Firmware-Option für Digitizer-Karten Block Average reduziert Signalrauschen und verbessert Auflösung

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Mit einer Software-Option für die M5i bietet Spectrum Instrumenation eine Onboard-Summenmittelung mithilfe eines FPGAs. Damit soll sich unerwünschtes Signalrauschen senken lassen und gleichzeitig Auflösung, Dynamikbereich und Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) verbessern.

Die Digitizer-Messkarten der Serie M5i hatte Spectrum Instrumentation in diesem Frühjahr vorgestellt. Jetzt hat der Hersteller die Funktionen der Messkarten über eine Firmware-Option erweitert: M5i ist in der Lage, eine Onboard-Summenmittelung durchzuführen. Damit soll sich laut Spectrum unerwünschtes Signalrauschen senken lassen und gleichzeitig die Auflösung, der Dynamikbereich und das Signa-Rausch-Verhältnis (SNR) verbessern.

Die Onboard-Summenmittelung auf der M5i erfolgt durch einen FPGA. „Die FPGA-basierte Verarbeitung ermöglicht eine ultraschnelle Mittelwertbildung, selbst bei komplexen und langen Signalen. Tatsächlich steht genügend Rechenleistung zur Verfügung, um Signale zu mitteln, die bis zu 1 MSample pro Segment enthalten. Die Kombination aus unseren neuen Flaggschiff-Digitizern und der Block-Averaging-Option ist für alle HF-Anwendungen interessant“, sagt Oliver Rovini, Technischer Leiter bei Spectrum Instrumentation.

Was hinter der Summenmittelung steckt

Die Summenmittelung ist eine oft genutzte, zeitbasierte Processing-Methode, um die zufällige (unkorrelierte) Rauschkomponente eines Signals zu reduzieren und das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern. Dabei wird gleichzeitig die Messauflösung und der Dynamikbereich eines Digitizers erhöht. Das Bild 1 zeigt ein Beispiel, wie durch Summenmittelung ein von starkem Rauschen völlig verdecktes Signal freigelegt werden kann.

In diesem Beispiel wird ein Signal mit niedrigem Pegel (ungefähr 3 mV) vollständig durch zufälliges Rauschen verdeckt (rote Wellenform). Während das Quellsignal in der ursprünglichen Single-Shot-Aufnahme nicht einmal sichtbar ist, zeigt eine 10-fache Mittelung, dass tatsächlich ein Signal mit fünf Spitzen vorliegt (gelbe Wellenform). Eine 1.000-fache Mittelung verbessert die Signalqualität extrem und enthüllt die wahre Form des Signals, komplett mit sekundären Maxima und Minima (grüne Wellenform).

Summenmittelung verbessert das SNR

Für die Summenmittelung ist es ideal, wenn das Rauschen und das Signal unkorreliert sind, also das Rauschen zufällig ist (Random-Noise), während sich das Signal wiederholt. In diesem Fall kann die Summenmittelungsfunktion das Signal/Rausch-Verhältnis proportional zur Quadratwurzel der Anzahl von Messungen (oder Mittelwerten) verbessern. Beispielsweise kann die 256-fache Mittelung eines Signals das SNR um bis zu 24 dB verbessern und die Messauflösung um etwa 4 Bit erhöhen. Daher kann diese Technik verwendet werden, um die Auflösung von 12 Bit der M5i-Digitizer zu vergrößern.

Threshold Defined Averaging (TDA)

Um das Averaging noch effektiver zu gestalten, und um Ereignisse zu erkennen und zu mitteln, die sonst im Hintergrundrauschen untergehen, enthält die neue Option eine Datenunterdrückungs-Methode namens „Threshold Defined Averaging“ (TDA). Mit TDA kann der Benutzer einen Schwellenpegel (Threshold) festlegen, damit nur Abtastwerte zur dargestellten Wellenform beitragen, die diesen Pegel überschreiten.

Abtastwerte unter dem eingestellten Pegel (Baseline Noise Samples) werden unterdrückt, indem sie auf null oder alternativ auf einen benutzerdefinierten Wert gesetzt werden. Bild 2 zeigt ein Blockdiagramm der FPGA-Funktionalität und Bild 3 stellt das Schema des TDA-Prozesses dar.

Da alle Signaldaten, die unterhalb des Schwellenwerts liegen, aus dem gemittelten Signal entfernt werden, kann TDA ein sehr nützliches Werkzeug sein, um korreliertes (synchrones) Rauschen mit niedrigem Pegel und andere Signal-Artefakte, wie Grundliniendrift, zu unterdrücken. Das sind Signal-Anomalien, die nicht durch herkömmliche Summenmittelung beseitigt werden können.

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