Spectrum仪器数字化仪可通过GPU进行连续数字下变频

中国北京，2023年4月19日讯——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。