一、應(yīng)用背景

塊或分段內(nèi)存平均模式常用于在不同應(yīng)用當(dāng)中,，移除信號中不相干的噪聲,。不管是哪家的數(shù)字化儀制造商，幾乎所有基于FPGA實(shí)現(xiàn)的塊平均模式都會受到塊或者段內(nèi)存大小的限,。該限制一般取決于FPGA的容量,，最大樣品量通常在32k到500k之間,。

本文將展示如何使用德思特TS-M4i系列數(shù)字化儀的高速PCIe流模式來在軟件中實(shí)現(xiàn)塊平均處理,，從而突破FPGA的限制。我們用了TS-M4i.2230（1通道,，5 GS/s,，8位垂直分辨率，1.5 GHz帶寬）作為例子,，對比硬件和軟件進(jìn)行塊平均處理的效果,。

塊平均模式可用于改善雷達(dá)測試,、天文學(xué)、質(zhì)譜學(xué),、醫(yī)學(xué)成像,、超聲波測試、光纖測試和激光測距等各種不同應(yīng)用中的測量,。

下面截圖顯示了一個較低電平的信號（大約2mV）,，被隨機(jī)噪聲覆蓋的情形，以及使用不同平均因子獲得的信號質(zhì)量改進(jìn),。雖然在原始單次采集中源信號基本無法看到,，但10x平均時，能顯示出實(shí)際上有5個信號峰,。執(zhí)行1000x的塊平均可以進(jìn)一步改善信號質(zhì)量,，揭示出帶有二次最大值和最小值峰的完整信號形狀。

通過塊平均改善噪聲問題,，該示例使用了一個500MS/s采樣率（每個采樣點(diǎn)2ns）和14位分辨率的數(shù)字化儀制作

● 主板：技嘉GA-H77-D3H

● CPU：Intel i7-3770,，4核3.4 GHz

● 運(yùn)行內(nèi)存：8 GB DDR3

● 硬盤：120 GB固態(tài)

● 操作系統(tǒng)：Win 7 64bit

● IDE：Visual Studio 2005標(biāo)準(zhǔn)版

主板上有一個空閑的PCIe Gen2 x8插槽，我們就使用該插槽來插數(shù)字化儀板卡,。此時,，德思特的TS-M4i板卡的流式傳輸可以達(dá)到滿速，約3.4 GB/s（不考慮數(shù)據(jù)處理的情況下）,。

摘錄出來的一小段源代碼顯示了多線程版本的主求和循環(huán)，這正是軟件處理的關(guān)鍵部分,，也是決定速度的部分,。

以下列表提供了具體實(shí)現(xiàn)各個方面的一些信息和備注：

● 數(shù)據(jù)段大小：收到觸發(fā)事件后將獲取數(shù)據(jù)的樣本點(diǎn)數(shù)量

● 平均次數(shù)：對于一個數(shù)據(jù)段,，在算法重置前,，整個過程中需要執(zhí)行多少次平均前的累加操作。

● 通知大?。河布芍袛嗨璧臄?shù)據(jù)量,。該參數(shù)決定了整個平均循環(huán)的速度。如果通知大小大于數(shù)據(jù)段大小,，則會在一次中斷中傳輸多個數(shù)據(jù)段的內(nèi)容,，這將減少線程通信和中斷處理的額外開銷。

● 緩沖區(qū)大?。篋MA傳輸?shù)哪繕?biāo)緩沖區(qū)整體大小,。在我們的實(shí)驗(yàn)中，這個緩沖區(qū)固定等于通知大小的16倍,。

● 觸發(fā)速率：作為外部觸發(fā)的信號發(fā)生器的信號重復(fù)頻率,。在結(jié)果表格中，我們給出的是在不填滿（溢出）緩沖區(qū)的情況下可以達(dá)到的最大觸發(fā)速率,。

● 線程數(shù)：為了加快求和過程,，我們對該任務(wù)進(jìn)行并行化優(yōu)化，將其分割成多個不同的軟件線程,。如果線程為1,，則表示求和過程不使用額外線程，而是直接在主循環(huán)中直接執(zhí)行,。

● CPU負(fù)載：由于平均過程是用軟件完成的,，具體來說就是CPU進(jìn)行了所有的工作。幸好現(xiàn)代CPU往往包含多個內(nèi)核,，我們實(shí)際上可以輕松地在它們之間共享工作任務(wù),。

