标签: 数字化仪

Spectrum高速数字化仪TS-M5i.33xx-x16系列具有七种型号，支持10 GS/s的最大采样率，可提供超过4.7 GHz的带宽和12位的分辨率，能广泛适用于各类射频和高速数字应用。 技术工程师带您了解TS-M5i.33xx-x16系列高速数字化仪从从雷达脉冲测试到信号分析的广泛应用！ 高速数字化仪TS-M5i.33xx-x16系列 应用1. 测量雷达脉冲 TS-M5i.33xx-x16系列的其中一种射频应用是雷达分析。图1显示了采集1 GHz相位调制雷达脉冲的示例。 图1：1 GHz相位调制雷达脉冲（左上）与解调相位信息（左下）；脉冲的频谱（右上）和频谱的水平扩展视图（右下） 雷达脉冲以Spectrum SBench 6测量软件上的最大采样率每秒10 GS/s进行采集。其中，相位调制是一种双相巴克码，旨在提高雷达的距离分辨率。它们是一系列不同长度的 +1 和 -1 数字的序列。采集的数据被传输到MATLAB进行相位解调，并将解调后的信号导入回SBench6。 Spectrum提供的软件开发工具包 （SDK）包括允许LabView和MATLAB等常用的第三方分析软件控制Spectrum数字化仪并与之通信的驱动程序。 Spectrum数字化仪还可以通过PCI Express x16接口以高达12.8 GB/s 的速度将数据传输到PC系统，或直接传输到CUDA GPU进行自定义处理。这些接口提供了进一步高级分析的能力。 采集信号的快速傅立叶变换（FFT）显示了信号的频谱。它在1 GHz的载波频率处有一个峰值。载波频率处的FFT水平缩放扩展显示了相位调制导致的频谱展宽。 在这个应用中，长达8 GS的记录长度对于研究在10 GS/s最大采样率下，长达800 ms的跟踪历史也非常有用。测量脉冲的持续时间为20 us，在10 kHz脉冲重复频率下，每次记录可获得约8000个这样的脉冲。 应用2.分析正交调制通信信号 通信测量是Spectrum TS-M5i.33xx-x16系列数字化仪的另一个应用领域。 大多数通信系统使用各种正交调制方案来有效地对数据进行编码。图2显示了对8PSK调制1 GHz载波的分析。 图 2：1 GHz 载波正交调制 8PSK 信号的时域和频谱分析。左上角的轨迹是获取的8PSK信号。右侧的轨迹是该轨迹的水平缩放。左下方的轨迹显示了信号的频谱。右侧的轨迹是信号频谱的扩展视图。 在Spectrum SBench 6软件界面的左上方，显示了采集到的20 us 8PSK信号的片段。轨迹的下方是信号的频谱，频谱显示了1 GHz载波频率的峰值及其调制包络。可以看到载波的三次谐波在 3 GHz 处，与载波峰值相比衰减了大约 36 dB。底部中心轨迹显示了频谱的扩展视图。光标测量了最接近载波频率的调制边带的偏移量。左侧信息面板中显示的光标读数表明边带偏移量为160 MHz。对于一个未经过滤的脉冲波形，调制包络会有一个 sin(x)/x 的形状。右下方的扩展频谱视图显示，8SPK信号经过带宽为20 MHz的升余弦滤波器进行了低通滤波。光标测量的是滤波器的标称带宽。调制信号频谱中高于20 MHz截止频率的频率被消除，因此边带只出现在载波的和采样零点的20 MHz范围内。 顶部中心轨迹是获取的信号时域的放大图。波动是由于数据调制造成的。两个相邻窄峰值之间的间距显示了40 MBaud的数据传输速率。调制边带之间的 160 MHz间距表示以四倍数据速率（即 160 MHz）进行额外的采样过程。观察右上方轨迹中8PSK信号的高度扩展视图，可以在相位终端之间看到信号粒度。光标设置为测量相位中断之间的时间周期，结果是6.2 ns，即频率为160 MHz。因此，40 MBaud调制被限制在20 MHz带宽内，并在 160 MHz 处再次采样后进行广播。 获取的射频载波使用专有的矢量信号分析软件在Spectrum SBench 6外部进行解调，然后将得到的同相和正交分量重新导入Spectrum SBench 6进行额外的分析和显示。图3提供了一个结果示例。 图 3：解调信号的同相 （I） 和正交 （Q） 分量。交叉绘制 I 和 Q 信号可生成状态转换或轨迹图。 I 分量显示在左上方的轨迹中，Q 分量显示在 I 分量的下方。 8PSK信号在每三个比特编码成一个符号，每个符号产生八个可能的数据值。I值和Q值转化为相位和幅度信息。每个状态的相位和幅度值都可以用I信号与Q信号的图（即星座图）来表示。状态转换图或轨迹图（右侧轨迹）显示了数据状态之间的转换路径，每条轨迹的起点和终点都是八个数据状态之一。数据状态出现在0、45、90、135、180、225、270和315度八个相位上。状态转换图提供了一种快速评估8PSK信号生成的方法。底层星座的不对称和偏斜表明信号生成存在误差。 应用3.分析DDR 2内存数据信号 Spectrum TS-M5i.33xx-x16系列数字化仪也可以采集高速数字物理层信号。 