深挖智能汽車設(shè)計要素，你知多少？

不同類型的無線通信信號，均需要不同的帶寬、中央頻率，與增益。以GPS信號來說，基本系統(tǒng)需求是以1.57542GHz的中央頻率，記錄2.046MHz的RF帶寬。依此帶寬需求，至少必須達(dá)到2.5MS/s(1.25x2MHz)取樣率。注意：此處的1.25乘數(shù)，是根據(jù)PXI-5661數(shù)字降轉(zhuǎn)換器(DDC)于降頻(Decimation)階段的下降(Roll-off)濾波器所得出。

在下方說明的測試作業(yè)中，我們使用5MS/s(20MB/s)取樣率以擷取完整的帶寬。由于標(biāo)準(zhǔn)PXI控制器硬盤即可達(dá)到20MB/s或更高的數(shù)據(jù)流量，因此不需使用外接的RAID亦可將GPS信號串流至磁盤。然而，基于2個理由，我們?nèi)越ㄗh使用外接硬盤。首先，外接硬盤可提升整體的數(shù)據(jù)儲存量，并記錄多組波形。其次，外接硬盤不會對PXI控制器的硬盤造成額外負(fù)擔(dān)。在下方說明的測試作業(yè)中，我們采用1組USB2.0的外接硬盤。此硬盤為320GB的Western Digital Passport，具有5400RPM的硬盤轉(zhuǎn)速。在我們的測試作業(yè)中，一般讀取速度約落在25~28MB/s.因此該款硬盤可同時用于GPS波形數(shù)據(jù)串流的仿真(6MB/s)與記錄(20MB/s)作業(yè)。

GPS信號記錄作業(yè)最為特殊之處，即是選擇并設(shè)定合適的天線與低噪聲放大器(LNA)。透過一般被動式平面天線(Passive patch antenna)，即可于L1GPS頻帶中發(fā)現(xiàn)介于-120~-110dBm的常見峰值功率(此處為-116dBm)。由于GPS信號的功率強度極小，因此必須進(jìn)行放大作業(yè)，以使矢量信號分析器可擷取衛(wèi)星信號的完整動態(tài)范圍。雖然有多個方法可將合適的增益強度套用至信號，不過我們發(fā)現(xiàn)：若使用主動式GPS天線搭配NIPXI-5690前置放大器(Pre-amplifier)時，即可達(dá)到最佳效果。若串聯(lián)2組各可達(dá)30dB增益的LNA，則總增益則可達(dá)到60dB(30+30)。因此，矢量信號分析器可測得的峰值功率，將從-116dBm提升至-56dBm.下圖即為該項設(shè)定的范例系統(tǒng)：

圖6.GPS接收器與串聯(lián)的LNA.

請注意，記錄操作系統(tǒng)的必備組件之一，即為主動式GPS天線。主動式(Active)GPS天線，包含1組平面天線與1組LNA.此款天線一般均需要2.5V~5V的DC偏壓電壓，并僅需約$20美金即可購買現(xiàn)成產(chǎn)品。為了簡單起見，我們使用1組天線搭配1組SMA接頭。我們將于下列段落中看到，在RF前端的第一組LNA噪聲圖形極為重要;該圖形將可確認(rèn)進(jìn)行記錄作業(yè)的儀控，是否對無線信號構(gòu)成最低噪聲。亦請注意，圖6中的矢量信號分析器為簡化圖標(biāo)。實際的PXI-5661為3階段式超外差(Super-heterodyne)矢量信號分析器，較復(fù)雜于圖中所示。

