從波音 747 客機(jī)的導(dǎo)航操作、汽車駕駛每天都會使用的 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)，到尋寶者要找到深藏於森林某處的寶藏，GPS 技術(shù)已經(jīng)迅速融入於多種應(yīng)用中。
正當(dāng)創(chuàng)新技術(shù)不斷提升 GPS 接收器效能的同時，相關(guān)的技術(shù)特性亦越來越完整。時至今日，軟體甚至可建立 GPS 波形，以精確模擬實際的訊號。除此之外，儀器匯流排技術(shù)亦不斷提升，目前即可透過 PXI 儀控功能，以記錄並播放即時的 GPS 訊號。

介紹

由於 GPS 技術(shù)已於一般商用市場逐漸普及，因此多項設(shè)計均著眼於提升相關(guān)特性，如：

1)      降低耗電量

2)      可尋找微弱的衛(wèi)星訊號

3)      較快的擷取次數(shù)

4)      更精確的定位功能

透過此應(yīng)用說明，將可了解進(jìn)行多項 GPS 接收器量測的方法：敏感度、雜訊係數(shù)、定位精確度、首次定位時間，與位置誤差。此篇技術(shù)文件是要能讓工程師徹底了解 GPS 的量測技術(shù)。對剛開始接觸 GPS 接收器量測作業(yè)的工程師來說，可對常見的量測作業(yè)略知一二。若工程師已具有 GPS 量測的相關(guān)經(jīng)驗，亦可透過此篇技術(shù)文件初步了解新的儀控技術(shù)。此篇應(yīng)用說明將分為下列數(shù)個段落：

1. GPS 技術(shù)的基礎(chǔ)
2. GPS 量測系統(tǒng)
3. 常見量測概述
   1. 敏感度
   2. 首次定位時間 (TTFF)
   3. 定位精確度與重複性
   4. 追蹤精確度與重複性

每個段落均將提供數(shù)項實作秘訣與技巧。更重要的是，讀者可將自己的結(jié)果與 GPS 接收器獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。透過自己的結(jié)果、接收器的結(jié)果，再搭配理論量測的結(jié)果，即可進(jìn)一步檢視自己的量測資料。

GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)介紹

全球定位系統(tǒng) (GPS) 為空間架構(gòu)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，本由美國空軍所研發(fā)。雖然 GPS 原是開發(fā)做為軍事定位系統(tǒng)之用，卻也對民間產(chǎn)生重要影響。事實上，您目前就可能在車輛、船舶，甚至行動電話中使用 GPS 接收器。GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)包含由 24 組衛(wèi)星，均以 L1 與 L2 頻帶 (Band) 進(jìn)行多重訊號的傳輸。透過 1.57542 GHz 的 L1 頻帶，各組衛(wèi)星均產(chǎn)生 1.023 Mchips BPSK (二進(jìn)制相位鍵移) 的展頻訊號。展頻序列則使用稱為 C/A (coarse acquisition) 碼的虛擬亂數(shù) (PN) 序列。雖然展頻序列為 1.023 Mchips，但實際的訊號資料傳輸率為 50 Hz [1]。在系統(tǒng)的原始佈署作業(yè)中，一般 GPS 接收器可達(dá) 20 ~ 30 公尺以上的精確度誤差。此種誤差肇因於美國軍方依安全理由所附加的隨機(jī)時脈誤差所致。然而，此稱為選擇性可靠度 (Selective availability) 誤差訊號源，已於 2000 年 5 月 2 日取消。在今天，接收器的最大誤差不超過 5 公尺，而一般誤差已降至 1 ~ 2 公尺。

不論是 L1 或 L2 (1.2276 GHz) 頻帶，GPS 衛(wèi)星均會產(chǎn)生所謂的「P 碼」附屬訊號。此訊號為 10.23 Mbps BPSK 的調(diào)變訊號，亦使用 PN 序列做為展頻碼。軍方即透過 P 碼的傳輸，進(jìn)行更精確的定位作業(yè)。在 L1 頻帶中，P 碼是透過 C/A 碼進(jìn)行反相位 (Out of phase) 的 90 度傳輸，以確保可於相同載波上測得此 2 種訊號碼 [2]。P 碼於 L1 頻帶中可達(dá) -163 dBW 的訊號功率；於 L2 頻帶中可達(dá) -166 dBW。相對來說，若在地球表面的 C/A 碼，則可於 L1 頻帶中達(dá)到最小 -160 dBW的廣播功率。

GPS 導(dǎo)航訊號

針對 C/A 碼來說，導(dǎo)航訊號是由資料的 25 個框架(Frame) 所構(gòu)成，而每個框架則包含 1500 個位元 [2]。此外，每組框架均可分為 5 組 300 個位元的子框架。當(dāng)接收器擷取 C/A 碼時，將耗費 6 秒鐘擷取 1 個子框架，亦即 1 個框架必須耗費 30 秒鐘。請注意，其實某些較為深入的量測作業(yè)，才有可能真正花費 30 秒鐘以擷取完整框架；我們將於稍後討論之。事實上，30 秒鐘僅為擷取完整框架的平均最短時間；系統(tǒng)的首次定位時間 (TTFF) 往往超過 30 秒鐘。

為了進(jìn)行定位作業(yè)，大多數(shù)的接收器均必須更新衛(wèi)星星曆 (Almanac) 與星曆表 (Ephemeris) 的資訊。該筆資訊均包含於人造衛(wèi)星所傳輸?shù)挠嵦栙Y料中，，而每個子框架亦包含專屬的資訊集。一般來說，我們可透過子框架的類別，進(jìn)而辨識出其中所包含的資訊 [2][7]：

Sub-frame 1：包含時序修正 (Clock correction)、精確度，與人造衛(wèi)星的運作情形

Sub-frame 2-3：包含精確的軌道參數(shù)，可計算衛(wèi)星的確實位置

Sub-frames 4-5：包含粗略的衛(wèi)星軌道資料、時序修正，與運作資訊。

而接收器必須透過衛(wèi)星星曆與星曆表的資訊，才能夠進(jìn)行定位作業(yè)。一旦得到各組衛(wèi)星的確實距離，則高階 GPS 接收器將透過簡單的三角運算式 (Triangulation algorithm) 回傳位置資訊。事實上，若能整合虛擬距離 (Pseudorange) 與衛(wèi)星位置的資訊，將可讓接收器精確識別其位置。

不論是使用 C/A 碼或 P 碼，接收器均可追蹤最多 4 組人造衛(wèi)星，進(jìn)行 3D 定位。追蹤人造衛(wèi)星的過程極為複雜，不過簡單來說，即是接收器將透過每組衛(wèi)星的距離，估算出自己的位置。由於訊號是以光速 (c)，或為 299,792,458 m/s 行進(jìn)，因此接收器可透過下列等式計算出與人造衛(wèi)星之間的距離，即稱為「虛擬距離 (Pseudorange)」：

等式 1.「虛擬距離 (Psedorange)」為時間間隔 (Time interval) 的函式 [1][4]

接收器必須將衛(wèi)星所傳送的訊號資料進(jìn)行解碼，才能夠獲得定位資訊。每個衛(wèi)星均針對其位置進(jìn)行廣播 (Broadcasting)，接收器跟著透過每組衛(wèi)星之間的虛擬距離差異，以決定自己的確實位置 [8]。接收器所使用的三角量測法 (Triangulation)，可由 3 組衛(wèi)星進(jìn)行 2D 定位；4 組衛(wèi)星則可進(jìn)行 3D 定位。

設(shè)定 GPS 量測系統(tǒng)

測試 GPS 接收器的主要產(chǎn)品，為 1 組可模擬 GPS 訊號的 RF 向量訊號產(chǎn)生器。在此應(yīng)用說明中，讀者將可了解應(yīng)如何使用 NI PXI-5671 與 NI PXIe-5672 RF 向量訊號產(chǎn)生器，以達(dá)到量測目的。此產(chǎn)品並可搭配 NI GPS 工具組，以模擬 1 ~ 12 組 GPS 人造衛(wèi)星。

完整的 GPS 量測系統(tǒng)亦應(yīng)包含多種不同配件，以達(dá)最佳效能。舉例來說，外接的固定式衰減器 (Attenuator)，可提升功率精確度與雜訊層 (Noise floor) 的效能。此外，根據(jù)接收器是否支援其直接輸入埠的 DC 偏壓 (Bias)，某些接收器亦可能需要 DC 阻絕器 (Blocker)。下圖即為 GPS 訊號產(chǎn)生的完整系統(tǒng)：

圖 1. GPS 產(chǎn)生系統(tǒng)的程式圖

如圖 1 所示，當(dāng)測試 GPS 接收器時，往往採用最高 60 dB 的外接 RF 衰減 (留白，Padding)。固定式衰減器至少可提供量測系統(tǒng) 2 項優(yōu)點。首先，固定式衰減器可確保測試激發(fā)的雜訊層低於 -174 dBm/Hz 的熱雜訊層 (Thermal noise floor)。其次，由於可透過高精確度 RF 功率計 (Power meter) 校準(zhǔn)訊號準(zhǔn)位，因此固定式衰減器亦可提升功率精確度。雖然僅需 20 dB 的衰減即可符合雜訊層的要求，但若使用 60 ~ 70 dB 的衰減，則可達(dá)到更高的功率精確度與雜訊層效能。稍後將接著討論 RF 功率校準(zhǔn)，而圖 2 搶先說明衰減對雜訊層效能所造成的影響。

