GPS 導航​技術​與​接收​器​測試​詳解

綜覽

GPS 導航​系統​應用​日益​廣泛。​無論​是​駕駛​波音 747 客機​的​飛行員、​每天​使用​汽車 GPS 導航​系統的​消費者,​或是​想​深入​叢林​尋​寶​的​探險家,​GPS 技術​與​當前​的​各種​應用​關係​越來越​密切。​GPS 接收​器​在​新興​技術​的​推波助瀾​下,​有了​長足​的​改進,​而​測試​其​效能​的​技術​也​日益​精密。 時至今日,​您​甚至​可以​利用​軟體​建立 GPS 波形,​以​精確​模擬​實際​的 GPS 訊號。​而​不斷​提升​的​儀器​匯流排​技術,​也能​讓​您​透過 PXI 儀​控​設備​記錄​並​播放​即時​的​訊號。

目錄

  1. GPS 導航
  2. GPS 導航​系統​與​接收器
  3. 設定 GPS 測試​系統
  4. GPS 導航​系統​測試​技術
  5. 敏感度​量​測​簡介
  6. 多​組​衛星​的 GPS 接收​器​測試
  7. 結論

GPS 導航

由於 GPS 導航​技術​在​商用​市場​日益​普及,​許多​設計​人員​都​致力​改善​低​功耗、​追蹤​微弱​衛星​訊號、​更​快​擷取​時間​以及​更​精確​的​定位​功能​等​特性。 透過​這​份​應用​說明,​您​會​了解​進行​多種 GPS 接收​器​測試​的​方法,​包括​敏感度、​雜訊​係數、​定位​準確度、​首次​定位​時間 (TTFF) 與​位置​誤差。​本​文件​的​目標,​是​要​能​讓​工程師​徹底​了解 GPS 的​測試​技術。 對 GPS 接收​器​測試​的​新手​來說,​本​文件​可​提供​常見​量​測​作業​的​完整​概述; 若​工程師​已​具備 GPS 測試​的​相關​經驗,​則​能​透過​本​文件​提供​的​資訊​導入​新的​儀​控​技術。​本​應用​說明​將​分為​下列​幾個​章節:

  1.      GPS​導航​系統​技術​的​基礎
  2.      GPS 測試​系統
  3.      常見​GPS​測試​概述
      1. 敏感度
      2. 首次​定位​時間 (TTFF)
      3. 定位​準確度​與​重複性
      4. 追蹤​準確度​與​重複性

每一​節​都會​提供​幾種​實作​秘訣​與​技術​說明。 更​重要​的是,​您​可以​將​自己​的​測試​結果​與 NI 工程師​由 GPS 接收​器​觀察​而​得​的​典型​結果​進行​比較。 將​您​的​結果、​NI 的​結果​和​理想​量​測​值​進行​比對​並​找出​關聯​之後,​就​能​確定​您​的​量​測​資料​是否​有效。

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GPS 導航​系統​與​接收器

全球​定位​系統 (GPS) 是​一套​空間​架構​的​無線電​導航​系統,​由​美國​空軍​負責​管理。 雖然 GPS 原本​的​開發​目標​是​做為​軍事​定位​系統,​但​也對​民間​帶來​許多​不容​小覷​的​優點。​事實上,​您​可能​早已​在​車輛、​船舶​甚至​是​行動​電話​中​使用​了​導航​系統​中的​重要​部分 – GPS 接收​器。 GPS 導航​系統​包含 24 組​透過 L1 與 L2 頻帶​傳輸​多重​訊息​訊號​的​衛星;​各組​衛星​會​透過 L1 頻帶 (1.57542 GHz) 產生 1.023 Mchips BPSK (二元​相位​鍵​移 (調​變)) 的​展​頻​訊號。 延展​序列 (spreading sequence) 則​使用​稱為​粗​調/​擷取​碼 (C/​A code) 的​虛擬​亂數 (PN) 序列。​雖然​延展​序列​為 1.023 Mchips,​實際​的​訊息​資料​傳輸​率​為 50 Hz [1]。 在​系統的​原始​佈署​中,​GPS 接收​器​的​一般​準確度​可達 30 到 20 公尺​以上。​這種​準確度,​是​美國​軍方​基於​安全​因素​而​施加​的​隨機​時序​誤差​所​造成​的。 不過​這種​誤差​訊號​源 (稱為​「選擇​性​可靠​度」) 已於 2000 年 5 月 2 日​撤除。​時至今日,​接收​器​的​最大​誤差​已​縮小​至 5 公尺​以內,​而​一般​誤差​已​縮小​為 1 到 2 公尺。

不論是 L1 或 L2 (1.2276 GHz) 頻帶,​GPS 衛星​都會​產生​稱為​「P 碼」​的​附屬​訊號。 此​訊號​為 10.23 Mbits/​s 二元​相位​鍵​移 (調​變) 的​調​變​訊號,​也​使用 PN 序列​做為​延展​碼 (spreading code)。 軍方​就是​透過​「P 碼」​的​傳輸,​進行​更​精確​的​定位​作業。​在 L1 頻帶​中,​P 碼​會與​粗​調/​擷取​碼​進行 90 度​的​異相 (out of phase) 傳輸,​以​確保​可於​相同​載​波​上​測​得​兩種​訊​號碼 [2]。​P 碼​於 L1 頻帶​中​可達 -163 dBW 的​訊號​功率;​於 L2 頻帶​中​則​可達 -166 dBW。 相對​來說,​若​在​地球​表面,​粗​調/​擷取​碼​的​廣播​功率​在 L1 頻帶​中​最低​可達 -160 dBW。

GPS 導航​訊息​技術

就​粗​調/​擷取​碼​而言,​導航​訊息​是​由 25 個​框架​的​資料​所​構成,​每個​框架​包含 1500 個位​元 [2]。​此外,​每個​框架​都可​分為 5 組 300 位元​的​子​框架。 當 GPS 接收​器​擷取​粗​調/​擷取​碼​時,​將​耗費 6 秒​擷取 1 個​子​框架;​也就是說,​擷取 1 個​框架​需​時 30 秒。 請​注意,​「花費 30 秒​擷取​完整​框架」​這件事,​對​本文​稍後​討論​的​某些​量​測​會​帶來​顯著​的​影響。 事實上,​首次​定位​時間 (TTFF) 測試​往往會​超過 30 秒,​因為 30 秒​是​接收​器​擷取​完整​框架​所需​的​最短​時間。

為​進行​定位​作業,​大部分 GPS 接收​器​都​必須​更新​天文​年曆 (almanac) 和​星曆​表 (ephemeris) 的​資訊。 這些​資訊​包含​於​人造​衛星​所​傳輸​的​訊息​資料​中,​而​每個​子​框架​也​包含​專屬​的​資訊​集。 一般​而言,​子​框架​包含​下列​資料 [2]​[7]:

子​框架 1:時序​修正、​準確度​和​與​人造​衛星​的​健全​狀態​資訊

子​框架 2-3:用於​計算​各​衛星​確實​位置​的​精確​軌道​參數

子​框架 4-5:粗略​的​衛星​軌道​資料、​時序​修正​和​健全​狀態​資訊

圖 1. GPS 資料​單一​「框架」​的​結構

為了​讓​接收​器​取得​定位​資訊,​天文​年曆​與​星曆​表​的​資訊​至​關​重要。 簡單​來說,​一旦​得到​各組​衛星​的​距離​資訊 (虛擬​距離),​GPS 接收​器​將​透過​簡單​的​三角​測量​演算法​回​傳​位置​資訊。 事實上,​結合​虛擬​距離​與​衛星​位置​的​資訊​後,​就​可以​讓​接收​器​準確​識別​自身​所在​的​位置。

只要​使用​粗​調/​擷取​碼​或 P 碼,​接收​器​就​可以​追蹤​最多​四​組​人造​衛星,​以​進行 3D 定位。​追蹤​衛星​的​過程​相當​複雜;​不過​簡單​來說,​就是 GPS 接收​器​會​判斷​與​所​追蹤​衛星​的​相隔​距離,​進而​估算​出​自己​的​位置。 由於​訊號​是以​光速 (c) 或 299,792,458 m/​s 的​速度​傳播,​因此​接收​器​可​透過​下列​等​式​計算​出​與​衛星​之間​的​距離,​就是​所謂​的​「虛擬​距離」:

等​式 1. 虛擬​距離​與​時間​間隔​的​函式​關係 [1]​[4]

GPS 接收​器​必須​將​衛星​傳送​的​訊息​資料​進行​解碼,​才能​取得​定位​資訊; 而​各​衛星​會​廣播​自己​所在​的​特定​位置,​接收​器​就​可以​透過​衛星​之間​的​虛擬​距離​差異,​判斷​出​自己​的​確實​位置 [8]。 接收​器​使用​的​三角​測量​法​可​透過​三組​衛星​進行 2D 定位;​若有​四​組​衛星,​則​可以​進行 3D 定位。

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設定 GPS 測試​系統

GPS 接收​器​測試​涉及​到​模擬 GPS 訊號;​所用​的​主要​儀器,​主要是 RF 向量​訊號​產生器。 在​本​應用​說明​中,​我們​將​敘述​如何​利用 NI PXIe-5672 RF 向量​訊號​產生器​來​進行​GPS​測試。​您​可以​將​這套​儀器​搭配 NI LabVIEW GPS 模擬​工具​組,​以​模擬 1 到 12 組​同時​存在​的 GPS 衛星。

完整​的 GPS 測試​系統​也會​包含​多種​不同​配件,​以​保證​最佳​的​效能。 例如,​您​可以​使用​外接​的​固定​式​衰減​器,​以​提升​功率​準確度​與​雜訊​水平​的​效能。 此外,​如果​接收​器​會對​直接​輸入​埠​產生 DC 偏壓,​您​可能​還​需要​加裝 DC 阻絕​器。 圖 1 顯示​了​完整​的 GPS 訊號​產生​系統。

