GNSS空間信號質量評估系統接收通道性能測試

王瑾，盧曉春，趙航，白燕

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GNSS空間信號質量評估系統接收通道性能測試

王瑾1,2,3，盧曉春1,3，趙航1,3，白燕1,2,3

（1. 中國科學院國家授時中心，西安 710060；2. 中國科學院研究生院，北京 100039；3. 中國科學院精密導航定位與定時技術重點實驗室，西安 710600）

GNSS空間信號質量評估系統的接收通道是評估導航信號質量的主要誤差源之一。通過分析接收通道特性引起的信號幅度誤差、相位失真、頻率偏移等現象，研究了接收通道增益平坦度、幅度誤差、相位誤差、頻率偏移、矢量誤差幅度、群時延等機理，提出了相應的測試方法，測試結果表明接收通道性能能夠滿足空間信號質量評估的要求。

通道性能；增益平坦度；矢量誤差幅度；群時延

0 引言

目前，全球衛星導航系統（GNSS）的應用越來越廣泛，幾乎涉及國民經濟和社會發展的各個領域。GNSS信號質量直接影響導航性能，國內外對于導航信號質量評估工作都非常重視。美國斯坦福大學成立了GPS導航實驗室（GPS Lab），致力于導航信號質量的監測與評估。Galileo的空間信號監測和評估任務主要由歐洲空間技術研究中心（ESTEC）的導航實驗室完成，并在多個地方組建了地面觀測站。中國科學院國家授時中心（NTSC）于2009年4月建立了一套GNSS空間信號質量評估系統。該系統包括7.3m天線、射頻系統、標準儀器系統、數據采集系統、接收機和離線數據分析系統。系統可以接收L波段信號，既可實現對導航信號的地面接收功率、頻率（頻譜，帶寬等）等實時監測，也可對典型通信信號參數如功率譜密度、眼圖、星座圖、信號調制參數等進行實時監測[1]。

導航信號的接收校準通道是GNSS空間信號質量評估系統誤差分析的重要組成部分。為了保證信號質量評估的準確性，必須對信號接收通道的性能進行測試，根據測試數據，分析接收通道對導航信號產生的誤差影響。本文利用由線路分配放大校準喇叭、接收喇叭、低噪聲放大器等組成的接收校準通道，結合信號源、頻譜儀和矢量網絡分析儀等儀器，搭建了測試平臺，通過測試分析，得到了通道的增益平坦度、幅度誤差、相位誤差、頻率偏移和矢量誤差幅度（EVM），連續監測了通道的幅度變化及群時延等參數。

1 系統組成

GNSS空間信號質量評估系統由射頻接收分系統、原子頻標分系統、數據管理分系統、射頻信號評估分系統、基帶信號評估分系統、監測接收機分系統6個部分組成，如圖1所示。射頻信號評估分系統接收射頻接收分系統送來的導航信號，經過矩陣開關放大和濾波后，在外部原子頻標的支持下，利用標準儀器對射頻信號的質量進行評估。基帶信號評估分系統對射頻接收分系統送來的導航信號進行下變頻，利用信號采集設備，在外部原子頻標的支持下，對輸入信號進行中頻帶通采樣，將采集結果送入數據流盤，采用軟件分析的方法，對基帶信號的質量進行離線評估。監測接收機分系統接收射頻接收分系統送來的導航信號，利用監測接收機，在外部原子頻標的支持下，對輸入信號進行相關接收，將測量結果送入數據管理分系統，利用分析軟件，對接收機的觀測量進行評估。整個系統中射頻接收分系統的接收校準通道與基帶信號評估分系統、射頻信號評估分系統及監測接收機分系統之間都有信號傳輸，是空間信號質量評估系統中的重要組成部分。

圖1 空間信號質量評估系統組成圖

2 測試原理

如圖1所示，整個GNSS空間信號質量評估系統中的基帶信號評估分系統、監測接收機分系統和射頻信號評估分系統都要通過接收校準通道接收信號，所以接收校準通道的性能將影響最終的信號質量評估結果，測試接收通道的幅頻特性和時延特性可以作為離線數據分析的誤差組成部分的依據。

GNSS空間信號質量評估系統接收校準通道指從線路分配放大器輸入口，通過高穩相電纜到校準喇叭和接收喇叭，經低噪聲放大器通過低損耗電纜到分路器，最終到達線路分配放大器輸出口的通道。接收校準通道如圖2所示。接收校準通道包括了除天線反射面以外的所有接收通道設備。因此，通過測試校準通道引起的信號幅度、相位失真可以反映接收通道的幅頻特性。