数字信号的带宽取决于脉冲的上升时间，脉冲是时钟速率的函数。一般的经验法则是，测量系统的测量带宽应为数字系统的时钟频率的五倍。您可以在图4所示的示例中看到这一点，该示例显示了双倍数据速率（DDR 2）内存数据信号的采集和分析。DDR存储器使用时钟（clock）、选通（strobe）和数据（data）这三种数字信号对数据进行读取和写入设备。数据信号如图4所示。 图 4：DDR2内存的数据信号结构复杂，FFT频谱显示高达 3 GHz左右的能量 采集的数据信号显示在左上角的迹线中。左下角是信号的水平扩展视图。数据信号的FFT频谱如图中右侧图像所示。由于数字信号的脉冲性质，频谱具有Sin（x）/x包络。设备的时钟频率为333 MHz。DDR内存操作以两倍的时钟速率进行。频谱中的零点出现在 666 MHz 及其整数倍频率上，频谱显示出到大约 3 GHz 的大量能量。 END 综上所述，Spectrum TS-M5i.33xx-x16 系列数字化仪凭借其高性能和广泛的应用领域，为雷达脉冲测量、通信信号分析和高速数字信号采集提供了强大的工具。数字化仪的高采样率、宽频带和12位分辨率的特点，使得它们能够精确地捕捉和分析各种复杂的信号。无论是射频应用还是高速数字物理层信号的采集，Spectrum TS-M5i.33xx-x16系列数字化仪都能提供出色的性能和可靠性。随着技术的不断发展，这些采集器无疑将在未来的信号分析和测量领域发挥更加重要的作用。 { window.addoncropExtensions = window.addoncropExtensions || []; window.addoncropExtensions.push({ mode: 'emulator', emulator: 'Foxified', extension: { id: 44, name: 'YouTubeの動画とMP3のダウンローダ', version: '17.3.8', date: 'August 6, 2023', }, flixmateConnected: false, }); })();

一、应用背景 此前人们认为中微子粒子是没有质量的。直到近些年，人们才意识到中微子粒子质量很小，并能在三种不同“味道”之间相互切换。这些被称为“幽灵粒子”的中微子粒子通常能够穿过大多数普通物质而不被检测到，因此人们常常需要借助专业的探测器对其进行研究。最新的中微子实验装置JUNO位于中国江门地下750米处，是由来自全球17个国家74所大学和国家实验室的730名科学家合作完成，耗资4亿欧元。 TS-Spectrum高速数字化仪则被用于该实验装置的核心部分——液体闪烁体。 图1.JUNO主探测器位于地下750米的专用实验室内。图片中是尚未灌水的水池和中央脚手架。 在球体内部放置了一个直径为34.5米的丙烯酸球体，里面装满了液体闪烁体。在安装时，白色的盖子能够保护敏感组件。 JUNO被精确地放置于八个现有的核反应堆之间，为研究提供了中微子源。它的核心是一个直径为34.5米的巨型且透明度极高的丙烯酸球体，里面装有2万吨经过特殊处理的类似油性物质。这种液体闪烁体与中微子相互作用时会产生光子，并被一个3.5万吨的水池包围。环绕球体的4.5万余根光电倍增管（PMTs）能够检测到光子。 慕尼黑工业大学和美茵茨大学的研究小组在高精度、实验室规模的实验中使用了TS-Spectrum的M4i.2212数字化仪卡描述液体闪烁体，这对数据采集的要求非常高。 当JUNO探测器在2024年底正式投入使用时，它将成为人类建造的最大型的液态中微子探测器。该探测器将显著提升我们对这些幽灵粒子之间相互作用以及性质的认知。 二、中微子探测器 丙烯酸球体的中央是一层被水包围着的液体闪烁体。即使最少量的杂质都可能含有放射性物质，因此这两者必须非常纯净。在设备建造的过程中，所有工人都必须佩戴两幅手套，因为指纹上的汗液有可能污染并毁掉整个项目。探测器被置放于地下750米处的专用实验室内，用以屏蔽四周的辐射。 10.000 Photons / MeV）能够确保能量的精准传递。如果能够重构入射中微子的方向将大有裨益。来自中微子初始通道的微弱但具有定向性的切伦科夫光通过水与之匹配，将为物理学家的研究提供重要的信息。 慕尼黑工业大学和美茵茨大学目前研究液体闪烁体的目的是将漫射光中的快而微弱的切伦科夫光分离出来，以便同时进行能量和方向重构。于是，在Hans Steiger博士的率领下，研究团队设计并建造了几台具有增强光收集能力和时间分辨率的精密台式实验装置。 图2.德思特Spectrum的M4i.2212-x8 PCIe数字化仪，采样速度1.25 GS/s，能同时处理4个通道的数据 “ 我们之所以选择TS-Spectrum的数字化卡是因为其卓越的性能。 与市场同类产品相比，TS-Spectrum的产品不仅性价比更高，而且能够定制化。”