圖 2. GPS 產生​系統的​程式圖

如圖 2 所​示,​在​執行 GPS 接收​器​測試​時,​經常​會​採用​最高 60 dB 的​外接 RF 衰減 (使用​增​耗​墊 (pad))。​固定​式​衰減​器​至少​能為​量​測​系統​提供​兩項​優點:​第一,​固定​式​衰減​器​能​確保​測試​激​源​的​雜訊​水平​遠​低於 -174 dBm/​Hz 的​熱​雜訊​水平; 其次,​由於​您​可以​透過​高​精確度 RF 功率​計 (power meter) 校準​訊號​位​準,​固定​式​衰減​器​也能​用來​提升​功率​準確度。​雖然​只要 20 dB 的​衰減​就​能​符合​雜訊​水平​的​要求,​但​若能​使用 60 到 70 dB 的​衰減,​則​能​達成​最​理想​的​功率​準確度​與​雜訊​水平​效能。 表 1 列出​衰減​對於​雜訊​水平​效能​的​影響。 我們​將在​稍後​的​小節​中​討論 RF 功率​校準​的​問題。

表 1. 不同​衰減​所需​的​儀器​功率​比較

如​表 1 所​示,​您​可以​用​衰減​來​弱化​雜訊,​但​不得​低於 -174 dBm/​Hz 的​熱​雜訊​水平。

使用 RF 向量​訊號​產生器​模擬 GPS 訊號

針對 GPS 測試​應用,​NI 建議​使用 NI PXIe-5672 向量​訊號​產生器。 此​儀器​可以​透過 1.5 MS/​s (I/​Q) 的​取樣​率​從​磁碟​串​流 GPS 波形,​總​資料​傳輸​率​可達 6 MB/​s。​雖然 PXI 控制器​硬碟​可以​輕鬆​保持​這種​資料​傳輸​率,​您​仍應​使用​外接​磁碟​以​保障​額外​的​儲存​容量。 圖 3 顯示​搭配 NI PXIe-5672 使用​的​典型 PXI 系統。

圖 3. 包含 NI PXIe 5672 向量​訊號​產生器​與 NI PXI-5661 向量​訊號​分析​器​的 PXI 系統

使用 GPS 模擬​工具​組​時,​您​可以​建立​最長 12.5 分鐘 (25 個​框架) 的​波形,​相當於​完整​導航​訊息​的​持續​時間。​以 6 MB/​s 的​取樣​率​來​計算,​檔案​大小​最大​為 7.5 GB 左右。 考量​到​波形​檔案​的​大小,​您​可以​採用​以下​任​一種​硬碟​選項​來​儲存​所有​的​波形:

  • 外接 RAID 磁碟​區,​例如 NI HDD-8263 與 HDD-8264
  • 外接 USB 2.0 硬碟 (測試​採用 Western Digital Passport 硬碟)

這些​硬碟​組​態​都可​支援 20 MB/​s 以上​的​連續​資料​串​流作業,​因此​任​一種​選項​都可以​支援 GPS 訊號​的​模擬、​記錄​與​播放​作業。 本文​稍後​將​說明​如何​搭配​運用​模擬​與​記錄​的 GPS 波形,​針對 GPS 接收​器​效能​進行​測試​與​完整​的​特性​參數​描述​作業。

建立​模擬​的 GPS 訊號

由於 GPS 接收​器​是​運用​衛星​訊息​資料​取得​天文​年曆​與​星曆​表​資訊,​因此​模擬 GPS 訊號​時​也會​用到​這些​資訊。 天文​年曆​與​星曆​表​會​以​文字​檔案​的​方式​呈現,​可​提供​衛星​位置、​海拔​高度、​健全​狀態​與​繞行​軌道​等​資訊。 此外,​您​也可以​透過​建立​波形​的​過程​選擇​客​制​參數,​例如​星期​時間 (TOW)、​位置 (經度、​緯度、​高度) 與​模擬​的​接收​器​速度。 工具​組​會​根據​這些​資訊​自動​選擇​最多 12 組​衛星、​計算​所有​的​都卜勒​位移​與​虛擬​距離​資訊,​進而​產生​相對​的​基​頻​波形。​為​協助​您​快速​上手,​工具​組​安裝​程式​會​附帶​提供​天文​年曆​與​星曆​表​的​檔案, 不過​您​也可以​從​下列​網站​直接​下載:

  • 天文​年曆​資訊 (卓越​導航​中心 (Navigation Center of Excellence)) http://​navcen.uscg.gov/?​pageName=gpsAlmanacs
  • 星曆​表​資訊 (NASA 戈​達​德​太空​飛行​中心 (Goddard Space Flight Center)) http://​cddis.gsfc.nasa.gov/​gnss_datasum.html#brdc

透過​客​制​的​天文​年曆​與​星曆​表​檔案,​您​就​能​建立​模擬​特定​日期​與​時間​的 GPS 訊號,​即使​要​回溯​至​數​年前​也沒有​問題。 選擇​這些​檔案​時,​請​務必​選擇​對應​到​同一​天​的​檔案。​一般​來說,​天文​年曆​與​星曆​表​資訊​會​每日​更新,​因此​當​您​選擇​特定​的​時間​與​日期​時,​也​應該​選擇​同一​天​的​檔案。 下載​的​星曆​表​檔案​通常​是​經過​壓縮​的 *.Z 格式;​在​搭配 GPS 模擬​工具​組​使用​前,​請先​將​檔案​解​壓縮。

GPS 模擬​工具​組​的​「自動​模式」​可​透過​程式​計算​都卜勒​與​虛擬​距離​資訊,​輕鬆​涵​蓋​大多數​的 GPS 模組​案例;​不過​您​也可以​透過​工具​組​的​手動​模式,​個別​指定​每​組​衛星​的​資訊。 表 2 顯示​兩種​作業​模式​提供​的​輸入​參數。

1LLA (經度、​緯度、​高度)

表 2. GPS 模擬​工具​組​自動​與​手動​模式​的​預設值

請​注意,​GPS 模擬​工具​組​會​依據​星曆​表​檔案​指定​的​可能​數值​範圍,​自動​強制​設定 GPS 的​星期​時間。 因此,​如果​選擇​的​值​超出​指定​星曆​表​檔案​的​範圍,​GPS 模擬​工具​組​會​自動​選擇​最​接近​的​數值,​並​向​使用者​發出​警訊。 您​可以​用​「niGPS Write Waveform To File」​範例​程式​建立 GPS 基​頻​波形 (自動​模式)。​圖 4 顯示​了​系統的​人​機​介面。

圖 4. 您​可以​用​簡單​的​範例​程式​建立 GPS 測試​波形。

您​所​建立​的 GPS 測試​檔案​類型,​需​視​所​選擇​的​量​測​而定。 舉例來說,​當​您​準備​量​測​接收​器​的​敏感度​時,​就應該​模擬​單一​衛星​的​情況。 另一方面​來說,​若想​進行​需要​定位​的​量​測 (例如 TTFF 與​位置​準確度),​使用​的 GPS 訊號​就​必須​模擬​多​組​衛星。 有鑑於此,​GPS 模擬​工具​組​所​含​的​範例​程式​將可​同時​因應​單一​衛星​與​多​組​衛星​的​模擬​需求。

記錄​空中​的 GPS 無線​訊號

若想​建立 GPS 波形,​記錄​空中​的​無線​訊號​是​日益​普遍​的​做法。 在此​情況​下,​我們​會​用​向量​訊號​分析​器 (例如 NI PXI-5661) 來​記錄​訊號,​再​透過​向量​訊號​產生器 (例如 NI PXIe-5672) 產生​所​記錄​的​資料。 因為​記錄 GPS 訊號​時​也能​一併​擷取​實際​的​訊號​減損,​因此​您​可以​透過​播放​訊號​來​觀察​接收​器​在​佈署​環境​中的​作業​狀況。

只要​透過​相當​直接​的​方式,​就​能​記錄​空中​的 GPS 無線​訊號。​在 RF 記錄​系統​中,​我們​使用​合適​的​天線​與​放大器​搭配 PXI 向量​訊號​分析​器​和​硬碟,​擷取​長達​數​個​小時​的​連續​資料。​例如,​一組 2 TB 的 RAID 磁碟​陣列,​就​可以​記錄​長達 25 小時​的 GPS 波形。 您​可以​透過​下列​幾節,​探索​如何​為 RF 記錄​與​播放​系統​設定​合適​的 RF 前端。

不同​類型​的​無線​通訊​訊號,​對於​頻寬、​中央​頻率​與​增益​有​不同​的​需求。 就 GPS 訊號​而言,​基本​的​需求​是以 1.57542 GHz 的​中央​頻率,​記錄 2.046 MHz 的 RF 頻寬。​依​此​頻寬​需求​來說,​取樣​率​至少​必須​達到 2.5 MS/​s (1.25 x 2 MHz)。 請​注意,​此處​所​乘​的 1.25 倍數,​是​根據 PXI-5661 數位​降​轉換器 (DDC) 於​降​頻​階段​的​濾波器​下降​率​所得​出。

在​下方​描述​的​測試​中,​我們​使用 5 MS/​s (20 MB/​s) 的​取樣​率​以​確保​能​擷取​完整​的​頻寬。 因為​使用​標準 PXI 控制器​硬碟​就​可以​達成 20 MB/​s 或​更高​的​資料​傳輸​率,​即使​不用​外接 RAID 磁碟​區,​也能​將 GPS 訊號​串​流​至​磁碟。 不過​基於​以下​兩個​原因,​NI 仍​建議​您​使用​外接​硬碟: 第一,​您​可以​提高​整體​的​資料​儲存​量,​並​記錄​多​組​波形。 其次,​使用​外接​硬碟​不會​對 PXI 控制器​的​硬碟​造成​額外​負擔。​在​下方​描述​的​測試​中,​我們​使用​一組 USB 2.0 外接​硬碟。 這​款 320 GB 硬碟​的​廠牌​為 Western Digital Passport,​擁有 5400 RPM 的​硬碟​轉速。​在​本次​測試​中,​一般​的​讀寫​速度​約為 25 到 28 MB/​s。​因此​本​硬碟​可​同時​用於 GPS 波形​資料​串​流​的​模擬 (6 MB/​s) 與​記錄 (20 MB/​s) 作業。

