GPS接收器測試

　　只要透過(guò)極為直接的方式，即可擷取空氣中的 GPS 訊號。在 RF 記錄系統中，我們將適合的天線(xiàn)與放大器，搭配使用 PXI 向量訊號分析器與硬盤(pán)，以擷取最多可達數個(gè)小時(shí)的連續數據。舉例來(lái)說(shuō)，1 組 2 TB 的 RAID 磁盤(pán)陣列，即可記錄最多 25 個(gè)小時(shí)的 GPS 波形。由于此篇技術(shù)文件將不會(huì )討論串流的特殊技術(shù)，因此若需要相關(guān)范例程序代碼，請至：http://www.ni.com/streaming/rf。透過(guò)下列段落，即可了解應如何針對 RF 記錄與播放系統，設定合適的 RF 前端。

　　不同類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)通信訊號，均需要不同的帶寬、中央頻率，與增益。以 GPS 訊號來(lái)說(shuō)，基本系統需求是以 1.57542 GHz 的中央頻率，記錄 2.046 MHz 的 RF 帶寬。依此帶寬需求，至少必須達到 2.5 MS/s (1.25 x 2 MHz) 取樣率。注意：此處的 1.25 乘數，是根據 PXI-5661 數字降轉換器 (DDC) 于降頻 (Decimation) 階段的下降 (Roll-off) 濾波器所得出。

　　在下方說(shuō)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帶寬。由于標準 PXI 控制器硬盤(pán)即可達到 20 MB/s 或更高的數據流量，因此不需使用外接的 RAID 亦可將 GPS 訊號串流至磁盤(pán)。然而，基于 2 個(gè)理由，我們仍建議使用外接硬盤(pán)。首先，外接硬盤(pán)可提升整體的數據儲存量，并記錄多組波形。其次，外接硬盤(pán)不會(huì )對 PXI 控制器的硬盤(pán)造成額外負擔。在下方說(shuō)明的測試作業(yè)中，我們采用 1 組 USB 2.0 的外接硬盤(pán)。此硬盤(pán)為 320 GB 的 Western Digital Passport，具有 5400 RPM 的硬盤(pán)轉速。在我們的測試作業(yè)中，一般讀取速度約落在 25 ~ 28 MB/s。因此該款硬盤(pán)可同時(shí)用于 GPS 波形數據串流的仿真 (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，即是選擇并設定合適的天線(xiàn)與低噪聲放大器 (LNA)。透過(guò)一般被動(dòng)式平面天線(xiàn) (Passive patch antenna)，即可于 L1 GPS 頻帶中發(fā)現介于 -120 ~ -110 dBm 的常見(jiàn)峰值功率 (此處為 -116 dBm)。由于 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星訊號的完整動(dòng)態(tài)范圍。雖然有多個(gè)方法可將合適的增益強度套用至訊號，不過(guò)我們發(fā)現：若使用主動(dòng)式 GPS 天線(xiàn)搭配 NI PXI-5690 前置放大器 (Pre-amplifier) 時(shí)，即可達到最佳效果。若串聯(lián) 2 組各可達 30 dB 增益的 LNA，則總增益則可達到 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。下圖即為該項設定的范例系統：　　

 　　請注意，記錄操作系統的必備組件之一，即為主動(dòng)式 GPS 天線(xiàn)。主動(dòng)式 (Active) GPS 天線(xiàn)，包含 1 組平面天線(xiàn)與 1 組 LNA。此款天線(xiàn)一般均需要 2.5V ~ 5V 的 DC 偏壓電壓，并僅需約 $20 美金即可購買(mǎi)現成產(chǎn)品。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們使用 1 組天線(xiàn)搭配 1 組 SMA 接頭。我們將于下列段落中看到，在 RF 前端的第一組 LNA 噪聲圖形極為重要;該圖形將可確認進(jìn)行記錄作業(yè)的儀控，是否對無(wú)線(xiàn)訊號構成最低噪聲。亦請注意，圖 6 中的向量訊號分析器為簡(jiǎn)化圖標。實(shí)際的 PXI-5661 為 3 階段式超外差 (Super-heterodyne) 向量訊號分析器，較復雜于圖中所示。

　　若將 60 dB 套用至無(wú)線(xiàn)訊號中，則可于 L1 中得到約 -60 ~ -50 dBm 的峰值功率。若以?huà)哳l (Swept spectrum) 模式設定 VSA 并分析整體頻譜，則亦將發(fā)現 L1 頻帶 (FM 與移動(dòng)電話(huà))之外的帶中功率 (Power in band)，其強度將高于 GPS 訊號。然而，帶外 (Out-of-band) 訊號的峰值功率一般均不會(huì )超過(guò) -20 dBm，且將透過(guò) 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 前端是否達到應有效率，最簡(jiǎn)單的方法之一即為開(kāi)啟 RFSA 示范面板的范例程序。透過(guò)此程序，即可于 L1 GPS 頻帶中呈現 RF 頻譜。圖 7 即為常見(jiàn)的頻譜。請注意，此頻譜截圖是透過(guò) GPS 中心頻率于室外所得。主動(dòng)式 GPS 天線(xiàn)與 PXI-5690 前置放大器，可達到 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