概述

今天，隨著測量儀表技術(shù)的發(fā)展，工程師已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室使用一些測量儀表獲得較真實(shí)的電磁測試環(huán)境，對產(chǎn)品的信號接收、抗干擾等性能進(jìn)行更準(zhǔn)確和全面的測試評估。

真實(shí)信號的模擬需要使用信號采集和回放設(shè)備。對于頻率較低的信號采集，可以直接使用數(shù)據(jù)采集卡，如果頻率高于6 GHz， 考慮到成本，以及ADC采集速率和位數(shù)的限制，通常會采用帶下變頻單元的信號分析儀替代，回放設(shè)備采用帶I/Q調(diào)制器的矢量信號源。

信號采集

隨著微波芯片和高速處理器的小型化發(fā)展，便攜式信號分析儀的性能和測量速度已經(jīng)有了飛躍性的提高，同時增加了更多的實(shí)用測量功能。不僅能夠滿足嚴(yán)苛的室外使用環(huán)境，也能夠滿足實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的常規(guī)測量要求，不僅降低了使用成本，還提高了使用效率。

安立公司最新的便攜式信號分析儀平臺Field Master Pro MS2090A，具備完整的IQ信號記錄，以及頻譜回放功能，擁有高達(dá)110 MHz采集帶寬，最高頻率達(dá)54 GHz。

圖1 MS2090A 便攜式高性能信號分析儀

MS2090A 采用高分辨率高帶寬ADC作為中頻采樣處理前端，分辨率14 bit，單路I/Q最大采樣率200MSPS。采用欠采樣和抽樣技術(shù)，提高ADC分辨率，改善信噪比，提高信號質(zhì)量。

圖2 MS2090A ADC path

采樣率和I/Q比特關(guān)系

高的采樣率，以及更多的I/Q bit 都能夠顯著降低ADC的量化噪聲。但是，更高的采樣率，或者更多的I/Q bit 意味著需要更快的總線傳輸速率，以及更大的磁盤空間。在實(shí)際應(yīng)用中，需要平衡這兩者的矛盾，以達(dá)到信號質(zhì)量和數(shù)據(jù)總線傳輸速率的平衡。由于I/Q采樣率僅僅需要等于信號的模擬帶寬就足以重建信號。

安立工程師通過更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，10bit的I/Q數(shù)據(jù)分辨率，在高于100MSPS的采樣率對有效模擬帶寬內(nèi)的量化噪聲有明顯的優(yōu)化作用。如果采樣率進(jìn)一步降低到12.5 MHz以下，32bit I/Q分辨率對量化噪聲有更明顯的改善。下表中給出了不同采樣率，最優(yōu)的I/Q bit設(shè)置，以及對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊模式最大的存儲深度。

表1 MS2090A最佳的采樣率和I/Q bit設(shè)置

表2 不同采樣率，I/Q分辨率對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊模式存儲深度(單位秒)

IQ信號輸出和存儲

Field Master Pro MS2090A支持兩種IQ數(shù)據(jù)輸出模式。數(shù)據(jù)塊(IQ Capture)模式和連續(xù)數(shù)據(jù)流(IQ Streaming)模式。

表3 兩種信號存儲模式的對比

圖3 兩種信號存儲模式的輸出示意圖：(a) IQ數(shù)據(jù)塊模式；(b) IQ數(shù)據(jù)流模式

由于連續(xù)數(shù)據(jù)流模式需要外部存儲器配合，所以安立針對不同的信號測量需求，提供了一整套的解決方案。

方案一：使用外部高速USB 3.0 SSD，接收I/Q數(shù)據(jù)流。MS2090A擁有3個USB 3.0 Type A接口(文件傳輸，以及IQ data 輸出)，以及1個Type C接口 (支持USB-TMC協(xié)議)。信號帶寬受限于外部SSD的最高寫入速率，例如使用三星 T5 SSD，ext4/exFAT 格式，最大寫入速度為260 MB/s。如果以10bit  I/Q數(shù)據(jù)分辨率，采樣率100MSPS模式下，理論最大可連續(xù)寫入80 MHz 模擬帶寬信號數(shù)據(jù)。