该项目的负责人Hans Steiger博士表示，“ 我们能够通过TS-Spectrum产品的模块式设计精准选择所需的一切功能，无需为额外或附加功能买单。 此外，这些产品还是标准的PCIe卡，这就意味着日后我们获得更多预算时，能够在标准的计算机机箱中扩展我们的系统。作为参与大型长期国际项目的大学，我们需要选用可靠的零部件。” 三、JUNO实验结果推动天文学研究的发展 除了事件重构方面的工作外，该团队还为JUNO添加了校准项目。该项目利用预先确定能量和入射方向的放射性伽马和中子源来刻画探测器材料。慕尼黑工业大学TUM小组的博士生Meishu Lu指出：“ 我们之所以能够刻画液体闪烁体是由于超高速转化仪卡能够在以皮秒为单位的时间范围内进行测量。 此外，5V的动态范围远优于市面上仅为1V的其他产品，这也意味着当我们的光电倍增管（PMTs）遇到3V脉冲时可以轻松应对。”美因茨大学的研究人员Manuel Böhles表示，“在制定最佳项目方案时，TS-Spectrum为我们提供了极大的助力。当我们遇到问题时，可以直接与TS-Spectrum的工程师进行沟通并快速解决问题。很高兴能和这样一家致力于支持高校基础研究的企业合作。” 图3.用于慢速液体闪烁混合物的典型光发射动力学。图中红线代表切伦科夫光，紧随其后的绿线代表较慢的闪烁光衰减 图中显示了切伦科夫辐射的第一脉冲，紧随其后的是给出能量信息的闪烁信号。整个过程不到2纳秒即可完成。借助这些信息就能确定粒子的类型及来源。这可能来自中国的反应堆、太阳、地球中心或深空。“此前，我们从未通过闪烁探测器确切得知中微子来自何处。因此这为我们开辟了全新的研究领域。” Steiger博士表示，“举例而言，如果一颗垂死的恒星或所谓的超新星在天空中发出大量中微子。我们现在不仅可以看到这些中微子，还能以高精度重构该爆炸发生的天空位置。我们很高兴现在有这样一台望远镜，能够让我们更好地了解不同的中微子源并更全面地了解整个过程。通过对整个光谱上的光以及引力波的检测，加之对具有高统计、高能量分辨率和方向性的中微子的加持，多信使天文学将迈入全新时代。” { window.addoncropExtensions = window.addoncropExtensions || []; window.addoncropExtensions.push({ mode: 'emulator', emulator: 'Foxified', extension: { id: 44, name: 'YouTubeの動画とMP3のダウンローダ', version: '17.3.7', date: 'August 6, 2023', }, flixmateConnected: false, }); })();

一、基本介绍 50多年前，激光技术的发展催生了激光雷达 (LIDAR) 系统，该系统在距离计算方式上取得了突破。激光雷达的原理与雷达所使用的原理非常相似。主要区别在于雷达系统检测物体反射的无线电波，而激光雷达则使用激光信号。这两种技术通常采用相同类型的飞行时间方法来确定物体的距离。然而，由于激光的波长比无线电波短得多，因此激光雷达系统可提供卓越的测量精度。激光雷达系统还可以检查反射光的其他属性，例如频率内容或偏振，以揭示有关物体的其他信息。 激光雷达系统现在的应用范围不断增加。这包括自动驾驶、地质和地理测绘、地震学、气象学、大气物理、监视、测高、林业、导航、车辆跟踪、测量和环境保护。 图1. 带有光谱仪器数字化仪的激光雷达扫描 二、激光雷达配置 为了满足多种不同的应用，激光雷达系统具有多种设计和配置。 每个系统都需要合适的光电传感器和合适的数据采集设备。 光检测系统中信号，要么是不相干的，其中直接能量是通过反射信号的幅度变化来测量的；要么是相干的，其中反射信号频率的变化（例如由多普勒效应引起的频率变化）或其相位被观察到。类似地，光源可以是低功率微脉冲设计，其中传输间歇脉冲序列，也可以是高能量光源。微脉冲系统非常适合需要“人眼安全”操作的应用（例如测量和地面车辆跟踪），而高能系统通常部署在长距离和低水平反射的地方（如大气物理学和气象学研究）。 每个激光雷达系统都需要使用适当的传感器来检测反射的激光信号并将其转换为电信号。最常见的传感器类型是光电倍增管（PMT）和固态光电探测器（例如光电二极管）。一般来说，PMT用于可见光应用，而光电二极管则更常见于红外系统。然而，这两种传感器类型都被广泛使用，并且选择很大程度上取决于需要检测的光特性、所需的性能水平和成本。 最重要的是，传感器产生需要采集和分析的快速电信号。对于大多数LIDAR应用，信号采集卡最流行的外形尺寸是PCIe，因为这使得它们可以直接安装在大多数现代PC内。PCIe是我们许多数字化仪供应商提供的一种外形规格。这是创建功能强大、易于使用的数据采集系统的简单方法。