圖 2. 不同衰減所需的儀器功率比較

如圖 2 所示，衰減可用於減弱雜訊，而不僅限於 -174 dBm/Hz 的熱雜訊層。

RF 向量訊號產(chǎn)生器

當(dāng)選擇 RF 向量訊號產(chǎn)生器時，NI LabVIEW GPS 工具組可同時支援 NI PXI-5671 與 NI PXIe-5672 RF 向量訊號產(chǎn)生器。雖然此 2 款介面卡可產(chǎn)生 GPS 訊號，但由於 PCI Express 匯流排速度較快，並可立刻進(jìn)行 IF 等化 (Equalization)，因此 NI PXIe-5672 向量訊號產(chǎn)生器較受到青睞。此 2 款介面卡均具有 6 MB/s 總資料傳輸率與 1.5 MS/s (IQ) 取樣率，可從磁碟串流 GPS 波形。

雖然 PXI控制器硬碟可輕鬆維持此資料傳輸率，NI 仍建議使用外接磁碟進(jìn)行額外的儲存容量。下圖為包含 NI PXIe-5672 的常見 PXI 系統(tǒng)：

圖 3. 包含 NI PXIe 5672 VSG 與 NI PXI-5661 VSA 的 PXI 系統(tǒng)

GPS 工具組可於完整導(dǎo)航訊號期間，建立最長 12.5 分鐘 (25 個框架) 的波形。依 6 MB/s 的取樣率，則最大檔案約為 7.5 GB。由於上述的波形檔案尺寸，所有的波形均可儲存於多款硬碟選項之一。這些波形儲存資源選項包含：

上述各種硬碟設(shè)定，均可支援超過 20 MB/s 的連續(xù)資料串流作業(yè)。因此，任何儲存選項均可模擬 GPS 訊號，並進(jìn)行記錄與播放。在稍後的段落中，將說明模擬與記錄 GPS 波形的整合作業(yè)，並進(jìn)行 GPS 接收器效能的特性參數(shù)描述 (Characterization) 作業(yè)。

建立模擬的 GPS 訊號

由於 GPS 接收器是透過天線傳輸資料，並取得衛(wèi)星星曆與星曆資訊；當(dāng)然，模擬的 GPS 訊號亦需要該項資訊。衛(wèi)星星曆與星曆資訊，均透過文字檔案表示，可提供衛(wèi)星位置、衛(wèi)星高度、機(jī)器狀態(tài)，與繞行軌道的相關(guān)資訊。此外，在建立波形的過程中M，亦必須選擇客制參數(shù)，如星期時間 (TOW)、位置 (經(jīng)度、緯度、高度)，與模擬的接收器速率。以此資訊為基礎(chǔ)，工具組將自動選擇最多 12 組人造衛(wèi)星、計算所有的都卜勒位移 (Doppler shift) 與虛擬距離 (Pseudorange) 資訊，並接著產(chǎn)生所需的基頻波形。為了可儘快入門，工具組安裝程式亦包含範(fàn)例的衛(wèi)星星曆與星曆檔案。此外，更可由下列網(wǎng)站直接下載：

透過客制的衛(wèi)星星曆與星曆檔案，即可建立特定日期與時間的 GPS 訊號，甚至可回溯數(shù)年以前。請注意，當(dāng)選擇這些檔案時，必須選擇與日期相對應(yīng)的檔案。一般來說，衛(wèi)星星曆與星曆資訊為每日更新，因此當(dāng)選擇特定時間與日期時，亦應(yīng)選擇同 1 天的檔案。下載的星曆檔案往往為壓縮的「*.Z」格式。因此，在搭配使用 GPS 工具組之前，檔案必須先行解壓縮。

只要使用工具組中的「自動模式 (Automatic mode)」，即可囊括大多數(shù)的 GPS 模組作業(yè)，並可透過程式設(shè)計的方式，計算都卜勒與隨機(jī)距離資訊；當(dāng)然，此功能亦提供手動模式。在手動模式 (Manual mode) 中，使用者可個別指定每組人造衛(wèi)星的資訊。圖 4 即顯示此 2 種作業(yè)模式所提供的輸入?yún)?shù)。

¹LLA (longitude, latitude, altitude)

圖 4. GPS 工具組自動與手動模式的預(yù)設(shè)值

請注意，工具組將根據(jù)所指定的星曆檔案，於可能的數(shù)值範(fàn)圍中強制設(shè)定 GPS 的 TOW。因此，若選擇的數(shù)值超出該星曆檔案的範(fàn)圍，工具組將自動設(shè)定為最接近的數(shù)值並提醒使用者。「niGPS Write Waveform To File」範(fàn)例程式即可建立 GPS 基頻波形 (自動模式)，而其人機(jī)介面即如下圖所示。

圖 5. 簡單的範(fàn)例程式即可建立 GPS 測試波形。

請注意，某些特定量測作業(yè)，將決定使用者所建立 GPS 測試的檔案類型。舉例來說，當(dāng)量測接收器敏感度時，將模擬單一人造衛(wèi)星。另一方面來說，需要定位作業(yè)的量測 (如 TTFF 與位置精確度)，所使用的 GPS 訊號將模擬多組人造衛(wèi)星。基於上述需求，NI GPS 工具組所搭配的範(fàn)例程式，將同時包含單位星與多重衛(wèi)星模擬功能。

記錄空氣中的 GPS 訊號

建立 GPS 波形時，其獨特又日趨普遍的方式，即是直接從空氣中擷取之。在此測試中，我們使用向量訊號分析器 (如 NI PXI 5661) 記錄訊號，再透過向量訊號產(chǎn)生器 (如 NI PXIe-5672) 產(chǎn)生已記錄的訊號。由於在記錄 GPS 訊號時，亦可擷取實際的訊號減損 (Impairments)，因此在播放訊號時，可進(jìn)一步了解接收器於佈署環(huán)境中的作業(yè)情形。

 只要透過極為直接的方式，即可擷取空氣中的 GPS 訊號。在 RF 記錄系統(tǒng)中，我們將適合的天線與放大器，搭配使用 PXI 向量訊號分析器與硬碟，以擷取最多可達(dá)數(shù)個小時的連續(xù)資料。舉例來說，1 組 2 TB 的 RAID 磁碟陣列，即可記錄最多 25 個小時的 GPS 波形。由於此篇技術(shù)文件將不會討論串流的特殊技術(shù)，因此若需要相關(guān)範(fàn)例程式碼，請至：http://www.ni.com/streaming/rf。透過下列段落，即可了解應(yīng)如何針對 RF 記錄與播放系統(tǒng)，設(shè)定合適的 RF 前端。

不同類型的無線通訊訊號，均需要不同的頻寬、中央頻率，與增益。以 GPS 訊號來說，基本系統(tǒng)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，至少必須達(dá)到 2.5 MS/s (1.25 x 2 MHz) 取樣率。注意：此處的 1.25 乘數(shù)，是根據(jù) PXI-5661 數(shù)位降轉(zhuǎn)換器 (DDC) 於降頻 (Decimation) 階段的下降 (Roll-off) 濾波器所得出。

在下方說明的測試作業(yè)中，我們使用 5 MS/s (20 MB/s) 取樣率以擷取完整的頻寬。由於標(biāo)準(zhǔn) PXI 控制器硬碟即可達(dá)到 20 MB/s 或更高的資料流量，因此不需使用外接的 RAID 亦可將 GPS 訊號串流至磁碟。然而，基於 2 個理由，我們?nèi)越ㄗh使用外接硬碟。首先，外接硬碟可提升整體的資料儲存量，並記錄多組波形。其次，外接硬碟不會對 PXI 控制器的硬碟造成額外負(fù)擔(dān)。在下方說明的測試作業(yè)中，我們採用 1 組 USB 2.0 的外接硬碟。此硬碟為 320 GB 的 Western Digital Passport，具有 5400 RPM 的硬碟轉(zhuǎn)速。在我們的測試作業(yè)中，一般讀取速度約落在 25 ~ 28 MB/s。因此該款硬碟可同時用於 GPS 波形資料串流的模擬 (6 MB/s) 與記錄 (20 MB/s) 作業(yè)。

GPS 訊號記錄作業(yè)最為特殊之處，即是選擇並設(shè)定合適的天線與低雜訊放大器 (LNA)。透過一般被動式平面天線 (Passive patch antenna)，即可於 L1 GPS 頻帶中發(fā)現(xiàn)介於 -120 ~ -110 dBm 的常見峰值功率 (此處為 -116 dBm)。由於 GPS 訊號的功率強度極小，因此必須進(jìn)行放大作業(yè)，以使向量訊號分析器可擷取衛(wèi)星訊號的完整動態(tài)範(fàn)圍。雖然有多個方法可將合適的增益強度套用至訊號，不過我們發(fā)現(xiàn)：若使用主動式 GPS 天線搭配 NI PXI-5690 前置放大器 (Pre-amplifier) 時，即可達(dá)到最佳效果。若串聯(lián) 2 組各可達(dá) 30 dB 增益的 LNA，則總增益則可達(dá)到 60 dB (30 + 30)。因此，向量訊號分析器可測得的峰值功率，將從 -116 dBm 提升至 -56 dBm。下圖即為該項設(shè)定的範(fàn)例系統(tǒng)：

