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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:

) 均可用于此应用中,我们还是使用 PXI-4110 以简化作业。同样的,现有常见的偏压器 (Bias tee) 可进行最高 1.58 GHz 的作业,而此处所使用的偏压器购自于 www.minicircuits.com.

  方法 2:以接收器供电至主动式天线

  供电至主动式 GPS 天线的第二个方法,即是透过天线本身的接收器。大多数的现成 GPS 接收器,均使用单一端口供电至主动式 GPS 天线,且此端口亦透过合适的 DC 讯号达到偏压。若将主动式 GPS 接收器整合分裂器 (Splitter) 与 DC 阻绝器 (Blocker),即可供电至主动式 LNA,并仅记录 GPS 接收器所获得的讯号。下图即为正确的连结方式:

  

  图 8. 透过 DC 阻绝器 (Blocker),将可记录并分析 GPS 讯号

  如图 8 所示,GPS 接收器的 DC 偏压即用以供电至 LNA。请注意,由于当进行记录时,即可观察接收器的相关特性,如速度与精确度衰减 (Dilution) 情形,因此方法 2 特别适用于驱动程序测试。

  串联式 (Noise figure) 噪声系数计算

  若要计算已记录 GPS 讯号的总噪声量,只要找出整体 RF 前端的噪声系数即可。就一般情况来说,整组系统的噪声系数,往往受到系统的第一组放大器所影响。在所有 RF 组件或系统中,噪声系数均可视为 SNRin 与 SNRout (参阅:量测技术的噪声系数) 的比例。当记录 GPS 讯号时,必须先找出整体 RF 前端的噪声系数。

  当执行串联式噪声系数计算时,必须先行针对每笔噪声系数与增益,将之转换为线性等式;即所谓的「噪声因子 (Noise factor)」。当以串联的 RF 组件计算系统的噪声系数时,即可先找出系统的噪声因子,并接着转换为噪声系数。因此系统的噪声系数必须使用下列等式计算之:

  

  等式 2. 串联式 RF 放大器的噪声系数计算作业 [3]

  请注意,由于噪声因子 (nf) 与增益 (g) 属于线性关系而非对数 (Logarithmic) 关系,因此以小写表示之。下列即为增益与噪声系数,从线性转换为对数 (反之亦然) 的等式:

  

  

  

  

  等式 3 到等式 6. 增益与噪声系数的线性/对数转换 [3]

  内建低噪声放大器 (LNA) 的主动式 GPS 天线,一般均提供 30 dB 的增益,且其噪声系数约为 1.5 dB。在仪控记录作业的第二阶段,则由 NI PXI-5690 提供 30 dB 的附加增益。由于其噪声系数较高 (5 dB),因此第二组放大器仅将产生极小的噪声至系统中。在教学实作中,可针对记录仪控作业的完整 RF 前端,使用等式 2 计算其噪声因子。增益与噪声系数值即如下图所示:

  

  表3. 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 (1.5 dB) 的噪声系数,将影响整组量测系统的噪声系数。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,将仅对无线讯号造成 1.507 dB 的噪声。

  对 GPS 接收器发出讯号

  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量测作业。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 控制器发出讯号。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 NI LabVIEW 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:

  

  表4. 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) 量测。当执行高敏感性的量测时,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:

  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9. 使用 NMEA-183 协议的 LabVIEW 范例

  GPS 量测技术

目前有多种量测作业可为 GPS 接收器的效能进行特性描述 (Characterization),其中亦有数种常见量测可套用至所有的 GPS 接收器中。此章节将说明执行量测的理论与实作,如:敏

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