Gepulste HF-Messungen Bandbreite und Abtastrate: Modulare Digitizer-Karten für NMR, MRT und Radar

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Spectrum Instrumentation GmbH

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Bei Messungen an Radaranlagen, MRT-Geräten (Magnetresonanz-Tomographie) und bei der NMR-Spektroskopie (Kernspinresonanz) sind leistungsstarke Digitizer-Karten notwendig.

Viele HF-Systeme arbeiten im Burst-Modus, bei dem Hochfrequenzsignale in kurzen Zeitabständen übertragen werden. Beispiele für diese Betriebsart sind Echoanwendungen wie Radar, Magnetresonanztomographie (MRT) und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR).

Diese Anwendungen senden einen Hochfrequenzstoß mit relativ hoher Leistung aus und warten dann auf ein Echo- oder ein Relaxation-Strahlungssignal. Die Messung dieser Signale erfordert Instrumente mit großer Bandbreite, hoher Abtastrate, großem Erfassungsspeicher, schneller Verarbeitung und Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung. Für diese hochpräzisen Messungen bietet Spectrum Instrumentation Digitizer-Karten an.

Daten mit 12,8 GByte/s übertragen und ein Speicher von 8 GS

Spectrum Instrumentation hat die ultraschnellen Digitizer der Serie M5i.33xx um zwei neue Varianten mit hoher Bandbreite von 4,7 GHz erweitert. Die Modelle M5i.3360-x16 und M5i.3367-x16 bieten einen oder zwei Breitbandkanäle (Bild 1).

Jede Karte kann mit einer Abtastrate von bis zu 10 GS/s und einer vertikalen Auflösung von 12 Bit abtasten, was speziell für die präzise Erfassung und Analyse von Signalen im GHz-Bereich entwickelt wurde. Die Abtastrate von 10 GS/s führt zu einer Nyquist-Frequenz von 5 GHz, die mit der 4,7 GHz-Bandbreite des Digitizers abgedeckt werden kann. Jede Karte kann bis zu 8 Giga-Samples (GS) in ihrem eigenen Speicher erfassen. Dieser integrierte Speicher kann wie bei einem Oszilloskop als Ringpuffer oder als FIFO-Puffer für kontinuierliches Datenstreaming verwendet werden.

Die Digitizer der Serie M5i nutzen die 16-Lane-Gen3-PCIe-Technologie, wodurch die erfassten Daten mit 12,8 GByte/s vom Digitizer zum Computer übertragen und dort verarbeitet oder gespeichert werden können. Besonders interessant ist die Möglichkeit, diese großen Datenmengen direkt auf einen CUDA-basierten Grafikprozessor (GPU) zu streamen, was eine extrem schnelle Signalverarbeitung und -analyse ermöglicht.

Bis zu acht M5i-Karten zu einem Mehrkanalsystem kombinieren

Für Anwendungen, die mehr als einen oder zwei Kanäle erfordern, können bis zu acht M5i-Digitizerkarten mit der Star-Hub-Option von Spectrum zu einem Mehrkanalsystem kombiniert werden (Bild 2). Der Star-Hub synchronisiert die Datenerfassung der einzelnen Karten durch die Verteilung gemeinsamer Takt- und Triggersignale. Eine vom Benutzer programmierbare Skew-Einstellung sorgt für eine minimale Phasenverzögerung.

Das Star-Hub-Modul wird auf einer beliebigen M5i-Karte des Mehrkanalsystems montiert. Über präzise abgestimmte und abgeschirmte Koaxialkabel verteilt der Star-Hub den Takt an jedes Modul und synchronisiert das Triggerereignis präzise mit dem Systemtakt.

HF-Signale im Burst-Modus messen

NMR (Nuclear Magnetic Resonance) ist eine typische Anwendung, bei der HF-Signale im Burst-Modus erzeugt werden. Die NMR-Spektroskopie (Kernresonanzspektroskopie) ist eine analytische Technik zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und der molekularen Struktur einer Probe. Dabei wird – bei ausgewählten Frequenzen – die Wechselwirkung von HF-Strahlung mit den Kernen von Molekülen untersucht, die sich in einem starken Magnetfeld befinden.