圖 6. GPS 接收器與串聯(lián)的 LNA。

請注意，記錄作業(yè)系統(tǒng)的必備元件之一，即為主動式 GPS 天線。主動式 (Active) GPS 天線，包含 1 組平面天線與 1 組 LNA。此款天線一般均需要 2.5V ~ 5V 的 DC 偏壓電壓，並僅需約 $20 美金即可購買現(xiàn)成產(chǎn)品。為了簡單起見，我們使用 1 組天線搭配 1 組 SMA 接頭。我們將於下列段落中看到，在 RF 前端的第一組 LNA 雜訊圖形極為重要；該圖形將可確認(rèn)進(jìn)行記錄作業(yè)的儀控，是否對無線訊號構(gòu)成最低雜訊。亦請注意，圖 6 中的向量訊號分析器為簡化圖示。實際的 PXI-5661 為 3 階段式超外差 (Super-heterodyne) 向量訊號分析器，較複雜於圖中所示。

若將 60 dB 套用至無線訊號中，則可於 L1 中得到約 -60 ~ -50 dBm 的峰值功率。若以掃頻 (Swept spectrum) 模式設(shè)定 VSA 並分析整體頻譜，則亦將發(fā)現(xiàn) L1 頻帶 (FM 與行動電話)之外的帶中功率 (Power in band)，其強度將高於 GPS 訊號。然而，帶外 (Out-of-band) 訊號的峰值功率一般均不會超過 -20 dBm，且將透過 VSA 的多組帶通 (Band pass) 濾波器之一進(jìn)行濾波作業(yè)。若要檢視記錄裝置的 RF 前端是否達(dá)到應(yīng)有效率，最簡單的方法之一即為開啟 RFSA 示範(fàn)面板的範(fàn)例程式。透過此程式，即可於 L1 GPS 頻帶中呈現(xiàn) RF 頻譜。圖 7 即為常見的頻譜。請注意，此頻譜截圖是透過 GPS 中心頻率於室外所得。主動式 GPS 天線與 PXI-5690 前置放大器，可達(dá)到 60 dB 的總增益。

中心頻率：1.57542 GHz

展頻 (Span)：4 MHz

RBW：10 Hz

平均：RMS、20 Averages

圖 7. 僅透過極小的解析度頻寬 (RBW)，才可於頻譜中呈現(xiàn) GPS

此處使用前面所提到的 RF 記錄與播放 LabVIEW 範(fàn)例程式；設(shè)定 -50 dBm 的參考準(zhǔn)位、1.57542 GHz 中央頻率，與 5 MS/s 的 IQ 取樣率。下圖即顯示設(shè)定範(fàn)例的人機(jī)介面：

圖 8. RF 記錄與播放範(fàn)例的人機(jī)介面。

GPS 訊號的最長記錄時間，將根據(jù)取樣率與最大儲存容量而定。若使用 2 TB 容量的 Raid 磁碟陣列 (Windows XP 所支援的最大磁碟)，將可透過 5 MS/s 取樣率記錄最多 25 個小時的訊號。

設(shè)定 RF 前端

由於串聯(lián)的 LNA 可提供 60 dB 的增益，因此使用者可大幅提升向量訊號分析器前端的功率。在我們的量測作業(yè)中，60 dB 的增益即足以將峰值功率從 -116 dBm 提升至 -56 dBm。而透過 60 dB 的增益 (與 1.5 dB 的雜訊係數(shù))，訊號的雜訊功率將為 –112 dBm/Hz (-174 + 增益 + F)。因此，所能擷取到的訊噪比 (SNR) 最高可達(dá) 56.5 dB (-56 dBm +112.5 dBm)，亦低於實際的儀器動態(tài)範(fàn)圍。由此可知，若有 80 dB 的動態(tài)範(fàn)圍，則 VSA 將可記錄最大的 SNR，且不會有無線訊號的雜訊影響。

當(dāng)要記錄任何無線訊號時，可將參考準(zhǔn)位設(shè)定高出一般峰值功率至少 5 dB，以因應(yīng)任何訊號強度的異常現(xiàn)象。在某些情況下，雖然上述此步驟將降低 VSA 的有效動態(tài)範(fàn)圍，但 GPS 訊號卻不會受到影響。由於 GPS 訊號於天線輸入的最大理想 SNR 即為 58 dB (-116 + 174)，因此若於 VSA 記錄超過 58 dB 的動態(tài)範(fàn)圍將無任何意義。因此，我們甚至可以「拋棄」儀器的動態(tài)範(fàn)圍達(dá) 10 dB 以上，亦不會影響記錄訊號的品質(zhì) (在此頻寬中，PXI-5661 將提供優(yōu)於 75 dB 的動態(tài)範(fàn)圍)。

由於必須設(shè)定合適的參考準(zhǔn)位，適當(dāng)設(shè)定記錄裝置的 RF 前端亦顯得同樣重要。如先前所提，若要獲得最佳的 RF 記錄資料，則建議使用主動式 GPS 天線。由於主動式天線內(nèi)建 LNA，以低雜訊係數(shù)提供最高 30 dB 的增益，因此亦可供應(yīng) DC 偏壓。下方將接著說明多種偏壓方式。

方法 1：以 GPS 接收器進(jìn)行供電的主動式天線

第一個方法，是以 DC 偏壓「T」供電至主動式天線。在此範(fàn)例中，我們將 DC 訊號 (此為 3.3 V) 套用至偏壓「T」的DC 埠，且「T」又將合適的 DC 偏移套用至主動式天線。請注意，此處將根據(jù)主動式天線的 DC 功率需求，進(jìn)而決定是否套用精確的 DC 電壓。下圖即說明相關(guān)連結(jié)情形。

圖 9. 使用 DC 偏壓「T」供電至主動式 GPS 天線

在圖 9 中可發(fā)現(xiàn)，PXI-4110 可程式化 DC 電源供應(yīng)器，即可供應(yīng) DC 偏壓訊號。雖然多款現(xiàn)成的電源供應(yīng)器 (其中亦包含價位較低的電源供應(yīng)器) 均可用於此應(yīng)用中，我們還是使用 PXI-4110 以簡化作業(yè)。同樣的，現(xiàn)有常見的偏壓器 (Bias tee) 可進(jìn)行最高 1.58 GHz 的作業(yè)，而此處所使用的偏壓器購自於 www.minicircuits.com。

方法 2：以接收器供電至主動式天線

供電至主動式 GPS 天線的第二個方法，即是透過天線本身的接收器。大多數(shù)的現(xiàn)成 GPS 接收器，均使用單一連接埠供電至主動式 GPS 天線，且此連接埠亦透過合適的 DC 訊號達(dá)到偏壓。若將主動式 GPS 接收器整合分裂器 (Splitter) 與 DC 阻絕器 (Blocker)，即可供電至主動式 LNA，並僅記錄 GPS 接收器所獲得的訊號。下圖即為正確的連結(jié)方式：

圖 10. 透過 DC 阻絕器 (Blocker)，將可記錄並分析 GPS 訊號

 

如圖 10 所示，GPS 接收器的 DC 偏壓即用以供電至 LNA。請注意，由於當(dāng)進(jìn)行記錄時，即可觀察接收器的相關(guān)特性，如速度與精確度衰減 (Dilution) 情形，因此方法 2 特別適用於驅(qū)動程式測試。

串聯(lián)式 (Noise figure) 雜訊係數(shù)計算

若要計算已記錄 GPS 訊號的總雜訊量，只要找出整體 RF 前端的雜訊係數(shù)即可。就一般情況來說，整組系統(tǒng)的雜訊係數(shù)，往往受到系統(tǒng)的第一組放大器所影響。在所有 RF 元件或系統(tǒng)中，雜訊係數(shù)均可視為 SNR_in 與 SNR_out (參閱：量測技術(shù)的雜訊係數(shù)) 的比例。當(dāng)記錄 GPS 訊號時，必須先找出整體 RF 前端的雜訊係數(shù)。

當(dāng)執(zhí)行串聯(lián)式雜訊係數(shù)計算時，必須先行針對每筆雜訊係數(shù)與增益，將之轉(zhuǎn)換為線性等式；即所謂的「雜訊因數(shù) (Noise factor)」。當(dāng)以串聯(lián)的 RF 元件計算系統(tǒng)的雜訊係數(shù)時，即可先找出系統(tǒng)的雜訊因數(shù)，並接著轉(zhuǎn)換為雜訊係數(shù)。因此系統(tǒng)的雜訊係數(shù)必須使用下列等式計算之：

等式 2. 串聯(lián)式 RF 放大器的雜訊係數(shù)計算作業(yè) [3]