若將60dB套用至無線信號中，則可于L1中得到約-60~-50dBm的峰值功率。若以掃頻(Swept spectrum)模式設(shè)定VSA并分析整體頻譜，則亦將發(fā)現(xiàn)L1頻帶(FM與移動電話)之外的帶中功率(Power in band)，其強度將高于GPS信號。然而，帶外(Out-of-band)信號的峰值功率一般均不會超過-20dBm，且將透過VSA的多組帶通(Band pass)濾波器之一進(jìn)行濾波作業(yè)。若要檢視記錄裝置的RF前端是否達(dá)到應(yīng)有效率，最簡單的方法之一即為開啟RFSA示范面板的范例程序。透過此程序，即可于L1GPS頻帶中呈現(xiàn)RF頻譜。圖7即為常見的頻譜。請注意，此頻譜截圖是透過GPS中心頻率于室外所得。主動式GPS天線與PXI-5690前置放大器，可達(dá)到60dB的總增益。

中心頻率：1.57542GHz

展頻(Span)：4MHz

RBW：10Hz

平均：RMS、20Averages

圖7.僅透過極小的分辨率帶寬(RBW)，才可于頻譜中呈現(xiàn)GPS

此處使用前面所提到的RF記錄與播放LabVIEW范例程序;設(shè)定-50dBm的參考準(zhǔn)位、1.57542GHz中央頻率，與5MS/s的IQ取樣率。下圖即顯示設(shè)置范例的人機接口：

圖8.RF記錄與播放范例的人機接口。

GPS信號的最長記錄時間，將根據(jù)取樣率與最大儲存容量而定。若使用2TB容量的Raid磁盤陣列(Windows XP所支持的最大磁盤)，將可透過5MS/s取樣率記錄最多25個小時的信號。

設(shè)定RF前端

由于串聯(lián)的LNA可提供60dB的增益，因此使用者可大幅提升矢量信號分析器前端的功率。在我們的測量作業(yè)中，60dB的增益即足以將峰值功率從-116dBm提升至-56dBm.而透過60dB的增益(與1.5dB的噪聲系數(shù))，信號的噪聲功率將為–112dBm/Hz(-174+增益+F)。因此，所能擷取到的訊噪比(SNR)最高可達(dá)56.5dB(-56dBm+112.5dBm)，亦低于實際的儀器動態(tài)范圍。由此可知，若有80dB的動態(tài)范圍，則VSA將可記錄最大的SNR，且不會有無線信號的噪聲影響。

當(dāng)要記錄任何無線信號時，可將參考準(zhǔn)位設(shè)定高出一般峰值功率至少5dB，以因應(yīng)任何信號強度的異?，F(xiàn)象。在某些情況下，雖然上述此步驟將降低VSA的有效動態(tài)范圍，但GPS信號卻不會受到影響。由于GPS信號于天線輸入的最大理想SNR即為58dB(-116+174)，因此若于VSA記錄超過58dB的動態(tài)范圍將無任何意義。因此，我們甚至可以“拋棄”儀器的動態(tài)范圍達(dá)10dB以上，亦不會影響記錄信號的質(zhì)量(在此帶寬中，PXI-5661將提供優(yōu)于75dB的動態(tài)范圍)。

由于必須設(shè)定合適的參考準(zhǔn)位，適當(dāng)設(shè)定記錄裝置的RF前端亦顯得同樣重要。如先前所提，若要獲得最佳的RF記錄數(shù)據(jù)，則建議使用主動式GPS天線。由于主動式天線內(nèi)建LNA，以低噪聲系數(shù)提供最高30dB的增益，因此亦可供應(yīng)DC偏壓。下方將接著說明多種偏壓方式。

方法1：以GPS接收器進(jìn)行供電的主動式天線

第一個方法，是以DC偏壓“T”供電至主動式天線。在此范例中，我們將DC信號(此為3.3V)套用至偏壓“T”的DC埠，且“T”又將合適的DC偏移套用至主動式天線。請注意，此處將根據(jù)主動式天線的DC功率需求，進(jìn)而決定是否套用精確的DC電壓。下圖即說明相關(guān)連結(jié)情形。

圖9.使用DC偏壓“T”供電至主動式GPS天線