GPS技术基础及GPS接收器测试

图6.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，是否对无线信号构成最低噪声。亦请注意，图6中的矢量信号分析器为简化图标。实际的PXI-5661为3阶段式超外差（Super-heterodyne）矢量信号分析器，较复杂于图中所示。

若将60dB套用至无线信号中，则可于L1中得到约-60~-50dBm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信号。然而，带外（Out-of-band）信号的峰值功率一般均不会超过-20dBm，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L1GPS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60dB的总增益。

中心频率：1.57542GHz

展频（Span）：4MHz

RBW：10Hz

平均：RMS、20Averages

图7.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-50dBm的参考准位、1.57542GHz中央频率，与5MS/s的IQ取样率。下图即显示设置范例的人机接口：

图8.RF记录与播放范例的人机接口。

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

设定RF前端

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

当要记录任何无线信号时，可将参考准位设定高出一般峰值功率至少5dB，以因应任何信号强度的异常现象。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信号却不会受到影响。由于GPS信号于天线输入的最大理想SNR即为58dB（-116+174），因此若于VSA记录超过58dB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10dB以上，亦不会影响记录信号的质量（在此带宽中，PXI-5661将提供优于75dB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30dB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信号（此为3.3V）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偏压信号。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1.58GHz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信号达到偏压。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接收器所获得的信号。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信号

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信号的总噪声量，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：测量技术的噪声系数）的比例。当记录GPS信号时，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30dB的增益，且其噪声系数约为1.5dB.在仪控记录作业的第二阶段，则由NIPXI-5690提供30dB的附加增益。由于其噪声系数较高（5dB），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：