GPS技术基础及GPS接收器测试(上)

图14.GPS接收器往往串联多组LNA[6]

如图14所示，一般GPS接收器均是串联了多组LNA，为GPS信号提供高效率的增益。如先前所说，第一组LNA将决定整组系统的噪声指数。图14中，我们先假设LNA1具有30dB的增益与1.5dB的NF.此外，我们假设整个RF前端具有40dB的增益与5dB的NF.接着请注意，由于LNA2之后的噪声功率将超过-174dBm/Hz的热噪声（Thermal noise），因此带通（Bandpass）滤波器将同时减弱信号与噪声。如此将几乎不会对SNR造成任何影响。最后，我们假设GPS芯片组可产生40dB的增益与5dB的噪声指数。即可计算出整组系统的噪声指数为：

图15.线性与对数模式的增益与NF

根据上列计算，即可找出接收器的整体噪声因子：

等式10与11.第一组LNA的噪声系数将影响接收器的噪声系数

透过等式10与11来看，若GPS接收器连接已启动的天线，则其噪声指数约可达1.5dB.请注意，我们已经先忽略了相关噪声指数等式中的第三项条件。由于此数值极小，基本上可将之忽略。

在某些案例中，GPS接收器的作业天线会搭配使用内建LNA.因此测试点将忽略接收器的第一组LNA.如此一来将透过第二组LNA得出噪声指数，且其往往又大于第一组LNA的噪声指数。若将LNA1移除，则可透过下列等式得出LNA2的噪声指数。

等式12与13.移除第一组LNA所得到的接收器噪声指数

如等式12与13所示，若将具备最佳噪声指数的LNA移除，则将大幅影响整组接收器的噪声指数。请注意，虽然此"常见"GPS接收器噪声指数的计算范例纯为理论叙述，但仍具有其重要性。由于接收器所呈现的C/N比值，实在与系统的噪声系数密不可分，因此系统的噪声系数可协助我们设定合适的C/N测试限制。

单一卫星灵敏度测量

在了解灵敏度测量的基本理论之后，接着将进行实际测量的各个程序。一般测试系统均是透过直接联机，将模拟的L1单一卫星载波送入至DUT的RF通讯端口中。为了获得C/N比值，我们将接收器设定透过NMEA-183协议进行通讯。在LabVIEW中，则仅需串联3笔GSV指令，即可读取最大的卫星C/N值。

根据GPS规格说明，单一L1卫星若位于地球表面，则其功率应不低于-130dBm[7].然而，消费者对室内与户外的GPS接收器使用需求，已进一步压低了测试限制。事实上，多款GPS接收器可达最低-142dBm定位追踪灵敏度，与最低-160dBm信号追踪。在一般作业点（Operatingpoint）时，大多数的GPS接收器均可迅速持续锁定低于6dB的信号，因此我们的测试激发则使用-136dBm的平均RF功率强度。

若要达到最佳的功率精确度与噪声水平（Noise floor）效能，则建议针对RF矢量信号发生器的输出，使用外接衰减。在大多数的案例中，40dB~60dB的外接衰减，可让我们更接近线性范围（功率≥-80dBm），妥善操作产生器。由于各组接收器的定位衰减（Fix attenuation）均不甚固定，因此必须先行校准系统，以决定测试激发的正确功率。

在校准程序中，我们可考虑：1）信号的峰值平均比（Peak-to-average ratio）、衰减器各个部分的差异，还有任何接线作业可能的插入损耗（Insertionl oss）。为了校准系统，应先从DUT切断联机，再将该联机接至RF矢量信号分析器（如PXI-5661）。

PartA：单一卫星校准

当执行灵敏度测量时，RF功率强度的精确性，实为信号发生器最重要的特性之一。由于接收器可获得0数字精确度的C/N值（如34dB-Hz），因此生产测试中的灵敏度测量可达±0.5dB的功率精确度。因此，必须确保我们的仪控功能至少要达到相等或以上的效能。由于一般RF仪控作业是专为大范围功率强度、频率范围，与温度条件所设计，因此在执行基本系统校准时，测量的可重复性（Repeatability）应远高于特定仪器效能。下列章节将进一步说明可确保RF功率精确度的2种方法。