記錄 GPS 訊號​時,​最​棘手​的​部分​就是​選擇​與​設定​合適​的​天線​與​低​雜訊​放大器 (LNA)。 使用​典型​被動式​平面​天線 (passive patch antenna) 時,​L1 GPS 頻帶​中的​典型​峰值​功率​通常​介於 -120 到 -110 dBm (測試​顯示​的​功率​為 -116 dBm)。 由於 GPS 訊號​的​功率​位​準​極小,​因此​必須​加以​放大,​才能​確保​向量​訊號​分析​器​可​擷取​衛星​訊號​的​完整​動態​範圍。 為​訊號​套用​合適​增益​強度​的​方法​很多,​不過​使用​主動​式 GPS 天線​搭配 NI PXI-5690 前​置​放大器​就​可以​取得​最佳​效果。​若是​串聯​兩​組​可​提供 30 dB 增益​的 LNA,​總​增益​就​可以​達到 60 dB (30 + 30)。 如此一來,​向量​訊號​分析​器​測​得​的​峰值​功率​就​可以​由 -116 dBm 提升​至 -56 dBm。​圖 5 就是​使用​此​組​態​的​範例​系統。

圖 5. 使用​串聯 LNA 的 GPS 接收​器。

請​注意,​主動​式 GPS 天線​是​記錄​系統的​必要​設備​之一。​主動​式 GPS 天線​是​內含​平面​天線​與 LNA 的​單​一套​件, 通常​需要 2.5 到 5 V 的 DC 偏壓,​約 20 美元​就​可以​買到​現成​的​產品。 為了​簡單​起​見,​我們​使用​一組​天線​搭配​一組 SMA 接頭。​下​一節​將​說明 RF 前端​第一​組 LNA 雜訊​係數​的​重要性 – 透過​此​係數,​我們​能​確實​將​記錄​儀​控​設備​對​無線​訊號 (off-​the-​air signal) 造成​的​雜訊​保持​在​最低限​度。 同時​也​請​留意,​圖 5 所​示​的​向量​訊號​分析​器​為​簡化​的​示意圖。 實際​的 PXI-5661 為三​階段​超外差​向量​訊號​分析​器,​比​圖 5 所​示​略為​複雜。

當​您​將 60 dB 套用​至​無線​訊號​時,​就​能​在 L1 中​得到 -60 到 -50 dBm 的​峰值​功率。​若是​以​掃​頻​模式 (swept spectrum mode) 設定​向量​訊號​分析​器​並​分析​整體​頻譜,​L1 頻帶 (FM 與​行動​電話) 以外​之​頻帶​的​功率​將會​上揚,​功率​位​準​實際​將會​高於 GPS 訊號。 然而,​頻​外​訊號​的​峰值​功率​一般​不會​超過 -20 dBm,​而且​會​被​向量​訊號​分析​器​的​任​一組​帶​通​濾波器​所​過濾。​若想​確認​記錄​裝置​的 RF 前端​是否​足以​勝任,​最​簡單​的​方法​之一,​就是​開啟 RFSA 示範​面板​範例​程式。 透過​此​程式,​您​就​能​在 L1 GPS 頻帶​中​呈現 RF 頻譜。​圖 6 顯示​了​頻譜​的​典型​檢視​模式。​請​注意,​此​頻譜​截​圖​是​根據 GPS 中心​頻率​於​戶外​所​攝​得; 並​使用​主動​式 GPS 天線​與 PXI-5690 前​置​放大器,​套用 60 dB 的​總​增益。

中心​頻率:​1.57542 GHz

頻​展:​4 MHz

RBW:​10 Hz

平均:​RMS、​20 回​的​平均

圖 6. GPS 僅​會​顯示​於​使用​窄 RBW 的​頻譜​中。

此處​使用​前文​提及​的 RF 記錄​與​播放 NI LabVIEW 範例​程式,​將​參考​準​位​設​為 -50 dBm、​中心​頻率​設​為 1.57542 GHz,​並​使用 5 MS/​s 的 I/​Q 取樣​率。​圖 7 顯示​設定​範例​的​人​機​介面。

圖 7. RF 記錄​與​播放​範例​的​人​機​介面

GPS 訊號​的​最長​記錄​時間,​將​根據​取樣​率​與​最大​儲存​容量​而定。 若​使用 2 TB 的 RAID 磁碟​區 (Windows XP 可​定址​的​最大​磁碟​容量),​就​能​用 5 MS/​s 的​取樣​率​記錄​長達 25 小時​的​訊號。

設定 RF 前端

由於​串聯​的 LNA 可​提供 60 dB 的​增益,​您​可以​大幅​提高​向量​訊號​分析​器​前端​的​功率。 在 GPS 測試​作業​中,​60 dB 的​增益​就​足以​把​峰值​功率​從 -116 dBm 提升​至 -56 dBm。 請​注意,​使用 60 dB 的​增益 (與 1.5 dB 的​雜訊​係數) 時,​訊號​的​雜訊​功率​會是 –​112 dBm/​Hz (-174 + 增益 + F); 而​所能​獲得​的​訊號​訊​噪​比 (SNR) 最高​可達 56.5 dB (-56 dBm +112.5 dBm),​也​低於​儀器​的​動態​範圍。​因此​您​可以​確定​在 80 dB 的​動態​範圍​時,​向量​訊號​分析​器​將能​記錄​可能​產生​之​最大​的 SNR,​而不​會對​無線​訊號​造成​雜訊。

如​要​記錄​任何​空中​的​無線​訊號,​不妨​將​參考​位​準​設​高​一些 (比​典型​峰值​功率​至少​高 5 dB),​以​因應​任何​訊號​強度​的​異常​現象。 雖然​這種​做法​有時會​降低​向量​訊號​分析​器​的​有效​動態​範圍,​不過 GPS 訊號​並不會​受到​影響。 由於 GPS 訊號​於​天線​輸入​的​最大 SNR 理想​值​為 58 dB (-116 + 174),​使用​向量​訊號​分析​器​記錄​超過 58 dB 的​動態​範圍​並不會​帶來​任何​好處。 因此,​即使​您​「放棄」​10 dB 以上​的​儀器​動態​範圍,​也不會​影響​所​記錄​訊號​的​品質 (在此​頻寬​中,​PXI-5661 可​提供​優於 75 dB 的​動態​範圍)。

設定​合適​的​參考​位​準​後,​就​必須​正確​設定​記錄​裝置​的 RF 前端。 如​前​所述,​若想​取得​最​理想​的 RF 記錄​結果,​建議​您​使用​主動​式 GPS 天線。​此外,​雖然​主動​式​天線​使用​內建 LNA 以​低​雜訊​係數​提供​最高 30 dB 的​增益,​您​仍然​需要​為​其​提供 DC 偏壓。 以下​將​就​幾種​偏壓​方法​提供​說明。

 

方法 1:​由 GPS 接收​器​供電​的​主動​式​天線

第​一個​方法,​是用 DC「T」​型​偏壓​器 (bias T) 為​主動​式​天線​供電。​使用​這種​元件​時,​DC 訊號 (此處​為 3.3 V) 會​施加​至 T 型​偏壓​器​的 DC 埠,​而 T 型​偏壓​器​則​將​合適​的 DC 偏移​施加​到​主動​式​天​線上。 請​注意,​您​所​施用​的​精確 DC 電壓,​必須​取決於​主動​式​天線​的 DC 功率​需求。 圖 8 將​說明​連結​的​方式。

圖 8. 使用 DC「T」​型​偏壓​器​為​主動​式 GPS 天線​供電。

如圖 8 所​示,​您​可以​用 NI PXI-4110 可​程式​化 DC 電源​供應​器​來​供應 DC 偏壓​訊號。 雖然​多​款​現成​的​電源​供應​器 (包括​不少​價位​較低​的​選項) 皆​適合​此​應用​的​需求,​我們​還是​使用 PXI-4110 以​方便​作業。 您​也能​使用​市​售​可​進行​最高 1.58 GHz 作業​的​一般 T 型​偏壓​器。​此處​所用​的​設備​購​自​於 www.minicircuits.com

 

方法 2:​透過​接收​器​為​主動​式 GPS 天線​供電

為​主動​式 GPS 天線​供電​的​第二​種​方法,​就是​透過​接收​器​本身​來​供電。​大多數​現成​的 GPS 接收​器​都​使用​單一​連接​埠​為​主動​式 GPS 天線​供電,​而​此​連接​埠​已​透過​合適​的 DC 訊號​獲得​偏壓。 若能​將​主動​式 GPS 接收​器、​分離​器 (splitter) 與 DC 阻絕​器​加以​整合,​就​能為​主動​式 LNA 供電,​只要​記錄 GPS 接收​器​所​獲得​的​訊號​就​可以。 圖 9 就是​正確​的​連結​方式。

圖 9. 使用 DC 阻絕​器​記錄​並​分析 GPS 訊號。

 

如圖 9 所​示,​您​可以​使用 GPS 接收​器​的 DC 偏壓​為 LNA 供電。 方法 2 特別​適合​驅動​測試​使用,​因為​在​記錄​時,​您​就​能​一併​觀察​接收​器​的​相關​特性,​如​速度​與​精確度​衰減 (dilution of precision) 等等。

串聯​雜訊​係數​計算

如​要​計算​記錄​的 GPS 訊號​增加​的​總​雜訊​量,​只要​判定​整體 RF 前端​的​雜訊​係數​就​可以。 一般​而言,​系統​第一​組​放大器​會對​整​組​系統的​雜訊​係數​帶來​決定​性的​影響。​您​可以​把​雜訊​係數​視為​通過​任何 RF 元件​或​系統​之 SNRin 與 SNRout 的​比值 (參閱​量​測​技術​的​雜訊​係數)。​記錄 GPS 訊號​時,​您​必須​判定​整體 RF 前端​的​雜訊​係數。

執行​串聯​雜訊​係數​計算​時,​您​必須​先將​每一​筆​雜訊​係數​與​增益​轉換​為​線​性​等​式,​就是​所謂​的​「雜訊​因數」​(Noise Factor)。 系統​若​具備​串聯​的 RF 元件,​計算​雜訊​係數​時,​您​可以​先​判定​系統的​雜訊​因數​再​將​其​轉換​為​雜訊​係數。​因此​您​必須​用​以下​等​式​來​計算​系統的​雜訊​係數:

等​式 2. 串聯​式 RF 放大器​的​雜訊​係數​計算 [3]