圖2 接收校準通道

對通過接收校準通道的導航信號進行分析，其原理如圖3所示，首先通過衰減器、低通濾波器，經過下變頻器和帶通濾波器，產生滿足采樣要求的中頻信號，經過ADC取樣后生成數字中頻信號，在隨后的數字信號處理單元里進行解調，進行時域、頻域以及調制域的分析。

圖3 信號分析原理圖

采用以上信號分析測試方法，分析的主要參數包括通道增益平坦度、幅度誤差、相位誤差、頻率偏移、EVM（矢量誤差幅度）和群時延。通道增益平坦度是在給定帶寬范圍內的增益劇烈增加和快速下降的數值，是頻率特性曲線的一個重要指標。幅度誤差、相位誤差、頻率誤差和EVM是被測信號和標準信號間比較的結果，是評價經過數字調制后信號質量的重要參數。群時延是衡量系統對信號造成的時延失真的主要參數。

頻率偏移是指測得頻率與標準頻率之間的差值。

值是指矢量誤差的幅值，即在參考信號狀態位置與被測信號狀態位置之間的矢量的幅度[2]，可用下式計算：

3 測試方法

測試中以信號源Agilent E4438C模擬產生L頻段北斗的頻點B1（1 561.098 MHz），B2（1 207.14 MHz）和B3（1 268.52 MHz）為例。

3.1 通道增益平坦度測試

如圖4連接儀器設備，Agilent E4438C產生B1頻點的掃頻信號并通過接收校準通道，信號功率為-60 dBm，信號功率依次增加（每次增加5 dB）至-30 dBm，Agilent E4407B接收掃頻信號，測量通道的幅頻響應和增益平坦度；Agilent E4438C分別發射B2，B3頻點的掃頻信號并重復以上步驟，Agilent E4407B接收掃頻信號，測量通道的幅頻響應和增益平坦度。

圖4 通道增益平坦度測試示意圖

3.2 通道的相位、幅度誤差、頻偏、EVM值測試

如圖5所示連接儀器設備。Agilent E4438C發射B1頻點的QPSK（10）調制信號，信號功率為-60 dBm，信號功率依次增加（每次增加5dB）至-30 dBm，RSA6114A接收調制信號，進行/解調，測量接收通道的相位、幅度誤差、頻偏、值；Agilent E4438C分別發射B2，B3頻點的QPSK（10）調制信號，重復以上步驟，RSA6114A接收調制信號，測量接收通道的相位、幅度誤差、頻偏和值。

圖5 通道幅頻特性測試示意圖

3.3 連續監測通道的幅度變化的測試

按照圖6所示連接儀器設備。Agilent E4438C發射B1頻點的BPSK（2）調制信號，Agilent E4407B接收信號并測量信號的20MHz帶寬通道功率，使用計算機遠程控制Agilent E4407B，讀取（每秒鐘一次）通道功率讀數，連續采集3天的通道功率讀數，Agilent E4438C發射B3頻點的BPSK（10）調制信號，Agilent E4407B接收信號并測量信號的20MHz帶寬通道功率，重復使用Matlab工具將3天的通道功率讀數畫圖，分析通道幅度變化規律。

圖6 通道幅度變化測試示意圖

3.4 通道群時延特性測試

使用矢量網絡分析儀AgilentE8362B測試接收校準通道的幅度、群時延變化特性。按照圖7所示連接儀器設備。首先對矢量網絡分析儀進行校準，按下PRESET鍵，刪除屏幕上顯示的trace，在trace菜單中選擇new trace；連接電子校準件的端口A和B到Port 1和Port 2之間，進行全雙端口校準；斷開濾波器和電子校準件的端口A，將Port1的輸出接至Port2，點擊測量，校準結束。移去校準電路，將測試輸入端口和矢量網絡分析儀的Port 1端口進行連接，測試輸出端口接至矢量網絡分析儀的Port 2端口，標出所需的Marker點，打印群時延曲線。分別測量通過放大器濾波器組和直接電纜連接通道的群時延曲線，根據群時延特性曲線計算3項參數：線性、拋物性和波動，測量結果與原有參考值作對比。

圖7 通道群時延測試示意圖

4 測試結果及分析

測試中所有儀器的外參考信號是中國科學院國家授時中心10 MHz信號。儀器首先進行預熱和自校準，調整天線指向角，在方位角120～230°和俯仰角20～65°的范圍內尋找干擾信號最少的凈空。尋找結果是：當天線方位角120°、俯仰角30°時，干擾信號最小。