Dieses Magnetfeld bewirkt, dass bestimmte Kerne in einem Molekül ausgewählte Radiofrequenzen absorbieren. Die absorbierte Energie wird bei der Resonanzfrequenz der Substanz wieder abgegeben, wodurch die Identität und die intramolekularen Beziehungen innerhalb der Probe sichtbar werden. Das Blockschaltbild eines NMR-Spektrometers ist in Bild 3 dargestellt.

Digitalisierer mit hoher Bandbreite

Der Sende-/Empfangsschalter (T/R = Transmit/Receive) steuert die Funktion der HF-Spule. Im Sendezustand regt ein getakteter HF-Burst des Leistungsverstärkers die Probe an. Im Empfangszustand nimmt die HF-Spule die HF-Antwort des Prüflings auf und leitet sie an den Empfänger weiter. Um die korrekte Funktion des T/R-Schalters zu überprüfen, sind Digitizer mit hoher Bandbreite erforderlich. Gemessen werden das HF-Signal des Leistungsverstärkers, das Gate-Signal, das den Zustand des T/R-Schalters bestimmt, und das Ausgangssignal des T/R-Schalters.

Bild 4 zeigt die Messung des T/R-Schalterbetriebs. Dazu wurden drei M5i.3360-x16 Einkanal-Digitizerkarten mit jeweils einer Bandbreite von 4,7 GHz und einer Abtastrate von 10 GS/s verwendet. Die Digitizer sind über den Star-Hub miteinander synchronisiert und werden über die Erfassungs- und Analysesoftware SBench 6 von Spectrum Instrumentation gesteuert und angezeigt. Am Eingang des T/R-Schalters liegt eine kontinuierliche Sinuswelle von 350 MHz als HF-Träger an, wie im Fenster oben links zu sehen ist. Die schnelle Fourier-Transformation (FFT) des Trägers im Fenster unten links zeigt eine einzelne Spektrallinie bei 350 MHz. FFT, Filterung und grundlegende Messungen sind in der Software SBench 6 enthalten.

Die in der NMR-Spektroskopie üblicherweise verwendeten HF-Anregungsfrequenzen liegen von 10 MHz bis 1 GHz. Dies liegt deutlich innerhalb der Bandbreite der Digitizer. Andere verwandte Anwendungen wie Radar verwenden höhere Frequenzen. Die gezeigten Digitizer der Serie M5i.33xx mit ihrer Bandbreite von 4,7 GHz können eingesetzt werden, um beispielsweise S-Band-Radarsignale von 3 bis 4 GHz zu messen.

Mehrere Zyklen des Prüflings untersuchen

Das Gate-Signal, das im oberen mittleren Display angezeigt wird, ist eine Impulswellenform, die den Zustand des T/R-Schalters steuert. Die Messfunktionen von SBench 6, welche im im Infofeld links neben den Displays abgelesen werden können, zeigen, dass die Gate-Impulsfolge eine Frequenz von 2,5 kHz (Perioden von 400 µs) und eine Impulsbreite von 81,9 µs (ein Tastverhältnis von 20,5 Prozent) hat. Der Digitizer erfasste 2 ms der Wellenformen bei einer Abtastrate von 10 GS/s. Das entspricht einer Datenmenge von 20 Megasamples für jeden der drei Kanäle.

Jeder M5i-Digitizer verfügt über einen Onboard-Speicher von 2 Gigasamples, der optional auf 8 Gigasamples erweitert werden kann. Der Speicher von 8 Gigasamples kann insgesamt 800 ms bei einer Abtastrate von 10 GS/s aufzeichnen. Solche langen Aufzeichnungen ermöglichen es, mehrere Zyklen des Prüflings zu untersuchen, um Änderungen im Verhalten zu verfolgen. Auch bei diesen langen Aufzeichnungen gibt es keine Einbußen bei der zeitlichen Auflösung. Eine horizontal gezoomte Ansicht vergleicht die Flanke des Gate-Signalimpulses mit dem Gate Carrier (mittleres unteres Display) und zeigt das Zeitverhalten des T/R-Schalters.

