermodi und die Triggerquelle. Die Pulsamplitude ist ein fester 3,3-V-Niederspannungs-TTL-Ausgangspegel, der mit hochohmigen Lasten kompatibel ist.

Anwedungsbeispiel: DGP-Impulsstrom als Gating-Signalquelle

Mit der DPG-Option können sämtliche Messinstrumente der Spectrum-Modellpalette Pulssignale ausgeben, die hilfreich sind, z. B. bei der automatischen Triggerung und Synchronisierung von Testgeräten, für die Steuerleitungen bei Experimenten sowie für Gating-Signale bei der Tastung von HF-Quellen. Die kostengünstige DPG-Option ist eine geeignete Quelle von Gated HF-Signalen, und da sie in den Digitizer integriert ist, muss kein zusätzliches Instrument angeschafft werden. Als Beispiel wird ein DPG-Impulsstrom als Gating-Signalquelle für einen 1 GHz-Träger benutzt, um gepulste Signale für einen Radartest zu erzeugen, wie in Bild 5 gezeigt.

Der DPG-Impuls wird hier als Gate-Signal (mittleres Display) verwendet, um einen HF-Träger mit 1 GHz (oberes Display) mit einem externen HF-Schalter ein- und auszuschalten, um ein gepulstes Radarsignal zu erzeugen (unteres Display). Es ergibt sich eine Pulsfrequenz von 10 kHz und ein Tastverhältnis von 10 Prozent. Die Pulsgenerator-Einstellungen für dieses Gating-Signal sind im Pulse Generator-Fenster unten links zu sehen. Die Werte für Frequenz, Arbeitszyklus, Verzögerung, Triggermodus und Schleifenanzahl definieren den erzeugten Puls. Messungen mit Hilfe der roten und blauen Cursor-Linien, sowohl des DPG-Ausgangs als auch des gegateten HF-Impulses, werden im Infofenster links (über dem Fenster des Pulsgenerators) angezeigt. Dort können die Spitze-zu-Spitze-Amplitude, die Frequenz, die Breite und das Tastverhältnis des Pulssignale abgelesen werden, zusammen mit der Amplitude des Pulsausgangs und der Frequenz des HF-Trägers. (bs)