使用真实数据测试GPS接收机

     从历史上看，GPS接收机的设计者已经将对在复杂环境下的接收机性能进行了仿真和驱动测试。尽管GPS信号模拟可以提供了可以重复的信号源，但仿真器无法重复产生现实中常见的复杂的多径信号畸变。此外，驱动测试还包含了固有的挑战。不仅仅是测试成本昂贵，并从根本上给接收机引入了一些很难在不同的实验中重复的信号。

      正因为这些挑战，一个用于对接收集验证的通用方法使用已经记录下来的GPS信号来进行测试接收机。该方法使用了一个RF矢量信号分析仪（如NI的PXI-5661）来记录实时的GPS信号并将其连续的IQ路数据存入文件。然后，RF矢量信号发生器（如NI的PXIe-672）用于将存储的信号回放并发到接收机中。通过记录下的信号来测试GPS接收机要好于传统的仿真方法或驱动测试方法。该方法不仅引入了现实环境中的失真，而且这种方式是可重复的。因此，你可以对不同的接收机进行测试，然后观察在同一个测试仿真中他们是如何反应的。

配置RF可记录设备

      关于配置RF记录仪和回放系统，有两个问题需要考虑到，即：使用全动态RF矢量信号分析仪；确保记录设备不会给信号引入额外的噪声。关于第一个问题，一种简单的捕获GPS信号的全动态范围的方法是使用带有符号动态范围的矢量信号分析仪。通过传统的信号分析仪来提供80dB的动态范围，信噪比较小的信号“通常小于30dB”，如GPS信号，可以很容易被记录下来，而不会受到空中信号信噪比的显著影响。因此，唯一剩下的任务是放大空中信号，而尽可能不增加额外的噪声。

      在典型的环境中，每个GPS卫星将有一个-135dBm到-125dBm的平均功率范围（粗捕获码，CA），具体要依赖于位置和环境因素。典型的场景将使L1（1.57542 GHz）频段上的信号具有-120dBm到-110dBm的峰值功率。在测试中，我们观察到的峰值功率为-116dBm。正如期望那样，记录这样的低功率信号需要很好的选择天线和放大器。事实上，为了使用全动态范围的RF矢量信号分析仪，就必须使用放大器。有很多方法来放大空中GPS信号，不过最佳的方案是使用有源GPS天线与低噪声放大器级联。两个级联的低噪声放大器可以提供总共60dB的增益。因此，从矢量信号分析仪中观察到的峰值功率将增长到-116dBm到-56dBm。RF矢量信号分析仪上所需的功率在不同的仪器中是不同的，而具体的值是通过矢量分析仪的最大增益来决定的。

增强有源天线

      为了捕获GPS信号，尽可能少引入额外噪声，需要使用噪声系数小于2dB的有源天线。这可以达到最佳效果。有源天线提供了最佳的增益性能和最小的噪声系数，而这自然也给信号引入了2.5伏到5伏的直流偏置。

      为了增强有源天线，一个常用的方法是使用直流偏置“T”。通过使用这个部件，直流信号（这里为3.3伏）流入偏置T的直流端口。注意，你所使用的直流电压精度取决于有源天线对直流功率的要求。图1显示了系统设置的方框图。

图1：你可以使用直流偏置T来增强有源GPS天线。

      在图1中，你可以使用任意现有的直流电源来为直流偏置信号供电。尽管这里我们使用的是NI的PXI-4110，实际上任何普通电源都可以工作。此外，很重要的是直流偏置T额定工作在1.57542GHz下的，该频率也是在L1 GPS信号频段中的。直流偏置T，如图中所示，可以在minicircuits.com购买到。

     一旦可记录设备的RF前端设置完，你可以通过一个L1频段上的基本RF频谱测量方法来对系统进行简单的测试。如将RF信号分析仪配置成中心频率为1.57542 GHz、带宽为4 MHz。注意天线应该放置在有着清晰的空中视野的环境中。GPS粗捕获码信号占用了1MHz带宽，因此需要更宽的带宽来显示该信号的频谱。此外，因为此时的信号功率很小，需要一个带有低RF参考值（-50dBm）的窄带解决方案。通过配置20个10Hz的窄带宽，GPS卫星可以清晰地显示在噪声门限上。图2显示了带有总增益60dB的RF频谱。

图2：GPS在一个窄带解决方案中的频谱图。

      图2显示出在频率1.57542 GHz处，有一个小“凸点”。该凸点是空中GPS信号，这意味着RF前端信号已经正确的配置过了。现在，RF前端配置完，接下来是进行连续的IQ采集。通过连接大型的存储容量，经典的RF可记录系统可以连续捕获GPS波形长达25小时。

使用记录下的GPS信号进行实验

      RF记录和回放方法的最大好处之一是，你可以使用这些现实的数据来测试接收机。此外，你可以观察一个接收机是如何对同一环境条件下的重复反应。在下面的实验中，我们观察GPS接收机如何对相同的GPS记录下的波形进兵不同的10次回放反应。实验中的接收机的具体型号是SiRFstar III芯片组。所有接收机的信息通过串联RS232接口进行上报主机，其存储的格式为NMEA-183。

      使用可记录GPS信号进行的一个实验是，不断观察信号强度和位置间的关系。为了观察到这个关系，我们计算了10个试验中每个试验的经度和纬度的标准方差。如果卫星的该数据能够影响位置精度和可重复性，我们将会看到该方差会随着卫星淡出视野而增大。例如，可以使用4个最高卫星的的平均载干比作为刻画信号条件的量度。为了访问NMEA-183数据，你还可以跟踪HDOP以及在视野中的卫星个数。不过，在图3中，存在一个信号强度和位置可重复性间的强烈相关性。

图3：位置精度和载干比间的关系。

      不同试验的峰值偏差发生在时间为120秒时。在这一时刻标准方差大约为2米，而其他时间里，该方差要远远小于1米。标准方差的跳变与四个最高卫星强度45 dB-Hz降到41dB-Hz现象同时发生。此外，位置的标准方差直接与卫星的载干比相关，而与移动速度没有太多联系。

      以上的试验突出了环境因素对接收机性能的影响。非常可能的是，当视野中出现卫星的个数突然下降时，接收机会迅速作出反应。无论哪种方式，该试验可以当作是一种对GPS记录波形的例子分析。现实环境中，RF信号是存在硬盘中，你可以在未来的某个时候进行与上述形似的试验分析。

      尽管对接收机在部署环境中如城市峡谷进行驱动测试是非常普遍的，RF记录和回放系统已经成为了一种验证RF接收机的新型解决方案。正如本文所讲的，精心选择记录设备的RF前端，可以保证信号被捕获而没有引入显著的损耗与失真。最后，通过记录GPS波形，你可以进行广泛的试验。因为这些记录的数据可以帮助你产生可重复的RF信号，因此很容易观察到接收机在同样的RF环境条件下是如何作出反应的。