請注意，由於雜訊因數(shù) (nf) 與增益 (g) 屬於線性關(guān)係而非對數(shù) (Logarithmic) 關(guān)係，因此以小寫表示之。下列即為增益與雜訊係數(shù)，從線性轉(zhuǎn)換為對數(shù) (反之亦然) 的等式：

等式 3 到等式 6. 增益與雜訊係數(shù)的線性/對數(shù)轉(zhuǎn)換 [3]

內(nèi)建低雜訊放大器 (LNA) 的主動式 GPS 天線，一般均提供 30 dB 的增益，且其雜訊係數(shù)約為 1.5 dB。在儀控記錄作業(yè)的第二階段，則由 NI PXI-5690 提供 30 dB 的附加增益。由於其雜訊係數(shù)較高 (5 dB)，因此第二組放大器僅將產(chǎn)生極小的雜訊至系統(tǒng)中。在教學(xué)實作中，可針對記錄儀控作業(yè)的完整 RF 前端，使用等式 2 計算其雜訊因數(shù)。增益與雜訊係數(shù)值即如下圖所示：

圖 11. RF 前端的首 2 組元件雜訊係數(shù)與因數(shù)。

根據(jù)上列計算，即可找出接收器的整體雜訊因數(shù)：

等式 7. RF 記錄系統(tǒng)的串聯(lián)雜訊係數(shù)

若要將雜訊因數(shù)轉(zhuǎn)換為雜訊係數(shù) (單位為 dB)，則可套用等式 3 以獲得下列結(jié)果：

等式 8. 第一組 LNA 的雜訊係數(shù)將影響接收器的雜訊係數(shù)

如等式 8 所示，第一組 LNA (1.5 dB) 的雜訊係數(shù)，將影響整組量測系統(tǒng)的雜訊係數(shù)。透過 VSA 的相關(guān)設(shè)定，可讓儀器的雜訊水平 (Noise floor) 低於輸入激發(fā)的雜訊水平，因此使用者所進(jìn)行的記錄作業(yè)，將僅對無線訊號造成 1.507 dB 的雜訊。

對 GPS 接收器發(fā)出訊號

由於多款接收器可使用合適的軟體，讓使用者呈現(xiàn)如經(jīng)度與緯度的資訊，因此需要更標(biāo)準(zhǔn)化的方式進(jìn)行自動量測作業(yè)。還好，目前有多款接收器均可透過眾所周知的 NMEA-183 協(xié)定，以設(shè)定對 PXI 控制器發(fā)出訊號。如此一來，接收器將可透過序列或 USB 連接線，連續(xù)傳送相關(guān)指令。在 NI LabVIEW 中，所有的指令均可轉(zhuǎn)換語法，以回傳衛(wèi)星與定位資訊。NMEA-183 協(xié)定可支援 6 種基本指令，並各自代表專屬的資訊。這些指令即如下表所示：

圖 12. 基本 NMEA-183 指令概述

以實際測試需要而言，GGA、GSA，與 GSV 指令應(yīng)最為實用。更值得一提的是，GSA 指令的資訊可用於了解接收器是否可達(dá)到定位作業(yè)需要，或可用於首次定位時間 (Time To First Fix，TTFF) 量測。當(dāng)執(zhí)行高敏感性的量測時，實際可針對所追蹤的衛(wèi)星，使用 GSV 指令回傳 C/N (Carrier-to-noise) 比。

雖然無法於此詳細(xì)說明 MNEA-183 協(xié)定，但可至其他網(wǎng)站尋找所有的指令資訊，如：http://www.gpsinformation.org/dale/nmea.htm#RMC.在 LabVIEW 中，這些指令可透過 NI-VISA 驅(qū)動程式轉(zhuǎn)換其語法。

 

圖 13. 使用 NMEA-183 協(xié)定的 LabVIEW 範(fàn)例

GPS 量測技術(shù)

目前有多種量測作業(yè)可為 GPS 接收器的效能進(jìn)行特性描述 (Characterization)，其中亦有數(shù)種常見量測可套用至所有的 GPS 接收器中。此章節(jié)將說明執(zhí)行量測的理論與實作，如：敏感度、首次定位時間 (TTFF)、定位精確度/可重複性，與定位追蹤不定性 (Uncertainty)。應(yīng)注意的是，還有許多不同的方式可檢驗定位精確度，並執(zhí)行接收器追蹤功能的測試。雖然接著將說明多種基本方式，但仍無法概括所有。

敏感度 (Sensitivity) 量測作業(yè)介紹

敏感度為 GPS 接收器功能的最重要量測作業(yè)之一。事實上，對多款已量產(chǎn)的 GPS 接收器來說，僅限為最後生產(chǎn)測試所執(zhí)行的 RF 量測而已。若深入來說，敏感度量測即為「接收器可追蹤並接收上方衛(wèi)星定位資訊的最低衛(wèi)星功率強度」。一般人均認(rèn)為，GPS 接收器必須串聯(lián)多組 LNA 以達(dá)極高的增益，才能將訊號放大到合適的功率強度。事實上，雖然 LNA 可提升訊號功率，亦可能降低 SNR。因此，當(dāng) GPS 訊號的 RF 功率強度降低時，SNR 也將跟著降低，最後讓接收器無法追蹤衛(wèi)星。

多款 GPS 接收器可指定 2 組敏感值：擷取敏感度 (Acquisition sensitivity) 與訊號追蹤敏感度(Signal tracking sensitivity) [9]。如字面上的意思，擷取敏感度為「接收器可進(jìn)行定位的最低功率強度」。相反而言，訊號追蹤敏感度為「接收器可追蹤各個衛(wèi)星的最低功率強度」。

以基本概念而言，我們可將敏感度定義為「無線接收器產(chǎn)生所需最低位元錯誤率 (BER) 的最低功率強度」。由於 BER 與載波雜訊 (Carrier-to-noise，C/N) 比息息相關(guān)，因此敏感度一般均是透過已知的接收器輸入功率強度，得出所需的 C/N 值而定。

請注意，各組衛(wèi)星的 C/N 值，均可直接透過 GPS 接收器的晶片組而得。目前有多種方式可計算出此項數(shù)值，而某幾款接收器卻是計算發(fā)訊日期 (Message date) 而得出約略值。當(dāng)透過高功率測試激發(fā)進(jìn)行模擬時，新款 GPS 接收器一般均可得到 54 ~ 56 dB-Hz 的 C/N 峰值。由於即便是萬里無雲(yún)的晴空，GPS 接收器亦可能得出 30 ~ 50 dB-Hz 的 C/N 值；因此該 C/N 限值尚屬於正常範(fàn)圍之內(nèi)。一般 GPS 接收器均必須達(dá)到最小 C/N 比值，才能符合 28 ~ 32 dB-Hz 的定位 (擷取敏感度) 範(fàn)圍。因此，某些特殊接收器的敏感度可定義為「接收器產(chǎn)生最低定位 C/N 比值所需的最低功率強度」。

理論上來說，單一衛(wèi)星或多組衛(wèi)星測試激發(fā)均可量測敏感度。而實務(wù)上來看，由於已可輕鬆且穩(wěn)定發(fā)出所需的 RF 功率，因此往往是以單一衛(wèi)星模式進(jìn)行量測作業(yè)。依定義而言，敏感度為接收器回傳最小 C/N 比值的最低功率強度。在接下來的討論中，則可發(fā)現(xiàn)接收器的敏感度甚為依賴 RF 前端的雜訊指數(shù) (Noise figure。就數(shù)學(xué)運算式來看，我們可根據(jù)下列等式發(fā)現(xiàn)敏感度與接收器雜訊指數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性：

等式 9. 敏感度為 C/N 與雜訊指數(shù)所構(gòu)成的函式。

在等式 9 中，敏感度可表達(dá)為 C/N 比值與雜訊指數(shù)的函式。舉例來說，定位追蹤所需的最低 C/N 為 32 dB-Hz，則雜訊指數(shù)為 2 dB 的接收器將具有 -140 dBm (-174 + 32 + 2) 的敏感度。然而，當(dāng)單獨測試基頻 (Baseband) 收發(fā)器時，往往忽略了第一組 LNA。一般接收器為下圖所示：

圖 14. GPS 接收器往往串聯(lián)多組 LNA [6]

如圖 14 所示，一般 GPS 接收器均是串聯(lián)了多組 LNA，為 GPS 訊號提供高效率的增益。如先前所說，第一組 LNA 將決定整組系統(tǒng)的雜訊指數(shù)。圖 14 中，我們先假設(shè) LNA₁ 具有 30 dB 的增益與 1.5 dB 的 NF。此外，我們假設(shè)整個 RF 前端具有 40 dB 的增益與 5 dB 的 NF。接著請注意，由於 LNA₂ 之後的雜訊功率將超過 -174 dBm/Hz 的熱雜訊 (Thermal noise)，因此帶通 (Bandpass) 濾波器將同時減弱訊號與雜訊。如此將幾乎不會對 SNR 造成任何影響。最後，我們假設(shè) GPS 晶片組可產(chǎn)生 40 dB 的增益與 5 dB 的雜訊指數(shù)。即可計算出整組系統(tǒng)的雜訊指數(shù)為：

