HF-Signale herunterwandeln Digital-Down-Conversion mit einer externen GPU

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Mit der Digital-Down-Conversion werden HF-oder Mikrowellensignale in das Basisband umgesetzt. Dadurch wird nicht nur die Datenmenge reduziert. Die GPU verbessert damit auch Signalqualität und Messgenauigkeit.

Alle PCIe-Digitalisierungskarten von Spectrum Instrumentation unterstützen jetzt mithilfe einer kostengünstigen Softwareoption und einer externen Grafikkarte eine digitale Abwärtskonvertierung (DDC = Digital Down Conversion). DDC wird hauptsächlich in Kommunikationssystemen wie Digitalradio, Radar, Mobilfunk, Weltraum- oder Satellitenkommunikation eingesetzt. Beim DDC-Verfahren werden HF- oder Mikrowellensignale in das Basisband umgesetzt, das die interessierenden Signalanteile enthält. Diese Umwandlung reduziert die Datenmenge drastisch und verbessert gleichzeitig die Signalqualität und Messgenauigkeit.

DDC mit integriertem FPGA oder externer GPU-Karte?

Die meisten DDC-Implementierungen für Digitizer verwenden ein FPGA (Field Programmable Gate Array) auf der Platine. Die eingehenden analogen Signale werden in digitale Daten umgewandelt, bevor sie zur Abwärtskonvertierung an das FPGA weitergeleitet werden. Das ist schnell, hat aber Nachteile. So sind große und teure FPGA-Ressourcen notwendig sowie speziell erstellte Firmware.

Die angepasste Firmware ist kompliziert, weil spezielle Kenntnisse in der Firmware-Entwicklung und kostspielige Software-Tools notwendig sind. Der Ansatz von Spectrum Instrumentation beseitigt diese Hürden. Durch den Einsatz spezieller SCAPP-Treiber (Spectrums CUDA Access for Parallel Processing) können die vom Digitizer erfassten Daten direkt über den PCIe-Bus an eine CUDA-basierte GPU-Karte gestreamt werden.

Durch den Einsatz einer GPU kann die Verarbeitungssoftware in C/C++ programmiert werden. Das ermöglicht eine einfachere DDC-Implementierung, da Anpassungen mit normalen Programmierkenntnissen vorgenommen werden können. Der Start mit einem getesteten DDC-Beispiel liefert sofortige Ergebnisse für den Benutzer und bietet eine Plattform, von der aus weitere Softwareoptimierungen möglich sind.

Beispiel mit einer Streaming-Rate von 12,8 GByte/s

Die Digitizer-Reihe von Spectrum Instrumentation umfasst unter anderem 48 PCIe-Karten in drei verschiedenen Modellfamilien (M2p, M4i und M5i). Diese bieten Abtastraten von 5 MS/s bis 10 GS/s, Auflösungen von 8 bis 16 Bit und Bandbreiten von 2,5 MHz bis über 3 GHz. Das Bild zeigt den Digitizer der Serie M5i mit einer Auflösung von 12 Bit. Ein weiteres Merkmal der M5i-Serie ist das Streaming von Daten mit einer Rate von 12,8 GByte/s über den PCIe-Bus.

Das Bild zeigt auch das FFT-Diagramm eines Signals vor und nach der Abwärtskonvertierung. Ein Signal mit 702 MHz wird von einem M5i.3337-x16 Digitizer mit einer Rate von 6,4 GS/s abgetastet. Die erfassten Daten werden kontinuierlich mit einer Übertragungsrate von 12,8 GByte/s über den PCIe-Bus an eine Nvidia RTX A4000-GPU mit 6.144 Kernen gestreamt.

Das Arbeitsbeispiel der Softwareoption DDC umfasst die verschiedenen Verarbeitungsblöcke, die für die Ausführung der DDC-Funktion notwendig sind. Dazu gehören ein Direct-Digital-Synthesizer (DDS), ein Tiefpassfilter und ein Downsampling. Der Grafikprozessor führt alle notwendigen DDC-Aufgaben aus. In diesem Fall mischt die GPU die Daten mit einer komplexen Sinuskurve (die vom DDS erzeugt wird), wendet einen gleitenden Mittelwert 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 an den PC.

Weniger Datenmenge und um 10 dB verbessert

Die beiden FFT-Diagramme des Signals zeigen, dass das Signal-Rausch-Verhältnis des konvertierten Signals (grün) im Vergleich zum Original (gelb) um fast 10 dB verbessert wurde. Außerdem wurde die Datenmenge um den Faktor 512 gesenkt, enthält aber immer noch alle wichtigen Informationen der ursprünglichen Wellenform. Die stark verkleinerte Datei kann einfacher auf einem herkömmlichen PC gespeichert, analysiert und angezeigt werden. (heh)

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