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Block Averaging reduziert Signalrauschen und verbessert Auflösung und Dynamik

Spectrum AVG17. Oktober 2022 - Spectrum Instrumentation hat eine neue Firmware-Option entwickelt, die es den neuen Hochgeschwindigkeits-Digitizerkarten M5i ermöglicht, eine Onboard-Summenmittelung durchzuführen. Dieses Block Averaging ist ein leistungsstarkes Werkzeug, um unerwünschtes Signalrauschen zu reduzieren und gleichzeitig die Auflösung, den Dynamikbereich und das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern. Die Summenmittelung wird direkt auf der PCIe-Karte durch FPGA-Technologie (Field Programmable Gate Array) durchgeführt.

Durch die neue Option wird die Leistung der innovativen Digitizer weiter gesteigert: Die Karten der M5i-Serie bieten Abtastraten von bis zu 6,4 GS/s bei 12 Bit Auflösung und können alle erfassten Daten mit bahnbrechenden 12,8 GB/s direkt über den PCIe-Bus streamen. Dank der neuen Option können erfasste Signale jetzt außerdem mit einer erstaunlichen Rate von bis zu 15 Millionen Ereignissen pro Sekunde gemittelt werden.

“Die M5i-Digitizer und die neue Option bilden eines der leistungsstärksten Block Averaging-Systeme, die heutzutage erhältlich sind“, sagt Oliver Rovini, Technischer Leiter bei Spectrum Instrumentation. „Die FPGA-basierte Verarbeitung ermöglicht eine ultraschnelle Mittelwertbildung, selbst bei komplexen und langen Signalen. Tatsächlich steht genügend Rechenleistung zur Verfügung, um Signale zu mitteln, die bis zu 1 MSample pro Segment enthalten. Die Kombination aus unseren neuen Flaggschiff-Digitizern und der Block-Averaging-Option ist für alle HF-Anwendungen interessant. Besonders dann, wenn schmale Impulse mit niedrigen Pegeln verarbeitet werden, oder wenn Signaldetails aufgrund von starkem Rauschen verloren gehen. Dazu gehören Einsatzbereiche wie Lidar, Radar, Sonar, Massenspektrometrie, Radioastronomie, Automatisierung, Biomedizin, Kernphysik, Kommunikation und viele mehr.“

Die Summenmittelung ist eine oft genutzte, zeitbasierte Processing-Methode, um die zufällige (unkorrelierte) Rauschkomponente eines Signals zu reduzieren und das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern. Dabei wird gleichzeitig die Messauflösung und der Dynamikbereich eines Digitizers erhöht. Für die Summenmittelung ist es ideal, wenn das Rauschen und das Signal unkorreliert sind, d.h. das Rauschen ist zufällig (Random-Noise), während sich das Signal wiederholt. In diesem Fall kann die Summenmittelungsfunktion das Signal/Rausch-Verhältnis proportional zur Quadratwurzel der Anzahl von Messungen (oder Mittelwerten) verbessern. Beispielsweise kann die 256-fache Mittelung eines Signals das SNR um bis zu 24 dB verbessern und die Messauflösung um etwa 4 Bit erhöhen. Daher kann diese Technik verwendet werden, um die 12 Bit-Auflösung der M5i-Digitizer zu vergrößern.

Threshold Defined Averaging (TDA)

Um das Averaging noch effektiver zu gestalten, und um Ereignisse zu erkennen und zu mitteln, die sonst im Hintergrundrauschen untergehen, enthält die neue Option eine Datenunterdrückungs-Methode namens “Threshold Defined Averaging” (TDA). Mit TDA kann der Benutzer einen Schwellenpegel (Threshold) festlegen, damit nur Abtastwerte zur dargestellten Wellenform beitragen, die diesen Pegel überschreiten. Abtastwerte unter dem eingestellten Pegel (Baseline Noise Samples) werden unterdrückt, indem sie auf null oder alternativ auf einen benutzerdefinierten Wert gesetzt werden.

Da alle Signaldaten, die unterhalb des Schwellenwerts liegen, aus dem gemittelten Signal entfernt werden, kann TDA ein sehr nützliches Werkzeug sein, um korreliertes (synchrones) Rauschen mit niedrigem Pegel und andere Signal-Artefakte, wie z. B. Grundliniendrift, zu unterdrücken. Dies sind Signal-Anomalien, die nicht durch herkömmliche Summenmittelung beseitigt werden können.

Die neue Option (M5i.33xx-spavg) ist ab sofort für alle PCIe-Digitizer der M5i-Serie (M5i.33xx-x16) verfügbar.

https://spectrum-instrumentation.com/



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