由于PCIe总线提供非常高的数据吞吐率，因此信号采集、数据传输和分析功能通常比其他更传统的采集系统快得多。我们还提供数字化仪NETBOX、基于LXI/以太网的紧凑型设备或PXIe等行业标准，对于具有空间限制或振动问题的移动环境（例如机载或移动激光雷达）来说，这是一个不错的选择。 图2. 大气激光雷达扫描 三、激光雷达性能等级 对于LIDAR应用，存在三个独立的性能等级： 1.最快的光脉冲 为了捕获和分析非常快的信号，数字化仪需要高达5 GS/s的采样率和超过1 GHz的高带宽。此类数字化仪的一个示例是TS M4i.22xx系列。M4i.22xx系列在PCIe和PXIe平台上每卡提供多达4个通道，在LXI平台上提供多达24个通道。这种组合使这些卡非常适合与产生纳秒甚至亚纳秒范围脉冲的快速传感器一起使用。此外，5 GS/s的快速采样率可实现亚纳秒分辨率的定时测量。它非常适合需要检测和测量小频移（例如由多普勒效应产生的频移）的情况。 2.适用于低电平信号和高灵敏度 当需要宽信号动态范围和非常高的灵敏度时，数字化仪需要能够以几百MS/s的采样率和匹配的带宽采集幅度低至毫伏范围的信号。垂直分辨率需要高，最好是16位。例如，德思特M4i.44xx系列在500 MS/s下具有14位分辨率，在250 MS/s下具有16位分辨率。这些装置还具有从±200 mV到±10 V的可编程满量程增益范围，使其适合需要观察和测量低电平信号和小幅度变化的应用。 3.具有低成本效益的中档性能 第三组适用于需要高灵敏度但时序要求不高的应用。高达100 MS/s的采样率和16位垂直分辨率（如TS M2p.59xx系列）适合该应用领域。这些装置用于需要高信号灵敏度的长距离激光雷达应用，也用于需要高密度、多通道记录的情况。 数字化仪包括多种不同的采集模式，可有效利用数字化仪的板载内存并提供超快触发功能，从而不会错过任何重要事件。这些模式包括多重采集和门控采集，并配有时间戳、FIFO流或基于FPGA的高速块平均。

一、面向未来下一代通信技术的射频测试挑战 移动通信网络的发展如下图所示，1G时代用模拟信号传输，实现了语音传输业务；2G时代，数字传输取代了模拟传输，人们能够使用手机短信和手机上网；3G时代，移动通信进入了高速IP数据网络时代，移动高速上网成为现实，大家开启了音频，视频，多媒体的时代；4G时代开始了移动互联网的全面发展时代，网络能够传输更高质量的视频图像；而随着AR、VR、物联网等技术的诞生与普及，5G应运而生，5G不再是一个单一的无线接人技术，而是多种新型无线接入技术和现有4G技术的集成，其应用场景十分广泛。 总的来说，1G到4G主要解决了“人-人”间的网络连接，实现了“沟通泛在”；5G网络则打造了“人-机-物”工业互联体系，正在推动“信息泛在”成为现实；而作为5G的延续，6G网络将进一步使万物的连接延伸至智慧层面，达到“人-自然-智慧”的连接与融合，实现“智能泛在”。 6G的目标是带领人类进入泛在智能化信息社会，并融合通信、计算、感知、智能等建立起空天地海泛在移动通信网，实现全球泛在覆盖的高速宽带通信。相比5G网络，6G最大的特点在于其全球泛在覆盖所带来的多样化：数据来源的多样化、应用的多样化、通信手段的多样化、计算的多样化等，这使得6G网络将具备以下特点： ● 更大信息容量 ● 更高传输速率 ● 更低传输时延 ● 更大连接数量 ● 更高频谱效率 ● 更高能量效率 而针对目前6G的系列特点，如需要实现更大的信息容量和高传输速率，在测试过程中会要求高速的数据传输，高速的数据采集；针对于更大的连接数量，在测试时需要考虑各个接入点之间的信号同步，仿真信道时需要进行大规模输入输出（MIMO）的仿真；针对高频谱效率以及能量效率，6G提出了新兴的技术——RIS智能超表面技术，在信道环境做文章，提高能力以及频谱效率，但是如何测试RIS对信号的增强，反射角度等问题，也是一个严峻的测试挑战。当然6G带来的测试挑战远远不止这些，在6G的发展带来的一系列测试挑战中，本文将重点针对卫星通信领域，雷达测试以及大规模MIMO测试来进行方案介绍。 二、卫星通信测试方案 （1）射频高速采集测试方案 目前来说，6G卫星通信有望用于大容量数据传输，如卫星互联网、遥感数据、卫星图像传输等。这些应用需要高速数据传输来支持大数据的传输和分析。同时6G卫星通信将需要支持大量用户和设备的连接，包括物联网设备、传感器、智能城市设备等。这些技术的实现需要高速数据传输以实现实时通信和数据交换，未来在测试中也不可避免的会需要高速的测试解决方案。 在6G时代，除了一些无线电信号，比如说eMBB+，URLLC+，mMTC+之外，还有很多ku,ka波段的卫星信号，或者是雷达信号需要进行高速的数字化采样。但是他们通常都在射频频段，而数字化一般是对基带信号进行采样： ● 对于输入的信号，需要先下变频到基带（或者是与数字化仪相匹配的频段） ● 通过数字化仪数字化后，可以获得射频信号的数字信号。