GPS 接收器测试
完整的GPS量测系统亦应包含多种不同配件,以达最佳效能。举例来说,外接的固定式衰减器 (Attenuator),可提升功率精确度与噪声层 (Noise floor) 的效能。此外,根据接收器是否支持其直接输入埠的 DC 偏压 (Bias),某些接收器亦可能需要 DC 阻绝器 (Blocker)。下图即为GPS讯号产生的完整系统:
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图 1.GPS产生系统的程序图
如图 1 所示,当测试GPS接收器时,往往采用最高 60 dB 的外接 RF 衰减 (留白,Padding)。固定式衰减器至少可提供量测系统 2 项优点。首先,固定式衰减器可确保测试激发的噪声层低于 -174 dBm/Hz 的热噪声层 (Thermal noise floor)。其次,由于可透过高精确度 RF 功率计 (Power meter) 校准讯号准位,因此固定式衰减器亦可提升功率精确度。虽然仅需 20 dB 的衰减即可符合噪声层的要求,但若使用 60 ~ 70 dB 的衰减,则可达到更高的功率精确度与噪声层效能。稍后将接着讨论 RF 功率校准,而图 2 抢先说明衰减对噪声层效能所造成的影响。
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表1. 不同衰减所需的仪器功率比较
如表1所示,衰减可用于减弱噪声,而不仅限于 -174 dBm/Hz 的热噪声层。
RF 向量讯号产生器
当选择 RF 向量讯号产生器时,NI LabVIEW GPS 工具组可同时支持 NI PXI-5671 与 NI PXIe-5672 RF 向量讯号产生器。虽然此 2 款适配卡可产生 GPS 讯号,但由于 PCI Express 总线速度较快,并可立刻进行 IF 等化 (Equalization),因此 NI PXIe-5672 向量讯号产生器较受到青睐。此 2 款适配卡均具有 6 MB/s 总数据传输率与 1.5 MS/s (IQ) 取样率,可从磁盘串流 GPS 波形。
虽然 PXI控制器硬盘可轻松维持此数据传输率,NI 仍建议使用外接磁盘进行额外的储存容量。下图为包含 NI PXIe-5672 的常见 PXI 系统:
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图 2. 包含 NI PXIe 5672 VSG 与 NI PXI-5661 VSA 的 PXI 系统
GPS 工具组可于完整导航讯号期间,建立最长 12.5 分钟 (25 个框架) 的波形。依 6 MB/s 的取样率,则最大档案约为 7.5 GB。由于上述的波形档案尺寸,所有的波形均可储存于多款硬盘选项之一。这些波形储存资源选项包含:
PXI 控制器的硬盘 ( 推荐使用 120 GB 硬盘升级)
如 HDD 8263 与 HDD 8264 的外接 RAID 装置
外接 USB 2.0 硬盘 (已透过 Western Digital Passport 硬盘进行测试)
上述各种硬盘设定,均可支持超过 20 MB/s 的连续数据串流作业。因此,任何储存选项均可仿真 GPS 讯号,并进行记录与播放。在稍后的段落中,将说明仿真与记录 GPS 波形的整合作业,并进行 GPS 接收器效能的特性参数描述 (Characterization) 作业。
建立仿真的 GPS 讯号
由于 GPS 接收器是透过天线传输数据,并取得卫星星历与星历信息;当然,仿真的 GPS 讯号亦需要该项信息。卫星星历与星历信息,均透过文本文件表示,可提供卫星位置、卫星高度、机器状态,与绕行轨道的相关信息。此外,在建立波形的过程中M,亦必须选择客制参数,如星期时间 (TOW)、位置 (经度、纬度、高度),与仿真的接收器速率。以此信息为基础,工具组将自动选择最多 12 组人造卫星、计算所有的都卜勒位移 (Doppler shift) 与虚拟距离 (Pseudorange) 信息,并接着产生所需的基频波形。为了可尽快入门,工具组安装程序亦包含范例的卫星星历与星历档案。此外,更可由下列网站直接下载:
Almanac information (The Navigation Center of Excellence)http://navcen.uscg.gov/gps/almanacs.htm
Ephemeris information (NASA Goddard Space Flight Center)http://cddis.gsfc.nasa.gov/gnss_datasum.html#brdc
透过客制的卫星星历与星历档案,即可建立特定日期与时间的 GPS 讯号,甚至可回溯数年以前。请注意,当选择这些档案时,必须选择与日期相对应的档案。一般来说,卫星星历与星历信息为每日更新,因此当选择特定时间与日期时,亦应选择同 1 天的档案。下载的星历档案往往为压缩的「*.Z」格式。因此,在搭配使用 GPS 工具组之前,档案必须先行解压缩。
只要使用工具组中的「自动模式 (Automatic mode)」,即可囊括大多数的 GPS 模块作业,并可透过程序设计的方式,计算都卜勒与随机距离信息;当然,此功能亦提供手动模式。在手动模式 (Manual mode) 中,使用者可个别指定每组人造卫星的信息。图 4 即显示此 2 种作业模式所提供的输入参数。
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表2. GPS 工具组自动与手动模式的默认值
请注意,工具组将根据所指定的星历档案,于可能的数值范围中强制设定 GPS 的 TOW。因此,若选择的数值超出该星历档案的范围,工具组将自动设定为最接近的数值并提醒使用者。「niGPS Write Waveform To File」范例程序即可建立 GPS 基频波形 (自动模式),而其人机接口即如下图所示。
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图 3. 简单的范例程序即可建立 GPS 测试波形。
请注意,某些特定量测作业,将决定用户所建立 GPS 测试的文件类型。举例来说,当量测接收器敏感度时,将仿真单一人造卫星。另一方面来说,需要定位作业的量测 (如 TTFF 与位置精确度),所使用的 GPS 讯号将仿真多组人造卫星。基于上述需求,NI GPS 工具组所搭配的范例程序,将同时包含单位星与多重卫星仿真功能。
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