圖 15. 線性與對數(shù)模式的增益與 NF

根據(jù)上列計算，即可找出接收器的整體雜訊因數(shù)：

等式 10 與 11. 第一組 LNA 的雜訊係數(shù)將影響接收器的雜訊係數(shù)

透過等式 10 與 11 來看，若 GPS 接收器連接已啟動的天線，則其雜訊指數(shù)約可達(dá) 1.5 dB。請注意，我們已經(jīng)先忽略了相關(guān)雜訊指數(shù)等式中的第三項條件。由於此數(shù)值極小，基本上可將之忽略。

在某些案例中，GPS 接收器的作業(yè)天線會搭配使用內(nèi)建 LNA。因此測試點將忽略接收器的第一組 LNA。如此一來將透過第二組 LNA 得出雜訊指數(shù)，且其往往又大於第一組 LNA 的雜訊指數(shù)。若將 LNA₁ 移除，則可透過下列等式得出 LNA₂ 的雜訊指數(shù)。

等式 12 與 13. 移除第一組 LNA 所得到的接收器雜訊指數(shù)

如等式 12 與 13 所示，若將具備最佳雜訊指數(shù)的 LNA 移除，則將大幅影響整組接收器的雜訊指數(shù)。請注意，雖然此「常見」GPS 接收器雜訊指數(shù)的計算範(fàn)例純?yōu)槔碚摂⑹觯跃哂衅渲匾浴Ｓ伸督邮掌魉尸F(xiàn)的 C/N 比值，實在與系統(tǒng)的雜訊係數(shù)密不可分，因此系統(tǒng)的雜訊係數(shù)可協(xié)助我們設(shè)定合適的 C/N 測試限制。

單一衛(wèi)星敏感度量測

在了解敏感度量測的基本理論之後，接著將進(jìn)行實際量測的各個程序。一般測試系統(tǒng)均是透過直接連線，將模擬的 L1 單一衛(wèi)星載波送入至 DUT 的 RF 通訊埠中。為了獲得 C/N 比值，我們將接收器設(shè)定透過 NMEA-183 協(xié)定進(jìn)行通訊。在 LabVIEW 中，則僅需串聯(lián) 3 筆 GSV 指令，即可讀取最大的衛(wèi)星 C/N 值。

根據(jù) GPS 規(guī)格說明，單一 L1 衛(wèi)星若位於地球表面，則其功率應(yīng)不低於 -130 dBm [7]。然而，消費者對室內(nèi)與戶外的 GPS 接收器使用需求，已進(jìn)一步壓低了測試限制。事實上，多款 GPS 接收器可達(dá)最低 -142 dBm 定位追蹤敏感度，與最低 -160 dBm 訊號追蹤。在一般作業(yè)點 (Operating point) 時，大多數(shù)的 GPS 接收器均可迅速持續(xù)鎖定低於 6dB 的訊號，因此我們的測試激發(fā)則使用 -136dBm 的平均 RF 功率強度。

若要達(dá)到最佳的功率精確度與雜訊水平 (Noise floor) 效能，則建議針對 RF 向量訊號產(chǎn)生器的輸出，使用外接衰減。在大多數(shù)的案例中，40 dB ~ 60 dB 的外接衰減，可讓我們更接近線性範(fàn)圍 (功率 ≥ -80 dBm)，妥善操作產(chǎn)生器。由於各組接收器的定位衰減 (Fix attenuation) 均不甚固定，因此必須先行校準(zhǔn)系統(tǒng)，以決定測試激發(fā)的正確功率。

在校準(zhǔn)程序中，我們可考量：1) 訊號的峰值平均比 (Peak-to-average ratio)、衰減器各個部分的差異，還有任何接線作業(yè)可能的插入損耗 (Insertion loss)。為了校準(zhǔn)系統(tǒng)，應(yīng)先從 DUT 切斷連線，再將該連線接至 RF 向量訊號分析器 (如 PXI-5661)。

Part A：單一衛(wèi)星校準(zhǔn)

當(dāng)執(zhí)行敏感度量測時，RF 功率強度的精確性，實為訊號產(chǎn)生器最重要的特性之一。由於接收器可獲得 0 數(shù)位精確度的 C/N 值 (如 34 dB-Hz)，因此生產(chǎn)測試中的敏感度量測可達(dá) ± 0.5 dB 的功率精確度。因此，必須確保我們的儀控功能至少要達(dá)到相等或以上的效能。由於一般 RF 儀控作業(yè)是專為大範(fàn)圍功率強度、頻率範(fàn)圍，與溫度條件所設(shè)計，因此在執(zhí)行基本系統(tǒng)校準(zhǔn)時，量測的可重複性 (Repeatability) 應(yīng)遠(yuǎn)高於特定儀器效能。下列章節(jié)將進(jìn)一步說明可確保 RF 功率精確度的 2 種方法。

方法 1：單一被動式 RF 衰減器：

雖然使用外接衰減，是為了確保 GPS 訊號產(chǎn)生作業(yè)可達(dá)最佳雜訊密度，但實際僅需 20 dB 的衰減，即可確保雜訊密度低於 -174 dBm/Hz。當(dāng)使用 20 dB 的固定板 (Pad) 時，僅需將儀器設(shè)定為超過 20 dB 的 RF 功率強度即可。為了達(dá)到 -136 dBm 的目標(biāo)，儀器應(yīng)程式設(shè)計為 -115 dBm (假設(shè) 1 dB 的連接線插入損耗)，且將 20 dB 衰減器直接連至產(chǎn)生器的輸出。則所達(dá)到的 RF 功率將為 -136 dBm，但仍具有額外的不確定性。假設(shè) 20 dB 的固定板具有 ± 0.25 dB 的不確定性，且 RF 產(chǎn)生器亦於 -116 dBm 具有 ± 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 最為簡單且不需進(jìn)行校準(zhǔn)，但由於系統(tǒng)中的多項元件均未經(jīng)過校準(zhǔn)，因此可能接著發(fā)生不確定性。請注意，造成儀器不確定性最主要的原因之一，即為電壓駐波比 (Voltage standing wave ratio，VSWR)。因為被動式衰減器是直接連至儀器的輸出，所以反射回儀器的駐波即為實際衰減。由於降低了功率的不確定性，因此可提升整體功率的精確性。

請注意，此處亦使用高效能 VNA 確實量測被動衰減器。透過此量測裝置，即可於 ± 0.1 dB 的不確定性之內(nèi)，決定所要套用的衰減。

 

方法 2：經(jīng)過校準(zhǔn)的多組被動衰減器

校準(zhǔn) RF 功率的第二種方法，即是使用高精確度的 RF 功率計 (高於 ± 0.2 dB 的精確度，並最低可達(dá) -70 dBm) 搭配多款固定式衰減器。因為我們是以固定頻率，與相對較小的功率範(fàn)圍操作 RF 產(chǎn)生器，所以可有效修正由產(chǎn)生器造成的任何錯誤。此外，由於被動衰減器是以固定頻率進(jìn)行線性動作，因此亦可校準(zhǔn)其不確定性。在方法 2 中，主要即必須確保產(chǎn)生系統(tǒng)可達(dá)到最佳效能，且將不確定性降至最低。此高精確度功率計可達(dá)優(yōu)於 80 dB 的動態(tài)範(fàn)圍 (往往為雙頭式儀器)，進(jìn)而確保最低的量測不確定性。

透過高精確度的功率計，即可使用 3 種量測作業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)：1 種用於向量訊號產(chǎn)生器的 RF 功率，另外 2 種量測作業(yè)可校準(zhǔn)衰減器。為了達(dá)到最佳的不確定性，則應(yīng)設(shè)定系統(tǒng)所需的最少量測次數(shù)。若要達(dá)到 -136 dBm 的 RF 功率強度，則可將 RF 儀器程式設(shè)計為 -65 dBm 的功率強度，並使用 70 dB 固定衰減 (假設(shè) 1 dB 插入損耗)。為了確實進(jìn)行 RF 功率強度的程式設(shè)計作業(yè)，則可透過固定的 Padding 校準(zhǔn)實際衰減。校準(zhǔn)程序如下：

1)     將 VSG 程式設(shè)計為+15 dBm 功率強度

可開啟 Measurement and Automation Explorer (MAX) 並使用測試面板。透過測試面板以 +15 dBm 產(chǎn)生 1.58 GHz 連續(xù)波 (CW) 訊號。

2)     以高精確度的功率計量測 RF 功率

使用 RF 功率計，讓功率達(dá)到儀器功率精確度規(guī)格的 +14.78 dBm (或近似值) 之內(nèi)。

3)     附加 70 dB 固定式衰減器(30 dB + 20 dB + 20 dB) 與任何必要的連接線

4)     以高精確度的功率計量測 RF 功率

將功率計設(shè)定為最大平均值 (512)，以量測 RF 功率強度。此處的讀數(shù)為 -56.63 dBm。

5)     計算 RF 總耗損

若以 +14.78 dBm 減去 -56.63 dBm，即可在整合了衰減器與連接線之後，確保產(chǎn)生 71.41 dB 的功率耗損。請注意，多款衰減器往往具備最高 ± 1.0 dB 的不確定性。因此量測所得的衰減可能最高達(dá) ± 3.0 dB 的變化。所以校準(zhǔn)衰減器更顯重要，確保已知衰減可達(dá)較低的不確定性。

