GPS技术基础及GPS接收器测试(上)

设定GPS测量系统

测试GPS接收器的主要产品，为1组可仿真GPS信号的RF矢量信号发生器。在此应用说明中，读者将可了解应如何使用NI PXI-5671与NI PXIe-5672RF矢量信号发生器，以达到测量目的。此产品并可搭配NI GPS工具组，以模拟1~12组GPS人造卫星。

完整的GPS测量系统亦应包含多种不同配件，以达最佳效能。举例来说，外接的固定式衰减器（Attenuator），可提升功率精确度与噪声层（Noise floor）的效能。此外，根据接收器是否支持其直接输入埠的DC偏压（Bias），某些接收器亦可能需要DC阻绝器（Blocker）。下图即为GPS信号产生的完整系统：

图1.GPS产生系统的程序图

如图1所示，当测试GPS接收器时，往往采用最高60dB的外接RF衰减（留白，Padding）。固定式衰减器至少可提供测量系统2项优点。首先，固定式衰减器可确保测试激发的噪声层低于-174dBm/Hz的热噪声层（Thermal noise floor）。其次，由于可透过高精确度RF功率计（Power meter）校准信号准位，因此固定式衰减器亦可提升功率精确度。虽然仅需20dB的衰减即可符合噪声层的要求，但若使用60~70dB的衰减，则可达到更高的功率精确度与噪声层效能。稍后将接着讨论RF功率校准，而图2抢先说明衰减对噪声层效能所造成的影响。

图2.不同衰减所需的仪器功率比较

如图2所示，衰减可用于减弱噪声，而不仅限于-174dBm/Hz的热噪声层。

RF矢量信号发生器

当选择RF矢量信号发生器时，NI abVIEW GPS工具组可同时支持NI PXI-5671与NI PXIe-5672RF矢量信号发生器。虽然此2款适配卡可产生GPS信号，但由于PCI Express总线速度较快，并可立刻进行IF等化（Equalization），因此NI PXIe-5672矢量信号发生器较受到青睐。此2款适配卡均具有6MB/s总数据传输率与1.5MS/s（IQ）取样率，可从磁盘串流GPS波形。

虽然PXI控制器硬盘可轻松维持此数据传输率，NI仍建议使用外接磁盘进行额外的储存容量。下图为包含NI PXIe-5672的常见PXI系统：

图3.包含NIPXIe5672VSG与NIPXI-5661VSA的PXI系统

GPS工具组可于完整导航信号期间，建立最长12.5分钟（25个框架）的波形。依6MB/s的取样率，则最大档案约为7.5GB.由于上述的波形档案尺寸，所有的波形均可储存于多款硬盘选项之一。这些波形储存资源选项包含：

o PXI控制器的硬盘（推荐使用120GB硬盘升级）

o如HDD8263与HDD8264的外接RAID装置

o外接USB2.0硬盘（已透过Western Digital Passport硬盘进行测试）

上述各种硬盘设定，均可支持超过20MB/s的连续数据串流作业。因此，任何储存选项均可仿真GPS信号，并进行记录与播放。在稍后的段落中，将说明仿真与记录GPS波形的整合作业，并进行GPS接收器效能的特性参数描述（Characterization）作业。

建立仿真的GPS信号

由于GPS接收器是透过天线传输数据，并取得卫星星历与星历信息；当然，仿真的GPS信号亦需要该项信息。卫星星历与星历信息，均透过文本文件表示，可提供卫星位置、卫星高度、机器状态，与绕行轨道的相关信息。此外，在建立波形的过程中M，亦必须选择客制参数，如星期时间（TOW）、位置（经度、纬度、高度），与仿真的接收器速率。以此信息为基础，工具组将自动选择最多12组人造卫星、计算所有的都卜勒位移（Doppler shift）与虚拟距离（Pseudorange）信息，并接着产生所需的基带波形。为了可尽快入门，工具组安装程序亦包含范例的卫星星历与星历档案。此外，更可由下列网站直接下载：

。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

透过客制的卫星星历与星历档案，即可建立特定日期与时间的GPS信号，甚至可回溯数年以前。请注意，当选择这些档案时，必须选择与日期相对应的档案。一般来说，卫星星历与星历信息为每日更新，因此当选择特定时间与日期时，亦应选择同1天的档案。下载的星历档案往往为压缩的"*.Z"格式。因此，在搭配使用GPS工具组之前，档案必须先行解压缩。

只要使用工具组中的"自动模式（Automatic mode）"，即可囊括大多数的GPS模块作业，并可透过程序设计的方式，计算都卜勒与随机距离信息；当然，此功能亦提供手动模式。在手动模式（Manual mode）中，使用者可个别指定每组人造卫星的信息。图4即显示此2种作业模式所提供的输入参数。

1LLA（longitude，latitude，altitude）

图4.GPS工具组自动与手动模式的默认值