GPS 接收器測試

完整的 GPS 量測系統(tǒng)亦應(yīng)包含多種不同配件，以達(dá)最佳效能。舉例來說，外接的固定式衰減器 (Attenuator)，可提升功率精確度與噪聲層 (Noise floor) 的效能。此外，根據(jù)接收器是否支持其直接輸入埠的 DC 偏壓 (Bias)，某些接收器亦可能需要 DC 阻絕器 (Blocker)。下圖即為 GPS 訊號產(chǎn)生的完整系統(tǒng)：

圖 1. GPS 產(chǎn)生系統(tǒng)的程序圖

如圖 1 所示，當(dāng)測試 GPS 接收器時，往往采用最高 60 dB 的外接 RF 衰減 (留白，Padding)。固定式衰減器至少可提供量測系統(tǒng) 2 項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。首先，固定式衰減器可確保測試激發(fā)的噪聲層低于 -174 dBm/Hz 的熱噪聲層 (Thermal noise floor)。其次，由于可透過高精確度 RF 功率計(jì) (Power meter) 校準(zhǔn)訊號準(zhǔn)位，因此固定式衰減器亦可提升功率精確度。雖然僅需 20 dB 的衰減即可符合噪聲層的要求，但若使用 60 ~ 70 dB 的衰減，則可達(dá)到更高的功率精確度與噪聲層效能。稍后將接著討論 RF 功率校準(zhǔn)，而圖 2 搶先說明衰減對噪聲層效能所造成的影響。

表1. 不同衰減所需的儀器功率比較

如表1所示，衰減可用于減弱噪聲，而不僅限于 -174 dBm/Hz 的熱噪聲層。

RF 向量訊號產(chǎn)生器

當(dāng)選擇 RF 向量訊號產(chǎn)生器時，NI LabVIEW GPS 工具組可同時支持 NI PXI-5671 與 NI PXIe-5672 RF 向量訊號產(chǎn)生器。雖然此 2 款適配卡可產(chǎn)生 GPS 訊號，但由于 PCI Express 總線速度較快，并可立刻進(jìn)行 IF 等化 (Equalization)，因此 NI PXIe-5672 向量訊號產(chǎn)生器較受到青睞。此 2 款適配卡均具有 6 MB/s 總數(shù)據(jù)傳輸率與 1.5 MS/s (IQ) 取樣率，可從磁盤串流 GPS 波形。

雖然 PXI控制器硬盤可輕松維持此數(shù)據(jù)傳輸率，NI 仍建議使用外接磁盤進(jìn)行額外的儲存容量。下圖為包含 NI PXIe-5672 的常見 PXI 系統(tǒng)：

圖 2. 包含 NI PXIe 5672 VSG 與 NI PXI-5661 VSA 的 PXI 系統(tǒng)

GPS 工具組可于完整導(dǎo)航訊號期間，建立最長 12.5 分鐘 (25 個框架) 的波形。依 6 MB/s 的取樣率，則最大檔案約為 7.5 GB。由于上述的波形檔案尺寸，所有的波形均可儲存于多款硬盤選項(xiàng)之一。這些波形儲存資源選項(xiàng)包含：

PXI 控制器的硬盤 ( 推薦使用 120 GB 硬盤升級)

如 HDD 8263 與 HDD 8264 的外接 RAID 裝置

外接 USB 2.0 硬盤 (已透過 Western Digital Passport 硬盤進(jìn)行測試)

上述各種硬盤設(shè)定，均可支持超過 20 MB/s 的連續(xù)數(shù)據(jù)串流作業(yè)。因此，任何儲存選項(xiàng)均可仿真 GPS 訊號，并進(jìn)行記錄與播放。在稍后的段落中，將說明仿真與記錄 GPS 波形的整合作業(yè)，并進(jìn)行 GPS 接收器效能的特性參數(shù)描述 (Characterization) 作業(yè)。

建立仿真的 GPS 訊號

由于 GPS 接收器是透過天線傳輸數(shù)據(jù)，并取得衛(wèi)星星歷與星歷信息;當(dāng)然，仿真的 GPS 訊號亦需要該項(xiàng)信息。衛(wèi)星星歷與星歷信息，均透過文本文件表示，可提供衛(wèi)星位置、衛(wèi)星高度、機(jī)器狀態(tài)，與繞行軌道的相關(guān)信息。此外，在建立波形的過程中M，亦必須選擇客制參數(shù)，如星期時間 (TOW)、位置 (經(jīng)度、緯度、高度)，與仿真的接收器速率。以此信息為基礎(chǔ)，工具組將自動選擇最多 12 組人造衛(wèi)星、計(jì)算所有的都卜勒位移 (Doppler shift) 與虛擬距離 (Pseudorange) 信息，并接著產(chǎn)生所需的基頻波形。為了可盡快入門，工具組安裝程序亦包含范例的衛(wèi)星星歷與星歷檔案。此外，更可由下列網(wǎng)站直接下載：

Almanac information (The Navigation Center of Excellence)http://navcen.uscg.gov/gps/almanacs.htm

Ephemeris information (NASA Goddard Space Flight Center)http://cddis.gsfc.nasa.gov/gnss_datasum.html#brdc

透過客制的衛(wèi)星星歷與星歷檔案，即可建立特定日期與時間的 GPS 訊號，甚至可回溯數(shù)年以前。請注意，當(dāng)選擇這些檔案時，必須選擇與日期相對應(yīng)的檔案。一般來說，衛(wèi)星星歷與星歷信息為每日更新，因此當(dāng)選擇特定時間與日期時，亦應(yīng)選擇同 1 天的檔案。下載的星歷檔案往往為壓縮的「*.Z」格式。因此，在搭配使用 GPS 工具組之前，檔案必須先行解壓縮。

只要使用工具組中的「自動模式 (Automatic mode)」，即可囊括大多數(shù)的 GPS 模塊作業(yè)，并可透過程序設(shè)計(jì)的方式，計(jì)算都卜勒與隨機(jī)距離信息;當(dāng)然，此功能亦提供手動模式。在手動模式 (Manual mode) 中，使用者可個別指定每組人造衛(wèi)星的信息。圖 4 即顯示此 2 種作業(yè)模式所提供的輸入?yún)?shù)。

表2. GPS 工具組自動與手動模式的默認(rèn)值

請注意，工具組將根據(jù)所指定的星歷檔案，于可能的數(shù)值范圍中強(qiáng)制設(shè)定 GPS 的 TOW。因此，若選擇的數(shù)值超出該星歷檔案的范圍，工具組將自動設(shè)定為最接近的數(shù)值并提醒使用者。「niGPS Write Waveform To File」范例程序即可建立 GPS 基頻波形 (自動模式)，而其人機(jī)接口即如下圖所示。

圖 3. 簡單的范例程序即可建立 GPS 測試波形。

請注意，某些特定量測作業(yè)，將決定用戶所建立 GPS 測試的文件類型。舉例來說，當(dāng)量測接收器敏感度時，將仿真單一人造衛(wèi)星。另一方面來說，需要定位作業(yè)的量測 (如 TTFF 與位置精確度)，所使用的 GPS 訊號將仿真多組人造衛(wèi)星。基于上述需求，NI GPS 工具組所搭配的范例程序，將同時包含單位星與多重衛(wèi)星仿真功能。