Hohe Abtastrate PCIe-Digitizer erreicht 10 GSample pro Sekunde

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Die Hardware bis ans Limit ausgereizt: Mit einer Abtastrate von 10 GS/s, einer vertikalen Auflösung von 12 Bit sowie einem Datenstreaming von 12,8 GByte/s kommen ein- und zweikanalige Digitizer-Karten auf den Markt. Am Beispiel der Quadraturmodulation zeigt sich das Potenzial der PCIe-Messkarten.

Zwei neue PCIe-Digitizerkarten von Spectrum Instrumentation vereinen eine Abtastrate von 10 GS/s, eine vertikale Auflösung von 12 Bit und Datenstreaming mit 12,8 GByte pro Sekunde. Das einkanalige Modell M5i.3350-x16 und das zweikanalige Modell M5i.3357-x16 bieten außerdem ein Front-End mit einer Bandbreite von 3 GHz und einen integrierten Speicher bis 16 GByte (8 GSamples). „Damit verfügen die Karten über die höchste Abtastrate, die größte Bandbreite und den größten Speicher in der 33-jährigen Firmengeschichte“, fasst es Oliver Rovini von Spectrum zusammen.

Durch die Kombination der Features eignen sich die Digitzer-Karten für Ingenieure und Wissenschaftler, die mit anspruchsvollen Signalen im GHz-Bereich arbeiten. Dank der PCIe-Technik mit 16 Lanes (Gen 3) lassen sich die erfassten Daten mit 12,8 GByte/s über den Bus streamen, die nach eigenen Angaben derzeit schnellsten Digitizer-Datenübertragung über PCIe auf dem Markt. Anwender können die Messdaten zur Speicherung an den PC-Speicher oder zur kundenspezifischen Signalverarbeitung und -analyse direkt an CPUs und CUDA-basierte GPUs senden.

Digitizer-Karten mit einer höheren Auflösung als digitale Oszilloskope

Mit einer Auflösung von 12 Bit bieten die Digitizer einen besseren Dynamikbereich als die meisten herkömmlichen Testinstrumente. Beispielsweise liefern sie eine 16-mal höhere Auflösung als viele digitale Oszilloskope, die einen A/D-Wandler mit einer Auflösung von 8 Bit verwenden. Die Front-End-Schaltung hat eine Bandbreite von über 3 GHz mit programmierbaren Vollskalen-Bereichen von ±200 mV bis ±2,5 V und variablem Offset.

Aufgezeichnet wird im Single-Shot- oder Multiple-Waveform-Modus. Für anspruchsvolle Signale stehen eine Vielzahl von Triggermodi für die Kanäle oder die externen Triggereingänge zur Verfügung. Zu diesen Modi gehören konventionelles Flankentriggern sowie ausgefeiltere Methoden wie Window, Re-Arm, Or/And (logisch), Software und Delay. Die Karten können fast jeden PC in ein leistungsstarkes Messinstrument verwandeln. Das eröffnet großartige neue Möglichkeiten für alle Anwender, die die neueste CPU- und GPU-Hardware für die Signalverarbeitung und Analyse verwenden wollen.

Die M5i-Digitizer werden mit allen Tools geliefert, die für die Verwendung mit einem Windows- oder Linux-Betriebssystem erforderlich sind. Mithilfe des beiliegenden Software-Development-Kits (SDK) können die Karten mit fast jeder gängigen Sprache programmiert werden. Dazu gehören C, C++, C#, Delphi, VB.Net, J#, Python, Julia, Java, LabView und Matlab. Alternativ bietet Spectrum die Messsoftware SBench 6 Professional an. Diese bietet vollständige Kartenkontrolle sowie eine Vielzahl von Funktionen zur Datenanzeige, Analyse, Speicherung und Dokumentation.

Als günstige Option für die neuen Karten ist Block Averaging dank eines On-Board FPGAs verfügbar. Die Summenmittelung reduziert unerwünschtes Signalrauschen und verbessert gleichzeitig Auflösung und Dynamik der Karten. Die M5i-Digitizer bieten zudem die Möglichkeit, bis zu 15 Millionen Ereignisse pro Sekunde zu mitteln - eine der schnellsten Block-Averaging-Lösungen auf dem Markt.

Am Beispiel: Quadraturmodulation in der Kommunikationstechnik

Die beiden M5i-Digitizer eignen sich für eine Vielzahl von Messaufgaben bei HF- und Hochgeschwindigkeits-Digitalanwendungen. Viele Systeme in der Kommuni­kation verwenden verschiedene Arten von Quadraturmodulation, um Daten effizient zu kodieren. Das Bild 1 veranschaulicht eine Analyse eines 8-PSK-modulierten Trägers mit 1 GHz. Ein 8-PSK-Signal wird über eine Zeit von 20 µs erfasst.

