はじめに：
アナログボックスカーアベレージング（移動平均）は、信号の不要なノイズを低減するために50年以上にわたってエンジニアや科学者によって使用されてきた手法です。最近では、高速の高分解能デジタイザ技術の開発により、デジタルボックスカーアベレージングが同様の結果を得るために使用されています。さらに、デジタルボックスカーアベレージングには、デジタイザ (A/Dボード) の全体的な分解能と動的パフォーマンスを改善できるという追加の利点があります。
このホワイトペーパーは、シングルショットイベントであっても、デジタルボックスカーアベレージングを使用して信号ノイズを低減する方法を示しています。また、この機能がデジタイザ (A/Dボード) の分解能と、有効ビット数（ENOB）、信号対雑音比（SNR）、スプリアスフリーダイナミックレンジ（SFDR）などの動的特性を改善する方法についても説明します。
Boxcar Averageファームウェア：
デジタルボックスカーアベレージングは、デジタイザ (A/Dボード) が分析対象の信号の最大周波数をはるかに超えるレートで波形をサンプリングしている状況で機能します。このプロセスは一般に「オーバーサンプリング」と呼ばれます。信号または波形がオーバーサンプリングされる場合、Boxcar平均化機能を使用して、オーバーサンプリングされたデータポイントで利用可能な情報を活用できます。この方法は、選択した数の隣接ポイント（Boxcarのポイント、またはBoxcar平均化係数）を効果的に合計する数学プロセスを採用し、平均垂直値（Boxcarのポイント数で合計した結果）を計算します。
次に、平均値を使用して、データの元のBoxcar内のすべてのポイントを置き換えます。結果の操作は、スムージング関数を生のデジタル化データに適用することに似ています。ただし、スムージングとは異なり、最終結果はデータポイントが削減された波形になります。ユーザーがBoxcar平均化機能を利用できるようにするため、Spectrum社は、高分解能M4i.44xxシリーズ、14および16ビット、PCIe、PXIeおよびLXIデジタイザカード (A/Dボード) のオンボードFPGAテクノロジーを使用してルーチンを実行できる新しいファームウェアパッケージを作成しました。
すべてのテストに使用されたPCIeデジタイザM4i.4451-x8の写真をFigure 1に示します。Boxcar Averageファームウェアは、これらの製品の高いパフォーマンスを拡張し、より高い垂直分解能、より良い感度、改善された動的パフォーマンスで結果を生成します。Boxcar Averagingファームウェアは、すべての新しいM4i.44xxシリーズデジタイザ (A/Dボード) に標準で含まれており、すでにフィールドにある既存のユニットに後付けすることもできます。Figure 2に、Spectrum製デジタイザ (A/Dボード) 内のBoxcar Averaging実装の基本ブロック図を示します。
Boxcar Averagingはどのように機能するのか？：
前述のように、Boxcar平均化プロセスはスムージング操作に似ています。最も単純なアプリケーションでは、この関数を使用して、ローパスフィルターのように動作し、信号から高周波ノイズ成分を除去することにより、不要なノイズを低減できます。例として、Figure 3に示す波形を参照してください。
上のトレース（青）は、かなりのレベルのノイズを伴う比較的遅い正弦波を示しています。M4i.4451-x8デジタイザ (A/Dボード) を使用して、14ビットの分解能と500 MS/sのサンプリングレートで波形をシングルショットで取得し、オーバーサンプリングしました。青いトレースは生データを示しています。中央のトレース（オレンジ色）と下側のトレース（赤）は、それぞれ8個と64個の隣接ポイントを使用して、Boxcar平均関数を生データに適用した効果を示しています。平均化された両方のトレースは、明らかに低いノイズレベルを表示しています。
改善された分解能と動的パフォーマンス：
最大の柔軟性を実現するために、Spectrum社 Boxcar平均化機能を使用すると、平均化する隣接ポイントの数を2～256の間で選択できます。平均化されたデータは、選択したポイントの数に比例する量だけ、より高い分解能で保存されます。たとえば、隣接する2つのポイントを選択すると、16ビットデジタイザ (A/Dボード) の分解能が17ビットに相当し、隣接する4つのポイントを選択すると18ビットになり、最大256ポイントを選択すると理論上の24ビットになります！ 実際には、実際の信号に対して実際にそのような高性能が達成されることはありません。ただし、測定の大幅な改善が可能です。
