最实用的GPS接收器测试详解

不过我们发现：若使用主动式 GPS 天线搭配 NI PXI-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 30 dB 增益的 LNA，则总增益则可达到 60 dB （30 + 30）。因此，向量讯号分析器可测得的峰值功率，将从 -116 dBm 提升至 -56 dBm。下图即为该项设定的范例系统：

　　图 4. 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，是否对无线讯号构成最低噪声。亦请注意，图 4 中的向量讯号分析器为简化图标。实际的 PXI-5661 为 3 阶段式超外差 （Super-heterodyne） 向量讯号分析器，较复杂于图中所示。

　　若将 60 dB 套用至无线讯号中，则可于 L1 中得到约 -60 ~ -50 dBm 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 讯号。然而，带外 （Out-of-band） 讯号的峰值功率一般均不会超过 -20 dBm，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 L1 GPS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 60 dB 的总增益。

　　中心频率：1.57542 GHz

　　展频 （Span）：4 MHz

　　RBW：10 Hz

　　平均：RMS、20 Averages

　　图 5. 仅透过极小的分辨率带宽 （RBW），才可于频谱中呈现 GPS

　　此处使用前面所提到的 RF 记录与播放 LabVIEW 范例程序；设定 -50 dBm 的参考准位、1.57542 GHz 中央频率，与 5 MS/s 的 IQ 取样率。下图即显示设置范例的人机接口：

　　图 6. RF 记录与播放范例的人机接口。

　　GPS 讯号的最长记录时间，将根据取样率与最大储存容量而定。若使用 2 TB 容量的 Raid 磁盘阵列 （Windows XP 所支持的最大磁盘），将可透过 5 MS/s 取样率记录最多 25个小时的讯号。

　　设定 RF 前端

　　由于串联的 LNA 可提供 60 dB 的增益，因此使用者可大幅提升向量讯号分析器前端的功率。在我们的量测作业中，60 dB 的增益即足以将峰值功率从 -116 dBm 提升至 -56 dBm。而透过 60 dB 的增益 （与 1.5 dB 的噪声系数），讯号的噪声功率将为 –112 dBm/Hz （-174 + 增益 + F）。因此，所能撷取到的讯噪比 （SNR） 最高可达 56.5 dB （-56 dBm +112.5 dBm），亦低于实际的仪器动态范围。由此可知，若有 80 dB 的动态范围，则 VSA 将可记录最大的 SNR，且不会有无线讯号的噪声影响。

　　当要记录任何无线讯号时，可将参考准位设定高出一般峰值功率至少 5 dB，以因应任何讯号强度的异常现象。在某些情况下，虽然上述此步骤将降低 VSA 的有效动态范围，但GPS 讯号却不会受到影响。由于 GPS 讯号于天线输入的最大理想 SNR 即为 58 dB （-116 + 174），因此若于 VSA 记录超过 58 dB 的动态范围将无任何意义。因此，我们甚至可以「抛弃」仪器的动态范围达 10 dB 以上，亦不会影响记录讯号的质量 （在此带宽中，PXI-5661 将提供优于 75 dB 的动态范围）。

　　由于必须设定合适的参考准位，适当设定记录装置的 RF 前端亦显得同样重要。如先前所提，若要获得最佳的 RF 记录数据，则建议使用主动式 GPS 天线。由于主动式天线内建LNA，以低噪声系数提供最高 30 dB 的增益，因此亦可供应 DC 偏压。下方将接着说明多种偏压方式。

　　方法1： 以 GPS 接收器进行供电的主动式天线

　　第一个方法，是以 DC 偏压「T」供电至主动式天线。在此范例中，我们将 DC 讯号 （此为 3.3 V） 套用至偏压「T」的DC 埠，且「T」又将合适的 DC 偏移套用至主动式天线。请注意，此处将根据主动式天线的 DC 功率需求，进而决定是否套用精确的 DC 电压。下图即说明相关连结情形。

　　图 7. 使用 DC 偏压「T」供电至主动式 GPS 天线

在图7 中可发现，PXI-4110 可程序化 DC 电源供应器，即可供应 DC 偏压讯号。虽然多款现成的电源供应器 （其中亦包含价位较低的电源供应器