Spectrum仪器数字化仪可通过GPU进行连续数字下变频

——Spectrum仪器推出DDC，可将RF信号转换为基带信号

Spectrum仪器PCIe数字化仪系列产品现已支持数字下变频（DDC），这主要得益于产品使用的可进行动态及即时处理的外接显卡，这也显著降低了产品的成本。DDC被广泛应用于通信系统，其中包括数字无线电、雷达、移动通信、空间通信或卫星通信。在数字下变频过程中，RF信号或微波信号被转换为含有有用信号的基带。该转换不仅减少了结果数据集，还显著地提升了信号的质量和测量的精准度。Spectrum仪器旗下共有48款PCIe数字化仪卡（采样率为5MS/s到10GS/s），均具备DDC功能，因此用户能够为其应用选择最为匹配的型号。

基于FPGA的板上DDC还是外接GPU卡?

大部分数字化仪是通过FPGA(现场可编程门阵列)技术进行数字下变频的。进入的模拟信号先转换为数字数据，再发送至FPGA进行下变频。这种方法虽然快速有效，但也存在局限性。因为它需要使用大型且价格昂贵的FPGA技术和定制化固件。通常，定制化固件需要具备专业的固件开发技能，并使用价格不菲的软件工具。这一切就造成了这种方法的短板。

Spectrum仪器的方法显著地解决了这些弊端。通过该公司的SCAPP（Spectrum的CUDA Access for Parallel Processing）软件包，数字化仪获取的数据就能够通过其PCIe总线直接传输至基于CUDA的GPU。GPU拥有数千个并行工作的内核，可通过C/C++语言创建处理软件。由于可使用普通的编程撰方式撰写定制化的固件，数字下变频也变得更加容易。即使使用测试版数字下变频也能获得立竿见影的效果，这为软件的进一步优化提供了一个绝佳的平台。

图1:Spectrum仪器M5i数字化仪和702 MHz信号在数字下变频前后的频域截图。
数据流以12.8GB/s的速度传输至GPU进行实时处理，再通过Spectrum的SBench6软件显示

12.8 GB/s流速率的运行工作示例

Spectrum仪器的数字化仪系列产品包括基于M2p、M4i和M5i平台的PCIe卡。这些产品的采样率最低可至5MS/s，最高可达10GS/s；分辨率为8至16位，带宽范围也在2.5MHz至3GHz以上。图1所示的M5i系列产品为尖端产品，拥有最快的采样率和最高的带宽，分辨率可达12位。此外，M5i系列的另一个关键功能是它们能够以12.8 GB/s的市场领先速率通过PCIe总线传输数据!

图1为信号在数字下变频前后的频域截图。使用M5i.3337-x16数字化仪卡对速率为6.4GS/s的702MHz输入信号采样。采集到的数据以12.8GB/s的最大传输速度持续传输至6144核的Nvidia RTX A4000 GPU上。自此，工作示例就拥有了进行数字下变频所需的各种处理模块，这其中包括直接数字频率合成器（DDS）、低通滤波和下采样。GPU则用于数字下变频。在这种情况下，它将数据与复正弦波（由DDS生成）混合，使用移动平均法抽取结果（在此情况下为512倍），将抽取后的数据通过有限脉冲响应（FIR）滤波器传递并重新缩放，随后将处理后的数据传输至电脑的内存进行存储或进一步处理。

根据两个频域的截图显示，下转换(绿色)信号的信噪比比原始(黄色)信号提高了近10 dB。此外，数据文件已经大幅减少了512倍，但仍然保留了所需信号频率范围内的所有重要信息。对于传统的个人电脑来说，越小的数据文件越容易存储、分析和显示。

即日起，数字下变频将成为兼具成本效益的SCAPP软件包的一部分。该软件包需要结合Spectrum仪器全新或已上市的数字化仪及GPU卡共同使用。

关于Spectrum仪器

Spectrum仪器成立于1989年，迄今为止设计和研发了多款模块化数字化仪及发生器产品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及独立以太网设备（LXI）。在过去30年间，Spectrum获得了业界的广泛认可，旗下产品也被用于行业领军企业及一流大学的众多产品和科研项目中。Spectrum仪器总部位于德国汉堡附近的格罗斯汉斯多尔夫，凭借卓越的技术能力和优质的客户服务享誉全球。