GPS信號(hào)仿真器校準(zhǔn)方法

陳海詠 金雷鳴/上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

0 引言

2011年4月10日4時(shí)47分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號(hào)甲運(yùn)載火箭，成功地將第八顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入太空預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道，標(biāo)志著我國衛(wèi)星定位系統(tǒng)的建設(shè)又向前邁進(jìn)了一步。

GPS自20世紀(jì)90年代開始發(fā)展到現(xiàn)在，十幾年來已由原先專用于軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)而普及到了民用范圍。尤其是近幾年GPS終端設(shè)備在國內(nèi)需求猛增，汽車、手機(jī)、PDA等，幾乎每個(gè)種類的電子產(chǎn)品都能看到GPS的身影。隨著人們生活質(zhì)量不斷提升，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的要求也越來越高。生產(chǎn)商早早看到了這塊市場(chǎng)的美好前景，各種不同類型的移動(dòng)定位設(shè)備層出不窮。為了測(cè)試此類產(chǎn)品的綜合性能，制造商過去使用天線接收實(shí)際GPS信號(hào)作為測(cè)試手段的方式既不靈活，投資成本又高，而GPS信號(hào)仿真技術(shù)就能很好地解決這一技術(shù)難題。各類GPS信號(hào)仿真器已經(jīng)成為GPS終端制造商廣泛使用的測(cè)試儀器，因此對(duì)仿真器的量值溯源顯得尤為重要。

1 GPS信號(hào)特點(diǎn)及仿真器性能

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可測(cè)算出接收機(jī)的具體位置。

傳統(tǒng)的GPS衛(wèi)星在主頻率L1（1575.42 MHz）和次頻率L2（1227.60 MHz）上發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，它們的頻率分別是基本頻率10.23 MHz的154倍和120倍，這些載波頻率由擴(kuò)頻碼和一個(gè)共同的導(dǎo)航數(shù)據(jù)電文進(jìn)行調(diào)制。所有衛(wèi)星以CDMA的形式在相同的載波頻率上發(fā)射信號(hào)。

全球定位系統(tǒng)GPS衛(wèi)星的定時(shí)信號(hào)提供緯度、經(jīng)度和高度的信息。準(zhǔn)確的距離測(cè)量需要準(zhǔn)確的時(shí)鐘，因此，其內(nèi)部晶體振蕩器和頻率合成的準(zhǔn)確度至關(guān)重要。

GPS導(dǎo)航衛(wèi)星L1信號(hào)衛(wèi)星發(fā)射機(jī)功率為26 W，衛(wèi)星天線增益12 dB，衛(wèi)星至地面的路徑損耗約為-182.5 dB，因此，GPS信號(hào)到達(dá)地面時(shí)已經(jīng)很弱，深埋在噪聲信號(hào)中。仿真器能夠模擬這種小信號(hào)輸出模式，但也給校準(zhǔn)帶來了困難。

GPS仿真器具備了多衛(wèi)星GPS 配置，通過采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠輕松地適應(yīng)不同應(yīng)用的需求。它可以在一個(gè)信號(hào)發(fā)生器裝置中支持多個(gè)RF載波信號(hào)，而且有多種星座和信號(hào)可供選擇。如果需要更多的信號(hào)與輸出，可以將多個(gè)裝置組合到一起，構(gòu)成一套集成化的、同步的信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)。

仿真器還提供了真實(shí)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)(發(fā)送多普勒頻移和導(dǎo)航信息的同步衛(wèi)星)，以及模擬環(huán)境的能力，包括模擬大氣效應(yīng)、多路徑反射、地形障礙、天線接收增益/相位模式和差分校正等，為陸地、航空、航海和航天交通工具生成軌跡。

GPS信號(hào)仿真器工作方式見圖1。

圖1 GPS信號(hào)仿真器工作方式

2 主要參數(shù)的校準(zhǔn)方法

由于現(xiàn)在國家還沒有校準(zhǔn)規(guī)范專門針對(duì)該類信號(hào)仿真器，但其大部分參量國家已經(jīng)有相關(guān)的校準(zhǔn)規(guī)范。我們?cè)趨⒄者@些相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范及生產(chǎn)廠家的校準(zhǔn)手冊(cè)的基礎(chǔ)上，摸索行之有效的校準(zhǔn)方法，對(duì)信號(hào)仿真器的主要項(xiàng)目：頻率、電平、調(diào)制等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