Außerdem wird die Anstiegszeit des Gate-Signals mit 2,5 ns gemessen. Der T/R-Schalterausgang im rechten oberen Display zeigt die getaktete Wellenform als HF-Burst. Diese Pulsmodulation verändert das HF-Spektrum, wie die FFT-Analyse im Display rechts unten zeigt, da eine sin x/x-Modulationshüllkurve hinzugefügt wird und die spektrale Spitzenamplitude um ungefähr 14 dB abnimmt (Maximalmessung im Info-Panel).

Zusätzlich zu SBench 6 enthalten die Digitizer der Serie M5i.33xx ein Software Development Kit (SDK) und Treiber für die Betriebssysteme Windows und Linux. Das SDK enthält eine ausführliche Dokumentation sowie Programmierbeispiele in den gängigsten Sprachen wie Visual C++, Delphi, Visual Basic, VB.NET, C#, Python, Java, Julia und IVI. Spectrum unterstützt auch Systemsoftware von Drittanbietern wie LabVIEW und MATLAB.

Rechteckpulse individuell programmieren

Eine weitere Option, die für solche Messungen sehr nützlich sein kann, ist der Digital Pulse Generator (DPG). Mit der DPG-Option kann jeder Digitizer bis zu vier Rechteckpulse mit individuell programmierbaren Frequenzen, Phasen und Pulsbreiten ausgeben. Die zeitliche Auflösung der Pulse basiert auf dem Abtasttakt, so dass ein M5i.33xx Digitizer mit 10 GS/s Abtastrate unabhängig von der Erfassung der Analogsignale bis zu vier Pulsströme mit einer zeitlichen Auflösung von nur 3,2 ns ausgeben kann.

Ein Problem bei langen Aufzeichnungen ist die Übertragung der großen Datenmengen an einen Host-Computer zur weiteren Analyse und Archivierung. Alle M5i-Digitizer verwenden einen 16-Lane Gen3 PCIe-Bus, der eine Übertragung von bis zu 12,8 GByte/s ermöglicht. Dank dieser außergewöhnlichen Geschwindigkeit können Einkanaldaten, die mit einer Abtastrate von 6,4 GS/s erfasst wurden, kontinuierlich im FIFO-Modus ohne Datenverlust an den Computer gestreamt werden.

Abtastraten von bis zu 10 GS/s

Mit einem neuen Übertragungsmodus von 8 Bit ist das sogar bei Abtastraten von bis zu 10 GS/s möglich. In diesem Beispiel erfolgte die Prüfung eines einzelnen T/R-Schalters. Einige NMR- und MRT-Geräte verwenden jedoch mehrere HF-Spulen, die in Phasenarrays angeordnet sind, so dass für Messungen an diesen Geräten zusätzliche Kanäle erforderlich sind. Mit der Star-Hub-Option können Messsysteme mit M5i-Digitizern bis zu 16 Kanäle umfassen.

Die M5i.33xx Digitizer von Spectrum Instrumentation sind speziell für Messungen in gepulsten HF-Anwendungen wie NMR, MRI und Radar geeignet. Die PCIe-Digitizerkarten bieten GHz-Bandbreiten, Abtastraten von bis zu 10 GS/s und einen großen internen Speicher für lange Aufzeichnungen. Zu den optionalen Funktionen gehören die Synchronisation von bis zu 16 Kanälen und programmierbare Impulsausgänge.

Hohe Abtastrate

PCIe-Digitizer erreicht 10 GSample pro Sekunde

Digitizer und AWG-Karten

Digitale Impulsgenerator-Option für präzise Signalerzeugung und -steuerung

* Oliver Rovini ist Technischer Leiter Spectrum Instrumentation und Arthur Pini ist T&M Ingenieur bei Spectrum Instrumentation.

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