Figure 4は、Boxcar Averagingが信号の絶対ノイズフロアを低減するためにどれだけ良好に機能するかを示しています。ここで、下のトレース（赤）は、M4i.4451-x8デジタイザ (A/Dボード) によって取得された信号であり、500 MS/sで14ビットの分解能でサンプリングしています。トレースは、デジタイザ (A/Dボード) に信号が接続されていないときに観測される高いノイズフロアを示しています（事実上入力はオープン）。RMSノイズレベルはSpectrum製 SBench6分析ソフトウェアで測定され、「Infoボックス」（左下のウィンドウ）に91.34 μVと表示されます。8（黄色のトレース）、64（青のトレース）、および256（緑のトレース）の係数でBoxcar平均関数を適用すると、RMSノイズが大幅に減少します。SBench6は、それぞれ33.72、12.47、8.45 μVの減少を示しています。Boxcar Averagingは、信号に対する高ノイズレベルの影響を低減するだけでなく、重要なことに、低ノイズレベルの状況でも結果を改善します。たとえば、高精度の信号を使用する場合、Boxcar AveragingはENOBで測定したデジタイザ (A/Dボード) のパフォーマンスを少なくとも2ビット改善できることをこのテストが示しています。SFDRやSNR測定などの他の動的パラメータも12 dB以上増加させることができます。
Table 1は、高精度1 MHz正弦波を取得した際にSpectrum製M4i.4451-x8デジタイザ (A/Dボード) の動的パフォーマンスパラメータを測定した結果を示しています。
キャッチとは何か：
Boxcar平均化の欠点は、結果の波形が効果的にフィルタリングされるため、高周波信号の内容が失われる可能性があることです。有効なサンプリングレートは、Boxcar平均化係数によって減少します。係数が高いほど、サンプリングレートは低くなり、結果のナイキスト周波数制限は低くなります。ただし、これでも利点になる場合があります。Boxcar 平均化波形は平均化係数によって間引かれるため、保存された波形も同様です。その結果、オンボードメモリが少なくて済む波形が得られ、その後PCに転送してより高速に処理できます。さらに、結果の波形が間引かれたとしても、Spectrum社の実装により、平均信号とトリガー位置の間に常に非常に正確なタイミング関係が存在するように、トリガー検出が元の集録の最大サンプリング速度で実行されていることが確認されます。
簡単なソフトウェア統合：
Boxcar平均化モードはFPGAファームウェアで実装されますが、Spectrum標準ドライバーキット（SDK）を使用して完全にプログラム可能です。SDKを使用すると、C ++、Visual Basic、VB.NET、C＃、J＃、Delphi、Javaなど、ほとんどすべての一般的な言語でプログラミングできます。LabVIEW、LabWindows、MATLAB用のサードパーティ製ソフトウェアのサポートとサンプルも無料で利用できます。独自のプログラムを作成したくないユーザー向けに、Spectrumは、使いやすいグラフィカルユーザーインターフェイスであるSBench 6-Proを提供しています。SBench 6は、デジタイザのすべての動作モードと設定を制御します。 波形表示、保存、処理、結果の文書化にも使用できます。
まとめ：
対象の信号がデジタイザ (A/Dボード) のサンプリングレートを大幅に下回る周波数にある場合、Boxcar Averagingテクニックには多くの利点があります。従来の平均化方法とは異なり、Boxcar Averagingはシングルショットの取得に対して機能します。複数のトリガーイベントや繰り返し可能な信号は必要ありません。さらに、信号がオーバーサンプリングされると、Boxcar Averagingにより、より高い分解能で振幅測定を行うことができ、デジタイザ (A/Dボード) 全体のENOB、SNR、およびSFDRが改善されます。ボックスカー平均化波形も平均化係数によって間引きされます。そのため、保存された波形はサイズが小さくなり、より高速に転送および処理できます。
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原文ドキュメント：Spectrum Instrumentation社
wp_44xx_boxcar_average.pdf
Boxcar averaging function enhances high-resolution Digitizers
関連製品
M4i.4421-x8：250MHz A/D ボード (PCIe)
M4i.4451-x8：500MHz 高速A/D ボード (PCIe)
M4i.4471-x8：180MHz A/D ボード (PCIe)
Spectrum Instrumentation社について
Spectrum社は、Spectrum Systementwicklung Microelectronic GmbHとして1989年に設立され、2017年にSpectrum Instrumentation GmbHに改名されました。最も一般的な業界標準（PCIe、LXI、PXIe）で500を超えるデジタイザおよびジェネレータ製品を作成するモジュール設計のパイオニアです。これら高性能のPCベースのテスト&メジャーメントデザインは、電子信号の取得・生成および解析に使用されます。同社はドイツのGrosshansdorfに本社を置き、幅広い販売ネットワークを通じて世界中に製品を販売し、設計エンジニアによる優れたサポートを提供しています。 Spectrum社の詳細については、www.spectrum-instrumentation.comを参照してください。