GPS技术基础及GPS接收器测试(上)

请注意，工具组将根据所指定的星历档案，于可能的数值范围中强制设定GPS的TOW.因此，若选择的数值超出该星历档案的范围，工具组将自动设定为最接近的数值并提醒使用者。"niGPS Write Waveform To File"范例程序即可建立GPS基带波形（自动模式），而其人机接口即如下图所示。

图5.简单的范例程序即可建立GPS测试波形。

请注意，某些特定测量作业，将决定用户所建立GPS测试的文件类型。举例来说，当测量接收器灵敏度时，将仿真单一人造卫星。另一方面来说，需要定位作业的测量（如TTFF与位置精确度），所使用的GPS信号将仿真多组人造卫星。基于上述需求，NIGPS工具组所搭配的范例程序，将同时包含单位星与多重卫星仿真功能。

记录空气中的GPS信号

建立GPS波形时，其独特又日趋普遍的方式，即是直接从空气中撷取之。在此测试中，我们使用矢量信号分析器（如NI PXI 5661）记录信号，再透过矢量信号发生器（如NI PXIe-5672）产生已记录的信号。由于在记录GPS信号时，亦可撷取实际的信号减损（Impairments），因此在播放信号时，可进一步了解接收器于布署环境中的作业情形。

只要透过极为直接的方式，即可撷取空气中的GPS信号。在RF记录系统中，我们将适合的天线与放大器，搭配使用PXI矢量信号分析器与硬盘，以撷取最多可达数个小时的连续数据。举例来说，1组2TB的RAID磁盘阵列，即可记录最多25个小时的GPS波形。由于此篇技术文件将不会讨论串流的特殊技术，因此若需要相关范例程序代码，请至：http://www.ni.com/streaming/rf.透过下列段落，即可了解应如何针对RF记录与播放系统，设定合适的RF前端。

不同类型的无线通信信号，均需要不同的带宽、中央频率，与增益。以GPS信号来说，基本系统需求是以1.57542GHz的中央频率，记录2.046MHz的RF带宽。依此带宽需求，至少必须达到2.5MS/s（1.25x2MHz）取样率。注意：此处的1.25乘数，是根据PXI-5661数字降转换器（DDC）于降频（Decimation）阶段的下降（Roll-off）滤波器所得出。

在下方说明的测试作业中，我们使用5MS/s（20MB/s）取样率以撷取完整的带宽。由于标准PXI控制器硬盘即可达到20MB/s或更高的数据流量，因此不需使用外接的RAID亦可将GPS信号串流至磁盘。然而，基于2个理由，我们仍建议使用外接硬盘。首先，外接硬盘可提升整体的数据储存量，并记录多组波形。其次，外接硬盘不会对PXI控制器的硬盘造成额外负担。在下方说明的测试作业中，我们采用1组USB2.0的外接硬盘。此硬盘为320GB的Western Digital Passport，具有5400RPM的硬盘转速。在我们的测试作业中，一般读取速度约落在25~28MB/s.因此该款硬盘可同时用于GPS波形数据串流的仿真（6MB/s）与记录（20MB/s）作业。

GPS信号记录作业最为特殊之处，即是选择并设定合适的天线与低噪声放大器（LNA）。透过一般被动式平面天线（Passive patch antenna），即可于L1GPS频带中发现介于-120~-110dBm的常见峰值功率（此处为-116dBm）。由于GPS信号的功率强度极小，因此必须进行放大作业，以使矢量信号分析器可撷取卫星信号的完整动态范围。虽然有多个方法可将合适的增益强度套用至信号，不过我们发现：若使用主动式GPS天线搭配NIPXI-5690前置放大器（Pre-amplifier）时，即可达到最佳效果。若串联2组各可达30dB增益的LNA，则总增益则可达到60dB（30+30）。因此，矢量信号分析器可测得的峰值功率，将从-116dBm提升至-56dBm.下图即为该项设定的范例系统：

图6.GPS接收器与串联的LNA.

请注意，记录操作系统的必备组件之一，即为主动式GPS天线。主动式（Active）GPS天线，包含1组平面天线与1组LNA.此款天线一般均需要2.5V~5V的DC偏压电压，并仅需约$20美金即可购买现成产品。为了简单起见，我们使用1组天线搭配1组SMA接头。我们将于下列段落中看到，在RF前端的第一组LNA噪声图形极为重要；该图形将可确认进行记录作业的仪控，是否对无线信号构成最低噪声。亦请注意，图6中的矢量信号分析器为简化图标。实际的PXI-5661为3阶段式超外差（Super-heterodyne）矢量信号分析器，较复杂于图中所示。

若将60dB套用至无线信号中，则可于L1中得到约-60~-50dBm的峰值功率。若以扫频（Swept spectrum）模式设定VSA并分析整体频谱，则亦将发现L1频带（FM与移动电话）之外的带中功率（Power in band），其强度将高于GPS信号。然而，带外（Out-of-band）信号的峰值功率一般均不会超过-20dBm，且将透过VSA的多组带通（Band pass）滤波器之一进行滤波作业。若要检视记录装置的RF前端是否达到应有效率，最简单的方法之一即为开启RFSA示范面板的范例程序。透过此程序，即可于L1GPS频带中呈现RF频谱。图7即为常见的频谱。请注意，此频谱截图是透过GPS中心频率于室外所得。主动式GPS天线与PXI-5690前置放大器，可达到60dB的总增益。

中心频率：1.57542GHz

展频（Span）：4MHz

RBW：10Hz

平均：RMS、20Averages