請​注意,​由於​雜訊​因數 (nf) 與​增益 (g) 是​屬於​線​性​關係​而​非​對數​關係,​因此​會​用​小​寫來​表示。 以下​就是​增益​與​雜訊​係數​從​線​性​轉換​為​對數 (反之亦然) 的​等​式:

等​式 3 到​等​式 6. 增益​與​雜訊​係數​的​線​性​與​對數​轉換 [3]

使用​內建 LNA 的​主動​式 GPS 天線​一般​可​提供 30 dB 的​增益,​而​雜訊​係數​通常​約為 1.5 dB。 在​記錄​儀​控​作業​的​第二​階段,​PXI-5690 也會​提供 30 dB 的​額外​增益。 雖然​第二​組​放大器​的​雜訊​係數​較高 (5 dB),​但​僅​會為​系統​帶來​極小​的​雜訊。​若是​在​教學​練習​中,​您​可以​針對​記錄​儀​控​設備​的​完整 RF 前端,​使用​等​式 2 來​計算​雜訊​因數。 表 3 列出​增益​與​雜訊​係數​的​值。

表 3. RF 前端​前​兩​組​元件​的​雜訊​係數​與​因數

根據​以上​的​計算,​您​就​能​判定​接收​器​的​整體​雜訊​因數:

等​式 7. RF 記錄​系統的​串聯​雜訊​係數

若​想把​雜訊​因數​轉換​為​雜訊​係數 (單位​為 dB),​套用​等​式 3 就​可以​產生​下列​結果:

等​式 8. 第一​組 LNA 的​雜訊​係數​對於​接收​器​的​雜訊​係數​有​決定​性的​影響。

如​等​式 8 所​示,​第一​組 LNA 的​雜訊​係數 (1.5 dB) 將​大幅​影響​整​組​量​測​系統的​雜訊​係數。 因此,​只要​設定​向量​訊號​分析​器​並​讓​儀器​的​雜訊​水平​低於​輸入​激​源​的​雜訊​水平,​您​的​記錄​作業​將​只會​對​無線​訊號​造成 1.507 dB 的​雜訊。

對 GPS 接收​器​發出​訊號

儘管​多​款​接收​器​都能​透過​專屬​軟體​為​使用者​呈現​經度​與​緯度​之類​的​資訊,​我們​仍​需要​更​標準化​的​方式​來​進行​自動​量​測。 幸運​的是,​您​可以​透過 NMEA-183 協定​來​設定​多​款​接收​器,​以便​向 PXI 控制器​發出​訊號。​如此一來,​接收​器​將可​透過​序列​或 USB 接線,​連續​傳送​相關​指令。​在 LabVIEW 軟體​中,​您​可以​剖析​所有​指令​以​回​傳​衛星​與​定位​資訊。​NMEA-183 協定​可​支援 6 種​基本​指令,​並能​分別​提供​專屬​的​資訊。​指令​的​說明​如​表 4 所​示。

表 4. 基本 NMEA-183 指令​概述

就​實際​測試​的​用途​來說,​GGA、​GSA 與 GSV 指令​最為​實用。 進一步​來說,​您​可以​透過 GSA 指令​的​資訊​了解​接收​器​是否​已​取得​定位​資訊,​以及​是否​用於 TTFF 量​測​作業。 執行​敏感度​量​測​時,​可以​針對​所​追蹤​的​衛星​使用 GSV 指令​回​傳 C/​N (載​波​雜訊​比) 的​比值。

雖然​我們​無法​在此​詳細​介紹 NMEA-183 協定,​不過​您​可以​造訪​其他​網站​尋找​所有​指令​的​相關​資訊,​例如 www.gpsinformation.org/​dale/​nmea.htm#RMC。 在 LabVIEW 中,​您​可以​用 NI-​VISA 驅動​程式​來​剖析​這些​指令。

 

圖 10. 使用 NMEA-183 協定​的 LabVIEW 範例

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GPS 導航​系統​測試​技術

目前​能​用於 GPS 接收​器​效能​特性​描述​的​測試​類型​相當​多,​其中​有​幾種​常見​量​測​可​適用於​所有​的 GPS 接收​器。 我們​將在​這一​節​深入探討​執行​量​測​的​理論​與​實作​方式,​例如​敏感度、​TTFF、​定位​準確度/​重複​性​與​定位​追蹤​的​不​確定​性 (uncertainty) 等。 請​注意,​您​也能​用​許多​不同​的​方法​來​檢驗​定位​準確度,​並​執行​接收​器​追蹤​能力​的​功能​測試。 雖然​本節​將​說明​多種​基本​的​方法,​但​無法​涵​括​所有​的​量​測​方式。

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敏感度​量​測​簡介

說到 GPS 接收​器​的​功能,​敏感度​是​最​重要​的​測試​作業​之一。​事實上,​對​許多​市​售 GPS 接收​器​而言,​敏感度​通常​是​最終​產品​生產​測試​階段​內​唯一​執行​的 RF 量​測。​概括​來說,​敏感度​量​測​會​定義​「接收​器​能​追蹤​並​接收​上方​衛星​定位​資訊​的​最低​衛星​功率​位​準」。​在​一般人​的​想法​中,​GPS 接收​器​必須​串聯​多​組 LNA 以​套用​極高​的​增益,​才能​將​訊號​放大​為​合適​的​功率​位​準。 可惜的是,​雖然 LNA 能​提升​訊號​功率,​也​會對 SNR 造成​減損。​因此​當 GPS 訊號​的 RF 功率​位​準​上升​時,​SNR 也會​隨​之​下降,​最終​導致​接收​器​無法​追蹤​衛星。

許多 GPS 接收​器​實際上​會​指定​兩​組​敏感度​數值:擷取​敏感度訊號​追蹤​敏感度[9]。​正如​字面​意義​所​示,​擷取​敏感度​代表​「接收​器​可​進行​定位​的​最低​功率​位​準」;​而​訊號​追蹤​敏感度​則​代表​「接收​器​可​追蹤​個別​衛星​的​最低​功率​位​準」。

基本上,​您​可以​將​敏感度​定義​為​「任何​無線​接收​器​產生​所需​最低​位元​錯誤​率​的​最低​功率​位​準」。 由於​位元​錯誤​率​與 C/​N 比值​密切​相關,​一般​量​測​敏感度​的​做法,​是​測試 GPS 接收​器​針對​已知​輸入​功率​位​準​而​回報​的 C/​N 比值。

請​注意,​GPS 接收​器​的​晶片​組​會​直接​回報​各組​衛星​的 C/​N 比值。 您​可以​用​不同​的​方式​來​計算​此​數值 – 某些​接收​器​會​計算​發​訊​日期​的​位元​錯誤​率​而​得出​約​略​值。 透過​高​功率​測試​激​源​給予​刺激​時,​新​款 GPS 接收​器​通常​會​回報​介於 54 到 56 dB-​Hz 的 C/​N 峰值。​即便​是​萬里無雲​的​晴空,​GPS 接收​器​也​可能​回報 30 到 50 dB-​Hz 的 C/​N 值,​因此​該 C/​N 限​值​仍​可​適用。 對​典型​的 GPS 接收​器​來說,​進行​定位​作業 (擷取​敏感度) 所需​的​最小 C/​N 比值​介於 28 到 32 dB-​Hz 之間。 因此,​對​特定​接收​器​而言,​您​可以​把​敏感度​定義​為​「接收​器​產生​最低​定位 C/​N 比值​所需​的​最低​功率​位​準」。

理論​上,​無論​是用​單一​衛星​或​多​組​衛星​測試​激​源​都可以​量​測​敏感度; 實務​上​往往會​以​單一​衛星​測試​進行​量​測,​因為​判定 RF 功率​的​過程​會​更​簡便​而​可靠。 根據​定義,​敏感度​是​接收​器​回​傳​所需​之​最小 C/​N 比值​的​最低​功率​位​準。​在​下​一節​中,​我們​會​了解​接收​器​敏感度​與 RF 前端​雜訊​係數​的​密切​關聯。 就​數學​的​角度​來看,​您​可以​透過​下列​等​式​發現​敏感度​與​接收​器​雜訊​係數​之間​的​關聯:

等​式 9. 敏感度​與 C/​N 和​雜訊​係數​的​函式​關係

透過​等​式 9,​您​就會​了解​敏感度​是 C/​N 比值​與​雜訊​係數​所​構成​的​函式。 例如,​如果​定位​追蹤​所需​的​最低 C/​N 為 32 dB-​Hz,​則​雜訊​係數​為 2 dB 的​接收​器​將會​有 -140 dBm (-174 + 32 + 2) 的​敏感度。​不過​在​單獨​測試​基​頻​收發​器​時,​通常​會​略過​第一​組 LNA。 典型​的​接收​器​如圖 11 所​示。

圖 11. GPS 接收​器​往往會​串聯​多​組 LNA。 [6]

如圖所示,​典型​的 GPS 接收​器​實際上​會​串聯​多​組 LNA,​以便​為 GPS 訊號​提供​足夠​的​增益。 而​第一​組 LNA 將會​大幅​影響​整​組​系統的​雜訊​係數。 在​表 5 中,​我們​假設 LNA1 具有 30 dB 的​增益​和 1.5 dB 的 NF, 而​整個 RF 前端​具有 40 dB 的​增益​與 5 dB 的 NF。 請​注意,​由於 LNA2 之後​的​雜訊​功率​超過 -174 dBm/​Hz 的​熱​雜訊,​因此​帶​通​濾波器​將會​同時​衰減​訊號​與​雜訊。 如此​幾乎​不會​對 SNR 造成​任何​影響。​最後,​我們​假設 GPS 晶片​組​可​產生 40 dB 的​增益​與 5 dB 的​雜訊​係數。 您​可以​算出​整​組​系統的​雜訊​係數。

表 5. 線​性​與​對數​模式​的​增益​與 NF

根據​以上​的​計算,​您​就​能​判定​接收​器​的​整體​雜訊​因數:

