Spectrum仪器数字化仪现已提供基于FPGA的平均值

强大的产品可降低信号噪音并提高分辨率与动态

中国北京，2022年10月12日讯——Spectrum仪器公司为旗下高速M5i数字化仪卡（图1）新增固件选项，以实现板上求和平均值。平均值对于减少不必要的信号噪音，提高测量的分辨率、动态范围以及信噪比（SNR）而言可谓是一款重要的工具。新选项使M5i数字化仪能够通过先进的板上现场可编程门阵列（FPGA）技术实现平均功能，并以此增加产品的独特性。M5i系列数字化仪的实时采样速率高达6.4 GS/s和12位分辨率，可在速度高达12.8GB/s的情况下通过PCIe总线直接传输所有采集到的数据。新增的固件选项使这一功能发挥得更为出色，并允许以每秒产生1500万事件的惊人速度获取信号的平均值。

图1:M5i.33xx系列数字化仪分为单通道和双通道两个型号,采样率高达6.4 GS/s和 12位分辨率。通过PCIe 16 lane Gen3接口的数据流速率高达12.8 GB/s。

Spectrum仪器技术总监Oliver Rovini表示:“M5i系列产品新增选项后，使其成为了目前市面上最强大的平均系统之一。基于FPGA的处理，可在复杂波形或是长波形的情况下都能实现超快的平均。事实上，该产品在平均波长方面的处理能力非常强大，每次采集的平均波形都高达1Msmple。新增选项所提供的平均值包给予从事高频信号，非常窄的低电平脉冲以及信号细节由于大量噪音而丢失方面的专业人士极大的帮助。这其中的应用包括质谱、激光雷达、射电天文学、自动化、雷达、生物医学、核物理、通信和声纳等。”

关于求和平均(Summation Averaging)

求和平均是一种常见的、基于时域的处理技术，用于减少信号中随机(不相关)的噪音成分和提高信噪比(SNR)，与此同时还能提升数字化仪的测量分辨率和动态范围。图2显示了如何通过平均值展示出被过度噪音掩盖的信号细节的例子。

图2:平均值是提取在随机噪音中丢失信号时最重要的一项技术。它还能用于提高测量分辨率、动态范围和信噪比。

在这个例子中，一个低电平信号(约3 mV)完全被随机噪音(上方线条)所掩盖。虽然在最初的单次采集中甚至看不到源信号，但平均10次后表明实际上存在一个5 peak的信号(中间线条)。平均1000次进一步提高了信号质量，揭示了信号的真实形状，完成二级最大和最小峰值(下方线条)。

理想情况下，如果信号和噪音没有关联，即信号重复时产生了随机的噪音，那么求和平均功能可以提高信噪比的比例与测量次数(或平均值)的平方根成正比。例如，一个信号平均256次可以使信噪比提高24 dB或提高约4位的测量分辨率。因此，该技术可用于提升和扩展M5i系列数字化仪的12位分辨率。

内置阈值自定义平均(TDA)

为了进一步提升产品的平均能力，并使M5i系列数字化仪能够检测并对在过度噪音背景中丢失的事件进行平均，新的固件选项设有一个称为阈值自定义平均(TDA)的数据抑制技术。TDA允许用户设置一个阈值水平。因此只有超过该水平的波形样本才会产生累积波形。基线噪音样本，即低于设置水平的样本，可将其设置为0或者用户自定义的数值。图3显示了FPGA功能的框架图，图4则为TDA过程的原理图。

图3:通过卡上的板上FPGA对数字化仪ADC的实时数据进行累加并使用TDA功能

图4:TDA用0或预设值代替低于阈值的所有样本来处理抑制噪音

如果想要将任何低于阈值的波形数据从平均波形中删除时，TDA就是一件非常得力的工具。它能够拒绝低电平、相关(同步)噪声和其他波形，如基线漂移。这些信号异常是传统的求和平均法无法删除的。

M5i.33xx series系列PCIe高速数字化仪的平均功能（M5i.33xx-spavg）现已上市。

关于Spectrum仪器

Spectrum仪器成立于1989年，凭借其独特的模块化概念设计和研发了200余款数字化仪和发生器产品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及独立的以太网设备（LXI）。在过去30年间，Spectrum获得了业界的广泛认可，旗下产品也被用于行业领军企业以及顶尖大学的众多产品和科研项目中。Spectrum仪器总部位于德国汉堡附近的格罗斯汉斯多尔夫。公司凭借卓越的技术能力、优质的客户服务和长达5年的质保享誉全球。

审核编辑 黄昊宇