最实用的GPS接收器测试详解

接收器精确识别其位置。

　　不论是使用 C/A 码或 P 码，接收器均可追踪最多 4 组人造卫星，进行 3D 定位。追踪人造卫星的过程极为复杂，不过简单来说，即是接收器将透过每组卫星的距离，估算出自己的位置。由于讯号是以光速 （c），或为 299，792，458 m/s 行进，因此接收器可透过下列等式计算出与人造卫星之间的距离，即称为「虚拟距离 （Pseudorange）」：

　　等式 1.「虚拟距离 （Psedorange）」为时间间隔 （Time interval） 的函式 ［1］［4］

　　接收器必须将卫星所传送的讯号数据进行译码，才能够获得定位信息。每个卫星均针对其位置进行广播 （Broadcasting），接收器跟着透过每组卫星之间的虚拟距离差异，以决定自己的确实位置 ［8］。接收器所使用的三角量测法 （Triangulation），可由 3 组卫星进行 2D 定位；4 组卫星则可进行 3D 定位。

　　设定 GPS 量测系统

　　测试 GPS 接收器的主要产品，为 1 组可仿真 GPS 讯号的 RF 向量讯号产生器。在此应用说明中，读者将可了解应如何使用 NI PXI-5671 与 NI PXIe-5672 RF 向量讯号产生器，以达到量测目的。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 量测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 讯号产生的完整系统：

　　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 60 dB 的外接 RF 衰减 （留白，Padding）。固定式衰减器至少可提供量测系统 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 -174 dBm/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） 校准讯号准位，因此固定式衰减器亦可提升功率精确度。虽然仅需 20 dB 的衰减即可符合噪声层的要求，但若使用 60 ~ 70 dB 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。

　　表1. 不同衰减所需的仪器功率比较

　　如表1所示，衰减可用于减弱噪声，而不仅限于 -174 dBm/Hz 的热噪声层。

　　RF 向量讯号产生器

　　当选择 RF 向量讯号产生器时，NI LabVIEW GPS 工具组可同时支持 NI PXI-5671 与 NI PXIe-5672 RF 向量讯号产生器。虽然此 2 款适配卡可产生 GPS 讯号，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 向量讯号产生器较受到青睐。此 2 款适配卡均具有 6 MB/s 总数据传输率与 1.5 MS/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 2. 包含 NI PXIe 5672 VSG 与 NI PXI-5661 VSA 的 PXI 系统

　　GPS 工具组可于完整导航讯号期间，建立最长 12.5 分钟 （25 个框架） 的波形。依 6 MB/s 的取样率，则最大档案约为 7.5 GB。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：

　　PXI 控制器的硬盘 （ 推荐使用 120 GB 硬盘升级）

　　如 HDD 8263 与 HDD 8264 的外接 RAID 装置

　　外接 USB 2.0 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 20 MB/s 的连续数据串流作业。因此，任何储存选项均可仿真 GPS 讯号，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 讯号

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 讯号亦需要该项信息。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频波形。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