等​式 10 與 11. 第一​組 LNA 的​雜訊​係數​會對​接收​器​的​雜訊​係數​帶來​決定​性的​影響。

透過​等​式 10 與 11,​您​就​能​判定 GPS 接收​器​在​連接​主動​式​天線​時​雜訊​係數​約為 1.5 dB。 請​注意,​您​已​略過​串聯​雜訊​係數​等​式​中的​第三​項​條件。 由於​此​數值​極小,​基本上​可以​將​其​忽略。

在​某些​案例​中,​GPS 接收​器​會​使用​帶有​內建 LNA 的​主動​式​天線, 因此​測試​點​將會​忽略​接收​器​的​第一​組 LNA。​此時​第二​組 LNA 會對​雜訊​係數​帶來​決定​性的​影響,​而​其​雜訊​係數​往往會​大於​第一​組 LNA 的​雜訊​係數。 若​將 LNA1 移除,​則​能​透過​下列​等​式​得出 LNA2 對​接收​器​造成​的​雜訊​係數。

等​式 12 與 13. 移除​第一​組 LNA 後​得到​的​接收​器​雜訊​係數

如​等​式 12 與 13 所​示,​若是​移除​擁有​最佳​雜訊​係數​的 LNA,​將會​大幅​影響​整​組​接收​器​的​雜訊​係數。 請​注意,​雖然​這個​「典型」​GPS 接收​器​雜訊​係數​的​計算​範例​純屬​理論,​但​仍然​相當​重要。 因為​接收​器​所​回報​的 C/​N 比值​與​系統的​雜訊​係數​息息相關,​了解​系統的​雜訊​係數​將能​協助​您​設定​合適​的 C/​N 測試​限制。

單一​衛星​敏感度​量測

了解​敏感度​量​測​的​基本​理論​後,​我們​將在​這一​節​引導​您​探索​實際​量​測​的​相關​流程。​一般​的​測試​系統​會​透過​直接​連線,​將​模擬​的 L1 單一​衛星​載​波​送​入 DUT 的 RF 通訊​埠​中。 為了​回報 C/​N 比值,​我們​將​接收​器​設定​為​透過 NMEA-183 協定​進行​通訊。 在 LabVIEW 中,​您​只要​剖析​三個 GSV 指令,​就​能​讀取​大量​回報​的​衛星 C/​N 值。

根據 GPS 規格​文件​的​說明,​單一 L1 衛星​的​功率​在​地球​表面​不應​低於 -130 dBm [7]。​然而,​由於​消費者​對​室內​與​戶外​的 GPS 接收​器​使用​需求,​已​進一步​壓低​了​一般​的 GPS 測試​限制。​事實上,​許多 GPS 接收​器​的​定位​追蹤​敏感度​最低​可達 -142 dBm,​而​訊號​追蹤​敏感度​則​可​達到 -160 dBm。 大多數 GPS 接收​器​都能​迅速​持續​鎖定​比​典型​作業點低 6 dB 的​訊號,​因此​在​這個​範例​中,​我們​的​測試​激​源​使用 -136 dBm 的​平均 RF 功率​位​準。

若想​達到​最佳​的​功率​準確度​與​雜訊​水平​效能,​NI 建議​您​針對 RF 向量​訊號​產生器​的​輸出​使用​外接​衰減。 在​大多數​案例​中,​40 到 60 dB 的​外接​衰減​就​足以​在​更​接近​線​性​範圍 (功率 ≥ -80 dBm) 的​情況​下​操作​產生器。 由於​各組​增​耗​墊​的​定位​衰減 (fix attenuation) 有其​不​確定​性,​您​必須​先​校準​系統​以​判定​測試​激​源​的​確切​功率。

在校​準​階段​中,​可以​考量​的​因素​包括:​訊號​的​峰值​與​平均值​之​比、​衰減​器​各​部分​的​變量,​以及​所用​接線​的​插入​損耗​等。 如​要​校準​系統,​請先​拔掉 DUT 上​的​接線,​再​將​同​一條​接線​重新​連接​至 RF 向量​訊號​分析​器​上 (例如 PXI-5661)。

單元 A:​單一​衛星​校準

執行​敏感度​量​測​時,​RF 功率​位​準​的​準確度​是​訊號​產生器​最​重要​的​特性​之一。 由於​接收​器​回報​的 C/​N 值​精確度​為 0 位 (也就是 34 dB-​Hz),​生產​測試​的​敏感度​量​測​會​以 ±0.5 dB 以內​的​功率​準確度​進行。 因此,​您​必須​確保​儀​控​設備​至少​能​擁有​相同​或​更​理想​的​效能。 由於​一般 RF 儀​控​設備​是​專為​大​範圍​功率​位​準、​頻率​範圍​與​溫度​條件​的​操作​所​設計,​因此​在​執行​基本​系統​校​準時,​量​測​的​重複​性​表現​通常​會​遠​優於​規格​書​所載​的​儀器​效能。​下​一節​將​進一步​說明​可​保障​最佳 RF 功率​準確度​的​兩種​方法。

方法 1:​單一​被動式 RF 衰減器

雖然​使用​外接​衰減​的​目的,​是​要​確保 GPS 訊號​產生​作業​可​達到​最​理想​的​雜訊​密度,​其實​只要 20 dB 的​衰減​就​可以​確保​雜訊​密度​低於 -174 dBm/​Hz。 使用 20 dB 的​固定​增​耗​墊​時,​只要​用​程式​將​儀器​設​為​超過​所需​位​準 20 dB 的 RF 功率​位​準​就​可以。​為​達到 -136 dBm 的​目標,​請用​程式​將​儀器​設​為 -115 dBm (假設​有 1 dB 的​接線​插入​損耗),​再​將 20 dB 衰減​器​直接​連​至​產生器​的​輸出​端。 所​產生​的 RF 功率​將為 -136 dBm,​但​仍有​額外​的​不​確定​性。 假設 20 dB 的​固定​增​耗​墊​有 ±0.25 dB 的​不​確定​性,​而 RF 產生器​在 -116 dBm 時​有 ±1.0 dB 的​不​確定​性,​則​整體​的​不​確定​性​將為 ±1.25 dB。 因此,​雖然​方法 1 最為​簡便​且​不需要​校準,​但​由於​系統​所用​的​多種​元件​都​未​經過​校準,​因此​會​產生​相當​大​的​不​確定​性。 而​造成​儀器​不​確定​性​最主要​的​因素​之一,​就是​電壓​駐​波​比 (VSWR)。 因為​被動式​衰減​器​是​直接​連​至​儀器​的​輸出​端,​反射​回​儀器​的​駐​波​也會​一併​衰減。 若能​降低​功率​不​確定​性的​任​一項​主要​因素,​就​能​改善​提升​整體​功率​的​準確度。

您​也可以​用​高效能​向量​網路​分析​器 (VNA) 來​量​測​確切​的​被動​衰減​值。 使用​這種​量​測​裝置,​就​可以​判定​增​耗​墊​要​套用​的​確切​衰減​值,​不​確定​性​可​降至 ±0.1 dB 以內。

方法 2:​經過​校準​的​多​組​被動式​衰減器

校準 RF 功率​的​第二​種​方法,​就是​用​高​精確度​的 RF 功率​計 (量​測​準確度​高於 ±0.2 dB,​最低​可達 -70 dBm) 並​搭配​一系列​的​固定​式​衰減​器。 因為​您​會​以​固定​頻率​和​較小​的​功率​範圍​操作 RF 產生器,​因此​可以​有效​校準​產生器​所​造成​的​任何​錯誤。 此外,​由於​被動式​衰減​器​會​以​固定​頻率​進行​線​性​動作,​您​也可以​對​其​不​確定​性​進行​校準。​方法 2 確保​最佳​效能​的​關鍵,​就是​在​設定​產生​系統​時​一併​將​不​確定​性​降至​最低。 使用​動態​範圍​優於 80 dB 的​高​精確度​功率​計 (通常​是​雙​頭​式​儀器),​就​能​讓​量​測​的​不​確定​性​降至​最低。

高​精確度​功率​計​可​讓​您​透過​三種​量​測​進行​系統​校準:​一種​用於​向量​訊號​產生器​的 RF 功率,​另外​兩種​則​可​用來​校準​衰減​器。 若想​將​不​確定​性​降至​最低,​設定​系統​時​就應該​盡量​壓低​所需​的​量​測​次數。​若想​達成 -136 dBm 的 RF 功率​位​準,​可以​用​程式​將 RF 儀器​設​為 -65 dBm 的​功率​位​準,​並​使用 70 dB 的​固定​衰減 (假設​有 1 dB 的​插入​損耗)。 如需​判定​要用​程式​設定​的​確切 RF 功率​位​準,​可以​透過​使用​固定​增​耗​墊​的​方式​校準​所得​的​衰減​結果。 校準​程序​如下:

1)     用​程式​將​向量​訊號​產生器​設​為 +15 dBm 的​功率​位準

開啟 NI Measurement & Automation Explorer 組​態​公用​程式​並​使用​測試​面板。​透過​測試​面板,​以 +15 dBm 產生 1.58 GHz 的​連續​波 (CW) 訊號。

2)     用​精確度​功率​計量​測 RF 功率

使用​精確度 RF 功率​計​觀察​功率​表現,​確認​其​達到 +14.78 dBm 或​近似值 (此​值​落於​儀器​功率​準確度​規格​之內)。

3)     連接 70 dB 的​固定​式​衰減​器 (30 dB + 20 dB + 20 dB) 與​任何​必要​的​接線

4)     使用​精確度​功率​計量​測 RF 功率

將​功率​計​設定​為​最大​平均值 (512),​量​測 RF 功率​位​準。 您​的​讀數​為 -56.63 dBm。

5)     計算 RF 總​損耗

由 +14.78 dBm 減去 -56.63 dBm,​就會​得知​加入​衰減​器​與​接線​之後​產生 71.41 dB 的​功率​損耗。​請​注意,​許多​衰減​器​的​規格​往往​註明​其​具備​最高 ±1.0 dB 的​不​確定​性。​因此,​量​測​所得​的​衰減​最多​可能​有 ±3.0 dB 的​差異。 請​務必​校準​衰減​器​系列,​以​確認​確切​的​衰​減量​並​降低​不​確定​性。

