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使用真實數(shù)據(jù)測試GPS接收機
2015-09-16
從歷史上看，GPS接收機的設(shè)計者已經(jīng)將對在復(fù)雜環(huán)境下的接收機性能進行了仿真和驅(qū)動測試。盡管GPS信號模擬可以提供了可以重復(fù)的信號源，但仿真器無法重復(fù)產(chǎn)生現(xiàn)實中常見的復(fù)雜的多徑信號畸變。此外，驅(qū)動測試還包含了固有的挑戰(zhàn)。不僅僅是測試成本昂貴，并從根本上給接收機引入了一些很難在不同的實驗中重復(fù)的信號。
正因為這些挑戰(zhàn)，一個用于對接收集驗證的通用方法使用已經(jīng)記錄下來的GPS信號來進行測試接收機。該方法使用了一個RF矢量信號分析儀(如NI的PXI-5661)來記錄實時的GPS信號并將其連續(xù)的IQ路數(shù)據(jù)存入文件。然后，RF矢量信號發(fā)生器(如NI的PXIe-672)用于將存儲的信號回放并發(fā)到接收機中。通過記錄下的信號來測試GPS接收機要好于傳統(tǒng)的仿真方法或驅(qū)動測試方法。該方法不僅引入了現(xiàn)實環(huán)境中的失真，而且這種方式是可重復(fù)的。因此，你可以對不同的接收機進行測試，然后觀察在同一個測試仿真中他們是如何反應(yīng)的。
配置RF可記錄設(shè)備
關(guān)于配置RF記錄儀和回放系統(tǒng)，有兩個問題需要考慮到，即：使用全動態(tài)RF矢量信號分析儀；確保記錄設(shè)備不會給信號引入額外的噪聲。關(guān)于第一個問題，一種簡 單的捕獲GPS信號的全動態(tài)范圍的方法是使用帶有符號動態(tài)范圍的矢量信號分析儀。通過傳統(tǒng)的信號分析儀來提供80dB的動態(tài)范圍，信噪比較小的信號“通常 小于30dB”，如GPS信號，可以很容易被記錄下來，而不會受到空中信號信噪比的顯著影響。因此，唯一剩下的任務(wù)是放大空中信號，而盡可能不增加額外的 噪聲。
在典型的環(huán)境中，每個GPS衛(wèi)星將有一個-135～-125dBm的平均功率范圍(粗捕獲碼，CA)，具體要依 賴于位置和環(huán)境因素。典型的場景將使L1(1.57542 GHz)頻段上的信號具有-120～-110dBm的峰值功率。在測試中，我們觀察到的峰值功率為-116dBm。正如期望那樣，記錄這樣的低功率 信號需要很好的選擇天線和放大器。事實上，為了使用全動態(tài)范圍的RF矢量信號分析儀，就必須使用放大器。有很多方法來放大空中GPS信號，不過最佳的方案 是使用有源GPS天線與低噪聲放大器級聯(lián)。兩個級聯(lián)的低噪聲放大器可以提供總共60dB的增益。因此，從矢量信號分析儀中觀察到的峰值功率將增長到- 116dBm到-56dBm。RF矢量信號分析儀上所需的功率在不同的儀器中是不同的，而具體的值是通過矢量分析儀的最大增益來決定的。
增強有源天線
為了捕獲GPS信號，盡可能少引入額外噪聲，需要使用噪聲系數(shù)小于2dB的有源天線。這可以達到最佳效果。有源天線提供了最佳的增益性能和最小的噪聲系數(shù)，而這自然也給信號引入了2.5～5V的直流偏置。
為了增強有源天線，一個常用的方法是使用直流偏置“T”。通過使用這個部件，直流信號(這里為3.3V)流入偏置T的直流端口。注意，你所使用的直流電壓精度取決于有源天線對直流功率的要求。圖1顯示了系統(tǒng)設(shè)置的方框圖。
在 圖1中，你可以使用任意現(xiàn)有的直流電源來為直流偏置信號供電。盡管這里我們使用的是NI的PXI-4110，實際上任何普通電源都可以工作。此外，很重要 的是直流偏置T額定工作在1.57542GHz下的，該頻率也是在L1 GPS信號頻段中的。直流偏置T，如圖中所示，可以在minicircuits.com購買到。