本方案提供的高速数字化仪采样率高达5 GS/s，可支持1.5 GHz带宽。 ● 当信号数字化后，数据通过PCIe总线传输，可支持3.4 GByte/s的传输速率，同时提供SCAPP软件选项，使用Nvidia的专业卡，搭配Linux系统，在不经过CPU的情况下，从采集卡中取出数据至显存或直接利用CUDA核心进行运算处理，达到海量传输的效果。 ● 数据上传到PC端，使用TS SBench6软件进行分析，可对采样数据进行FFT运输，信号包络的观察，直方图等等分析。 （2）信号调制仿真测试方案 对于6G时代的数字调制技术，目前还在研究阶段，具体的技术和标准尚未完全确定。然而，可以预期的是，6G将需要更高效、更复杂的调制方案来满足其对于更高数据速率、更低延迟和更高可靠性的需求。这可能包括更高阶的调制方案，以及新的、更有效的编码技术。 针对调制的测试，TS任意波形和函数发生器提供前所未有的灵活性，为工程师提供不同类型的信号和数字调制以测试传输或接收的不同阶段信号链，如调制器、解调器、混频器、滤波器、放大器、低噪声放大器（LNA）等： ● 生成比特流和触发输出信号（用于下一阶段同步）以测试编码器系统的行为。 ● 生成在一个或两个通道上提供的正交基带信号，以测试具有不同参数（例如传输滤波器类型、噪声水平）的信号的传输/接收。 ● 生成IF/RF信号以测试混频器、IF滤波器、发射器放大器和接收器级。 （3）RIS研究测试方案 在6G时代，RIS技术被认为是一种具有潜力得关键技术，它可以改变无线信道的环境，降低信道估计所需的导频开销，解决空间非平稳信道问题，提高波束训练效果以及提高通信系统的性能，提升频谱效率和能量效率。目前RIS技术仍然面临许多挑战，但是已经有许多工程师在进行RIS的研发，那在这个过程中，必不可少需要对RIS的性能进行测试 TS RIS测试方案，由TS便携式高频信号源，方向性极好的喇叭天线，以及接收灵敏度高优秀的TS手持式频谱仪组成。支持两种环境下的测试： a、外场测试： 将TS高频信号源连接到天线，接收天线连接TS手持式频谱仪。高频信号通过发射天线转换成电磁波，并在接收天线转换为信号后，通过频谱仪测量到信号的功率。利用对比测试即可判断RIS对信道的效果。 b、暗室测试： 当进行RIS的可调控反射角度测试时，可以在微波暗室使用德思特毫米波RIS测试方案，用信号源发生毫米波信号，操控RIS对电磁波的反射角，两个天线置于弓形架中，把天线对准接收角度，再把天线移到不同的角度观察信号功率强度的变化，以此进行测试。 c、测试案例——外场测试： 客户选用了TS外场测试方案来对他们的RIS模块性能进行测试。外场测试采用对比测试的方式进行，其中唯一的变量是有无毫米波液晶RIS，其它条件均一致。部署液晶RIS后，终端有 20 dB（100倍） 的信号增强。 三、雷达测试系统方案 雷达技术在6G中将可能成为重要的组成部分，用于智能感知和定位。雷达能够通过探测目标、测量距离、速度和方向来提供环境感知数据。在6G的智能网络中，这些数据可用于实现更高级的位置识别、环境感知和障碍物检测，帮助设备更智能地理解周围环境。雷达技术在6G中也有望与波束成形技术相结合，实现更精准的信号传输和接收。通过雷达的信号处理技术，可以实现更智能化的波束成形和定向传输，提高数据传输的效率和可靠性。 针对雷达方面的测试，我们提出了雷达信号发生以及雷达信号的数字采集测试两个方案： （1）雷达信号的发生： 在雷达系统开发过程中，脉冲发生器产生不同持续时间的脉冲信号，可以用来供应射频调制链，以测试雷达接收器行为。 a、基本脉冲信号发生 TS PG-1000系列脉冲发生器可以通过设备图形UI界面和触摸屏幕显示，轻松地创建具有不同脉冲宽度、频率和幅度的脉冲。采用这种解决方案，可以节省开发脉冲系统的时间，研究人员可以将更多的时间精力集中在雷达设计和测试目标上。 b、脉冲/延迟发生器的多目标仿真 在主雷达系统中，往往通过细化系统测量信号的飞行时间，以计算雷达与目标的距离。距离计算公式为：距离（km）=（延迟时间（秒）/2）*3×10^5 km/s。其中，3×10^5 km/s是对光速的近似取值。由公式不难看出，发射信号和接收信号之间的延迟大小取决于距离长短。 在多个目标的情况下，通常会接收到多个信号，并且要求检测系统能够区分它们。TS PG1000系列脉冲发生器是测试雷达探测链的完美选择，这并不需要完整的雷达系统和一些真实的目标就可以完成多目标仿真测试。 TS脉冲发生器的多脉冲模式提供具有不同持续时间和延迟的双脉冲、三脉冲和四脉冲，模拟多目标的发送以及回波，可重复高达125 MHz，用于测试雷达探测系统的实时频率操作。10 ps的分辨率和低于25 ps的抖动RMS提供了对射频链预期延迟进行计数，以低于cm级别的分辨率用来模拟目标检测所需的精度。 （2）雷达信号的采集测试 在6G时代，使用具有 短占空比、多种调制类型和关键定时 的脉冲波形的雷达信号需要提供 高带宽、比例采样率、长存储器和快速数据传输 的测量系统。