GPS技术基础及GPS接收器测试(上)

图11.RF前端的首2组组件噪声系数与因子。

根据上列计算，即可找出接收器的整体噪声因子：

等式7.RF记录系统的串联噪声系数

若要将噪声因子转换为噪声系数（单位为dB），则可套用等式3以获得下列结果：

等式8.第一组LNA的噪声系数将影响接收器的噪声系数

如等式8所示，第一组LNA（1.5dB）的噪声系数，将影响整组测量系统的噪声系数。透过VSA的相关设定，可让仪器的噪声水平（Noise floor）低于输入激发的噪声水平，因此用户所进行的记录作业，将仅对无线信号造成1.507dB的噪声。

对GPS接收器发出信号

由于多款接收器可使用合适的软件，让用户呈现如经度与纬度的信息，因此需要更标准化的方式进行自动测量作业。还好，目前有多款接收器均可透过众所周知的NMEA-183协议，以设定对PXI控制器发出信号。如此一来，接收器将可透过序列或USB连接线，连续传送相关指令。在NILabVIEW中，所有的指令均可转换语法，以回传卫星与定位信息。NMEA-183协议可支持6种基本指令，并各自代表专属的信息。这些指令即如下表所示：

图12.基本NMEA-183指令概述

以实际测试需要而言，GGA、GSA，与GSV指令应最为实用。更值得一提的是，GSA指令的信息可用于了解接收器是否可达到定位作业需要，或可用于首次定位时间（Time To First Fix，TTFF）测量。当执行高敏感性的测量时，实际可针对所追踪的卫星，使用GSV指令回传C/N（Carrier-to-noise）比。

虽然无法于此详细说明MNEA-183协议，但可至其他网站寻找所有的指令信息，如：http://www.gpsinformation.org/dale/nmea.htm#RMC.在LabVIEW中，这些指令可透过NI-VISA驱动程序转换其语法。

图13.使用NMEA-183协议的LabVIEW范例

GPS测量技术

目前有多种测量作业可为GPS接收器的效能进行特性描述（Characterization），其中亦有数种常见测量可套用至所有的GPS接收器中。此章节将说明执行测量的理论与实作，如：灵敏度、首次定位时间（TTFF）、定位精确度/可重复性，与定位追踪不定性（Uncertainty）。应注意的是，还有许多不同的方式可检验定位精确度，并执行接收器追踪功能的测试。虽然接着将说明多种基本方式，但仍无法概括所有。

灵敏度（Sensitivity）测量作业介绍

灵敏度为GPS接收器功能的最重要测量作业之一。事实上，对多款已量产的GPS接收器来说，仅限为最后生产测试所执行的RF测量而已。若深入来说，灵敏度测量即为"接收器可追踪并接收上方卫星定位信息的最低卫星功率强度"。一般人均认为，GPS接收器必须串联多组LNA以达极高的增益，才能将信号放大到合适的功率强度。事实上，虽然LNA可提升信号功率，亦可能降低SNR.因此，当GPS信号的RF功率强度降低时，SNR也将跟着降低，最后让接收器无法追踪卫星。

多款GPS接收器可指定2组敏感值：撷取灵敏度（Acquisition sensitivity）与信号追踪灵敏度（Signal tracking sensitivity）[9].如字面上的意思，撷取灵敏度为"接收器可进行定位的最低功率强度"。相反而言，信号追踪灵敏度为"接收器可追踪各个卫星的最低功率强度"。

以基本概念而言，我们可将灵敏度定义为"无线接收器产生所需最低位错误率（BER）的最低功率强度"。由于BER与载波噪声（Carrier-to-noise，C/N）比息息相关，因此灵敏度一般均是透过已知的接收器输入功率强度，得出所需的C/N值而定。

请注意，各组卫星的C/N值，均可直接透过GPS接收器的芯片组而得。目前有多种方式可计算出此项数值，而某几款接收器却是计算发讯日期（Messagedate）而得出约略值。当透过高功率测试激发进行模拟时，新款GPS接收器一般均可得到54~56dB-Hz的C/N峰值。由于即便是万里无云的晴空，GPS接收器亦可能得出30~50dB-Hz的C/N值；因此该C/N限值尚属于正常范围之内。一般GPS接收器均必须达到最小C/N比值，才能符合28~32dB-Hz的定位（撷取灵敏度）范围。因此，某些特殊接收器的灵敏度可定义为"接收器产生最低定位C/N比值所需的最低功率强度"。

理论上来说，单一卫星或多组卫星测试激发均可测量灵敏度。而实务上来看，由于已可轻松且稳定发出所需的RF功率，因此往往是以单一卫星模式进行测量作业。依定义而言，灵敏度为接收器回传最小C/N比值的最低功率强度。在接下来的讨论中，则可发现接收器的灵敏度甚为依赖RF前端的噪声指数.

在等式9中，灵敏度可表达为C/N比值与噪声指数的函式。举例来说，定位追踪所需的最低C/N为32dB-Hz，则噪声指数为2dB的接收器将具有-140dBm（-174+32+2）的灵敏度。然而，当单独测试基带（Baseband）收发器时，往往忽略了第一组LNA.一般接收器为下图所示：