數(shù)字化儀與CUDA顯卡的組合實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理新方式

全球領(lǐng)先的PC測(cè)試測(cè)量設(shè)備的設(shè)計(jì)制造商Spectrum儀器今日推出全新信號(hào)平均處理套件，徹底顛覆了信號(hào)采集與信號(hào)平均的方式。信號(hào)平均功能對(duì)采集和分析隱藏在隨機(jī)噪聲中的信號(hào)細(xì)節(jié)等應(yīng)用起到了至關(guān)重要的作用。新的套件使用了SCAPP(Spectrum儀器CUDA并行處理)以及公司最新推出的數(shù)字化儀系列產(chǎn)品，利用基于CUDA的GPU實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)算。SCAPP使用戶(hù)能夠通過(guò)RDMA(遠(yuǎn)程直接數(shù)據(jù)存取)傳輸將數(shù)據(jù)直接導(dǎo)出至GPU，在高速時(shí)域及高頻率下實(shí)現(xiàn)卓越的信號(hào)平均功能。

到目前為止，工程師和科學(xué)家在進(jìn)行信號(hào)平均時(shí)有三個(gè)基本的選擇。其一是購(gòu)買(mǎi)帶有信號(hào)平均功能的數(shù)字示波器；其二是通過(guò)數(shù)字化儀卡將數(shù)字化數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦，通過(guò)電腦的主機(jī)處理器完成信號(hào)平均；其三是通過(guò)購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)業(yè)的數(shù)字化儀，通過(guò)FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）技術(shù)實(shí)現(xiàn)板上信號(hào)平均功能。然而，當(dāng)需要處理長(zhǎng)信號(hào)的平均功能時(shí)，以上的三種技術(shù)都存在嚴(yán)重的局限性。

數(shù)字示波器通常使用的是8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），限制了信噪比（SNR）的采集。此外，板上信號(hào)平均功能往往受到小型處理系統(tǒng)和內(nèi)存的限制。高速數(shù)字化儀能夠提供更高的ADC分辨率和更大的內(nèi)存。然而，將數(shù)據(jù)傳輸至電腦通常會(huì)降低設(shè)備的采集速度。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)平均時(shí)，也需要依靠主機(jī)的處理器完成。最后，采用FPGA技術(shù)需要購(gòu)買(mǎi)大型且昂貴的FPGA設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)平均。因此，基于FPGA的信號(hào)平均套件通常非常昂貴，且僅能處理有限的信號(hào)記錄長(zhǎng)度。

相比之下，Spectrums儀器所推出的全新套件能夠在實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)波形信號(hào)平均的同時(shí)，為用戶(hù)提供更加靈活的服務(wù)。該套件適用于Spectrum儀器旗下的M4i平臺(tái)和中端M2p系列PCIe數(shù)字化儀產(chǎn)品。M4i系列產(chǎn)品的特點(diǎn)是在8位分辨率時(shí)的采樣信號(hào)高達(dá)5 GS/s，在14位分辨率時(shí)達(dá)到500 MS/s，在16位分辨率時(shí)達(dá)到250 MS/s。雖然M2p卡提供的采樣率在20 MS/s 到125 MS/s之間，但所有的分辨率均為16位，且每張卡最多實(shí)現(xiàn)8通道采集。因此，用戶(hù)能夠選擇最符合其需求的最佳組合。由于數(shù)據(jù)是通過(guò)RDMA處理器直接導(dǎo)入GPU卡，其間的處理過(guò)程不受主機(jī)處理器干擾，因此幾乎適用于任何長(zhǎng)度的信號(hào)平均。

舉例來(lái)說(shuō)，M4i.2220-x8 Spectrum儀器數(shù)字化儀能夠在采樣速率高達(dá)2.5 GS/s的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)的信號(hào)平均。即使信號(hào)平均的長(zhǎng)度僅為幾秒也不會(huì)丟失任何事件。同樣，具有14位分辨率的M4i.4451-x8數(shù)字化儀能夠在450 MS/s的速率下，同時(shí)采集4個(gè)信號(hào)且達(dá)到相同的效果。數(shù)字化儀卡還包含靈活的觸發(fā)，采集和讀取模式，即使在觸發(fā)率極高的頻率下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)卓越的信號(hào)平均功能。與需要最高性能的FPGA解決方案相比，GPU信號(hào)平均功能已經(jīng)全速運(yùn)行，即使入門(mén)級(jí)的GPU卡表現(xiàn)亦是如此。

Spectrum儀器信號(hào)平均套件是SCAPP驅(qū)動(dòng)包的一部分，其中包括RDMA擴(kuò)展，使數(shù)字化儀所獲取的數(shù)據(jù)能夠傳輸至GPU。此外，該套件還包含一組數(shù)字化儀交互示例和用于基本信號(hào)平均功能的CUDA平行處理示例。示例包含時(shí)域塊或分段求和平均（搭配噪聲抑制方式）以及無(wú)間隙頻域平均。全部軟件都使用C / C ++語(yǔ)言，方便用戶(hù)編程或修改。最重要的是，用戶(hù)能夠從測(cè)試階段和優(yōu)化并行處理開(kāi)始獲得即時(shí)的結(jié)果，并根據(jù)自身的平均算法進(jìn)行自定義。該套件能夠?qū)DMA直接傳輸?shù)紾PU，通過(guò)電腦的LINUX系統(tǒng)運(yùn)行，或通過(guò)CPU傳輸至Windows系統(tǒng)運(yùn)行。

Spectrum儀器此次推出的全新信號(hào)平均處理套件適合從事低電平信號(hào)處理，或受到大量噪聲干擾而丟失信號(hào)細(xì)節(jié)的專(zhuān)業(yè)人士。該產(chǎn)品覆蓋的行業(yè)廣泛，其中包括質(zhì)譜、激光雷達(dá)、射電天文學(xué)、自動(dòng)化、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)和聲納等領(lǐng)域。該系列產(chǎn)品現(xiàn)已全面上市，期待您的垂詢(xún)。