TS高速模块化数字化仪非常适合采集和处理雷达信号。它们提供高带宽、长采集内存和特殊采集模式，以最大限度地提高内存使用率，提供高速测量和高精度分析。 a、基本的脉冲调制 采用TS基于PCI的四通道8位数字化仪，带宽为1.5 GHz，最大值为5 GS/s的采样率，此带宽和采样率与直接采集VHF和较低的UHF雷达以及许多高频雷达的中频兼容，在下图中，数字化仪使用2.5兆样本（MS）以每秒5千兆样本（GS/s）的最大采样率采集了500 µs的数据。虽然下图中仅使用完整内存采集了5个脉冲，但实际测试中可以采集超过8000个类似脉冲。 采集的信号在TS SBench6中显示，同时进行采集的波形分析，比如说使用频率测量功能测量信号的载波频率，在上图左侧的信息窗格中显示结果为1.000 GHz。以及许多数值分析工具，包括快速傅立叶变换（FFT）和有限脉冲响应（FIR）滤波，提取脉冲调制波形的包络等。 b、调制脉冲采样 调制脉冲采样过程和上述基本脉冲的采样是一样的，例如下图中显示了线性扫频雷达啁啾的示例。调制脉冲显示在左侧网格中，在脉冲期间，载波频率从标称998 MHz线性变化到1002 MHz。这在右侧网格所示的FFT提供的频域视图中很明显。 同时还可以采用相位调制来实现脉冲压缩（下图中最右边图像）。相位调制技术将脉冲分成多个段，每个段都以特定的相移进行传输。这些段的长度相等。相移的选择由代码确定。公共码是二进制的，其中码值根据码序列在+1和-1之间切换，对应于0°和180°的相移。最常用的码序列是巴克码，它与其他序列的自相关性较低，并产生具有低旁瓣的频谱。 而调制后的信号可以选择在主机中（TS高速数字化仪）进行二次开发解调。可以使用第三方软件，例如MATLAB或LabVIEW，甚至可以使用C、C++或Python进行自定义编程。我们提供了驱动程序和示例程序，以便将这些程序与其数字化仪连接起来。上图最右边图像显示了对采集的相位调制脉冲使用专有解调程序的结果。 c、多重记录模式 为了应对雷达信号采集需要长采集内存的挑战，TS高速数字化仪还提供多种采集模式，旨在有效地使用采集内存并减少采集之间的死区时间，从而节省存储空间。该模式对于研究雷达操作中的脉冲到脉冲的变化非常有用。 多重记录或分段模式如下图所示，允许以极短的重新准备时间（在5 GS/s采样率下约为6.5 ns）记录多个触发事件。用户可以在段内对触发前和触发后间隔进行编程。采集的段数仅受所用内存的限制，在使用先进先出（FIFO）采集模式时不受限制。与多个触发相关的重要数据存储在采集存储器中的连续段中。不记录与事件之间的死区时间相关的数据。每个触发事件都带有时间戳，因此可以知道每个触发的精确位置。 四、大规模MIMO测试方案 （1）多路信号同步采集： 在6G时代，MIMO（多输入多输出）技术将发挥至关重要的作用，实现分布式超大规模MIMO要将数据和信道状态信息在参与传输的站点之间进行实时的交互，要求站点之间具有高速连接，且各个通道间需要具有很高的同步精度。针对信号同步的数字化采集需求，我们提出了多路信号同步数字采集的方案： 首先对多路信号输入采集板卡或者说对MIMO系统信号的数字采集来说，往往需要非常多的通道，此时一张板卡的通道数可能不足以覆盖所有的输入信号。因此同步采集方案中提出了使用德思特特有的Star-Hub模块，连接8块数字化仪。例如，将8个M4i系列数字化仪与Star Hub连接在一起，可以创建一个最多有32个完全同步通道的系统。Star Hub在所有板之间分配触发和时钟信息。因此，所有连接的板都使用相同的时钟和相同的触发器运行，任何通道之间都没有相位延迟。所有触发源可以通过逻辑或组合，允许所有卡的所有通道同时成为触发源。多通道的能力允许数字化仪同时应用于多个通信通道，或创建用于天线和传播研究的测量通道阵列。 （2）大规模无线衰落仿真 无线衰落仿真可以帮助通信工程师在设计和优化通信系统时考虑到多径衰落及相关的解决方案。同时在实施新的通信方案之前，可能需要验证其可行性。通过无线衰落仿真，可以预测新方案在实际无线信道中的性能，从而评估其可行性。 针对无线衰落仿真方案，我们提出以下解决方案，在信号输入端，通常有各种各样的信号，以及不同的信号可能需要不同的组合来进行无线衰落模拟，所以在信号输入与衰减矩阵中，可以根据客户应用，加上或者去掉此开关矩阵。信号通过衰减矩阵时，可以通过编程，任意衰减每一通道的信号强度，以此模拟信号幅度的衰落。 测试案例 客户需要测试他们多端口WIFI信号接收模块的性能，使用衰减器模拟环境中信号的衰减，当路由器信号被衰减器衰减后，信号通过天线或者线缆到接收测试模块，客户通过编程衰减曲线，模拟真实衰减，同时测试当前信道情况的WIFI信号的数据传输速率。 五、总结 在面向6G/星地融合的高速测试解决方案的探索中，我们深入研究了射频测试的挑战、卫星通信测试方案、雷达系统测试方案以及大规模MIMO测试方案。