4.1 通道增益平坦度測試結果

Agilent E4438C分別設置頻率為B1，B2和B3，功率為-40 dBm，Agilent E4407B設置對應的頻率，Span（即ADC的采樣速率）設置要大于被測信號帶寬，但設置過大會使信號的信噪比過大，根據3個頻點的帶寬，設置為30 MHz，頻譜分辨率RBW設置為300 kHz，參考電平Ref設置為-25 dBm，在給定帶寬為20 MHz和50 MHz，功率為-40 dBm條件下，B1，B2，B3頻點的信號通過通道的增益平坦度結果，如表1所示。相對而言，B1，B3頻點通道的平坦度較好，B2頻點時較差，但是總體增益增加的數值都較小，滿足空間信號質量評估系統的要求。

表1 通道增益平坦度測試結果

4.2 通道的相位、幅度誤差、頻偏、EVM值測試結果

Agilent E4438C分別設置頻率為B1，B2，B3，設置工作模式為實時/，調制方式QPSK（10）。要使信號正確解調，根據被測信號的頻率和帶寬設置Agilent RSA6114A的對應頻率，測量帶寬為30 MHz，調制方式QPSK（10），選擇的測量濾波器是根升余弦濾波器，選擇的參考濾波器是余弦濾波器。每個頻點測量5次，測得通道的相位、幅度誤差頻率偏移和如表2所示，表2中的數據可作為信號質量評估系統誤差分析的依據。

表2 接收通道幅頻特性測試結果

星座圖可以反映信號相位誤差、相位誤差幅度等特征[4]。圖8是E4438C直連RSA6114A解調圖，圖9是E4438C通過接收校準通道后，正常情況下得到的RSA6114A解調圖，發現在接入接收校準通道時星座圖有點離散狀況，考慮到接收通道本身會引入白噪聲，所以屬于正常情況。

圖9 通過接收校準通道后的解調圖

4.3 連續監測通道的幅度變化情況

使用計算機遠程控制Agilent E4407B，每秒鐘一次讀取通道功率讀數。連續采集3天的通道功率讀數，分別記錄發射B1頻點的BPSK（2）和B3頻點BPSK（10）的調制信號，Agilent E4407B接收信號并分別測量信號的4.092 MHz和20.46 MHz帶寬通道功率，使用Matlab將3天的通道功率讀數畫圖，分析通道幅度變化規律。如圖10和圖11所示，在碼速率為2.046 MHz和10.23 MHz碼速率的情況下通道增益的日均波動為3 dB。

圖10 2011-10-27—2011-10-29 B1頻點BPSK（2）通道功率變化圖

圖11 2011-10-30—2011-11-02 B3頻點BPSK（10）通道功率變化圖

4.4 通道群時延特性測試結果

和

接收校準通道的時延指標如表4中第3列所示，根據計算得到測試結果（表中第4列），與通道時延指標比較，與指標要求相符，滿足空間信號質量評估系統要求。

表4 接收通道群時延測試結果

5 結論

本文重點討論了GNSS信號質量評估系統中接收通道的幅頻特性的測試方法，測得了通道增益平坦度、相位誤差、幅度誤差、頻率偏移、值及群時延參數等值，連續監測了通道的幅度變化，并分析了測試結果。測試結果可用作GNSS信號質量評估系統誤差分析的數據依據，測試結果表明接收通道性能滿足空間信號質量評估系統的要求。

[1] 盧曉春, 周鴻偉. GNSS空間信號質量分析方法研究[J]. 中國科學: 物理學 力學 天文學, 2010, 40(5): 528-533.

[2] 李立功. 現代電子測試技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2008.

[3] 李德儒. 群時延測量技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 1990.

[4] 周炯槃, 龐沁華, 續大我, 等. 通信原理[M]. 北京: 北京郵電大學出版社, 2005.

Testing of the receiving channel perfomance ofGNSS signal quality assessment system

WANG Jin1,2,3, LU Xiao-chun1,3, ZHAO Hang1,3, BAI Yan1,2,3

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;3. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

The receiving channel of GNSS signal quality assessment system is one of the main error sources for signal quality assessment system.Through the analyses of the signal amplitude error, phase distortion,frequency offset, etc., which are related to the characteristics of receiving channel, the mechanisms of gain flatness, amplitude error, phase error,frequency offset, error vector magnitude(EVM)and group delay are studied. A corresponding test method is proposed and the test shows that the receiving channel performance satisfies the requirements of the space signal quality assessment system.

channel performance; gain flatness; EVM(error vector magnitude); group delay

V448；P228

A

1674-0637(2012)04-0235-09

2012-02-27

國家自然科學基金資助項目（11073022）；中國科學院“西部之光”人才培養計劃資助項目（Y001YR3701）

王瑾，女，博士研究生，助理研究員，主要從事衛星導航和時間同步研究。