一旦可記錄設(shè)備的RF前端設(shè) 置完，你可以通過一個L1頻段上的基本RF頻譜測量方法來對系統(tǒng)進行簡單的測試。如將RF信號分析儀配置成中心頻率為1.57542 GHz、帶寬為4 MHz。注意天線應(yīng)該放置在有著清晰的空中視野的環(huán)境中。GPS粗捕獲碼信號占用了1MHz帶寬，因此需要更寬的帶寬來顯示該信號的頻譜。此外，因為此時 的信號功率很小，需要一個帶有低RF參考值(-50dBm)的窄帶解決方案。通過配置20個10Hz的窄帶寬，GPS衛(wèi)星可以清晰地顯示在噪聲門限上。圖2顯示了帶有總增益60dB的RF頻譜。
圖2顯示出在頻率1.57542 GHz處，有一個小“凸點”。該凸點是空中GPS信號，這意味著RF前端信號已經(jīng)正確的配置過了?，F(xiàn)在，RF前端配置完，接下來是進行連續(xù)的IQ采集。通過連接大型的存儲容量，經(jīng)典的RF可記錄系統(tǒng)可以連續(xù)捕獲GPS波形長達25小時。
使用記錄下的GPS信號進行實驗
RF記錄和回放方法的最大好處之一是，你可以使用這些現(xiàn)實的數(shù)據(jù)來測試 接收機。此外，你可以觀察一個接收機是如何對同一環(huán)境條件下的重復(fù)反應(yīng)。在下面的實驗中，我們觀察GPS接收機如何對相同的GPS記錄下的波形進兵不同的10次回放反應(yīng)。實驗中的接收機的具體型號是SiRFstar III芯片組。所有接收機的信息通過串聯(lián)RS232接口進行上報主機，其存儲的格式為NMEA-183。
使用可記錄GPS信 號進行的一個實驗是，不斷觀察信號強度和位置間的關(guān)系。為了觀察到這個關(guān)系，我們計算了10個試驗中每個試驗的經(jīng)度和緯度的標(biāo)準(zhǔn)方差。如果衛(wèi)星的該數(shù)據(jù)能 夠影響位置精度和可重復(fù)性，我們將會看到該方差會隨著衛(wèi)星淡出視野而增大。例如，可以使用4個最高衛(wèi)星的的平均載干比作為刻畫信號條件的量度。為了訪問 NMEA-183數(shù)據(jù)，你還可以跟蹤HDOP以及在視野中的衛(wèi)星個數(shù)。不過，在圖3中，存在一個信號強度和位置可重復(fù)性間的強烈相關(guān)性。
不同試驗的峰值偏差發(fā)生在時間為120s時。在這一時刻標(biāo)準(zhǔn)方差大約為2m，而其他時間里，該方差要遠遠小于1m。標(biāo)準(zhǔn)方差的跳變與四個最高衛(wèi)星強度45dB-Hz降到41dB-Hz現(xiàn)象同時發(fā)生。此外，位置的標(biāo)準(zhǔn)方差直接與衛(wèi)星的載干比相關(guān)，而與移動速度沒有太多聯(lián)系。
以上的試驗突出了環(huán)境因素對接收機性能的影響。非?？赡艿氖牵?dāng)視野中出現(xiàn)衛(wèi)星的個數(shù)突然下降時，接收機會迅速作出反應(yīng)。無論哪種方式，該試驗可以當(dāng)作是一種對GPS記錄波形的例子分析?，F(xiàn)實環(huán)境中，RF信號是存在硬盤中，你可以在未來的某個時候進行與上述形似的試驗分析。
盡管對接收機在部署環(huán)境中如城市峽谷進行驅(qū)動測試是非常普遍的，RF記錄和回放系統(tǒng)已經(jīng)成為了一種驗證RF接收機的新型解決方案。正如本文所講的，精心選擇記錄 設(shè)備的RF前端，可以保證信號被捕獲而沒有引入顯著的損耗與失真。最后，通過記錄GPS波形，你可以進行廣泛的試驗。因為這些記錄的數(shù)據(jù)可以幫助你產(chǎn)生可 重復(fù)的RF信號，因此很容易觀察到接收機在同樣的RF環(huán)境條件下是如何作出反應(yīng)的。
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