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最实用的GPS接收器测试详解

时间:02-26 来源:NI公司 点击:

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

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