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使用真實(shí)數(shù)據(jù)測(cè)試GPS接收機(jī)
2015-09-16
從歷史上看，GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)者已經(jīng)將對(duì)在復(fù)雜環(huán)境下的接收機(jī)性能進(jìn)行了仿真和驅(qū)動(dòng)測(cè)試。盡管GPS信號(hào)模擬可以提供了可以重復(fù)的信號(hào)源，但仿真器無(wú)法重復(fù)產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)中常見(jiàn)的復(fù)雜的多徑信號(hào)畸變。此外，驅(qū)動(dòng)測(cè)試還包含了固有的挑戰(zhàn)。不僅僅是測(cè)試成本昂貴，并從根本上給接收機(jī)引入了一些很難在不同的實(shí)驗(yàn)中重復(fù)的信號(hào)。
正因?yàn)檫@些挑戰(zhàn)，一個(gè)用于對(duì)接收集驗(yàn)證的通用方法使用已經(jīng)記錄下來(lái)的GPS信號(hào)來(lái)進(jìn)行測(cè)試接收機(jī)。該方法使用了一個(gè)RF矢量信號(hào)分析儀(如NI的PXI-5661)來(lái)記錄實(shí)時(shí)的GPS信號(hào)并將其連續(xù)的IQ路數(shù)據(jù)存入文件。然后，RF矢量信號(hào)發(fā)生器(如NI的PXIe-672)用于將存儲(chǔ)的信號(hào)回放并發(fā)到接收機(jī)中。通過(guò)記錄下的信號(hào)來(lái)測(cè)試GPS接收機(jī)要好于傳統(tǒng)的仿真方法或驅(qū)動(dòng)測(cè)試方法。該方法不僅引入了現(xiàn)實(shí)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(duì)不同的接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試，然后觀察在同一個(gè)測(cè)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(gè)問(wèn)題需要考慮到，即：使用全動(dòng)態(tài)RF矢量信號(hào)分析儀；確保記錄設(shè)備不會(huì)給信號(hào)引入額外的噪聲。關(guān)于第一個(gè)問(wèn)題，一種簡(jiǎn) 單的捕獲GPS信號(hào)的全動(dòng)態(tài)范圍的方法是使用帶有符號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的矢量信號(hào)分析儀。通過(guò)傳統(tǒng)的信號(hào)分析儀來(lái)提供80dB的動(dòng)態(tài)范圍，信噪比較小的信號(hào)“通常 小于30dB”，如GPS信號(hào)，可以很容易被記錄下來(lái)，而不會(huì)受到空中信號(hào)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(hào)，而盡可能不增加額外的 噪聲。
在典型的環(huán)境中，每個(gè)GPS衛(wèi)星將有一個(gè)-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(chǎng)景將使L1(1.57542 GHz)頻段上的信號(hào)具有-120～-110dBm的峰值功率。在測(cè)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(hào)需要很好的選擇天線和放大器。事實(shí)上，為了使用全動(dòng)態(tài)范圍的RF矢量信號(hào)分析儀，就必須使用放大器。有很多方法來(lái)放大空中GPS信號(hào)，不過(guò)最佳的方案 是使用有源GPS天線與低噪聲放大器級(jí)聯(lián)。兩個(gè)級(jí)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(hào)分析儀中觀察到的峰值功率將增長(zhǎng)到- 116dBm到-56dBm。RF矢量信號(hào)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(guò)矢量分析儀的最大增益來(lái)決定的。
增強(qiáng)有源天線
為了捕獲GPS信號(hào)，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(dá)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(hào)引入了2.5～5V的直流偏置。
為了增強(qiáng)有源天線，一個(gè)常用的方法是使用直流偏置“T”。通過(guò)使用這個(gè)部件，直流信號(hào)(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(duì)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(lái)為直流偏置信號(hào)供電。盡管這里我們使用的是NI的PXI-4110，實(shí)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(hào)頻段中的。直流偏置T，如圖中所示，可以在minicircuits.com購(gòu)買(mǎi)到。