根據(jù)衰減器與連接線的校準(zhǔn)常式，即可確定所需的 RF 功率強度必須達(dá)到 -136 dBM。基於前述的 71.41 dB 衰減，必須將 RF 向量訊號產(chǎn)生器設(shè)定為 -58.59 dBm 的功率強度。若要確認(rèn)程式設(shè)計過後的功率無誤，則可依下列步驟進(jìn)行：

6)     直接將功率計附加至 RF 向量訊號產(chǎn)生器

並移除所有的衰減器與連接線。

7)     將 RF 產(chǎn)生器設(shè)定必要數(shù)值，使其最後功率達(dá)到-136 dBm。

而程式設(shè)計的數(shù)值應(yīng)為 -58.59 dBm，即由 -136 dBm + 71.41 dB 而得。

8)     以功率計量測最後功率。

請注意，所測得的 RF 功率，將因儀器的功率精確度而有所不同。即使測得 -58.59，則實際結(jié)果亦將因儀器的不確定性而產(chǎn)生些許變化。

9)     調(diào)整產(chǎn)生器功率直到功率計讀出-58.59 dBm

雖然 RF 產(chǎn)生器可於一定的容錯範(fàn)圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，但此數(shù)值不僅具有可重複性，亦可調(diào)整 RF 功率計進(jìn)行校準(zhǔn)，直到得出合適的數(shù)值為止。

透過上述方法，僅需 3 項 RF 功率量測作業(yè)，即可決定所需的 RF 功率。因此，假設(shè)量測裝置具有 ± 0.2 dB 的不確定性，則可得出 – 136 dBm 的功率不確定性將為 ± 0.6 dBm (3 x 0.2)。

Part B：敏感度量測

現(xiàn)在校準(zhǔn) RF 量測系統(tǒng)的功率之後，接著僅需進(jìn)行 RF 產(chǎn)生器的程式設(shè)計，將功率強度設(shè)定足以讓接收器回傳最小的 C/N。雖然用於量測敏感度的 RF 功率將因接收器而有所不同，但是接收器 C/N 與 RF 功率的比值，將呈現(xiàn)完美的線性關(guān)係。在我們的測試中，可假設(shè)所需的 C/N 為 28 dB-Hz 以進(jìn)行定位。透過等式 12，即可得出接收器 C/N 比值與雜訊指數(shù)之間的關(guān)係。

等式 14. C/N 做為雜訊指數(shù)與衛(wèi)星功率的函式

假設(shè)衛(wèi)星功率穩(wěn)定，則可發(fā)現(xiàn)由接收器回報的 C/N 比，幾乎就等於接收器的雜訊指數(shù)函式。下表顯示可達(dá)到的多樣 C/N 比值。

圖 16. C/N 為雜訊指數(shù)的函式

一般來說，接收器上的 GPS 解碼晶片組，將得出定位作業(yè)所需的最小 C/N 比值。然而，又必須透過整組接收器的雜訊指數(shù)，才能決定目前功率強度所能達(dá)到的 C/N 比值。因此，當(dāng)量測敏感度時，必須先了解定位作業(yè)所需的最小 C/N 比值。

其實有多種方法可量測敏感度。如上表所示，RF 功率與敏感度具有直接相關(guān)性。因此，可根據(jù)現(xiàn)有的敏感度功率強度，量測接收器的 C/N 比值；亦可根據(jù)不同的 RF 功率強度，得出系統(tǒng)敏感度。

為了說明這點，則可注意 RF 訊號功率與 GPS 接收器 C/N 比值，在不同功率強度之下的關(guān)係。下方量測作業(yè)所套用的激發(fā)，即忽略了第一組 LNA 而進(jìn)行，且接收器的整體雜訊指數(shù)約為 8 dB。而圖 17 顯示相關(guān)結(jié)果。

 

圖 17. 接收器的 C/N 比值為 RF 功率的函式

如圖 17 所示，此量測範(fàn)例的 RF 功率與 C/N 比值，幾乎是呈現(xiàn)完整的線性關(guān)係。而若使用高輸入功率模擬 C/N 比值，將產(chǎn)生例外情況；接收器報表將出現(xiàn)可能的最大 C/N 值。然而，因為在任何條件下，進(jìn)行實驗的晶片組均不會產(chǎn)生超過 54 dB-Hz 的 C/N 值，所以這些結(jié)果均屬預(yù)期範(fàn)圍之中。

根據(jù)圖 7 中所示 RF 功率與敏感度之間的線性關(guān)係，其實僅需針對接收器模擬不同的功率強度，即可進(jìn)行 GPS 接收器的生產(chǎn)測試作業(yè)。若接收器在 -142 dBm 得出 28 dB-Hz 的 C/N 值，則亦可於 -136 dBm 得到 34 dB-Hz 的 C/N 值。若特別注重量測速度，則可使用較高的 C/N 值，再從結(jié)果中推斷出敏感度的資訊。

找出雜訊指數(shù)

又根據(jù)等式 13 與 14，搭配相關(guān)載噪比 (Carrier-to-noise ratio)，則可得出接收器或晶片組的雜訊指數(shù)。亦如下方等式 15 所示。

等式 15. 接收器雜訊指數(shù)為功率與 C/N 比值所構(gòu)成的函式。

而由圖 17 所示，接收器的雜訊指數(shù)將直接與 RF 功率強度與載噪比互成比例。根據(jù)此關(guān)係，我們僅需針對 RF 功率強度與 C/N 進(jìn)行關(guān)聯(lián)性，即可量測晶片組的雜訊指數(shù)。而此項量測中請注意，應(yīng)以 0.1 dB 為單位增加產(chǎn)生器的功率。由於 NMEA-183 協(xié)定所得到的衛(wèi)星 C/N 值，是以最接近的小數(shù)位為準(zhǔn)，因此在量測接收器 C/N 比值時，應(yīng)估算雜訊指數(shù)達(dá) 1 位數(shù)的精確度。範(fàn)例結(jié)果如圖 18 所示。

圖 18. DUT 功率與接收器 C/N 的關(guān)聯(lián)。

如圖 18 所示，若 RF 功率強度處於 -136.6 dBm ~ -135.7 dBm 之間，則其 C/N 比值將維持於 30 dB-Hz。若以捨入法計算 NMEA-183 的資料時，則幾乎可確定 -136.1 dBm 功率強度將產(chǎn)生 30.0 dB-Hz 的 C/N 比值無誤。透過等式 14，晶片組的雜訊指數(shù)則為 -174.0 dBm + -136.1 dBm + 30.0 dB-Hz = 7.9 dB。請注意，此計算是根據(jù) 2 組不確定性係數(shù)而進(jìn)行：向量訊號產(chǎn)生器的功率不確定性，還有接收器所產(chǎn)生的 C/N 不確定性。

多組衛(wèi)星的 GPS 接收器量測

敏感度量測需要單一衛(wèi)星激發(fā)，而有多項接收器量測需要可模擬多組衛(wèi)星的單一測試激發(fā)。更進(jìn)一步來說，如首次定位時間 (TTFF)、定位精確度，與精確度降低 (Dilution of precision) 的量測作業(yè)，均需要接收器進(jìn)行定位。由於接收器需要至少 4 組衛(wèi)星進(jìn)行 3D 定位作業(yè)，因此這些量測將較敏感度量測來得耗時。也因此，多項定位量測作業(yè)均於檢驗與校準(zhǔn)作業(yè)中進(jìn)行，而非生產(chǎn)測試時才執(zhí)行。

此章節(jié)將說明可為接收器提供多組衛(wèi)星訊號的方法。在討論 GPS 模擬作業(yè)時，亦將讓使用者了解 TTFF 與定位精確度量測的執(zhí)行方法。若是討論 RF 記錄與播放作業(yè)，將一併說明應(yīng)如何在多項環(huán)境條件下，校準(zhǔn)接收器的效能。 

量測首次定位時間 (TTFF) 與定位精確度

首次定位時間 (TTFF) 與定位精確度量測，為設(shè)計 GPS 接收器的首要檢驗作業(yè)。若您已將多種消費性的 GPS 應(yīng)用了然於胸，即應(yīng)知道接收器回傳其實際位置所需的時間，將大幅影響接收器的用途。此外，接收器回報其位置的精確度亦甚為重要。

為了讓接收器可進(jìn)行定位，則應(yīng)透過導(dǎo)航訊息 (Navigation message) 下載星曆與年曆資訊。由於接收器下載完整 GPS 框架必須耗費 30 秒，因此「冷開機(jī) (Cold start)」的 TTFF 狀態(tài)則需要 30 ~ 60 秒。事實上，多款接收器可指定數(shù)種 TTFF 狀態(tài)。最常見的為：

