概述

今天，隨著測量儀表技術的發展，工程師已經能夠在實驗室使用一些測量儀表獲得較真實的電磁測試環境，對產品的信號接收、抗干擾等性能進行更準確和全面的測試評估。

真實信號的模擬需要使用信號采集和回放設備。對于頻率較低的信號采集，可以直接使用數據采集卡，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，回放設備采用帶I/Q調制器的矢量信號源。

信號采集

隨著微波芯片和高速處理器的小型化發展，便攜式信號分析儀的性能和測量速度已經有了飛躍性的提高，同時增加了更多的實用測量功能。不僅能夠滿足嚴苛的室外使用環境，也能夠滿足實驗室內的常規測量要求，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110 MHz采集帶寬，最高頻率達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，提高ADC分辨率，改善信噪比，提高信號質量。

圖2 MS2090A ADC path

采樣率和I/Q比特關系

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。在實際應用中，需要平衡這兩者的矛盾，以達到信號質量和數據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驗數據表明，10bit的I/Q數據分辨率，在高于100MSPS的采樣率對有效模擬帶寬內的量化噪聲有明顯的優化作用。如果采樣率進一步降低到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，最優的I/Q bit設置，以及對應的數據塊模式最大的存儲深度。

表1 MS2090A最佳的采樣率和I/Q bit設置

表2 不同采樣率，I/Q分辨率對應的數據塊模式存儲深度(單位秒)

IQ信號輸出和存儲

Field Master Pro MS2090A支持兩種IQ數據輸出模式。數據塊(IQ Capture)模式和連續數據流(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數據塊模式；(b) IQ數據流模式

由于連續數據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數據流。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數據分辨率，采樣率100MSPS模式下，理論最大可連續寫入80 MHz 模擬帶寬信號數據。

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口，直連外部PC。此方案最大捕獲模擬帶寬受限于網口的最大傳輸速率125 MB/s. 優點是系統配置簡單。同時安立提供免費的MX280006A IQ采集軟件工具，使得系統搭建更加無憂。此方案可以實現10bit I/Q分辨率, 采樣率50MSPS模式下, 理論最大可傳輸40 MHz 模擬帶寬的信號數據。

圖5 網線IQ數據輸出方案(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個標準PCIe接口，傳輸速率可達到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數據接收和存儲系統。可以實現16bit I/Q分辨率, 采樣率200MSPS模式下, 理論最大可傳輸110 MHz 模擬帶寬的信號數據。網口連接實現對儀表的遠程控制。

圖6 使用MA25101A套件搭建的寬帶IQ數據接收和存儲系統

方案四：搭配第三方高速數據記錄設備。安立公司和X-COM (Bird)公司合作開了便攜式寬帶數據記錄系統。該系統實現16bit I/Q分辨率, 采樣率200MSPS模式下, 理論最大可傳輸110 MHz 模擬帶寬的信號數據。內置最大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，實現對海量IQ數據回放，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  (上：實物；下：連接框圖)

信號回放

MS2090A的IQ數據文件輸出格式為*.dgz & *.dgzm，其中*.dgzm 文件存儲的是當前采集的設置參數，例如中心頻率，采樣率，帶寬，以及I/Q數據的格式，字節順序(MS2090A采用低位在前)等信息。而 *.dgz 文件保存的是采集的I/Q數據內容。保存后的IQ數據，將格式轉換為*.txt或其它格式文件后，導入VSG (MG3710E)的基帶發生器中進行播放。安立通用矢量信號源MG3710E，調制帶寬高達160 MHz，輸出頻率覆蓋至6 GHz。可以滿足大部分無線通信設備測試要求。

圖8 IQ replay系統框圖

圖9 調制類型：256 QAM 波形重建后，EVM<1.67%

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

總結

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備，也不需要為數據采集卡搭建負載的下變頻前端。配合安立或或其它矢量信號發生器產品，就能夠實驗室“逼真”的還原負載的空間電磁場環境，讓您的測試更加高效和便捷。