Gezeigt ist das Signal im oberen linken Display von SBench 6. Darunter befindet sich das Frequenzspektrum des Signals. Das Spektrum zeigt einen Peak bei der Trägerfrequenz von 1 GHz sowie die Modulationshüllkurve. Die dritte harmonische Oberwelle des Trägers ist bei 3 GHz sichtbar, etwa 36 dB schwächer als die Trägerfrequenz. Das Display unten in der Mitte zeigt eine gezoomte Ansicht des Frequenzspektrums. Der rote und der blaue Cursor messen den Versatz des Modulationsseitenbands, das der Trägerfrequenz am nächsten liegt. Im Infofeld links wird der Seitenbandversatz mit 160 MHz angezeigt (Cursor B minus Cursor A).

Die Modulationshüllkurve für eine ungefilterte gepulste Wellenform hätte eine sin(x)/x-Form. Das 8-SPK-Signal wurde mit einem Raised Root Cosine-Filter (RRC-Filter) mit einer Bandbreite von 20 MHz tiefpassgefiltert. Das ist in der gezoomten Spektrumansicht im unteren rechten Display zu sehen. Der rote und der blaue Cursor messen hier die nominelle Bandbreite des Filters. Die Frequenzen oberhalb der 20 MHz-Grenze werden aus dem modulierten Signalspektrum eliminiert, so dass die Seitenbänder nur innerhalb von 20 MHz des Trägers erscheinen.

Das Display oben in der Mitte ist eine gezoomte Ansicht des erfassten 8-PSK-Signals. Die Welligkeiten sind auf die Datenmodulation zurückzuführen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Spitzen gibt Aufschluss über die Datenrate von 40 MBaud. Der Abstand von 160 MHz zwischen den Modulationsseitenbändern weist auf einen zusätzlichen Abtastvorgang mit der vierfachen Datenrate oder 160 MHz hin. Die stark gezoomte Ansicht des 8-PSK-Signals im oberen rechten Display zeigt die Gliederung des Signals durch Phasenunterbrechungen. Die Cursor sind so eingestellt, dass sie die Zeitspanne zwischen Phasenunterbrechungen messen. Die gemessene Zeitspanne beträgt 6,2 ns, eine Frequenz von 160 MHz. Die 40-Baud-Modulation ist auf 20 MHz bandbegrenzt und wird erneut mit 160 MHz gesampled, bevor sie gesendet wird.

Der erfasste HF-Träger wurde mit einer Vektorsignalanalyse-Software demoduliert. Die daraus resultierenden Signale, die I-Komponente (in-phase component) und die Q-Komponente (quadrature component), wurden danach wieder in SBench 6 importiert, um zusätzliche Analysen durchzuführen. Bild 2 zeigt die Ergebnisse. Die I-Komponente ist im oberen linken Display dargestellt, die Q-Komponente ist darunter im unteren linken Display sichtbar.

Das 8-PSK-Signal codiert drei Bits in jedes Symbol, wodurch acht mögliche Datenwerte pro Symbol möglich sind. Die I- und Q-Werte werden in Phasen- und Amplitudeninformationen übertragen. Der Phasen- und Amplitudenwert jedes Zustandes kann in einem Diagramm des I-Signals über dem Q-Signal dargestellt werden (Konstellationsdiagramm). Das Zustandsübergangs- oder Trajektoriendiagramm im rechten Display zeigt die Übergangspfade zwischen Datenzuständen. Jede Trajektorie beginnt und endet bei einem der acht Datenzustände. Die Datenzustände treten bei acht Phasen von 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 und 315 Grad auf. Das Trajektoriendiagramm bietet eine schnelle Möglichkeit, die 8-PSK-Signalerzeugung zu bewerten. Außerdem weisen Asymmetrie und Abweichungen auf Fehler bei der Signalerzeugung hin.

Nachgefragt: Oliver Rovini, CTO bei Spectrum Instrumentation

Was unterscheidet die neue M5i.3357 von den bisherigen Produkten der Serie?

Herr Rovini, die aktuelle Digitizer-Variante mit 10 GS/s übertrifft die bisherige Serie nochmals um mehr als 50 Prozent in der Geschwindigkeit und geht ans Limit von heute verfügbaren A/D-Wanlder mit einer Auflösung von 12 Bit. Die Erhöhung der zeitlichen Auflösung auf 100 ps geht mit einer erhöhten Bandbreite von 3 GHz einher, so dass neue Anwendungsfelder bedient werden können. Mit der zwischenzeitlich vorgestellten M5i.3321 deckt die Produktfamilie einen Bereich von 3,2 GS/s bis 10 GS/s sowie den Frequenzbereich bis 3 GHz ab.

Was unterscheidet die neuen Digitizer von bereits verfügbaren Produkten anderer Anbieter und was können Anwender besser/anders machen mit dem neuen Produkt?

