強大的產品可降低信號噪音并提高分辨率與動態

中國北京，2022年10月12日訊——Spectrum儀器公司為旗下高速M5i數字化儀卡（圖1）新增固件選項，以實現板上求和平均值。平均值對于減少不必要的信號噪音，提高測量的分辨率、動態范圍以及信噪比（SNR）而言可謂是一款重要的工具。新選項使M5i數字化儀能夠通過先進的板上現場可編程門陣列（FPGA）技術實現平均功能，并以此增加產品的獨特性。M5i系列數字化儀的實時采樣速率高達6.4 GS/s和12位分辨率，可在速度高達12.8GB/s的情況下通過PCIe總線直接傳輸所有采集到的數據。新增的固件選項使這一功能發揮得更為出色，并允許以每秒產生1500萬事件的驚人速度獲取信號的平均值。

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

Spectrum儀器技術總監Oliver Rovini表示:“M5i系列產品新增選項后，使其成為了目前市面上最強大的平均系統之一。基于FPGA的處理，可在復雜波形或是長波形的情況下都能實現超快的平均。事實上，該產品在平均波長方面的處理能力非常強大，每次采集的平均波形都高達1Msmple。新增選項所提供的平均值包給予從事高頻信號，非常窄的低電平脈沖以及信號細節由于大量噪音而丟失方面的專業人士極大的幫助。這其中的應用包括質譜、激光雷達、射電天文學、自動化、雷達、生物醫學、核物理、通信和聲納等。”

關于求和平均(Summation Averaging)

求和平均是一種常見的、基于時域的處理技術，用于減少信號中隨機(不相關)的噪音成分和提高信噪比(SNR)，與此同時還能提升數字化儀的測量分辨率和動態范圍。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細節的例子。

圖2:平均值是提取在隨機噪音中丟失信號時最重要的一項技術。它還能用于提高測量分辨率、動態范圍和信噪比。

在這個例子中，一個低電平信號(約3 mV)完全被隨機噪音(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，但平均10次后表明實際上存在一個5 peak的信號(中間線條)。平均1000次進一步提高了信號質量，揭示了信號的真實形狀，完成二級最大和最小峰值(下方線條)。

理想情況下，如果信號和噪音沒有關聯，即信號重復時產生了隨機的噪音，那么求和平均功能可以提高信噪比的比例與測量次數(或平均值)的平方根成正比。例如，一個信號平均256次可以使信噪比提高24 dB或提高約4位的測量分辨率。因此，該技術可用于提升和擴展M5i系列數字化儀的12位分辨率。

內置閾值自定義平均(TDA)

為了進一步提升產品的平均能力，并使M5i系列數字化儀能夠檢測并對在過度噪音背景中丟失的事件進行平均，新的固件選項設有一個稱為閾值自定義平均(TDA)的數據抑制技術。TDA允許用戶設置一個閾值水平。因此只有超過該水平的波形樣本才會產生累積波形。基線噪音樣本，即低于設置水平的樣本，可將其設置為0或者用戶自定義的數值。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對數字化儀ADC的實時數據進行累加并使用TDA功能

圖4:TDA用0或預設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據從平均波形中刪除時，TDA就是一件非常得力的工具。它能夠拒絕低電平、相關(同步)噪聲和其他波形，如基線漂移。這些信號異常是傳統的求和平均法無法刪除的。

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

關于Spectrum儀器

Spectrum儀器成立于1989年，憑借其獨特的模塊化概念設計和研發了200余款數字化儀和發生器產品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及獨立的以太網設備（LXI）。在過去30年間，Spectrum獲得了業界的廣泛認可，旗下產品也被用于行業領軍企業以及頂尖大學的眾多產品和科研項目中。Spectrum儀器總部位于德國漢堡附近的格羅斯漢斯多爾夫。公司憑借卓越的技術能力、優質的客戶服務和長達5年的質保享譽全球。

審核編輯 黃昊宇