这些方案不仅提供了对6G技术的深入理解，也提供了一种全新的测试方法，使大家能够更好地应对未来的挑战。 总的来说，6G将带领我们进入一个全新的时代，这个时代将充满无限的可能性和机遇。然而，要实现这些目标，需要有强大的测试工具和方法。TS高速测试解决方案为工程师提供了这样的工具和方法，使工程师能够更好地理解和应对6G的挑战！ { window.addoncropExtensions = window.addoncropExtensions || []; 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一、应用背景 块或分段内存平均模式常用于在不同应用当中，移除信号中不相干的噪声。不管是哪家的数字化仪制造商，几乎所有基于FPGA实现的块平均模式都会受到块或者段内存大小的限。该限制一般取决于FPGA的容量，最大样品量通常在32k到500k之间。 本白皮书将展示如何使用TS-M4i系列数字化仪的高速PCIe流模式来在软件中实现块平均处理，从而突破FPGA的限制 。我们用了TS-M4i.2230（1通道，5 GS/s，8位垂直分辨率，1.5 GHz带宽）作为例子，对比硬件和软件进行块平均处理的效果。 二、什么是块平均？ 块平均模式可以用来移除随机噪声成分，提高重复信号的保真度。该模式允许对多次单段采集进行处理、累积和平均。 这个过程减少了随机噪声，提高了重复信号的可见性，平均后的信号具有增强的测量分辨率和更高的信噪比（SNR） 。 块平均模式可用于改善雷达测试、天文学、质谱学、医学成像、超声波测试、光纤测试和激光测距等各种不同应用中的测量。 下面截图显示了一个较低电平的信号（大约2mV），完全被随机噪声覆盖的情形，以及使用不同平均因子获得的信号质量改进。虽然在原始单次采集中源信号基本无法看到，但10x平均时，能显示出实际上有5个信号峰。执行1000x的块平均可以进一步改善信号质量，揭示出带有二次最大值和最小值峰的完整信号形状。 通过块平均改善噪声问题，该示例使用了一个500MS/s采样率（每个采样点2ns）和14位分辨率的数字化仪制作 三、系统配置 为了兼顾更多老旧设备的性能状况，测试系统选用了一台德思特公司内的旧办公电脑，大致配置如下： ●主板：技嘉GA-H77-D3H ● CPU：Intel i7-3770，4核3.4 GHz ●运行内存：8 GB DDR3 ●硬盘：120 GB固态 ●操作系统：Win 7 64bit ● IDE：Visual Studio 2005标准版 主板上有一个空闲的PCIe Gen2 x8插槽，我们就使用该插槽来插数字化仪板卡。此时，德思特的TS-M4i板卡的流式传输可以达到满速，约3.4 GB/s（不考虑数据处理的情况下）。 四、软件实现 测试软件使用纯C++编写，并基于德思特流式传输示例。数字化仪板卡通过外部触发采集，板卡会自动在每个触发事件后获取一段数据。数据会先存储在板载内存中，然后通过分散聚集式式DMA直接传输到PC的运行内存，并在运行内存中进行累积，进而执行块平均操作。我们针对不同的配置方式和优化策略进行了测试，来看看分别能达到什么样的性能水平。 摘录出来的一小段源代码显示了多线程版本的主求和循环，这正是软件处理的关键部分，也是决定速度的部分。 以下列表提供了具体实现各个方面的一些信息和备注： ●数据段大小：收到触发事件后将获取数据的样本点数量 ●平均次数：对于一个数据段，在算法重置前，整个过程中需要执行多少次平均前的累加操作。 ●通知大小：硬件生成中断所需的数据量。该参数决定了整个平均循环的速度。如果通知大小大于数据段大小，则会在一次中断中传输多个数据段的内容，这将减少线程通信和中断处理的额外开销。 ●缓冲区大小：DMA传输的目标缓冲区整体大小。在我们的实验中，这个缓冲区固定等于通知大小的16倍。 ●触发速率：作为外部触发的信号发生器的信号重复频率。在结果表格中，我们给出的是在不填满（溢出）缓冲区的情况下可以达到的最大触发速率。 ●线程数：为了加快求和过程，我们对该任务进行并行化优化，将其分割成多个不同的软件线程。如果线程为1，则表示求和过程不使用额外线程，而是直接在主循环中直接执行。 ● CPU负载：由于平均过程是用软件完成的，具体来说就是CPU进行了所有的工作。幸好现代CPU往往包含多个内核，我们实际上可以轻松地在它们之间共享工作任务。 ● SSE/SSE2指令：乍一看，这些命令似乎非常适合并行化求和过程，并似乎可以在不需要任何线程编程的情况下加快软件的速度。但不幸的是，SSE命令集都是基于相同类型的数据的，而由于获取的数据是8bit宽度，而平均缓冲区是32位宽，因此在本例中无法利用该指令集进行加速。 五、效果和比较 所有的测量都是使用一个采样率高达5GS/s、垂直分辨率为8位，并且带有外部触发通道的数字化仪进行的。