GPS 接收器测试

单一卫星敏感度量测

在了解敏感度量测的基本理论之后，接着将进行实际量测的各个程序。一般测试系统均是透过直接联机，将模拟的 L1 单一卫星载波送入至 DUT 的 RF 通讯端口中。为了获得 C/N 比值，我们将接收器设定透过 NMEA-183 协议进行通讯。在 LabVIEW 中，则仅需串联 3 笔 GSV 指令，即可读取最大的卫星 C/N 值。

根据 GPS 规格说明，单一 L1 卫星若位于地球表面，则其功率应不低于 -130 dBm [7]。然而，消费者对室内与户外的 GPS 接收器使用需求，已进一步压低了测试限制。事实上，多款 GPS 接收器可达最低 -142 dBm 定位追踪敏感度，与最低 -160 dBm 讯号追踪。在一般作业点 (Operating point) 时，大多数的 GPS 接收器均可迅速持续锁定低于 6dB 的讯号，因此我们的测试激发则使用 -136dBm 的平均 RF 功率强度。

若要达到最佳的功率精确度与噪声水平 (Noise floor) 效能，则建议针对 RF 向量讯号产生器的输出，使用外接衰减。在大多数的案例中，40 dB ~ 60 dB 的外接衰减，可让我们更接近线性范围 (功率 ≥ -80 dBm)，妥善操作产生器。由于各组接收器的定位衰减 (Fix attenuation) 均不甚固定，因此必须先行校准系统，以决定测试激发的正确功率。

在校准程序中，我们可考虑：1) 讯号的峰值平均比 (Peak-to-average ratio)、衰减器各个部分的差异，还有任何接线作业可能的插入损耗 (Insertion loss)。为了校准系统，应先从 DUT 切断联机，再将该联机接至 RF 向量讯号分析器 (如 PXI-5661)。

Part A：单一卫星校准

当执行敏感度量测时，RF 功率强度的精确性，实为讯号产生器最重要的特性之一。由于接收器可获得 0 数字精确度的 C/N 值 (如 34 dB-Hz)，因此生产测试中的敏感度量测可达 ± 0.5 dB 的功率精确度。因此，必须确保我们的仪控功能至少要达到相等或以上的效能。由于一般 RF 仪控作业是专为大范围功率强度、频率范围，与温度条件所设计，因此在执行基本系统校准时，量测的可重复性 (Repeatability) 应远高于特定仪器效能。下列章节将进一步说明可确保 RF 功率精确度的 2 种方法。

方法 1：单一被动式 RF 衰减器：

虽然使用外接衰减，是为了确保 GPS 讯号产生作业可达最佳噪声密度，但实际仅需 20 dB 的衰减，即可确保噪声密度低于 -174 dBm/Hz。当使用 20 dB 的固定板 (Pad) 时，仅需将仪器设定为超过 20 dB 的 RF 功率强度即可。为了达到 -136 dBm 的目标，仪器应程序设计为 -115 dBm (假设 1 dB 的连接线插入损耗)，且将 20 dB 衰减器直接连至产生器的输出。则所达到的 RF 功率将为 -136 dBm，但仍具有额外的不确定性。假设 20 dB 的固定板具有 ± 0.25 dB 的不确定性，且 RF 产生器亦于 -116 dBm 具有 ± 1.0 dB 的不确定性，则整体的不确定性将为 ± 1.25 dB。因此，虽然方法 1 最为简单且不需进行校准，但由于系统中的多项组件均未经过校准，因此可能接着发生不确定性。请注意，造成仪器不确定性最主要的原因之一，即为电压驻波比 (Voltage standing wave ratio，VSWR)。因为被动式衰减器是直接连至仪器的输出，所以反射回仪器的驻波即为实际衰减。由于降低了功率的不确定性，因此可提升整体功率的精确性。

请注意，此处亦使用高效能 VNA 确实量测被动衰减器。透过此量测装置，即可于 ± 0.1 dB 的不确定性之内，决定所要套用的衰减。

方法 2：经过校准的多组被动衰减器

校准 RF 功率的第二种方法，即是使用高精确度的 RF 功率计 (高于 ± 0.2 dB 的精确度，并最低可达 -70 dBm) 搭配多款固定式衰减器。因为我们是以固定频率，与相对较小的功率范围操作 RF 产生器，所以可有效修正由产生器造成的任何错误。此外，由于被动衰减器是以固定频率进行线性动作，因此亦可校准其不确定性。在方法 2 中，主要即必须确保产生系统可达到最佳效能，且将不确定性降至最低。此高精确度功率计可达优于 80 dB 的动态范围 (往往为双头式仪器)，进而确保最低的量测不确定性。

透过高精确度的功率计，即可使用 3 种量测作业进行系统校准：1 种用于向量讯号产生器的 RF 功率，另外 2 种量测作业可校准衰减器。为了达到最佳的不确定性，则应设定系统所需的最少量测次数。若要达到 -136 dBm 的 RF 功率强度，则可将 RF 仪器程序设计为 -65 dBm 的功率强度，并使用 70 dB 固定衰减 (假设 1 dB 插入损耗)。为了确实进行 RF 功率强度的程序设计作业，则可透过固定的 Padding 校准实际衰减。校准程序如下：

