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Digitizer erlaubt endloses Datenstreaming mit 10 GS/s

05. Oktober 2023 - Spectrum Instrumentation hat seinen Digitizern der M5i.33xx-Serie einen neuen Streaming-Modus hinzugefügt. Dieser Modus ermöglicht es den ultraschnellen A/D-Karten, kontinuierlich Daten mit einer maximalen Abtastrate von 10 GS/s zu erfassen, zu streamen, zu analysieren und zu speichern. Diese neuen, ultraschnellen Streaming-Systeme benötigen neben den Digitizerkarten von Spectrum ausschließlich COTS (Commercial Off-The-Shelf) PC-Technologie, wie z.B. GPUs für endlose Signalverarbeitung und SSD-Arrays für stundenlange Aufzeichnungen.

Die M5i.33xx-Digitizer von Spectrum sind in der Lage, Daten mit 10 GS/s zu erfassen und diese kontinuierlich zur Analyse an eine GPU oder zur Speicherung an ein SSD-Array zu streamen, wobei der Streaming-PC aus kostengünstigen und einfach verfügbaren COTS-Teilen bestehen kann.

Die Digitizerserie M5i.33xx besteht aus sieben verschiedenen Modellen mit Abtastraten von 3,2 bis 10 GS/s, einer vertikalen Auflösung von 12 Bit sowie Bandbreiten von 1 bis 4,7 GHz. Alle Produktvarianten verfügen über ein 16-Lane Gen3 PCIe-Interface, wodurch Daten mit bis zu 12,8 GB/s übertragen werden können. Dank dieses marktführenden Streamings können Daten, die auf einem Kanal mit 6,4 GS/s Abtastrate erfasst werden (oder auf zwei Kanälen mit 3,2 GS/s) ohne Informationsverlust direkt in die PC-Umgebung gestreamt werden. Wenn schnellere Abtastraten erforderlich sind, wird auf den neuen 8-Bit-Modus umgeschaltet, so dass Daten mit 10 GS/s auf einem Kanal (oder 5 GS/s auf zwei Kanälen) gestreamt werden können.

Datenstreaming an eine GPU zur kontinuierlichen Signalverarbeitung

Für Messungen, in denen Streaming und intensive Signalverarbeitung erforderlich sind, verwenden die M5i.33xx-Digitizer das Softwarepaket SCAPP (Spectrum CUDA Access for Parallel Processing). Dabei werden die erfassten Daten mithilfe eines RDMA-Verfahrens direkt von den Digitizern an handelsübliche GPU-Karten gestreamt. Diese GPUs, die auf dem CUDA-Standard von Nvidia basieren, sind perfekt für die parallele Verarbeitung riesiger Datenmengen geeignet, da sie bis zu 10.000 Verarbeitungskerne und bis zu 48 GB Speicher besitzen.

SCAPP umfasst eine Reihe von Routinen für die Interaktion zwischen den Digitizern und den GPU-Karten sowie eine Reihe von Programmierbeispielen für die CUDA-Parallelverarbeitung. Diese Beispiele bieten einfache Bausteine für leistungsstarke Verarbeitungsfunktionen wie digitale Abwärtskonvertierung (DDC), Filterung, Signalmittelung, De-Multiplexing, Datenkonvertierung und schnelle Fourier-Transformationen (FFTs). Die gesamte SCAPP-Software basiert auf C/C++ und Python, so dass die Implementierung und Anpassung mit normalen Programmierkenntnissen möglich ist.

Beispielsweise können bei Anwendungen, die eine kontinuierliche Spektralanalyse erfordern, Zeitbereichsdaten mit 10 GS/s erfasst und direkt an eine GPU gestreamt werden, um dort eine kontinuierliche FFT-Analyse durchzuführen. Mit einem PC-System, das einen M5i.33xx-Digitizer (umgestellt auf den neuen 8-Bit-Modus), SCAPP und eine preisgünstige GPU enthält, ist ein endlos laufender Konvertierungsprozess möglich. Dieser kann Analyseaufgaben wie Multiplexing und Windowing beinhalten oder FFT und Mittelwertbildung (mit einer FFT-Blockgröße von 1 MSample). Bei einer Abtastrate von 10 GS/s deckt eine solche FFT einen Frequenzbereich von DC bis 5 GHz ab und liefert eine Frequenzauflösung von 10 kHz. Um noch bessere Auflösungen zu erzielen, können auch größere FFT-Blockgrößen verwendet werden.

Datenstreaming auf einem RAID-Speicher zur späteren Signalverarbeitung

Spectrum Instrumentation bietet außerdem fertige Streaming- und Datenspeichersysteme auf Basis eines Supermicro-Servers mit einem AMD EPYC-Prozessor und RAID-Speicher mit U.2-SSDs an. Mit bis zu 240 TB Speicher können diese COTS-Systeme unglaubliche 6+ Stunden Daten bei einer maximalen Abtastrate von 10 GS/s aufzeichnen. Die erfassten Daten sind völlig lückenlos und können nach der Speicherung untersucht, aufgeteilt und verarbeitet werden.

PC-Systeme mit COTS-Komponenten

Oliver Rovini, CTO bei Spectrum, sagt: „Wir suchen immer nach Möglichkeiten, kostengünstige Lösungen für anspruchsvolle Signalerfassungs- und Analyseanwendungen bereitzustellen. Indem wir unseren Digitizerkarten die direkte Verbindung mit Standard-PC-Komponenten wie GPUs und RAID-basierten SSD-Speichersystemen ermöglichen, können unsere Kunden direkt von den neuesten Entwicklungen in der PC-Welt profitieren. GPUs sind eine großartige Lösung für verarbeitungsintensive Messaufgaben, wie sie häufig in Bereichen wie Imaging, Kommunikation, Astronomie, Spektroskopie sowie Luft- und Raumfahrt vorkommen. Speichersysteme hingegen sind die passende Wahl, wenn Signale über längere Zeiträume beobachtet werden müssen, beispielsweise in Qualitätskontrolle, Kartierung oder Überwachung.“

Software

Um eine einfache Integration in fast jedes Testsystem zu ermöglichen, können die Digitizer mit einer Vielzahl gängiger Sprachen programmiert werden, darunter C, C++, C#, Delphi, VB.NET, J#, Python, Julia, Java, LabVIEW und MATLAB. Zum Lieferumfang gehört ein SDK, das eine Reihe von Programmierbeispielen und die erforderlichen Treiberbibliotheken für Windows- und LINUX-Betriebssysteme enthält. Für Kunden, die nicht selber programmieren möchten, bietet Spectrum seine eigene Messsoftware SBench 6 Professional an, die vollständige Kartenkontrolle sowie Anzeige-, Analyse-, Speicher- und Dokumentationsfunktionen beinhaltet. SBench 6 ist für die Verarbeitung großer Datenmengen konzipiert und verfügt über eine Reihe von großartigen Processing-Tools, darunter eine Plug-in-Schnittstelle, die die Verwendung benutzerdefinierter Berechnungsfunktionen sowie verschiedene Import- und Exportfilter ermöglicht.

Die Digitizer und Streaming-Systeme der M5i.33xx-Serie sind ab sofort verfügbar. Der neue 8-Bit-Übertragungsmodus ist Bestandteil jeder M5i-Digitizerkarte.

www.spectrum-instrumentation.com/