冷開機(jī) (Cold Start)：接收器必須下載年曆與星曆資訊，才能進(jìn)行定位。由於必須從各組衛(wèi)星下載至少 1 組 GPS 框架 (Frame)，因此大多數(shù)的接收器在冷開機(jī)狀態(tài)下，將於 30 ~ 60 秒時進(jìn)行定位。

暖開機(jī) (Warm Start)：接收器的年曆資訊尚未超過 1 個星期，且不需要其他星曆資訊。一般來說，此接收器可於 20 秒內(nèi)得知目前時間，並可進(jìn)行 100 公里內(nèi)的定位 [2]。大多數(shù)暖開機(jī)狀態(tài)的 GPS 接收器，可於 60 秒內(nèi)進(jìn)行定位，有時甚至僅需更短的時間。

熱開機(jī) (Hot Start)：接收器具備最新的年曆與星曆資訊時，即為熱開機(jī)狀態(tài)。接收器僅需取得各組衛(wèi)星的時序資訊，即可開始回傳定位位置。大多數(shù)熱開機(jī)狀態(tài)的 GPS 接收器，僅需 0.5 ~ 20 秒即可開始定位作業(yè)。

在大部分的情況下，TTFF 與定位精確度均與特定功率強度相關(guān)。值得注意的是，若能於多種情況下檢驗此 2 種規(guī)格的精確度，其實極具有其資訊價值。因為 GPS 衛(wèi)星每 12 個小時即繞行地球 1 圈，所以可用範(fàn)圍內(nèi)的衛(wèi)星訊號隨時都在變化，也讓接收器可在不同的狀態(tài)下回傳正確結(jié)果。

下列章節(jié)將說明應(yīng)如何使用 2 筆資料來源，以執(zhí)行 TTFF 與定位精確度的量測，包含：

1)      接收器在其佈署環(huán)境中，透過天線所獲得的即時資料

2)      透過空中傳遞所記錄的 RF 訊號，並將之用以測試接收器所記錄的資料

3)      當(dāng)記錄即時資料後，RF 產(chǎn)生器用於模擬星期時間 (Time-of-week，TOW) 所得的模擬資料用此 3 筆不同的資料來源測試接收器，可讓各個資料來源的量測作業(yè)均具備可重複特性，且均相互具備相關(guān)性。

量測設(shè)定

若要獲得最佳結(jié)果，則所選擇的記錄位置，應(yīng)讓衛(wèi)星不致受到周遭建築物的阻礙。我們選擇 6 層樓停車場的頂樓進(jìn)行測試，以無建物覆蓋的屋頂儘可能接觸多組衛(wèi)星訊號。透過 GPS 晶片組的多個開機(jī)模式，均可執(zhí)行 TTFF 量測作業(yè)。以 SIRFstarIII 晶片組為例，即可重設(shè)接收器的出廠、冷開機(jī)、暖開機(jī)，與熱開機(jī)模式。下方所示即為接收器執(zhí)行相關(guān)測試的結(jié)果。

若要量測水平定位的精確度，則必須根據(jù)經(jīng)、緯度資訊進(jìn)而了解相關(guān)錯誤。由於這些指數(shù)均以「度」表示，因此可透過下列等式轉(zhuǎn)換之：

等式 16. 計算 GPS 的定位錯誤

請注意該等式中的 111,325 公尺 (111.325 公里)，即等於地球圓周的 1 度 (共 360 度)。此指數(shù)是根據(jù)地球圓周 360 x 111.325 km = 40.077 km 而來。

Off-The-Air GPS

以「Off-the-air」方式量測接收器的 TTFF 時，即是將接收器直接連至天線達(dá)到最不精確的方式。由於此量測作業(yè)可針對已記錄與模擬的 GPS 訊號，進(jìn)而校準(zhǔn)自動化量測作業(yè)，因此亦具有一定的重要性。除此之外，亦可針對 SIRFstar III 晶片組進(jìn)行程式設(shè)計，讓接收器進(jìn)入冷開機(jī)模式，且以接收器所得到的 TTFF 值進(jìn)行所有量測作業(yè)。請注意，GPS 接收器一般指定為 32.6 秒的冷開機(jī) TTFF 時間。在我們的量測作業(yè)中，則得到下列結(jié)果：

圖 19.「Off-the-air」GPS 訊號的 TTFF 與最大 C/N 比值

根據(jù)初始的 「Off-the-air」結(jié)果，則可發(fā)現(xiàn) GPS 接收器在標(biāo)準(zhǔn)的 3 秒誤差內(nèi)，可達(dá)到 33.2 秒的 TTFF。這些量測結(jié)果均位於 TTFF 規(guī)格的容錯範(fàn)圍內(nèi)。而更重要的，即是可透過模擬與記錄的 GPS 資料，進(jìn)而比較量測結(jié)果與實際結(jié)果。

根據(jù)上列線性誤差等式，即可計算各次量測的線性標(biāo)準(zhǔn)誤差。

 

圖 20. 由「Off-the-air」GPS 訊號所得的 LLA

請注意，若要將「Off-the-air」GPS 訊號、模擬訊號，與播放訊號進(jìn)行相關(guān)，則必須先進(jìn)行「Off-the-air」訊號功率的相關(guān)性。當(dāng)進(jìn)行 TTFF 與定位精確度量測時，RF 功率強度基本上不太會影響到結(jié)果。因此，必須比對「Off-the-air」、模擬，與記錄 GPS 訊號的 C/N 比值，即可進(jìn)行 RF 功率的相關(guān)性作業(yè)。

已記錄的 GPS 訊號

雖然可透過即時訊號量測 TTFF 與定位誤差，但是這些量測作業(yè)往往不可重複；如同衛(wèi)星均持續(xù)環(huán)繞地球運行，而非固定不動。進(jìn)行可重複 TTFF 與定位精確度的量測方式之一，即是使用已記錄的 GPS 訊號。此章節(jié)將接著說明應(yīng)如何透過已記錄的 GPS 訊號，以進(jìn)行即時 GPS 訊號的相關(guān)作業(yè)。

已記錄的 GPS 訊號，可透過 RF 向量訊號產(chǎn)生器再次產(chǎn)生。由於必須播放訊號，則校準(zhǔn) RF 功率強度最簡單的方法，即是比對即時與記錄的 C/N 值。當(dāng)獲得「Off-the-air」訊號時，則可發(fā)現(xiàn)所有即時訊號的 C/N 峰值均約為 47 ~ 49 dB-Hz 之間。

而播放訊號的功率強度，亦可達(dá)到與即時訊號相同的 C/N 值，進(jìn)而確定其所得的 TTFF 與位置精確度，將可與即時訊號產(chǎn)生相關(guān)。在下圖 21 中，我們使用的星期時間 (TOW) 值與即時「Off-the-air」訊號的 TOW 相近，而在 4 次不同的實驗下得到 TTFF 結(jié)果。

圖 21. 由「Off-the-air」GPS 訊號所得的 TTFF

除了量測首次定位時間之外，亦可量測 GPS 接收器所取得的經(jīng)度、緯度，與高度資訊。下圖顯示相關(guān)結(jié)果。

圖 22. 由「Off-the-air」GPS 訊號所得的 LLA

從圖 21 與 22 中可注意到，其實透過已記錄的 GPS 訊號，即可得到合理的可重複 TTFF 與 LLA (Latitude、Longitude、Altitude) 結(jié)果。然而，由於這些量測作業(yè)的錯誤與標(biāo)準(zhǔn)誤差，僅稍微高於「Off-the-air」量測的誤差，因此幾乎可將之忽略。因為絕對精確度 (Absolute accuracy) 較高，所以可重複性亦較優(yōu)於「Off-the-air」量測作業(yè)。

模擬的 GPS 訊號

最後 1 種可進(jìn)行 TTFF 與定位精確度量測的 GPS 測試訊號來源，即為模擬的多組衛(wèi)星 GPS 訊號。透過 NI LabVIEW GPS 工具組，即可透過由使用者定義的 TOW、星期數(shù)，與接收器位置，模擬最多 12 組衛(wèi)星。此 GPS 訊號模擬方式的主要優(yōu)點，即是透過可能的最佳訊噪比 (SNR) 構(gòu)成 GPS 訊號。與即時/記錄的 GPS 訊號不同，依此種方法所建立的可重複訊號，其雜訊功率甚小。圖 23 即呈現(xiàn)了模擬多組衛(wèi)星訊號的頻域。

VSA 設(shè)定

Center: 1.57542 GHZz

Span: 4 MHz

RBW: 100 Hz

Averaging: RMS, 20 Average

 

圖 23. 模擬多組衛(wèi)星 GPS 訊號的帶內(nèi)功率 (Power-in-band) 量測作業(yè)

當(dāng)透過模擬的多組衛(wèi)星波形測試接收器時，則可針對接收器所提供的 C/N 比值進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以再次評估所需的 RF 功率。

一旦能為 RF 功率強度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，則可接著量測 TTFF。當(dāng)量測 TTFF 時，應(yīng)先啟動 RF 向量訊號產(chǎn)生器。過了 5 秒鐘之後，可手動將接收器轉(zhuǎn)為「冷」開機(jī)模式。一旦接收器取得定位資訊，則將回報 TTFF 資訊。下圖則呈現(xiàn)模擬 GPS 訊號的相關(guān)結(jié)果：

