強(qiáng)大的產(chǎn)品可降低信號(hào)噪音并提高分辨率與動(dòng)態(tài)

中國(guó)北京，2022年10月12日訊——Spectrum儀器公司為旗下高速M(fèi)5i數(shù)字化儀卡（圖1）新增固件選項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)板上求和平均值。平均值對(duì)于減少不必要的信號(hào)噪音，提高測(cè)量的分辨率、動(dòng)態(tài)范圍以及信噪比（SNR）而言可謂是一款重要的工具。新選項(xiàng)使M5i數(shù)字化儀能夠通過先進(jìn)的板上現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）技術(shù)實(shí)現(xiàn)平均功能，并以此增加產(chǎn)品的獨(dú)特性。M5i系列數(shù)字化儀的實(shí)時(shí)采樣速率高達(dá)6.4 GS/s和12位分辨率，可在速度高達(dá)12.8GB/s的情況下通過PCIe總線直接傳輸所有采集到的數(shù)據(jù)。新增的固件選項(xiàng)使這一功能發(fā)揮得更為出色，并允許以每秒產(chǎn)生1500萬事件的驚人速度獲取信號(hào)的平均值。

圖1:M5i.33xx系列數(shù)字化儀分為單通道和雙通道兩個(gè)型號(hào),采樣率高達(dá)6.4 GS/s和 12位分辨率。通過PCIe 16 lane Gen3接口的數(shù)據(jù)流速率高達(dá)12.8 GB/s。

Spectrum儀器技術(shù)總監(jiān)Oliver Rovini表示:“M5i系列產(chǎn)品新增選項(xiàng)后，使其成為了目前市面上最強(qiáng)大的平均系統(tǒng)之一。基于FPGA的處理，可在復(fù)雜波形或是長(zhǎng)波形的情況下都能實(shí)現(xiàn)超快的平均。事實(shí)上，該產(chǎn)品在平均波長(zhǎng)方面的處理能力非常強(qiáng)大，每次采集的平均波形都高達(dá)1Msmple。新增選項(xiàng)所提供的平均值包給予從事高頻信號(hào)，非常窄的低電平脈沖以及信號(hào)細(xì)節(jié)由于大量噪音而丟失方面的專業(yè)人士極大的幫助。這其中的應(yīng)用包括質(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)、核物理、通信和聲納等?！?/p>

關(guān)于求和平均(Summation Averaging)

求和平均是一種常見的、基于時(shí)域的處理技術(shù)，用于減少信號(hào)中隨機(jī)(不相關(guān))的噪音成分和提高信噪比(SNR)，與此同時(shí)還能提升數(shù)字化儀的測(cè)量分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。圖2顯示了如何通過平均值展示出被過度噪音掩蓋的信號(hào)細(xì)節(jié)的例子。

圖2:平均值是提取在隨機(jī)噪音中丟失信號(hào)時(shí)最重要的一項(xiàng)技術(shù)。它還能用于提高測(cè)量分辨率、動(dòng)態(tài)范圍和信噪比。

在這個(gè)例子中，一個(gè)低電平信號(hào)(約3 mV)完全被隨機(jī)噪音(上方線條)所掩蓋。雖然在最初的單次采集中甚至看不到源信號(hào)，但平均10次后表明實(shí)際上存在一個(gè)5 peak的信號(hào)(中間線條)。平均1000次進(jìn)一步提高了信號(hào)質(zhì)量，揭示了信號(hào)的真實(shí)形狀，完成二級(jí)最大和最小峰值(下方線條)。

理想情況下，如果信號(hào)和噪音沒有關(guān)聯(lián)，即信號(hào)重復(fù)時(shí)產(chǎn)生了隨機(jī)的噪音，那么求和平均功能可以提高信噪比的比例與測(cè)量次數(shù)(或平均值)的平方根成正比。例如，一個(gè)信號(hào)平均256次可以使信噪比提高24 dB或提高約4位的測(cè)量分辨率。因此，該技術(shù)可用于提升和擴(kuò)展M5i系列數(shù)字化儀的12位分辨率。

內(nèi)置閾值自定義平均(TDA)

為了進(jìn)一步提升產(chǎn)品的平均能力，并使M5i系列數(shù)字化儀能夠檢測(cè)并對(duì)在過度噪音背景中丟失的事件進(jìn)行平均，新的固件選項(xiàng)設(shè)有一個(gè)稱為閾值自定義平均(TDA)的數(shù)據(jù)抑制技術(shù)。TDA允許用戶設(shè)置一個(gè)閾值水平。因此只有超過該水平的波形樣本才會(huì)產(chǎn)生累積波形。基線噪音樣本，即低于設(shè)置水平的樣本，可將其設(shè)置為0或者用戶自定義的數(shù)值。圖3顯示了FPGA功能的框架圖，圖4則為TDA過程的原理圖。

圖3:通過卡上的板上FPGA對(duì)數(shù)字化儀ADC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加并使用TDA功能

圖4:TDA用0或預(yù)設(shè)值代替低于閾值的所有樣本來處理抑制噪音

如果想要將任何低于閾值的波形數(shù)據(jù)從平均波形中刪除時(shí)，TDA就是一件非常得力的工具。它能夠拒絕低電平、相關(guān)(同步)噪聲和其他波形，如基線漂移。這些信號(hào)異常是傳統(tǒng)的求和平均法無法刪除的。

M5i.33xx series系列PCIe高速數(shù)字化儀的平均功能（M5i.33xx-spavg）現(xiàn)已上市。

關(guān)于Spectrum儀器

Spectrum儀器成立于1989年，憑借其獨(dú)特的模塊化概念設(shè)計(jì)和研發(fā)了200余款數(shù)字化儀和發(fā)生器產(chǎn)品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及獨(dú)立的以太網(wǎng)設(shè)備（LXI）。在過去30年間，Spectrum獲得了業(yè)界的廣泛認(rèn)可，旗下產(chǎn)品也被用于行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)以及頂尖大學(xué)的眾多產(chǎn)品和科研項(xiàng)目中。Spectrum儀器總部位于德國(guó)漢堡附近的格羅斯?jié)h斯多爾夫。公司憑借卓越的技術(shù)能力、優(yōu)質(zhì)的客戶服務(wù)和長(zhǎng)達(dá)5年的質(zhì)保享譽(yù)全球。

審核編輯 黃昊宇