進(jìn)行校準(zhǔn)前，被校信號(hào)仿真器和校準(zhǔn)用設(shè)備應(yīng)該預(yù)熱30～60min。

2.1 頻率準(zhǔn)確度校準(zhǔn)

頻率準(zhǔn)確度是數(shù)字信號(hào)源的重要技術(shù)指標(biāo)，其內(nèi)部晶體振蕩器的校準(zhǔn)參照J(rèn)JG180-2002 《電子測(cè)量儀器內(nèi)石英晶體振蕩器檢定規(guī)程》進(jìn)行。

在測(cè)試普通數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器輸出單頻信號(hào)的合成頻率時(shí)，可以直接通過頻率計(jì)讀數(shù)，但在測(cè)試GPS仿真器時(shí)，會(huì)稍微復(fù)雜一些。GPS信號(hào)的特征之一是其信號(hào)相當(dāng)微弱，往往會(huì)被環(huán)境噪聲或是一些舊型號(hào)儀器的本底噪聲湮沒，所以它的信號(hào)強(qiáng)度要低于頻率計(jì)的最高靈敏度，使頻率計(jì)無法捕捉到信號(hào)。我們用一個(gè)具備較高頻率分辨力的頻譜儀來完成這項(xiàng)校準(zhǔn)。檢測(cè)時(shí)先使仿真器輸出單點(diǎn)頻載波信號(hào)，調(diào)節(jié)仿真器輸出電平至最大，為了得到最高的頻率準(zhǔn)確度，需調(diào)節(jié)頻譜儀的中頻濾波器帶寬至最小；然后放大SPAN，使用頻譜儀的MARK功能測(cè)試信號(hào)峰值電平，直接讀出頻率值。

對(duì)于GPS仿真器通常選取1575.42 MHz和1227.60 MHz兩個(gè)常用的頻率校準(zhǔn)點(diǎn)。

2.2 電平準(zhǔn)確度校準(zhǔn)

與測(cè)試合成頻率類似，為了模擬地面收到的GPS小信號(hào)，GPS仿真器的最大輸出電平一般在-50 dB左右，衰減最小能到-130 dB。造成測(cè)量接收機(jī)無法捕捉頻率而難以測(cè)量其調(diào)諧電平值。

與頻率測(cè)試不同的是，電平測(cè)試所接觸的信號(hào)更小，測(cè)試難度更大。同樣，采用一臺(tái)低噪聲、高靈敏度的頻譜分析儀來完成功率電平及其衰減的校準(zhǔn)。

測(cè)試時(shí)，要調(diào)整頻譜儀設(shè)置，使其達(dá)到最高靈敏度，提高讀數(shù)可重復(fù)性，以完成小信號(hào)的校準(zhǔn)，可以有三個(gè)方法。

首先，用盡可能小的輸入衰減以得到最好的靈敏度。因?yàn)楫?dāng)降低后的衰減量加到檢波器的信號(hào)電平時(shí)，中放增益會(huì)同時(shí)增加10 dB來補(bǔ)償這個(gè)損失，其結(jié)果使儀表顯示的信號(hào)幅度保持不變。但是，噪聲信號(hào)卻會(huì)很大程度上受放大器的影響，其電平會(huì)被放大，增加10 dB。既然內(nèi)部噪聲主要由中放的第一級(jí)產(chǎn)生，因而輸入衰減器不影響內(nèi)部噪聲電平，但輸入衰減器影響混頻器的信號(hào)電平，并降低了信噪比。

其次，也可用盡可能小的分辨力帶寬設(shè)置得到最好的靈敏度。頻譜儀中頻濾波器會(huì)對(duì)中放產(chǎn)生的寬帶白噪聲有頻帶抑制功能，所以RBW越小，通過中頻濾波器的噪聲能量越小，則通過建波后顯示噪聲的能量越低。顯示的噪聲電平和分辨力帶寬RBW之間的關(guān)系：

噪聲電平變化(dB) = 10 log(分辨帶寬2/分辨帶寬1)