方法1：单一被动式RF衰减器：

虽然使用外接衰减，是为了确保GPS信号产生作业可达最佳噪声密度，但实际仅需20dB的衰减，即可确保噪声密度低于-174dBm/Hz.当使用20dB的固定板（Pad）时，仅需将仪器设定为超过20dB的RF功率强度即可。为了达到-136dBm的目标，仪器应程序设计为-115dBm（假设1dB的连接线插入损耗），且将20dB衰减器直接连至产生器的输出。则所达到的RF功率将为-136dBm，但仍具有额外的不确定性。假设20dB的固定板具有±0.25dB的不确定性，且RF产生器亦于-116dBm具有±1.0dB的不确定性，则整体的不确定性将为±1.25dB.因此，虽然方法1最为简单且不需进行校准，但由于系统中的多项组件均未经过校准，因此可能接着发生不确定性。请注意，造成仪器不确定性最主要的原因之一，即为电压驻波比（Voltage standing wave ratio，VSWR）。因为被动式衰减器是直接连至仪器的输出，所以反射回仪器的驻波即为实际衰减。由于降低了功率的不确定性，因此可提升整体功率的精确性。

请注意，此处亦使用高效能VNA确实测量被动衰减器。透过此测量装置，即可于±0.1dB的不确定性之内，决定所要套用的衰减。

方法2：经过校准的多组被动衰减器

校准RF功率的第二种方法，即是使用高精确度的RF功率计（高于±0.2dB的精确度，并最低可达-70dBm）搭配多款固定式衰减器。因为我们是以固定频率，与相对较小的功率范围操作RF产生器，所以可有效修正由产生器造成的任何错误。此外，由于被动衰减器是以固定频率进行线性动作，因此亦可校准其不确定性。在方法2中，主要即必须确保产生系统可达到最佳效能，且将不确定性降至最低。此高精确度功率计可达优于80dB的动态范围（往往为双头式仪器），进而确保最低的测量不确定性。

透过高精确度的功率计，即可使用3种测量作业进行系统校准：1种用于矢量信号发生器的RF功率，另外2种测量作业可校准衰减器。为了达到最佳的不确定性，则应设定系统所需的最少测量次数。若要达到-136dBm的RF功率强度，则可将RF仪器程序设计为-65dBm的功率强度，并使用70dB固定衰减（假设1dB插入损耗）。为了确实进行RF功率强度的程序设计作业，则可透过固定的Padding校准实际衰减。校准程序如下：

1）将VSG程序设计为+15dBm功率强度

可开启MeasurementandAutomationExplorer（MAX）并使用测试面板。透过测试面板以+15dBm产生1.58GHz连续波（CW）信号。

2）以高精确度的功率计测量RF功率

使用RF功率计，让功率达到仪器功率精确度规格的+14.78dBm（或近似值）之内。

3）附加70dB固定式衰减器（30dB+20dB+20dB）与任何必要的连接线

4）以高精确度的功率计测量RF功率

将功率计设定为最大平均值（512），以测量RF功率强度。此处的读数为-56.63dBm.

5）计算RF总耗损

若以+14.78dBm减去-56.63dBm，即可在整合了衰减器与连接线之后，确保产生71.41dB的功率耗损。请注意，多款衰减器往往具备最高±1.0dB的不确定性。因此测量所得的衰减可能最高达±3.0dB的变化。所以校准衰减器更显重要，确保已知衰减可达较低的不确定性。

根据衰减器与连接线的校准例程，即可确定所需的RF功率强度必须达到-136dBM.基于前述的71.41dB衰减，必须将RF矢量信号发生器设定为-58.59dBm的功率强度。若要确认程序设计过后的功率无误，则可依下列步骤进行：

6）直接将功率计附加至RF矢量信号发生器

并移除所有的衰减器与连接线。

7）将RF产生器设定必要数值，使其最后功率达到-136dBm.

而程序设计的数值应为-58.59dBm，即由-136dBm+71.41dB而得。

8）以功率计测量最后功率。

请注意，所测得的RF功率，将因仪器的功率精确度而有所不同。即使测得-58.59，则实际结果亦将因仪器的不确定性而产生些许变化。

9）调整产生器功率直到功率计读出-58.59dBm

虽然RF产生器可于一定的容错范围内进行作业，但此数值不仅具有可重复性，亦可调整RF功率计进行校准，直到得出合适的数值为止。

透过上述方法，仅需3项RF功率测量作业，即可决定所需的RF功率。因此，假设测量装置具有±0.2dB的不确定性，则可得出–136dBm的功率不确定性将为±0.6dBm（3x0.2）。

PartB：灵敏度测量

现在校准RF测量系统的功率之后，接着仅需进行RF产生器的程序设计，将功率强度设定足以让接收器回传最小的C/N.虽然用于测量灵敏度的RF功率将因接收器而有所不同，但是接收器C/N与RF功率的比值，将呈现完美的线性关系。在我们的测试中，可假设所需的C/N为28dB-Hz以进行定位。透过等式12，即可得出接收器C/N比值与噪声指数之间的关系。

假设卫星功率稳定，则可发现由接收器回报的C/N比，几乎就等于接收器的噪声指数函式。下表显示可达到的多样C/N比值。