最实用的GPS接收器测试详解

） 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