● SSE/SSE2指令：乍一看，這些命令似乎非常適合并行化求和過程,，并似乎可以在不需要任何線程編程的情況下加快軟件的速度,。但不幸的是，SSE命令集都是基于相同類型的數(shù)據(jù)的,，而由于獲取的數(shù)據(jù)是8bit寬度，而平均緩沖區(qū)是32位寬,，因此在本例中無法利用該指令集進(jìn)行加速,。

通過普通（性能偏低的）PC在時域上進(jìn)行塊平均的性能對比

在實(shí)現(xiàn)上,，SCAPP允許用戶直接將數(shù)據(jù)傳送到GPU,，這使用了RDMA（遠(yuǎn)程直接內(nèi)存存取）技術(shù),，然后可以在GPU上執(zhí)行高速時域和頻域信號的平均,，并突破通常在CPU和FPGA中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)長度或算力限制。

比如,，TS-M4i.2220數(shù)字化儀可以以2.5 GS/s的速度連續(xù)采樣信號,，我們可以做到在不丟失樣品點(diǎn)的情況下，進(jìn)行長達(dá)數(shù)秒的平均運(yùn)算,。類似地,，我們還有14位垂直分辨率的TS-M4i.4451數(shù)字化儀可以以450 MS/s的速度同時對四個通道的信號進(jìn)行同一功能的采樣。數(shù)字化儀板卡還提供了靈活的觸發(fā),、捕獲和讀出模式設(shè)置,，從而使它們能夠在觸發(fā)速率較高的情況采回原始信號，進(jìn)而做平均處理,。相比之下,，F(xiàn)PGA方案需要最高性能級別的FPGA來同時滿足數(shù)據(jù)拉取和平均運(yùn)算，而GPU方案則可以輕松跑滿數(shù)字化儀的全速,，即使是使用入門級GPU也不會成為瓶頸,。

以下表格展示了使用GPU，并在和之前表格中板卡參數(shù)相同的情況下的測試結(jié)果：

在時域上使用GPU進(jìn)行塊平均的測試結(jié)果

以下表格顯示了使用最大采樣率為500 MS/s的TS-M4i.4451數(shù)字化儀（4通道,，14位垂直分辨率）的一些測試結(jié)果,。最終表明該方案能高效地實(shí)現(xiàn)無間隙數(shù)據(jù)采集，將每個塊中的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)電壓值,，然后再轉(zhuǎn)換至頻率域做平均,。

使用GPU進(jìn)行頻率域塊平均的測試結(jié)果

上述測試程序也可以提供給您，以便您自己進(jìn)行重復(fù)測試,，或者作為實(shí)現(xiàn)其他軟件程序的基礎(chǔ),。其中GPU示例是SCAPP軟件選項的一部分，在選購后,，德思特的客戶可按照NDA協(xié)議使用,。

總的來說,，通知大小設(shè)為1 MByte時，可獲得最佳性能,。具體執(zhí)行的平均次數(shù)對測試性能并沒有明顯的影響,。因?yàn)閺?fù)制結(jié)果段和清除結(jié)果緩沖所需的時間相對于樣本求和運(yùn)算而言微不足道,。

由于在同時采集多個通道時,，整個的數(shù)據(jù)處理和求和過程并沒有本質(zhì)區(qū)別，因此只需等價成一個把所有數(shù)據(jù)都合并到一起的新通道即可（等效采樣率= 每通道采樣率 × 通道數(shù)）,。以下設(shè)置對應(yīng)的最大觸發(fā)速率相同：

● 1通道5 GS/s @ 數(shù)據(jù)段大小S1

● 2通道2.5 GS/s @ 數(shù)據(jù)段大小S1/2

● 4通道1.25 GS/s @ 數(shù)據(jù)段大小S1/4

對于1 M樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)段大小,，外加死區(qū)長度為160個樣本點(diǎn)時，理論上的最大觸發(fā)速率為：(2.5 GS/s) / (1 MS+ 160 S) = 2.38 kHz,。

注意,，這確實(shí)會明顯低于單純采集時的最大觸發(fā)速率：2.9 kHz @ 5 GS/s。