1)     将 VSG 程序设计为+15 dBm 功率强度
可开启 Measurement and Automation Explorer (MAX) 并使用测试面板。透过测试面板以 +15 dBm 产生 1.58 GHz 连续波 (CW) 讯号。

2)     以高精确度的功率计量测 RF 功率
使用 RF 功率计，让功率达到仪器功率精确度规格的 +14.78 dBm (或近似值) 之内。

3)     附加 70 dB 固定式衰减器(30 dB + 20 dB + 20 dB) 与任何必要的连接线

4)     以高精确度的功率计量测 RF 功率
将功率计设定为最大平均值 (512)，以量测 RF 功率强度。此处的读数为 -56.63 dBm。

5)     计算 RF 总耗损
若以 +14.78 dBm 减去 -56.63 dBm，即可在整合了衰减器与连接线之后，确保产生 71.41 dB 的功率耗损。请注意，多款衰减器往往具备最高 ± 1.0 dB 的不确定性。因此量测所得的衰减可能最高达 ± 3.0 dB 的变化。所以校准衰减器更显重要，确保已知衰减可达较低的不确定性。

根据衰减器与连接线的校准例程，即可确定所需的 RF 功率强度必须达到 -136 dBM。基于前述的 71.41 dB 衰减，必须将 RF 向量讯号产生器设定为 -58.59 dBm 的功率强度。若要确认程序设计过后的功率无误，则可依下列步骤进行：

6)     直接将功率计附加至 RF 向量讯号产生器
并移除所有的衰减器与连接线。

7)     将 RF 产生器设定必要数值，使其最后功率达到-136 dBm。
而程序设计的数值应为 -58.59 dBm，即由 -136 dBm + 71.41 dB 而得。

8)     以功率计量测最后功率。
请注意，所测得的 RF 功率，将因仪器的功率精确度而有所不同。即使测得 -58.59，则实际结果亦将因仪器的不确定性而产生些许变化。

9)     调整产生器功率直到功率计读出-58.59 dBm

虽然 RF 产生器可于一定的容错范围内进行作业，但此数值不仅具有可重复性，亦可调整 RF 功率计进行校准，直到得出合适的数值为止。
透过上述方法，仅需 3 项 RF 功率量测作业，即可决定所需的 RF 功率。因此，假设量测装置具有 ± 0.2 dB 的不确定性，则可得出 – 136 dBm 的功率不确定性将为 ± 0.6 dBm (3 x 0.2)。

Part B：敏感度量测

现在校准 RF 量测系统的功率之后，接着仅需进行 RF 产生器的程序设计，将功率强度设定足以让接收器回传最小的 C/N。虽然用于量测敏感度的 RF 功率将因接收器而有所不同，但是接收器 C/N 与 RF 功率的比值，将呈现完美的线性关系。在我们的测试中，可假设所需的 C/N 为 28 dB-Hz 以进行定位。透过等式 12，即可得出接收器 C/N 比值与噪声指数之间的关系。


等式 14. C/N 做为噪声指数与卫星功率的函式

假设卫星功率稳定，则可发现由接收器回报的 C/N 比，几乎就等于接收器的噪声指数函式。下表显示可达到的多样 C/N 比值。


图 16. C/N 为噪声指数的函式

一般来说，接收器上的 GPS 译码芯片组，将得出定位作业所需的最小 C/N 比值。然而，又必须透过整组接收器的噪声指数，才能决定目前功率强度所能达到的 C/N 比值。因此，当量测敏感度时，必须先了解定位作业所需的最小 C/N 比值。

其实有多种方法可量测敏感度。如上表所示，RF 功率与敏感度具有直接相关性。因此，可根据现有的敏感度功率强度，量测接收器的 C/N 比值；亦可根据不同的 RF 功率强度，得出系统敏感度。

为了说明这点，则可注意 RF 讯号功率与 GPS 接收器 C/N 比值，在不同功率强度之下的关系。下方量测作业所套用的激发，即忽略了第一组 LNA 而进行，且接收器的整体噪声指数约为 8 dB。而图 17 显示相关结果。


图 17. 接收器的 C/N 比值为 RF 功率的函式

如图 17 所示，此量测范例的 RF 功率与 C/N 比值，几乎是呈现完整的线性关系。而若使用高输入功率模拟 C/N 比值，将产生例外情况；接收器报表将出现可能的最大 C/N 值。然而，因为在任何条件下，进行实验的芯片组均不会产生超过 54 dB-Hz 的 C/N 值，所以这些结果均属预期范围之中。

根据图 7 中所示 RF 功率与敏感度之间的线性关系，其实仅需针对接收器模拟不同的功率强度，即可进行 GPS 接收器的生产测试作业。若接收器在 -142 dBm 得出 28 dB-Hz 的 C/N 值，则亦可于 -136 dBm 得到 34 dB-Hz 的 C/N 值。若特别注重量测速度，则可使用较高的 C/N 值，再从结果中推断出敏感度的信息。