根據​衰減​器​與​接線​的​校準​常規,​接下來​就​可以​判定​達到 -136 dBm 所需​的 RF 功率​位​準。 由於​前述​產生​的 71.41 dB 衰減,​您​必須​用​程式​將 RF 向量​訊號​產生器​設​為 -58.59 dBm 的​功率​位​準。 若要​確認​設定​的​功率​是否​無誤,​可​依​下列​步驟​進行。

 6)     直接​將​精確度​功率​計​接​上 RF 向量​訊號​產生器

在此​步驟​中,​移除​所有​的​衰減​器​與​接線。

 7)     用​程式​為 RF 產生器​設定​必要​的​值,​讓​最終​功率​達到 -136 dBm

設定​的​值​應​為 -58.59 dBm,​由 -136 dBm + 71.41 dB 而​得。

8)     使用​功率​計量​測​所​產生​的​功率

所​測​得​的 RF 功率,​可能會​因為​儀器​的​功率​準確度​而有​不同。 即使​測​得 -58.59,​實際​結果​也​可能會​因為​儀器​的​不​確定​性​而有​些許​差異。

9)     調整​產生器​的​功率,​直到​功率​計​讀出 -58.59 dBm 為止

雖然 RF 產生器​可於​規格​所定​的​容​錯​範圍​內​進行​作業,​但​此​數值​不僅​具有​重複​性,​也能​調整 RF 功率​以​進行​校準,​直到​測​得​合適​的​值​為止。

透過​上述​的​方法,​您​只需要​三項 RF 功率​量​測​作業​就​可以​判定​所需​的 RF 功率。 因此,​假設​您​的​量​測​裝置​具有 ±0.2 dB 的​不​確定​性,–​136 dBm 的​功率​不​確定​性​將會​是 ±0.6 dBm (3 x 0.2)。

單元 B:​敏感度​量測

既然​您​已經​對 RF 量​測​系統的​功率​完成​校準,​接下來,​只要​透過​程式​將 RF 產生器​的​功率​位​準​設​為​足以​讓​接收​器​回​傳​最小 C/​N 的​值,​就​能​對​敏感度​進行​量​測​了。​雖然​量​測​敏感度​所需​的​確切 RF 功率​會​因為​接收​器​而​有所不同,​但​接收​器 C/​N 與 RF 功率​的​比值​會​呈現​完美​的​線​性​關係。 在​測試​中,​您​可以​假設​定位​作業​所需​的 C/​N 比值​為 28 dB-​Hz。 透過​等​式 12,​就​可以​得出​接收​器 C/​N 比值​與​雜訊​係數​之間​的​關係。

等​式 14. C/​N 與​雜訊​係數​和​衛星​功率​的​函式​關係

假設​衛星​的​功率​穩定,​您​就會​發現​接收​器​所​回報​的 C/​N 比值​其實​就是​接收​器​雜訊​係數​所​構成​的​函式。 表 6 顯示​可得​的​各種 C/​N 比值。

 表 6. C/​N 與​雜訊​係數​的​函式​關係

一般​來說,​接收​器​上​的 GPS 解碼​晶片​組​決定​了​進行​定位​所需​的​最小 C/​N 比值。 然而,​整​組​接收​器​的​雜訊​係數,​才是​決定​特定​功率​位​準​所能​達到​之 C/​N 比值​的​關鍵。 因此​當​您​量​測​敏感度​時,​必須​先​了解​進行​定位​所需​的​最小 C/​N 比值。

量​測​敏感度​的​方法​相當​多, 如​表 6 所​示,​RF 功率​與​敏感度​具有​直接​相關​性。 因此,​您​可以​針對​指定​的​敏感度​功率​位​準​量​測​接收​器​的 C/​N 比值,​或​根據​不同​功率​位​準​的 RF 功率​導出​敏感度​的​值。

為了​說明​這點,​請​考量 RF 訊號​功率​與 GPS 接收​器​的 C/​N 比值​在​不同​功率​位​準​下​的​關係。​請​注意,​表 7 所​示​的​量​測​套用​的​激​源​已​略過​第一​組 LNA,​而​接收​器​的​整體​雜訊​係數​約為 8 dB。

 

表 7. 接收​器 C/​N 與 RF 功率​的​函式​關係

如​表 7 所​示,​這些​量​測​範例​的 RF 功率​與 C/​N 比值​幾乎​呈現​完全​的​線​性​關係。 其中​的​一個​例外,​則是​使用​高​輸入​功率​來​激發 C/​N 比值;​此時​接收​器​回報​了​最大​的 C/​N 值。 不過,​因為​實驗​用​晶片​組​在​任何​條件下​都不會​產生​大於 54 dB-​Hz 的 C/​N 值,​因此​這些​結果​都在​預期​範圍​之中。

根據​表 6 所​呈現​的 RF 功率​與​敏感度​之間​的​線​性​關係,​您​可以​用​不同​的​功率​位​準​刺激​接收​器,​以​進行 GPS 接收​器​的​生產​測試。 如果​接收​器​在 -142 dBm 回報 28 dB-​Hz 的 C/​N 值,​就會​於 -136 dBm 回報 34 dB-​Hz 的 C/​N 值。​如果​量​測​速度​是​您​的​重要​考量,​就​可以​使用​較高​的 C/​N 值,​隨後​再​由​結果​推斷​出​敏感度​資訊。

判定 GPS 接收​器​的​雜訊​係數

如​等​式 13 與 14 所​示,​您​也可以​透過​回報​的 C/​N 比值​判定​接收​器​或​晶片​組​的​雜訊​係數。 等​式 15 就​反映​這個​情況。

等​式 15. 接收​器​雜訊​係數​與​功率​和 C/​N 比值​的​函式​關係

如​表 7 所​示,​接收​器​的​雜訊​係數​與 RF 功率​位​準​和 C/​N 比值​成​正比。​如此一來,​您​只要​找出 RF 功率​位​準​與 C/​N 比值​的​對應​關係,​就​能量​測​晶片​組​的​雜訊​係數。​而​在​這項​量​測​中,​應​以 0.1 dB 為​單位​增加​產生器​的​功率。 由於 NMEA-183 協定​會​以​最​接近​的​十進制​數字​回報​衛星 C/​N 值,​因此​估算​精確度​超過 1 位數​的​雜訊​係數​時,​就​必須​探究​接收​器 C/​N 的​捨​入​值。​範例​結果​如​表 8 所​示。

表 8. DUT 功率​與​接收​器 C/​N 的​相關性

如​表 8 所​示,​當 RF 功率​位​準​介於 -136.6 到 -135.7 dBm 之間​時,​C/​N 比值​將​維持​在 30 dB-​Hz。 若​以​回報 NMEA-183 資料​時​採用​的​捨​入​法​原則​來看,​我們​可以​安全​假設 -136.1 dBm 的​功率​位​準會​產生 30.0 dB-​Hz 的 C/​N 比值。​透過​等​式 14,​晶片​組​的​雜訊​係數​會是 -174.0 dBm + -136.1 dBm + 30.0 dB-​Hz = 7.9 dB。 請​注意,​此​計算​牽涉到 2 組​不​確定​性​因素:​向量​訊號​產生器​的​功率​不​確定​性,​以及​接收​器​所​回報​的 C/​N 不​確定​性。

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多​組​衛星​的 GPS 接收​器​測試

敏感度​量​測​需要​單一​衛星​激​源,​其他​多種​接收​器量​測​則​需要​可​模擬​多​組​衛星​的​測試​激​源。​進一步​來說,​TTFF、​定位​準確度​與​精確度​衰減​之類​的​量​測​作業,​都​需要​接收​器​進行​定位​作業。 因為​接收​器​至少​需要​四​組​衛星​才能​進行 3D 定位,​這些​量​測​所需​的​時間​會比​敏感度​量​測​來得​長。​因此,​許多​定位​量​測​會於​檢驗​與​確認​作業​中​進行,​而不是​在​生產​測試​中​執行。

這一​節​將​檢驗​兩種​可為​接收​器​提供​多​組​衛星​訊號​的​方法。 在​討論 GPS 模擬​作業​時,​您​可以​學習​如何​執行 TTFF 與​定位​準確度​量​測。 討論 RF 記錄​與​播放​時,​我們​會​探討​在​多種​環境​條件下​檢驗​接收​器​效能​所用​的​相關​技術。

量​測​首次​定位​時間 (TTFF) 與​定位​準確度

TTFF 與​定位​準確度​量​測​在 GPS 接收​器​設計​檢驗​階段​中​最為​重要。​在​許多​消費​性 GPS 應用​中,​接收​器​回​傳​其​實際​位置​所需​的​時間,​會​大幅​影響​接收​器​的​可用性。 此外,​接收​器​回報​其​位置​的​準確度​也​十分​重要。

如​想​讓​接收​器​取得​定位​資訊,​就​必須​透過​導航​訊息​從​衛星​下載​天文​年曆​與​星曆​表​資訊。 由於​接收​器​下載​完整 GPS 框架​需要 30 秒​的​時間,​「冷​開機」​(Cold Start) 狀態​的 TTFF 作業​需要 30 到 60 秒​的​時間。​事實上,​許多​接收​器​都可以​指定​好​幾種 TTFF 狀態。 最​常見​的​類型​如下:

冷​開機 (Cold Start):接收​器​必須​下載​天文​年曆​與​星曆​表​資訊,​才能​進行​定位。 因為​至少​必須​從​各組​衛星​下載​一組 GPS 框架,​目前​大部分​接收​器​在​冷​開機​狀態​下​需要 30 到 60 秒​的​時間​才能​進行​定位。

暖​開機 (Warm Start):接收​器​具備​一週​內​部分​的​天文​年曆​資訊,​但​沒有​任何​星曆​表​資訊。​一般​來說,​此​接收​器​可於 20 秒​內​得知​目前​時間,​並可​進行 100 公里​以內​的​定位​作業 [2]。​大多數​處於​暖​開機​狀態​的​新​款 GPS 接收​器​可於 60 秒​內​進行​定位,​有時候​僅​需​更​短​的​時間。

熱​開機 (Hot Start):接收​器​具備​最新​的​天文​年曆​與​星曆​表​資訊​時,​就​處於​熱​開機​狀態。​在此​情況​下,​接收​器​只需要​取得​各組​衛星​的​時序​資訊,​就​可以​回​傳​其​定位​位置。 大多數​新​款 GPS 接收​器​在​處於​熱​開機​狀態​時,​只要 0.5 到 20 秒​就​可以​開始​定位​作業。

