使用真實(shí)數(shù)據(jù)測試GPS接收機(jī)

從歷史上看，GPS接收機(jī)的設(shè)計者已經(jīng)將對在復(fù)雜環(huán)境下的接收機(jī)性能進(jìn)行了仿真和驅(qū)動測試。盡管GPS信號模擬可以提供了可以重復(fù)的信號源，但仿真器無法重復(fù)產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)中常見的復(fù)雜的多徑信號畸變。此外，驅(qū)動測試還包含了固有的挑戰(zhàn)。不僅僅是測試成本昂貴，并從根本上給接收機(jī)引入了一些很難在不同的實(shí)驗(yàn)中重復(fù)的信號。

正因?yàn)檫@些挑戰(zhàn)，一個用于對接收集驗(yàn)證的通用方法使用已經(jīng)記錄下來的GPS信號來進(jìn)行測試接收機(jī)。該方法使用了一個RF矢量信號分析儀（如NI的PXI-5661）來記錄實(shí)時的GPS信號并將其連續(xù)的IQ路數(shù)據(jù)存入文件。然后，RF矢量信號發(fā)生器（如NI的PXIe-672）用于將存儲的信號回放并發(fā)到接收機(jī)中。通過記錄下的信號來測試GPS接收機(jī)要好于傳統(tǒng)的仿真方法或驅(qū)動測試方法。該方法不僅引入了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的失真，而且這種方式是可重復(fù)的。因此，你可以對不同的接收機(jī)進(jìn)行測試，然后觀察在同一個測試仿真中他們是如何反應(yīng)的。

配置RF可記錄設(shè)備

關(guān)于配置RF記錄儀和回放系統(tǒng)，有兩個問題需要考慮到，即：使用全動態(tài)RF矢量信號分析儀；確保記錄設(shè)備不會給信號引入額外的噪聲。關(guān)于第一個問題，一種簡單的捕獲GPS信號的全動態(tài)范圍的方法是使用帶有符號動態(tài)范圍的矢量信號分析儀。通過傳統(tǒng)的信號分析儀來提供80dB的動態(tài)范圍，信噪比較小的信號“通常小于30dB”，如GPS信號，可以很容易被記錄下來，而不會受到空中信號信噪比的顯著影響。因此，唯一剩下的任務(wù)是放大空中信號，而盡可能不增加額外的噪聲。

在典型的環(huán)境中，每個GPS衛(wèi)星將有一個-135dBm到-125dBm的平均功率范圍（粗捕獲碼，CA），具體要依賴于位置和環(huán)境因素。典型的場景將使L1（1.57542 GHz）頻段上的信號具有-120dBm到-110dBm的峰值功率。在測試中，我們觀察到的峰值功率為-116dBm。正如期望那樣，記錄這樣的低功率信號需要很好的選擇天線和放大器。事實(shí)上，為了使用全動態(tài)范圍的RF矢量信號分析儀，就必須使用放大器。有很多方法來放大空中GPS信號，不過最佳的方案是使用有源GPS天線與低噪聲放大器級聯(lián)。兩個級聯(lián)的低噪聲放大器可以提供總共60dB的增益。因此，從矢量信號分析儀中觀察到的峰值功率將增長到-116dBm到-56dBm。RF矢量信號分析儀上所需的功率在不同的儀器中是不同的，而具體的值是通過矢量分析儀的最大增益來決定的。

增強(qiáng)有源天線

為了捕獲GPS信號，盡可能少引入額外噪聲，需要使用噪聲系數(shù)小于2dB的有源天線。這可以達(dá)到最佳效果。有源天線提供了最佳的增益性能和最小的噪聲系數(shù)，而這自然也給信號引入了2.5伏到5伏的直流偏置。

為了增強(qiáng)有源天線，一個常用的方法是使用直流偏置“T”。通過使用這個部件，直流信號（這里為3.3伏）流入偏置T的直流端口。注意，你所使用的直流電壓精度取決于有源天線對直流功率的要求。圖1顯示了系統(tǒng)設(shè)置的方框圖。

圖1：你可以使用直流偏置T來增強(qiáng)有源GPS天線。

在圖1中，你可以使用任意現(xiàn)有的直流電源來為直流偏置信號供電。盡管這里我們使用的是NI的PXI-4110，實(shí)際上任何普通電源都可以工作。此外，很重要的是直流偏置T額定工作在1.57542GHz下的，該頻率也是在L1 GPS信號頻段中的。直流偏置T，如圖中所示，可以在minicircuits.com購買到。

一旦可記錄設(shè)備的RF前端設(shè)置完，你可以通過一個L1頻段上的基本RF頻譜測量方法來對系統(tǒng)進(jìn)行簡單的測試。如將RF信號分析儀配置成中心頻率為1.57542 GHz、帶寬為4 MHz。注意天線應(yīng)該放置在有著清晰的空中視野的環(huán)境中。GPS粗捕獲碼信號占用了1MHz帶寬，因此需要更寬的帶寬來顯示該信號的頻譜。此外，因?yàn)榇藭r的信號功率很小，需要一個帶有低RF參考值（-50dBm）的窄帶解決方案。通過配置20個10Hz的窄帶寬，GPS衛(wèi)星可以清晰地顯示在噪聲門限上。圖2顯示了帶有總增益60dB的RF頻譜。