Es gibt zwei andere Anbieter von Digitizern in einem vergleichbaren Geschwindigkeitsbereich mit einer vergleichbaren Bandbreite. Im direkten Vergleich bieten die Spectrum-Karten in einigen Bereichen dem Anwender deutliche Vorteile: Es besteht die Möglichkeit, für jeden Kanal per einfachem Software-Befehl einen von vier Eingangsbereichen auswählen, sowie einen Offset von ±100 Prozent des Messbereichs zu programmieren. So kann das Eingangssignal ohne zusätzlichen externen Verstärker unter voller Ausnutzung der vertikalen Auflösung von 12 Bit erfasst werden. Dahingegen benötigen die verfügbaren Digitizer anderer Anbieter entweder einen externen Vorverstärker oder können die vertikale Auflösung nicht voll nutzen, da hier nur ein fixer Eingangsbereich zur Verfügung steht.

Die Aufzeichnung von 12 Bit bei 10 GS/s füllt den internen Speicher rasant, daher sollte die Anwendung den Speicher möglichst schnell im FIFO-Modus auslesen können, um Multiple-Recording-Streaming-Anwendungen zu ermöglichen und eine hohe Wiederholrate der Messungen zu gewährleisten. Die Spectrum-Karte erreicht hier mit dem PCIe x16 Gen3 Interface mit 12,8 GByte/s etwa die doppelte Übertragungsrate wie andere Produkte. Das ermöglicht dem Anwender Mehrfachaufnahmen mit deutlich kürzerer Totzeit zu realisieren und die Gesamtzeit eines Messdurchlaufs deutlich zu verkürzen.

Für Singleshot-Anwendungen ist die Menge des On-Board-Speichers die begrenzende Größe. Während andere Anbieter Speicher mit 2 oder 4 GSample bieten, hat unsere Serie Spectrum M5i.33xx eine Speicheroption mit 8 GSample (16 GByte). Damit steht dem Anwender eine maximale Aufzeichnungslänge von 800 ms mit voller Abtastrate ohne Pause zur Verfügung. Die Vergleichsprodukte bieten hier 200 oder 400 ms.

Wie lief die Entwicklung ab?

Die Entwicklung der M5i-Basis war von vornherein auf die nötige Datenbandbreite von 20 GByte/s ausgelegt. Als ersten Schritt haben wir im März 2022 die Variante M5i.3337 mit 6,4 GS/s vorgestellt. Eine höhere Geschwindigkeit war nochmal ein großer Entwicklungsschritt, da die Timings innerhalb des FPGAs, die Schnittstelle zum A/D-Wandler sowie die komplette Taktsektion überarbeitet werden mussten. Erste Prototypen der schnellen Karte laufen seit über einem halben Jahr in unserer Entwicklung.

Da wir ein großes Augenmerk auf die Qualität und die Verlässlichkeit der Produkte legen, wurden in den letzten sechs Monaten noch die letzten kleinen Probleme ausgemerzt und die Karten komplett zur Serienreife entwickelt. Daher können wir guten Gewissens zur Release-Ankündigung die volle Lieferfähigkeit ankündigen. Als Nebeneffekt der Entwicklungsarbeit werden die bestehenden Varianten der Serie M5i.33xx aus dem Jahr 2022 um einen variabel einstellbaren Takt ergänzt. Dann stehen nur der Maximaltakt oder Teilwerte davon als Abtastrate zur Verfügung.

Die Serie M5i.33xx ist jetzt seit einem Jahr auf dem Markt. Welche Rückmeldungen der Kunde gab es? Was ist für die Zukunft geplant?

Die Serie M5i.33xx mit den Varianten 6,4 GS/s und 3,2 GS/s ist sehr gut angenommen worden und bereits in diversen Projekten weltweit im Einsatz. Besonderes Interesse zeigten die Kunden an der hohen Datenübertragungsrate von 12,8 GByte/s. Auch für die Variante mit 10 GS/s gibt es bereits erste Anwendungen von Kunden, so ein medizinisches Forschungsprojekt in den USA, wo an einem neuartigen intervaskulären OCT-Verfahren gearbeitet wird oder eine Anwendung in der Flugzeitspektroskopie.

Aufgrund der Rückmeldungen der Erstkunden aus 2022 ist bereits eine Firmware-Option zum Block Average, mit einer maximalen Blocklänge von bahnbrechenden 1 MSample, entwickelt und veröffentlicht worden. Darüber hinaus sind Option mit höherer Bandbreite, optimierter Sprungantwort sowie eine Synchronisationsmöglichkeit von mehreren Karten zur Erstellung von Multi-Kanalsystemen mit bis zu 16 Kanälen mit minimalem Skew in Arbeit und werden noch dieses Jahr veröffentlicht.

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