在​大多數​情況​下,​TTFF 與​定位​準確度​都會​規定​專屬​的​功率​位​準。​若能​針對​不同​情況​確認​這​兩種​規格​的​準確度,​其實​會​極​有​幫助。​因為 GPS 衛星​每 12 個​小時​就​繞行​地球 1 圈,​所以​一天​內​可用​範圍​內​的​衛星​訊號​隨時​都在​變化,​確保​接收​器​可在​不同​的​狀態​下回​傳​正確​結果。

下​一節​將​說明​如何​運用​兩種​資料​來源​執行 TTFF 與​定位​準確度​的​量​測。​這些​資料​來源​包括:​(1) 即時​的​資料 (接收​器​在​佈署​環境​內​透過​天線​所​取得),​(2) 記錄​的​資料 (使用​記錄​的​空中 RF 無線​訊號​對​接收​器​進行​測試),​以及 (3) 模擬​的​資料 (使用 RF 產生器​模擬​記錄​即時​資料​時​的​確切​星期​時間)。 使用​三種​不同​的​資料​來源​測試​接收​器,​就​能​驗證​各個​來源​的​量​測​作業​是否​具備​重複​性,​同時​是否​與​其他​的​資料​來源​相關。

接收​器​測試​設定

若想​取得​最​理想​的​結果,​請​盡量​選擇​衛星​不會​受到​周遭​建築物​阻礙​的​記錄​位置。 在此​案例​中,​我們​選擇​在​六​層樓​停車場​的​露天​頂樓​進行​測試,​以​盡可能​接觸​最多​組​的​衛星​訊號。 您​可以​用 GPS 晶片​組​的​不同​開機​模式​執行 TTFF 量​測。 例如,​您​可以​用 SIRFstarIII 晶片​組​重設​接收​器​的​出廠、​冷​開機、​暖​開機​或​熱​開機​模式。 以下​量​測​就是​使用​此​接收​器​執行​測試​的​結果。

若想​量​測​水平​定位​準確度,​就​必須​根據​回報​的​緯度​與​經度​座標​來​判定​誤差。 由於​這些​數值​都會​以​「度」​來​表示,​您​可以​透過​以下​公式​將​其​轉換​為​公尺:

 

等​式 16. 計算 GPS 定位​誤差

在​上方​的​等​式​中,​111,325 公尺 (111.325 公里) 相當於​地球​圓周​的 1 度 (總共 360 度)。 這個​數字​是​根據​地球​圓周 = 360 x 111.325 公里 = 40,077 公里​而​得。

無線​測試 GPS 接收器

以​無線​方式​量​測​接收​器​的 TTFF 時,​接收​器​會​直接​連​至​天線,​是​精確度​最低​的​一種​量​測​方法。​不過,​因為​這種​量​測​方式​能​讓​您​校準​以​記錄​與​模擬​的 GPS 訊號​執行​的​自動化​量​測,​因此​也​相當​重要。 您​也可以​用​程式​設定 SIRFstarIII 晶片​組​的​模式,​將​接收​器​定​為​冷​開機​狀態,​並​使用​接收​器​回報​的 TTFF 值​進行​所有​量​測。​在此​情況​下,​GPS 接收​器​的​冷​開機 TTFF 時間​一般​指定​為 32.6 秒。 表 9 顯示​相關​的​結果。

表 9. 無線 GPS 訊號​的 TTFF 與 C/​N 最大值

根據​初始​的​無線​量​測​結果​來看,​您​會​發現 GPS 接收​器​可​達成 33.2 秒​的 TTFF (標準​差 = 3.0 秒)。​這些​量​測​結果​都​落在​晶片​組 TTFF 規格​的​合理​容​錯​範圍​內。 更​重要​的​一點,​就是​您​可以​將​這些​量​測​值​與​模擬​和​記錄​的 GPS 資料​所得​的​結果​進行​比對。

使用​上方​的​線​性​誤差​等​式,​您​就​能​從​平均​位置​計算​各​次​量​測​的​線​性​標準​差。

 

表 10. 由​無線 GPS 訊號​所得​的 LLA

請​注意,​如​要​探討​無線 GPS 訊號​與​模擬​和​播放​的​訊號​之間​的​對應​關係,​就​必須​先​對​無線​訊號​的​功率​進行​相關​分析。 進行 TTFF 與​定位​準確度​量​測​時,​確切​的 RF 功率​位​準​不會​對​結果​產生​實質​影響。 因此,​只要​比對​無線、​模擬​與​記錄​的 GPS 訊號​的 C/​N 比值,​就​足以​進行 RF 功率​的​相關​分析。

記錄​的 GPS 訊號

雖然​您​可以​用​即時​訊號​量​測 TTFF 與​定位​誤差,​但​這些​量​測​作業​往往​無法​重複,​因為​衛星​會​持續​環繞​地球​運行,​並非​固定​不動。​若想​取得​可​重複​的 TTFF 與​定位​準確度​量​測​結果,​方法​之一​就是​使用​記錄​的 GPS 訊號。 本節​將​說明​如何​找出​即時 GPS 訊號​與​記錄​的 GPS 訊號​的​對應​關係。

您​可以​用 RF 向量​訊號​產生器​再次​產生​已​記錄​的 GPS 訊號。 播放​訊號​時,​校準 RF 功率​位​準​最​簡單​的​方法,​就是​比對​即時​與​記錄​的 C/​N 比值。 觀察​無線​訊號​時,​請​留意​所有​即時​訊號​的 C/​N 峰值​都​介於 47 到 49 dB-​Hz 之間。

當​播放​功率​位​準​產生​的 C/​N 比值​與​即時​訊號​相同​時,​您​就​能​確定​所​回報​的 TTFF 與​位置​準確度​會與​即時​訊號​的​結果​密切​相關。​我們​使用​與​即時​無線​訊號​相近​之​星期​時間 (TOW) 值​進行​四次​不同​的​實驗,​表 11 列出​四次​回報​的 TTFF 結果。

表 11. 由​無線 GPS 訊號​所得​的 TTFF

除了​量​測 TTFF 之外,​您​也可以​量​測 GPS 接收​器​所​回報​的​經度、​緯度​與​高度​資訊。 表 12 顯示​相關​的​結果。

表 12. 由​無線 GPS 訊號​所得​的 LLA

從​表 11 與 12 所得​的​結果​來看,​只要​使用​記錄​的 GPS 訊號,​就​能​取得​合理​的​可​重複 TTFF 與 LLA (經度、​緯度​與​高度) 結果。 不過​請​留意,​這些​量​測​作業​所得​的​誤差​與​標準​差​會比​無線​量​測​的​結果​稍微​高​一些。 儘管​絕對​準確度​較高,​在​重複​性​方面​仍會​優於​無線​量​測​作業​的​情形。

模擬​的 GPS 訊號

模擬​的​多​組​衛星 GPS 訊號,​是​最後​一種​可用​於 TTFF 與​定位​準確度​量​測​的 GPS 測試​訊號​來源。 使用 NI LabVIEW GPS 模擬​工具​組​時,​您​可以​透過​由​使用者​定義​的 TOW、​星期​數​與​接收​器​位置,​模擬​最多 12 組​衛星。 這種​模擬​GPS 訊號​方法​的​主要​優點,​就是​能​產生​擁有​最佳 SNR 的 GPS 訊號。 事實上,​依​此​方法​建立​的​可​重複​訊號​雜訊​功率​極小,​與​即時​或​記錄​的 GPS 訊號​不同。​為​了解​此​觀點,​請​參考​圖 12 顯示​之​模擬​多​組​衛星​訊號​的​頻​域。

向量​訊號​分析​器​設定

中心:​1.57542 GHz

頻​展:​4 MHz

RBW:​100 Hz

平均:​RMS、​20 回​的​平均

 

圖 12. 模擬​多​組​衛星 GPS 訊號​的​帶​內​功率​量​測​作業

使用​模擬​多​組​衛星​的​波形​測試​接收​器​時,​您​還是​可以​透過​接收​器​回報​之 C/​N 比值​的​對應​關係,​來​評估​所需​的 RF 功率。

當​您​正確​找出 RF 功率​位​準​的​對應​關係​後,​就​可以​對 TTFF 進行​量​測。 準備​量​測 TTFF 時,​請先​啟動 RF 向量​訊號​產生器。​5 秒鐘​之後,​手動​將​接收​器​改為​「冷」​開機​模式。 當​接收​器​定位​成功​後,​就會​回報 TTFF 資訊。​表 13 顯示​模擬 GPS 訊號​的​相關​結果。

表 13. 四次​模擬​所得​的 TTFF 值

表 13 的​所有​模擬​作業​都​使用​相同​的 LLA (經度、​緯度​與​高度)。

除了​量​測 TTFF 以外,​您​也可以​針對​不同​的 TOW 建立​模擬,​以​計算 LLA 的​準確度​與​重複​性。 因為​可用​的​衛星​訊號​會​持續​變化 (即使​短短​數​小時​的​期間​也是​如此),​因此​請​務必​針對​不同​的 TOW 測試​準確度 (如​表 13 所​示)。 表 14 顯示​產生​的​經度、​緯度​與​高度​資訊。

表 14. 不同 TOW 模擬​作業​的​水平​準確度

如​表 14 所​示,​您​可以​完全​根據​模擬​的​定位,​計算​出​以​公尺​為​單位​的​水平​誤差。 表 14 顯示​的​水平​誤差​則是​由​等​式 17 計算​而​得。

等​式 17. 模擬​的 GPS 訊號​的​定位​誤差

就​實驗​所用​的​接收​器​而言,​水平​定位​最大​誤差​為 5.2 公尺,​而​水平​定位​平均​誤差​則為 1.5 公尺。​因此​如​表 14 的​結果​所​示,​接收​器​的​表現​落於​指定​的​限制​範圍​內。

