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(多图) GPS技术基础及GPS接收器测试

/?? 2014年08月04日 ?? 收藏0

设定RF前端

由于串联的LNA可提供60dB的增益,因此使用者可大幅提升矢量信号分析器前端的功率。在我们的测量作业中,60dB的增益即足以将峰值功率从-116dBm提升至-56dBm。而透过60dB的增益(与1.5dB的噪声系数),信号的噪声功率将为–112dBm/Hz(-174+增益+F)。因此,所能撷取到的讯噪比(SNR)最高可达56.5dB(-56dBm+112.5dBm),亦低于实际的仪器动态范围。由此可知,若有80dB的动态范围,则VSA将可记录最大的SNR,且不会有无线信号的噪声影响。

当要记录任何无线信号时,可将参考准位设定高出一般峰值功率至少5dB,以因应任何信号强度的异常现象。在某些情况下,虽然上述此步骤将降低VSA的有效动态范围,但GPS信号却不会受到影响。由于GPS信号于天线输入的最大理想SNR即为58dB(-116+174),因此若于VSA记录超过58dB的动态范围将无任何意义。因此,我们甚至可以“抛弃”仪器的动态范围达10dB以上,亦不会影响记录信号的质量(在此带宽中,PXI-5661将提供优于75dB的动态范围)。

由于必须设定合适的参考准位,适当设定记录装置的RF前端亦显得同样重要。如先前所提,若要获得最佳的RF记录数据,则建议使用主动式GPS天线。由于主动式天线内建LNA,以低噪声系数提供最高30dB的增益,因此亦可供应DC偏压。下方将接着说明多种偏压方式。

方法1:以GPS接收器进行供电的主动式天线

第一个方法,是以DC偏压“T”供电至主动式天线。在此范例中,我们将DC信号(此为3.3V)套用至偏压“T”的DC埠,且“T”又将合适的DC偏移套用至主动式天线。请注意,此处将根据主动式天线的DC功率需求,进而决定是否套用精确的DC电压。下图即说明相关连结情形。

图9.使用DC偏压“T”供电至主动式GPS天线
图9.使用DC偏压“T”供电至主动式GPS天线

在图9中可发现,PXI-4110可程序化DC电源供应器,即可供应DC偏压信号。虽然多款现成的电源供应器(其中亦包含价位较低的电源供应器)均可用于此应用中,我们还是使用PXI-4110以简化作业。同样的,现有常见的偏压器(Bias tee)可进行最高1.58GHz的作业,而此处所使用的偏压器购自于www.minicircuits.com。

方法2:以接收器供电至主动式天线

供电至主动式GPS天线的第二个方法,即是透过天线本身的接收器。大多数的现成GPS接收器,均使用单一端口供电至主动式GPS天线,且此端口亦透过合适的DC信号达到偏压。若将主动式GPS接收器整合分裂器(Splitter)与DC阻绝器(Blocker),即可供电至主动式LNA,并仅记录GPS接收器所获得的信号。下图即为正确的连结方式:

图10.透过DC阻绝器(Blocker),将可记录并分析GPS信号
图10.透过DC阻绝器(Blocker),将可记录并分析GPS信号

如图10所示,GPS接收器的DC偏压即用以供电至LNA。请注意,由于当进行记录时,即可观察接收器的相关特性,如速度与精确度衰减(Dilution)情形,因此方法2特别适用于驱动程序测试。

串联式(Noise figure)噪声系数计算

若要计算已记录GPS信号的总噪声量,只要找出整体RF前端的噪声系数即可。就一般情况来说,整组系统的噪声系数,往往受到系统的第一组放大器所影响。在所有RF组件或系统中,噪声系数均可视为SNRin与SNRout(参阅:测量技术的噪声系数)的比例。当记录GPS信号时,必须先找出整体RF前端的噪声系数。

当执行串联式噪声系数计算时,必须先行针对每笔噪声系数与增益,将之转换为线性等式;即所谓的“噪声因子(Noise factor)”。当以串联的RF组件计算系统的噪声系数时,即可先找出系统的噪声因子,并接着转换为噪声系数。因此系统的噪声系数必须使用下列等式计算之:

  

等式2.串联式RF放大器的噪声系数计算作业[3]
等式2.串联式RF放大器的噪声系数计算作业[3]

请注意,由于噪声因子(nf)与增益(g)属于线性关系而非对数(Logarithmic)关系,因此以小写表示之。下列即为增益与噪声系数,从线性转换为对数(反之亦然)的等式:

等式3到等式6.增益与噪声系数的线性/对数转换[3]

内建低噪声放大器(LNA)的主动式GPS天线,一般均提供30dB的增益,且其噪声系数约为1.5dB。在仪控记录作业的第二阶段,则由NIPXI-5690提供30dB的附加增益。由于其噪声系数较高(5dB),因此第二组放大器仅将产生极小的噪声至系统中。在教学实作中,可针对记录仪控作业的完整RF前端,使用等式2计算其噪声因子。增益与噪声系数值即如下图所示:

图11.RF前端的首2组组件噪声系数与因子。
图11.RF前端的首2组组件噪声系数与因子。

根据上列计算,即可找出接收器的整体噪声因子:

  

等式7.RF记录系统的串联噪声系数
等式7.RF记录系统的串联噪声系数

若要将噪声因子转换为噪声系数(单位为dB),则可套用等式3以获得下列结果:

  

等式8.第一组LNA的噪声系数将影响接收器的噪声系数
等式8.第一组LNA的噪声系数将影响接收器的噪声系数

如等式8所示,第一组LNA(1.5dB)的噪声系数,将影响整组测量系统的噪声系数。透过VSA的相关设定,可让仪器的噪声水平(Noise floor)低于输入激发的噪声水平,因此用户所进行的记录作业,将仅对无线信号造成1.507dB的噪声。

对GPS接收器发出信号

由于多款接收器可使用合适的软件,让用户呈现如经度与纬度的信息,因此需要更标准化的方式进行自动测量作业。还好,目前有多款接收器均可透过众所周知的NMEA-183协议,以设定对PXI控制器发出信号。如此一来,接收器将可透过序列或USB连接线,连续传送相关指令。在NILabVIEW中,所有的指令均可转换语法,以回传卫星与定位信息。NMEA-183协议可支持6种基本指令,并各自代表专属的信息。这些指令即如下表所示:

图12.基本NMEA-183指令概述
图12.基本NMEA-183指令概述

以实际测试需要而言,GGA、GSA,与GSV指令应最为实用。更值得一提的是,GSA指令的信息可用于了解接收器是否可达到定位作业需要,或可用于首次定位时间(Time To First Fix,TTFF)测量。当执行高敏感性的测量时,实际可针对所追踪的卫星,使用GSV指令回传C/N(Carrier-to-noise)比。

虽然无法于此详细说明MNEA-183协议,但可至其他网站寻找所有的指令信息,如:http://www.gpsinformation.org/dale/nmea.htm#RMC.在LabVIEW中,这些指令可透过NI-VISA驱动程序转换其语法。

图13.使用NMEA-183协议的LabVIEW范例
图13.使用NMEA-183协议的LabVIEW范例

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