第三，用以上兩種方法后，當(dāng)被測(cè)信號(hào)繼續(xù)衰減，接近噪聲電平時(shí)，附加的噪聲疊加在掃描線上，致使信號(hào)讀取困難。此時(shí)可以通過視頻濾波器VBW的低通處理，用以平均噪聲起伏。雖然它不能改善靈敏度，但能改善鑒別力和在低信噪比情況下測(cè)量的可重復(fù)性。減小VBW不會(huì)對(duì)顯示的載波信號(hào)造成影響，因?yàn)檩d波信號(hào)檢波輸出為DC信號(hào)，通過低通濾波處理時(shí)，不會(huì)被濾波器帶寬所影響。需要注意的是:減小VBW可以對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行平滑，但并不是得到該噪聲電平的功率平均值。

個(gè)別儀器仍舊會(huì)碰到信號(hào)抖動(dòng)的情況，可以使用求平均值的功能來讀得相對(duì)穩(wěn)定的信號(hào)。

通過以上方法，可以準(zhǔn)確、快速地在指定頻率點(diǎn)上測(cè)得電平值。

2.3 數(shù)字調(diào)制參數(shù)校準(zhǔn)

GPS信號(hào)是以CDMA形式發(fā)送，其調(diào)制方式其實(shí)是QPSK（四進(jìn)制相移鍵控）。圖2為理想的QPSK星座圖。

圖2 QPSK理想調(diào)制星座圖

CDMA無線信號(hào)是頻域、時(shí)域、碼域及調(diào)制域的綜合特征函數(shù)。QPSK調(diào)制性能直接影響碼域參數(shù)。測(cè)試實(shí)例可以證實(shí)，在波形質(zhì)量因數(shù)Rho合格的情況下，如果誤差矢量幅度EVM存在嚴(yán)重誤差，將會(huì)增加碼域噪聲，產(chǎn)生碼域互調(diào)。在QPSK調(diào)制中，Rho正常的情況下，EVM未必正常；反之，EVM正常，Rho大多正常。因此，對(duì)QPSK調(diào)制而言，Rho只是反映調(diào)制質(zhì)量的一個(gè)側(cè)面，僅以Rho來判斷調(diào)制是否正常是不全面的。如果Rho不與EVM及星座圖相結(jié)合，往往不能比較客觀地、完整地反映總的調(diào)制質(zhì)量。在CDMA網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量中，普遍存在Rho合格而EVM不合格的現(xiàn)象，這是只重視Rho而忽視了EVM的結(jié)果，必須引起足夠的重視。

因此，在測(cè)試仿真器的調(diào)制參數(shù)時(shí)，被校仿真器應(yīng)置于模擬GPS單星信號(hào)，調(diào)節(jié)輸出電平至最大（即-50 dB），矢量信號(hào)分析儀的參考電平置于適當(dāng)值，選取與GPS通信標(biāo)準(zhǔn)制式相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解調(diào)方式，取其平均值，先查看星座圖狀態(tài)，然后直接測(cè)出其Rho與EVM。

3 注意事項(xiàng)

任何事物都有雙重性，計(jì)量校準(zhǔn)也不例外。要得到頻域的高分辨率和高靈敏度時(shí)，需要減小RBW的設(shè)置值，但是較窄濾波器響應(yīng)的時(shí)間就會(huì)較長；而當(dāng)掃描時(shí)間太快時(shí)，濾波器又不能充分響應(yīng)，并且幅度、頻率和顯示值的準(zhǔn)確度變差，即幅度下降，而頻率向上移。為了保持正確的讀數(shù)狀態(tài)，應(yīng)該滿足以下條件：掃描時(shí)間≥k(Span/RBW2)VBW＞RBW。也就是說，頻譜儀測(cè)試分辨率和靈敏度提高了，測(cè)試速度就要下降。無論何時(shí)，測(cè)試哪個(gè)參數(shù)，其設(shè)置都必須在這兩者之間選取一個(gè)最佳點(diǎn)，以保證良好的溯源。

由于校準(zhǔn)參量是GPS小信號(hào)，任何可能引起測(cè)試誤差的細(xì)節(jié)都要予以關(guān)注，測(cè)試時(shí)需使用隔離度在100 dB以上的線纜、高質(zhì)量的射頻轉(zhuǎn)接頭、功分器等使插入損耗達(dá)到最小。

[1]李明峰，馮寶紅，劉三枝.GPS定位技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京: 國防工業(yè)出版社，2006.

[2]吳幼璋，趙海寧，于匯東，等.數(shù)字調(diào)制質(zhì)量參數(shù)的校準(zhǔn)和量值溯源[J].北京: 計(jì)量學(xué)報(bào)，2005，26（3）：271-274.