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Digitalizadores con Conversión Digital Descendente DDC vía GPU

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Ahora, los digitalizadores ofrecen Conversión Digital Descendente continua a través de una GPU externa que lanza el procesamiento de DDC para convertir señales de RF a señales de banda base.

La completa línea de tarjetas digitalizadoras PCIe de Spectrum Instrumentation ya puede realizar Conversión Digital Descendente (DDC, por sus siglas en inglés) gracias a una opción de bajo costo que utiliza una tarjeta de GPU externa para el procesamiento continuo «sobre la marcha».

DDC es una técnica poderosa que se utiliza comúnmente en una amplia gama de sistemas de comunicación, como radio digital, radar, telefonía móvil, comunicaciones espaciales o por satélite.

En el proceso DDC, las señales de RF o microondas se convierten a banda base, que contiene la señal de interés. La conversión reduce drásticamente el conjunto de datos resultante, al tiempo que mejora la calidad de la señal y la precisión de las mediciones.

Así, el conocido fabricante Spectrum Instrumentation cuenta con 48 digitalizadores basados en PCIe diferentes (con velocidades de muestreo de 5 Ms/s a 10 Gs/s) que pueden ejecutar la nueva función de DDC, lo que permite a los clientes seleccionar el modelo «Perfect-Fit» para su aplicación.

¿DDC con FPGA incorporada o tarjeta de GPU externa?

La mayoría de las implementaciones de DDC en digitalizadores utilizan tecnología de FPGA (Matriz de Puertas Programables en Campo) incorporada. Las señales analógicas entrantes se convierten en datos digitales antes de pasar a la FPGA para la conversión descendente. Este enfoque es rápido y eficiente, pero tiene limitaciones.

Requiere tecnología FPGA grande y costosa, así como firmware creado específicamente.

La personalización del firmware también es un desafío, ya que requiere conocimientos especializados en desarrollo de firmware y herramientas de software costosas.

El nuevo enfoque de este fabricante elimina estos obstáculos. Al utilizar el kit de desarrollo de software SCAPP (Acceso CUDA de Spectrum para Procesamiento Paralelo), los datos adquiridos por el digitalizador se pueden transmitir a través del bus PCIe del digitalizador directamente a una GPU basada en CUDA.

La GPU, que puede tener miles de núcleos trabajando en paralelo, permite que el software de procesamiento se cree utilizando el lenguaje C/C++. Esto facilita mucho la implementación de DDC, ya que se pueden realizar personalizaciones con habilidades de programación normales. Comenzar con un ejemplo de DDC probado ofrece resultados inmediatos y proporciona una plataforma desde la cual se puede optimizar aún más el software.

Un ejemplo práctico con tasas de transmisión de datos de 12,8 GB/s

La línea de digitalizadores de Spectrum Instrumentation incluye tarjetas PCIe en tres plataformas diferentes (M2p, M4i y M5i). Estas ofrecen tasas de muestreo desde tan bajas como 5 MS/s hasta 10 GS/s ultra rápidos, con resoluciones de 8 a 16 bits, y anchos de banda desde 2,5 MHz hasta más de 3 GHz.

La serie M5i, mostrada en la figura siguiente, representa la gama alta, ofreciendo las tasas de muestreo más rápidas y los anchos de banda más altos, todo con una resolución de 12 bits.

Digitalizadores con Conversión Digital Descendente DDC vía GPU

Así, la figura muestra capturas de pantalla del dominio de frecuencia de una señal antes y después de la conversión descendente.

En este caso, se utilizó una tarjeta digitalizadora M5i.3337-x16 para muestrear una señal de entrada de 702 MHz a una velocidad de 6.4 Gs/s. Los datos adquiridos se transmitieron de forma continua directamente a una GPU Nvidia RTX A4000, con 6144 núcleos, a la máxima velocidad de transferencia de 12.8 GB/s.

Una vez allí, el ejemplo de trabajo incluye los bloques de procesamiento necesarios para llevar a cabo la función de DDC. Esto incluye un Sintetizador Digital Directo (DDS), filtrado paso bajo y submuestreo. La GPU realiza todas las tareas necesarias de DDC. En este caso, mezcla los datos con una señal sinusoidal compleja (generada por el DDS), aplica un promedio móvil, decima el resultado (en este caso por un factor de 512), pasa los datos decimados a través de un filtro de Respuesta al Impulso Finita (FIR), los reescala y luego transfiere los datos procesados a la memoria del PC para su almacenamiento (o procesamiento adicional).

Las dos capturas de pantalla del dominio de frecuencia muestran que la relación señal-ruido de la señal descendida (en verde) ha mejorado en casi 10 dB en comparación con la original (en amarillo).

Además, el archivo de datos se ha reducido drásticamente en un factor de 512, pero aún retiene toda la información importante en el rango de frecuencia de interés de la señal. El archivo de datos más pequeño ahora es mucho más fácil de almacenar, analizar y mostrar en un PC convencional.

A partir de ahora, la nueva función de DDC forma parte del paquete SCAPP de bajo costo. Este paquete de software es necesario para combinar fácilmente digitalizadores de Spectrum existentes o nuevos con una tarjeta de GPU.


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