圖4 配合外部SSD方案連接器圖

方案二：通過儀表上的千兆網(wǎng)口，直連外部PC。此方案最大捕獲模擬帶寬受限于網(wǎng)口的最大傳輸速率125 MB/s. 優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)配置簡單。同時安立提供免費(fèi)的MX280006A IQ采集軟件工具，使得系統(tǒng)搭建更加無憂。此方案可以實(shí)現(xiàn)10bit I/Q分辨率, 采樣率50MSPS模式下, 理論最大可傳輸40 MHz 模擬帶寬的信號數(shù)據(jù)。

圖5 網(wǎng)線IQ數(shù)據(jù)輸出方案(模擬帶寬<=40MHz)

方案三：通過PCIe高速接口，輸出到外部SSD陣列。MS2090A 具備1個標(biāo)準(zhǔn)PCIe接口，傳輸速率可達(dá)到800 MB/s。搭配安立提供的MA25101A 套件，以及MX280006A IQ采集軟件工具，可輕松搭建一套高速IQ數(shù)據(jù)接收和存儲系統(tǒng)?？梢詫?shí)現(xiàn)16bit I/Q分辨率, 采樣率200MSPS模式下, 理論最大可傳輸110 MHz 模擬帶寬的信號數(shù)據(jù)。網(wǎng)口連接實(shí)現(xiàn)對儀表的遠(yuǎn)程控制。

圖6 使用MA25101A套件搭建的寬帶IQ數(shù)據(jù)接收和存儲系統(tǒng)

方案四：搭配第三方高速數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。安立公司和X-COM (Bird)公司合作開了便攜式寬帶數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)16bit I/Q分辨率, 采樣率200MSPS模式下, 理論最大可傳輸110 MHz 模擬帶寬的信號數(shù)據(jù)。內(nèi)置最大15 TB高速存儲磁盤陣列，并可配合X-COM公司的信號分析軟件，實(shí)現(xiàn)對海量IQ數(shù)據(jù)回放，搜索，信號分析等功能。

圖7 搭配XCOM IQC5000B的寬帶信號記錄和分析系統(tǒng)  (上：實(shí)物；下：連接框圖)

信號回放

MS2090A的IQ數(shù)據(jù)文件輸出格式為*.dgz & *.dgzm，其中*.dgzm 文件存儲的是當(dāng)前采集的設(shè)置參數(shù)，例如中心頻率，采樣率，帶寬，以及I/Q數(shù)據(jù)的格式，字節(jié)順序(MS2090A采用低位在前)等信息。而 *.dgz 文件保存的是采集的I/Q數(shù)據(jù)內(nèi)容。保存后的IQ數(shù)據(jù)，將格式轉(zhuǎn)換為*.txt或其它格式文件后，導(dǎo)入VSG (MG3710E)的基帶發(fā)生器中進(jìn)行播放。安立通用矢量信號源MG3710E，調(diào)制帶寬高達(dá)160 MHz，輸出頻率覆蓋至6 GHz。可以滿足大部分無線通信設(shè)備測試要求。

圖8 IQ replay系統(tǒng)框圖

圖9 調(diào)制類型：256 QAM 波形重建后，EVM<1.67%

圖10 調(diào)制類型：Π/4 DQPSK；采樣率6.25M；EVM<7% (32 bit) vs EVM<10.5% (16 int)

總結(jié)

MS2090A 為用戶提供了一種高性能，方便攜帶，低成本的信號記錄方案。使得信號記錄不再需要攜帶沉重的臺式設(shè)備，也不需要為數(shù)據(jù)采集卡搭建負(fù)載的下變頻前端。配合安立或或其它矢量信號發(fā)生器產(chǎn)品，就能夠?qū)嶒?yàn)室“逼真”的還原負(fù)載的空間電磁場環(huán)境，讓您的測試更加高效和便捷。