如​先前​所述,​接收​器​所能​達到​的​準確度,​會​大幅​取決於​該​接收​器​所能​鎖定​的​衛星​訊號。​也就是說,​雖然​接收​器​的​準確度​可能會​在​數​個​小時​內​大幅​變化 (由於​衛星​訊號​改變​之​故),​不同​量​測​間​的​重複​性​一般​來說​會​相當​低。 若想​確認​您​的 GPS 接收​器​是否​也有​這類​狀況,​您​可以​針對​特定​的​模擬 GPS 波形​執行​多次​測試。 這項​作業​的​主要​目的,​是​確認 RF 儀​控​設備​不會​對​模擬​的 GPS 訊號​造成​額外​的​不​確定​性。 如​表 15 所​示,​當​您​重複​使用​相同​的​二進制​檔案​時,​範例 GPS 接收​器​所​回報​的​量​測​結果​重複​性​相當​高。

表 15. 使用​相同​波形​執行​多次​測試​時,​誤差​的​重複​性​相當​高。

使用​模擬 GPS 訊號​的​最大​優點​之一,​就是​有助於​達成​可​重複​的​定位​結果。 這一點​對於​開發​作業​的​設計​檢驗​階段​來說​格外​重要,​因為​您​可以​由此​確認​所​回報​的​定位​資訊,​不會​因為​設計​迭代​而​發生​變化。

以​動態​定位​準確度​測試​接收器

另一種 GPS 接收​器​測試​的​方法,​就是​以​大​範圍​的​功率​位​準​和​速度​量​測​接收​器​的​追蹤​功能,​確認​其​是否​能​維持​定位。 在​過去,​這類​測試 (往往​僅​為​功能​測試) 經常​會​和​驅動​測試​與​多​路徑​衰減​模擬​整合​進行。​在​驅動​測試​中,​做法​是​讓​原型​接收​器​通過​一條​導入​大量​訊號​減損​的​路徑,​藉此​測試​其​表現。​儘管​驅動​測試​是​把​自然​減損​套用​至 GPS 衛星​訊號​的​簡單​做法,​但​這些​量​測​作業​往往​無法​重複。​事實上,​像是 GPS 衛星​移動、​天氣​條件​變化、​甚至​是​年度​時間​等​因素​的​交互​影響,​都會​影響​接收​器​的​效能。

有鑑於此,​若想​在​擁有​大量​訊號​減損​的​環境​中​檢驗​接收​器​效能,​目前​日益​普及​的​做法​就是​記錄​驅動​測試​中​所用​的 GPS 訊號。​若想​進一步​了解​設定 GPS 記錄​系統的​方法,​請​參閱​先前​的​章節。​至於​驅動​測試​方案,​則有​多​款 PXI 機​箱​可供​選擇。 最​簡單​的​選項,​就是​採用 DC 機​箱​並​使用​汽車​電池​供電。 另一種​選項​則是​使用​標準​的 AC 機​箱,​搭配​可​透過​汽車​電源​供應​器​為​機​箱​供電​的​逆​變​器。 在​兩種​選項​中,​DC 機​箱​的​耗電量​較低,​但是​在​實驗室​中​供電​則​較為​困難。 標準 AC 機​箱 (使用​外接​車​用​電池​與 DC 轉 AC 逆​變​器​構成​的​供電​系統) 所​產生​的​結果​如下所示。

完成 GPS 訊號​的​記錄​作業​後,​就​能​用​同一​組​測試​資料​重複​測試​接收​器。​下方​的​實驗​追蹤​了​接收​器​在​一段​時間​內​的​經度、​緯度​與​速度。​系統​透過​序列埠​從​接收​器​讀取​所需​的​資料,​並​使用​每秒​一次​的 NMEA-183 指令​讀取​速率。 下方​所​示​的​量​測​回報​了​定位​與​衛星 C/​N 比值​等​接收​器​特性。 您​也能​在​分析​其他​資訊​時​一併​執行​這些​量​測。​以下​的​實驗​並未​量​測​水平​精確度​衰減 (Horizontal Dilution of Precision,​HDOP),​不過​此​特性​可​提供​大量​的​接收​器​定位​準確度​資訊。

若想​取得​最​理想​的​結果,​您​應該​讓​接收​器​的​指令​介面​與 RF 產生​作業​緊密​保持​同步。 如下​方​結果​所​示,​我們​用 COM 通訊​埠 (針腳 2) 的​資料​通道​做為​開始​觸發器,​為 RF 向量​訊號​產生器​與 GPS 接收​器​進行​同步​化。 透過​這種​同步​化​方法,​向量​訊號​產生器​與 GPS 接收​器​可以​同步​至​任意​波形​產生器​的​一個​時脈​週期​以內 (100 MS/​s)。 因此​最大​的​歪曲​應​為 10 微秒。​由於​您​會​回報​接收​器​的​經度​和​緯度,​因此​同步​化​誤差​所​造成​的​準確度​錯誤​會是 10 微秒 x 最大​速度 (m/​s),​或​為 0.15 mm。

使用​上述​的​組​態,​您​就​能​回報​接收​器​在​一段​時間​內​的​經緯度​資訊。 結果​會​如圖 13 所​示。

圖 13. 在​四​分鐘​內​所得​的​接收​器​經緯度​資訊

如圖 13 所​示,​記錄​的​驅動​測試​訊號​可​回報​靜態、​定位​與​速度​的​資訊。 此外​您​也會​發現,​這項​資訊​在​不同​測試​之間​的​重複​性​相當​高 – 各​條​軌跡​重疊​在一起,​幾乎​無法​分辨。​事實上,​您​最​感興趣​的​也是​接收​器​的​重複​性​表現。 因為​重複​性​資訊​可​用來​預測 GPS 接收​器​準確度​經過​一段​時間​後​的​變化,​您​也可以​計算​以上​波形​中​各個​範例​之間​的​標準​差。 圖 14 顯示​經過​一段​時間​以後,​各個​同步​化​範例​之間​定位​的​標準​差 (相​對於​平均​位置)。

圖 14. 經過​一段​時間​後​的​經度​與​緯度​標準差

觀察​水平​標準​差​時,​請​注意​標準​差​在 120 秒​的​時候​快速​增加。 為​進一步​了解​此​現象,​我們​針對​接收​器​的​速度 (m/​s) 與 C/​N 比值​的​近似值 (proxy),​將​總​水平​標準​差​繪製​成​圖表。 我們​的​假設​是:​衛星​的 C/​N 比值​僅​會在​沒有​高​功率​衛星​的​情況​下​對​接收​器​造成​影響。 因此,​我們​針對​接收​器​所​回報​之​四​組​功率​最高​的​衛星,​將​其 C/​N 比值​進行​平均,​然後​再​繪製 C/​N 的​近似值​圖表。 結果​會​如圖 14 所​示。

圖 15. 定位​準確度​與 C/​N 比值​的​相關性

如圖 15 所​示,​在 120 秒​時​發生​的​峰值​水平​誤差 (在​標準​差​中) 與​衛星​的 C/​N 比值​直接​相關,​但是​與​接收​器​的​速度​無關。 在此​範例​中,​標準​差​將近 2 公尺;​不過​在​大部分​其他​時間​都​小於 1 公尺。​同時,​您​也會​發現​前​四​組​的 C/​N 平均值​由​將近 45 dB-​Hz 降至 41 dB-​Hz。

以上​的​測試​不僅​說明 C/​N 比值​對於​定位​準確度​的​影響,​也​說明​您​可以​用​記錄​的 GPS 資料​進行​的​分析​類型。​前述​實驗​中的 GPS 訊號​驅動​記錄​作業,​是在​中國​深圳​北方​的​惠州​市​完成; 日後​再​於​德州​奧斯汀​進行​實際​的​接收​器​測試。

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結論

如​本文​所​介紹​的​各種​技術​所​示,​目前​在​進行 GPS 接收​器​測試​時,​已有​多種​方法​可供​選擇。 雖然​敏感度​之類​的​基本​量​測​最常​用於​生產​測試​中,​您​也可以​運用​量​測​技術​檢驗​接收​器​的​效能。 這些​測試​技術​看起來​各不相同,​其實​都​只要​透過​單一 PXI 系統​就​能​輕鬆​完成​測試。 事實上,​您​還能​運用​模擬​和​記錄​的​基​頻​波形​對 GPS 接收​器​進行​測試。 只要​善用​整合​的​方法,​就​能​廣泛​量​測 GPS 接收​器​的​各種​功能,​從​敏感度​到​重複​性​追蹤​都沒有​問題。

參考​資料

[1] Pratt、​Bostonian 與 Allnutt。 《Satellite Communications》​(衛星​通訊)。

[2]​《Navstar GPS User Equipment Introduction》​(Navstar GPS 使用者​設備​簡介),​1996 年 9 月。

[3] Gu, Quzheng《RF System Design of Transceivers for Wireless Communications》​(無線​通訊​收發​器​的 RF 系統​設計),​Springer,​2005。​〈Fundamentals〉​(基礎​篇)。

[4] Ward, Phillip W.、​Betz, John W. 與 Hegarty, Christopher J.​〈Chapter 5: Satellite Signal Acquisition, Tracking and Data Demodulation〉​(第 5 章:​衛星​訊號​擷取、​追蹤​與​資料​解​調);​節錄自 Elliot D. Kaplan 所​著​之​《Understanding GPS: Principles and Applications》​(了解 GPS:​原則​與​應用),​Artech House,​2005。

[5]​《Global Positioning System: Theory and Applications》​(全球​定位​系統:​理論​與​應用),​編輯:​Bradford W. Parkinson 與 James J. Spilker。

[6] Braasch, Michael S. 與 Van Dierendonck, A. J.​《GPS Receiver Architectures and Measurements》​(GPS 接收​器​架構​與​量​測),​IEEE 會議記錄,​1999。

[7]​《Global Positioning System Standard Positioning Service Signal Specification》​(全球​定位​系統​標準​定位​服務​訊號​規格),​1995。

[8]​《Global Positioning System Standard Positioning Service Signal Specification》​(全球​定位​系統​標準​定位​服務​訊號​規格)。 〈Annex A:Standard Positing Service Performance Specification〉​(附錄 A:​標準​定位​服務​效能​規格),​1995。

[9] Goldberg, Hans-​Joachim。 《Atmel White Paper: Measuring GPS Sensitivity》​(Atmel 白皮書:​GPS 敏感度​量​測),​2007。

更多​資源

 

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