GPS 接收器测试

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 9. 使用 DC 偏压「T」供电至主动式 GPS 天线

在图 9 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) 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 10. 透过 DC 阻绝器 (Blocker)，将可记录并分析 GPS 讯号

如图 10 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：


图 11. 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。