圖 24. TTFF 數(shù)值的 4 項專屬模擬

請注意圖 24 中的所有模擬作業(yè)均使用相同的 LLA (Latitudes、Longitude，與 Altitude)。

此外，若要量測 TTFF，我們亦可依不同的 TOW 建立模擬作業(yè)，以計算 LLA 的精確度與可重複性。請注意，由於在數(shù)個小時之內(nèi)，可用的衛(wèi)星訊號將持續(xù)變化，因此必須設(shè)定多種 TOW 以測試精確度 (如圖 24)。而圖 25 則表示其 LLA 資訊。

圖 25. 多項 TOW 模擬作業(yè)的水平精確度

在圖 25 中，可根據(jù)模擬的定位，計算出公尺為單位的水平錯誤。又如圖 20 所示，可透過下列等式找出錯誤：

等式 17. 模擬 GPS 訊號的定位錯誤

而針對我們所使用的接收器而言，其水平定位最大誤差為 5.2 公尺，水平定位平均誤差為 1.5 公尺。而透過圖 18 所示，我們所使用的接收器均可達(dá)指定的限制之內(nèi)。

如先前所述，接收器的精確度，與可用的衛(wèi)星訊號密不可分。也就是說，接收器的精確度可能在數(shù)個小時內(nèi)大幅變化 (衛(wèi)星訊號改變)，但是其可重複性卻極小。為了確認(rèn)我們的 GPS 接收器亦為如此，則可針對特定的模擬 GPS 波形執(zhí)行多項測試。此項作業(yè)主要是必須確認(rèn)，RF 儀控並不會對模擬的 GPS 訊號產(chǎn)生額外的不確定性。如下方圖 26 所示，當(dāng)重複使用相同的二進(jìn)制檔案時，我們所使用的 GPS 接收器將得到極高可重複性的量測。

圖 26. 相同波形的各次測試，其誤差亦具有極高的可重複性

回頭再看圖 20，使用模擬 GPS 訊號的最大優(yōu)點之一，即是可達(dá)到可重複的定位結(jié)果。由於此特性可讓我們確認(rèn)：所回報的定位資訊，並不會因為設(shè)計迭代 (Iteration) 而發(fā)生變化，因此在開發(fā)的設(shè)計檢驗階段中，此特性格外重要。

量測動態(tài)定位精確度

GPS 接收器測試的最後 1 種方法，即是量測接收器的追蹤功能，使其在大範(fàn)圍的功率強度與速度中維持定位。在過去，此種測試 (往往亦為功能測試) 的常見方法之一，即是整合驅(qū)動測試與多路徑衰減 (Multi-path fading) 模擬。在驅(qū)動測試 (Drive test) 中，我們使用可導(dǎo)入大量訊號減損 (Impairment) 的已知路徑，驅(qū)動原型接收器。由於驅(qū)動測試是將自然減損套用至 GPS 衛(wèi)星訊號的簡單方法，因此這些量測往往亦不可重複。事實上，如GPS 衛(wèi)星移動、天氣條件的變化，甚至年度時間 (Time of year) 的因素，均可影響接收器的效能。

因此，目前有 1 種逐漸普及的方法，即是於驅(qū)動測試上記錄 GPS 訊號，以大量訊號減損檢驗接收器效能。若要進(jìn)一步了解設(shè)定 GPS 記錄系統(tǒng)的方法，請參閱前述章節(jié)。而在驅(qū)動測試方案中，有多款 PXI 機(jī)箱可供選擇。最簡單的方式，即是使用 DC 機(jī)箱並以汽車電池進(jìn)行供電。其次可使用標(biāo)準(zhǔn)的 AC 機(jī)箱，搭配轉(zhuǎn)換器即可使用汽車電池供電。在此 2 種選項中，DC 機(jī)箱的耗電量較低，但亦較難以於實驗室中供電。如下列所示的標(biāo)準(zhǔn) AC 機(jī)箱使用結(jié)果，其所供電的系統(tǒng)則包含 1 組外接的車用電池，與 1 組 DC to AC 轉(zhuǎn)換器。

一旦我們完成 GPS 訊號的記錄作業(yè)，即可透過相同的測試資料重複測試接收器。在下方的說明中，我們追蹤接收器的經(jīng)度、緯度，與速度。透過序列埠與每秒 1 次的 NMEA-183 指令讀取速率，從接收器讀取所需的資料。在下方量測中，我們所呈現(xiàn)的接收器特性參數(shù)，僅有定位與衛(wèi)星 C/N 值。請注意，在執(zhí)行這些量測作業(yè)的同時，亦可分析其他資訊。雖然下列結(jié)果中並未量測水平精確度衰減 (Horizontal dilution of precision，HDOP)，但此特性參數(shù)亦可提供大量的接收器定位精確度資訊。

若要獲得最佳結(jié)果，則應(yīng)確實同步化接收器與 RF 產(chǎn)生作業(yè)的指令介面。下方所示結(jié)果中，我們將 COM 埠 (pin 2) 的資料通道做為開始觸發(fā)器，以針對RF 向量訊號產(chǎn)生器與 GPS 模組進(jìn)行同步化。此同步化方式僅需任意波形產(chǎn)生器的 1 個時脈循環(huán) (100 MS/s)，即可進(jìn)行向量訊號產(chǎn)生器與 GPS 接收器的同步化。因此最大的歪曲 (Skew) 應(yīng)為 10 µS。並請注意，因為我們將取得接收器的經(jīng)緯度，所以由同步化作業(yè)所造成的精確度錯誤，將為 10µs 乘以 Max Velocity (m/s)，或為 0.15 mm。

使用上述的設(shè)定，我們即可按時取得接收器的經(jīng)緯度。結(jié)果即如下圖所示：

圖 27 與 28. 每 4 分鐘所得到的接收器經(jīng)緯度

在圖 27 與 28 所呈現(xiàn)的資料中，即使用已記錄的驅(qū)動測試訊號，取得統(tǒng)計、定位，與速度的相關(guān)資訊。此外我們可觀察到，在每次的測試之間，此項資訊具有相對的可重複性；即為每個獨立軌跡所呈現(xiàn)的差異。事實上，這就是我們最需要的接收器可重複性 (Repeatability)。由於可重複性資訊將可預(yù)估 GPS 接收器精確度的變化情形，因此我們亦可計算波形各個樣本之間的標(biāo)準(zhǔn)誤差。在圖 29 中，我們在各次同步化取樣作業(yè)之間，繪出標(biāo)準(zhǔn)的定位誤差 (相對於平均位置)。

圖 29. 依時間取得的經(jīng)度與緯度標(biāo)準(zhǔn)誤差

當(dāng)看到水平標(biāo)準(zhǔn)誤差時，可注意到標(biāo)準(zhǔn)誤差在 120 秒時快速增加。為了進(jìn)一步了解此現(xiàn)象，我們亦根據(jù)接收器的速度 (m/s) 與 C/N 值的 Proxy，繪出總水平標(biāo)準(zhǔn)誤差。而我們預(yù)先假設(shè)：在沒有高功率衛(wèi)星的條件下，衛(wèi)星的 C/N 比值僅將影響接收器。因此，我們針對接收器所回傳 4 組最高高度的衛(wèi)星，平均其 C/N 比值而繪出另 1 組 C/N 的 Proxy。結(jié)果即如下列圖 30 所示。

圖 30. 定位精確度與 C/N 值的相關(guān)性

如圖 30 所示，在 120 秒時所發(fā)生的峰值水平錯誤 (標(biāo)準(zhǔn)誤差中)，即與衛(wèi)星的 C/N 值產(chǎn)生直接關(guān)聯(lián)，而與接收器的速度無關(guān)。此次取樣的標(biāo)準(zhǔn)誤差約為 2 公尺，且已低於其他取樣約 10 公尺的誤差。同時，我們可發(fā)現(xiàn)前 4 名的 C/N 平均值，由將近 45 dB-Hz 驟降至 41 dB-Hz。

上述的測試不僅說明 C/N 比值對定位精確度的影響，亦說明了已記錄 GPS 資料所能進(jìn)行的分析作業(yè)種類。在此測試中的 GPS 訊號驅(qū)動記錄作業(yè)，是在中國深圳 (Shenzhen) 北方的惠州市 (Huizhou) 所進(jìn)行。並接著於德州奧斯汀 (Austin Texas) 測試實際的接收器。

結(jié)論

如整篇文件所看到的，目前已有多項技術(shù)可測試 GPS 接收器。雖然如敏感度的基本量測，最常用於生產(chǎn)測試中，但是此量測技術(shù)亦可用於檢驗接收器的效能。這些測試技術(shù)雖然各有變化，但是均可於單一 PXI 系統(tǒng)中全數(shù)完成。事實上，GPS 接收器均可透過模擬或記錄的基頻 (Baseband) 波形進(jìn)行測試。透過整合的方式，工程師可執(zhí)行完整的 GPS 接收器功能測試：從敏感度到追蹤其可重複性。