深挖智能汽車(chē)設計要素，你知多少？

不同類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)通信信號，均需要不同的帶寬、中央頻率，與增益。以GPS信號來(lái)說(shuō)，基本系統需求是以1.57542GHz的中央頻率，記錄2.046MHz的RF帶寬。依此帶寬需求，至少必須達到2.5MS/s(1.25x2MHz)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5MS/s(20MB/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20MB/s或更高的數據流量，因此不需使用外接的RAID亦可將GPS信號串流至磁盤(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USB2.0的外接硬盤(pán)。此硬盤(pán)為320GB的Western Digital Passport，具有5400RPM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25~28MB/s.因此該款硬盤(pán)可同時(shí)用于GPS波形數據串流的仿真(6MB/s)與記錄(20MB/s)作業(yè)。

GPS信號記錄作業(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L1GPS頻帶中發(fā)現介于-120~-110dBm的常見(jiàn)峰值功率(此處為-116dBm)。由于GPS信號的功率強度極小，因此必須進(jìn)行放大作業(yè)，以使矢量信號分析器可擷取衛星信號的完整動(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信號，不過(guò)我們發(fā)現：若使用主動(dòng)式GPS天線(xiàn)搭配N(xiāo)IPXI-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30dB增益的LNA，則總增益則可達到60dB(30+30)。因此，矢量信號分析器可測得的峰值功率，將從-116dBm提升至-56dBm.下圖即為該項設定的范例系統：

圖6.GPS接收器與串聯(lián)的LNA.

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)信號構成最低噪聲。亦請注意，圖6中的矢量信號分析器為簡(jiǎn)化圖標。實(shí)際的PXI-5661為3階段式超外差(Super-heterodyne)矢量信號分析器，較復雜于圖中所示。

若將60dB套用至無(wú)線(xiàn)信號中，則可于L1中得到約-60~-50dBm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信號。然而，帶外(Out-of-band)信號的峰值功率一般均不會(huì )超過(guò)-20dBm，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L1GPS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60dB的總增益。

中心頻率：1.57542GHz

展頻(Span)：4MHz

RBW：10Hz

平均：RMS、20Averages

圖7.僅透過(guò)極小的分辨率帶寬(RBW)，才可于頻譜中呈現GPS

此處使用前面所提到的RF記錄與播放LabVIEW范例程序;設定-50dBm的參考準位、1.57542GHz中央頻率，與5MS/s的IQ取樣率。下圖即顯示設置范例的人機接口：

圖8.RF記錄與播放范例的人機接口。

GPS信號的最長(cháng)記錄時(shí)間，將根據取樣率與最大儲存容量而定。若使用2TB容量的Raid磁盤(pán)陣列(Windows XP所支持的最大磁盤(pán))，將可透過(guò)5MS/s取樣率記錄最多25個(gè)小時(shí)的信號。

設定RF前端

由于串聯(lián)的LNA可提供60dB的增益，因此使用者可大幅提升矢量信號分析器前端的功率。在我們的測量作業(yè)中，60dB的增益即足以將峰值功率從-116dBm提升至-56dBm.而透過(guò)60dB的增益(與1.5dB的噪聲系數)，信號的噪聲功率將為–112dBm/Hz(-174+增益+F)。因此，所能擷取到的訊噪比(SNR)最高可達56.5dB(-56dBm+112.5dBm)，亦低于實(shí)際的儀器動(dòng)態(tài)范圍。由此可知，若有80dB的動(dòng)態(tài)范圍，則VSA將可記錄最大的SNR，且不會(huì )有無(wú)線(xiàn)信號的噪聲影響。

當要記錄任何無(wú)線(xiàn)信號時(shí)，可將參考準位設定高出一般峰值功率至少5dB，以因應任何信號強度的異?，F象。在某些情況下，雖然上述此步驟將降低VSA的有效動(dòng)態(tài)范圍，但GPS信號卻不會(huì )受到影響。由于GPS信號于天線(xiàn)輸入的最大理想SNR即為58dB(-116+174)，因此若于VSA記錄超過(guò)58dB的動(dòng)態(tài)范圍將無(wú)任何意義。因此，我們甚至可以“拋棄”儀器的動(dòng)態(tài)范圍達10dB以上，亦不會(huì )影響記錄信號的質(zhì)量(在此帶寬中，PXI-5661將提供優(yōu)于75dB的動(dòng)態(tài)范圍)。

由于必須設定合適的參考準位，適當設定記錄裝置的RF前端亦顯得同樣重要。如先前所提，若要獲得最佳的RF記錄數據，則建議使用主動(dòng)式GPS天線(xiàn)。由于主動(dòng)式天線(xiàn)內建LNA，以低噪聲系數提供最高30dB的增益，因此亦可供應DC偏壓。下方將接著(zhù)說(shuō)明多種偏壓方式。

方法1：以GPS接收器進(jìn)行供電的主動(dòng)式天線(xiàn)

第一個(gè)方法，是以DC偏壓“T”供電至主動(dòng)式天線(xiàn)。在此范例中，我們將DC信號(此為3.3V)套用至偏壓“T”的DC埠，且“T”又將合適的DC偏移套用至主動(dòng)式天線(xiàn)。請注意，此處將根據主動(dòng)式天線(xiàn)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(shuō)明相關(guān)連結情形。

圖9.使用DC偏壓“T”供電至主動(dòng)式GPS天線(xiàn)