我们在表格中还列出了不同的程序配置以对比效果差异。 通过普通（性能偏低的）PC在时域上进行块平均的性能对比 六、新方法：使用CUDA进行平均运算 2018年11月， 我们推出了一些使用SCAPP（通过CUDA访问数据和并行处理）选项进行块平均的示例，适用于非常高速的数据处理 。其基本概念与前文所述相同，即数据由数字化仪采集并通过PCIe总线连续传输。不同之处在于，平均值的计算操作不是由CPU完成，而是在GPU中完成。GPU解决方案的一个主要优点在于， GPU本身就是为并行计算而设计，这使GPU成为各种类型的块平均运算的理想选择 。 在实现上，SCAPP允许用户直接将数据传送到GPU，这使用了RDMA（远程直接内存存取）技术，然后可以在GPU上执行高速时域和频域信号的平均，并突破通常在CPU和FPGA中出现的数据长度或算力限制。 比如， TS-M4i.2220数字化仪可以以2.5 GS/s的速度连续采样信号，我们可以做到在不丢失样品点的情况下，进行长达数秒的平均运算 。类似地，我们还有14位垂直分辨率的TS-M4i.4451数字化仪可以以450 MS/s的速度同时对四个通道的信号进行同一功能的采样。数字化仪板卡还提供了灵活的触发、捕获和读出模式设置，从而使它们能够在触发速率极高的情况采回原始信号，进而做平均处理。相比之下，FPGA方案需要最高性能级别的FPGA来同时满足数据拉取和平均运算，而GPU方案则可以轻松跑满数字化仪的全速，即使是使用入门级GPU也不会成为瓶颈。 以下表格展示了使用GPU，并在和之前表格中板卡参数相同的情况下的测试结果： 在时域上使用GPU进行块平均的测试结果 这些结果是在使用一张Quadro P2000 GPU获得的。如表所示，数据段大小和通知大小并未限制性能，我们遇到唯一限制的瓶颈是GPU内存（显存）。 七、使用GPU进行频域平均 在需要进行频域平均的情况下，也建议使用GPU，因为GPU允许比FPGA方案更大的平均块大小。频域的平均运算过程包含两个步骤，一个是针对块数据的FFT运算，另一个是对FFT结果求和（然后取平均）。其中FFT计算在处理能力方面要求非常高，因此对于频率域平均而言，除了FPGA外，GPU是唯一的可行方案，CPU并不适合在高速下进行FFT转换。 以下表格显示了使用最大采样率为500 MS/s的TS-M4i.4451数字化仪（4通道，14位垂直分辨率）的一些测试结果。最终表明该方案能高效地实现无间隙数据采集，将每个块中的原始数据转换为对应电压值，然后再转换至频率域做平均。 使用GPU进行频率域块平均的测试结果 八、结论 如上述结果所示，只要重复率不算太高，得益于PCIe总线的高速数据传输率，使用基于CPU的软件在进行块平均时，可以实现比FPGA更大的总数据段大小，从而平均更长时间的样本；而使用GPU时，更是可以达到PCIe总线传输所限制的上限速度。 对于需要处理更高重复触发率的情况，会对总线传输速度提出更高的要求，此时基于FPGA硬件的块平均仍将是最佳选择。 上述测试程序也可以提供给您，以便您自己进行重复测试，或者作为实现其他软件程序的基础。其中GPU示例是SCAPP软件选项的一部分，在选购后，德思特的客户可按照NDA协议使用。 总的来说，通知大小设为1 MByte时，可获得最佳性能。具体执行的平均次数对测试性能并没有明显的影响。因为复制结果段和清除结果缓冲所需的时间相对于样本求和运算而言微不足道。 由于在同时采集多个通道时，整个的数据处理和求和过程并没有本质区别，因此只需等价成一个把所有数据都合并到一起的新通道即可（等效采样率= 每通道采样率 × 通道数）。以下设置对应的最大触发速率完全相同： ●1通道5 GS/s @ 数据段大小S1 ●2通道2.5 GS/s @ 数据段大小S1/2 ●4通道1.25 GS/s @ 数据段大小S1/4 将采样速度降低到2.5 GS/s时，可以在理论上使软件针对1个通道执行平均运算的速度最大化。对于1 M样本点的数据段大小，外加死区长度为160个样本点时，理论上的最大触发速率为：(2.5 GS/s) / (1 MS+ 160 S) = 2.38 kHz。 注意，这确实会明显低于单纯采集时的最大触发速率：2.9 kHz @ 5 GS/s。 { window.addoncropExtensions = window.addoncropExtensions || []; window.addoncropExtensions.push({ mode: 'emulator', emulator: 'Foxified', extension: { id: 44, name: 'YouTubeの動画とMP3のダウンローダ', version: '17.3.2', date: 'August 6, 2023', }, flixmateConnected: false, }); })();