一旦可記錄設(shè)備的RF前端設(shè) 置完，你可以通過(guò)一個(gè)L1頻段上的基本RF頻譜測(cè)量方法來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試。如將RF信號(hào)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(hào)占用了1MHz帶寬，因此需要更寬的帶寬來(lái)顯示該信號(hào)的頻譜。此外，因?yàn)榇藭r(shí) 的信號(hào)功率很小，需要一個(gè)帶有低RF參考值(-50dBm)的窄帶解決方案。通過(guò)配置20個(gè)10Hz的窄帶寬，GPS衛(wèi)星可以清晰地顯示在噪聲門(mén)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(gè)小“凸點(diǎn)”。該凸點(diǎn)是空中GPS信號(hào)，這意味著RF前端信號(hào)已經(jīng)正確的配置過(guò)了。現(xiàn)在，RF前端配置完，接下來(lái)是進(jìn)行連續(xù)的IQ采集。通過(guò)連接大型的存儲(chǔ)容量，經(jīng)典的RF可記錄系統(tǒng)可以連續(xù)捕獲GPS波形長(zhǎng)達(dá)25小時(shí)。
使用記錄下的GPS信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
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(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試 接收機(jī)。此外，你可以觀察一個(gè)接收機(jī)是如何對(duì)同一環(huán)境條件下的重復(fù)反應(yīng)。在下面的實(shí)驗(yàn)中，我們觀察GPS接收機(jī)如何對(duì)相同的GPS記錄下的波形進(jìn)兵不同的10次回放反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中的接收機(jī)的具體型號(hào)是SiRFstar III芯片組。所有接收機(jī)的信息通過(guò)串聯(lián)RS232接口進(jìn)行上報(bào)主機(jī)，其存儲(chǔ)的格式為NMEA-183。
使用可記錄GPS信 號(hào)進(jìn)行的一個(gè)實(shí)驗(yàn)是，不斷觀察信號(hào)強(qiáng)度和位置間的關(guān)系。為了觀察到這個(gè)關(guān)系，我們計(jì)算了10個(gè)試驗(yàn)中每個(gè)試驗(yàn)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(huì)看到該方差會(huì)隨著衛(wèi)星淡出視野而增大。例如，可以使用4個(gè)最高衛(wèi)星的的平均載干比作為刻畫(huà)信號(hào)條件的量度。為了訪問(wèn) NMEA-183數(shù)據(jù)，你還可以跟蹤HDOP以及在視野中的衛(wèi)星個(gè)數(shù)。不過(guò)，在圖3中，存在一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度和位置可重復(fù)性間的強(qiáng)烈相關(guān)性。
不同試驗(yàn)的峰值偏差發(fā)生在時(shí)間為120s時(shí)。在這一時(shí)刻標(biāo)準(zhǔn)方差大約為2m，而其他時(shí)間里，該方差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1m。標(biāo)準(zhǔn)方差的跳變與四個(gè)最高衛(wèi)星強(qiáng)度45dB-Hz降到41dB-Hz現(xiàn)象同時(shí)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(dòng)速度沒(méi)有太多聯(lián)系。
以上的試驗(yàn)突出了環(huán)境因素對(duì)接收機(jī)性能的影響。非?？赡艿氖?，當(dāng)視野中出現(xiàn)衛(wèi)星的個(gè)數(shù)突然下降時(shí)，接收機(jī)會(huì)迅速作出反應(yīng)。無(wú)論哪種方式，該試驗(yàn)可以當(dāng)作是一種對(duì)GPS記錄波形的例子分析?，F(xiàn)實(shí)環(huán)境中，RF信號(hào)是存在硬盤(pán)中，你可以在未來(lái)的某個(gè)時(shí)候進(jìn)行與上述形似的試驗(yàn)分析。
盡管對(duì)接收機(jī)在部署環(huán)境中如城市峽谷進(jìn)行驅(qū)動(dòng)測(cè)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(yàn)證RF接收機(jī)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(hào)被捕獲而沒(méi)有引入顯著的損耗與失真。最后，通過(guò)記錄GPS波形，你可以進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)。因?yàn)檫@些記錄的數(shù)據(jù)可以幫助你產(chǎn)生可 重復(fù)的RF信號(hào)，因此很容易觀察到接收機(jī)在同樣的RF環(huán)境條件下是如何作出反應(yīng)的。
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