使用真實數據測試GPS接收機
2015-09-16
從歷史上看，GPS接收機的設計者已經將對在復雜環境下的接收機性能進行了仿真和驅動測試。盡管GPS信號模擬可以提供了可以重復的信號源，但仿真器無法重復產生現實中常見的復雜的多徑信號畸變。此外，驅動測試還包含了固有的挑戰。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的信號。
正因為這些挑戰，一個用于對接收集驗證的通用方法使用已經記錄下來的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信號并將其連續的IQ路數據存入文件。然后，RF矢量信號發生器(如NI的PXIe-672)用于將存儲的信號回放并發到接收機中。通過記錄下的信號來測試GPS接收機要好于傳統的仿真方法或驅動測試方法。該方法不僅引入了現實環境中的失真，而且這種方式是可重復的。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的。
配置RF可記錄設備
關于配置RF記錄儀和回放系統，有兩個問題需要考慮到，即：使用全動態RF矢量信號分析儀；確保記錄設備不會給信號引入額外的噪聲。關于第一個問題，一種簡 單的捕獲GPS信號的全動態范圍的方法是使用帶有符號動態范圍的矢量信號分析儀。通過傳統的信號分析儀來提供80dB的動態范圍，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，唯一剩下的任務是放大空中信號，而盡可能不增加額外的 噪聲。
在典型的環境中，每個GPS衛星將有一個-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。兩個級聯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，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顯示了系統設置的方框圖。
在 圖1中，你可以使用任意現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。
一旦可記錄設備的RF前端設 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。注意天線應該放置在有著清晰的空中視野的環境中。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前端信號已經正確的配置過了。現在，RF前端配置完，接下來是進行連續的IQ采集。通過連接大型的存儲容量，經典的RF可記錄系統可以連續捕獲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，你可以使用這些現實的數據來測試 接收機。此外，你可以觀察一個接收機是如何對同一環境條件下的重復反應。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。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系。為了觀察到這個關系，我們計算了10個試驗中每個試驗的經度和緯度的標準方差。如果衛星的該數據能 夠影響位置精度和可重復性，我們將會看到該方差會隨著衛星淡出視野而增大。例如，可以使用4個最高衛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數據，你還可以跟蹤HDOP以及在視野中的衛星個數。不過，在圖3中，存在一個信號強度和位置可重復性間的強烈相關性。
不同試驗的峰值偏差發生在時間為120s時。在這一時刻標準方差大約為2m，而其他時間里，該方差要遠遠小于1m。標準方差的跳變與四個最高衛星強度45dB-Hz降到41dB-Hz現象同時發生。此外，位置的標準方差直接與衛星的載干比相關，而與移動速度沒有太多聯系。
以上的試驗突出了環境因素對接收機性能的影響。非常可能的是，當視野中出現衛星的個數突然下降時，接收機會迅速作出反應。無論哪種方式，該試驗可以當作是一種對GPS記錄波形的例子分析。現實環境中，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境中如城市峽谷進行驅動測試是非常普遍的，RF記錄和回放系統已經成為了一種驗證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。因為這些記錄的數據可以幫助你產生可 重復的RF信號，因此很容易觀察到接收機在同樣的RF環境條件下是如何作出反應的。
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