GPS信號仿真器校準方法

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

0 引言

2011年4月10日4時47分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號甲運載火箭，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，標志著我國衛(wèi)星定位系統(tǒng)的建設(shè)又向前邁進了一步。

GPS自20世紀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、PDA等，幾乎每個種類的電子產(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的美好前景，各種不同類型的移動定位設(shè)備層出不窮。為了測試此類產(chǎn)品的綜合性能，制造商過去使用天線接收實際GPS信號作為測試手段的方式既不靈活，投資成本又高，而GPS信號仿真技術(shù)就能很好地解決這一技術(shù)難題。各類GPS信號仿真器已經(jīng)成為GPS終端制造商廣泛使用的測試儀器，因此對仿真器的量值溯源顯得尤為重要。

1 GPS信號特點及仿真器性能

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

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，它們的頻率分別是基本頻率10.23 MHz的154倍和120倍，這些載波頻率由擴頻碼和一個共同的導(dǎo)航數(shù)據(jù)電文進行調(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。

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

GPS導(dǎo)航衛(wèi)星L1信號衛(wèi)星發(fā)射機功率為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信號到達地面時已經(jīng)很弱，深埋在噪聲信號中。仿真器能夠模擬這種小信號輸出模式，但也給校準帶來了困難。

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

仿真器還提供了真實的衛(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信號仿真器工作方式見圖1。

圖1 GPS信號仿真器工作方式

2 主要參數(shù)的校準方法

由于現(xiàn)在國家還沒有校準規(guī)范專門針對該類信號仿真器，但其大部分參量國家已經(jīng)有相關(guān)的校準規(guī)范。我們在參照這些相關(guān)校準規(guī)范及生產(chǎn)廠家的校準手冊的基礎(chǔ)上，摸索行之有效的校準方法，對信號仿真器的主要項目：頻率、電平、調(diào)制等參數(shù)進行校準。

進行校準前，被校信號仿真器和校準用設(shè)備應(yīng)該預(yù)熱30～60min。

2.1 頻率準確度校準

頻率準確度是數(shù)字信號源的重要技術(shù)指標，其內(nèi)部晶體振蕩器的校準參照JJG180-2002 《電子測量儀器內(nèi)石英晶體振蕩器檢定規(guī)程》進行。

在測試普通數(shù)字調(diào)制信號發(fā)生器輸出單頻信號的合成頻率時，可以直接通過頻率計讀數(shù)，但在測試GPS仿真器時，會稍微復(fù)雜一些。GPS信號的特征之一是其信號相當微弱，往往會被環(huán)境噪聲或是一些舊型號儀器的本底噪聲湮沒，所以它的信號強度要低于頻率計的最高靈敏度，使頻率計無法捕捉到信號。我們用一個具備較高頻率分辨力的頻譜儀來完成這項校準。檢測時先使仿真器輸出單點頻載波信號，調(diào)節(jié)仿真器輸出電平至最大，為了得到最高的頻率準確度，需調(diào)節(jié)頻譜儀的中頻濾波器帶寬至最?。蝗缓蠓糯骃PAN，使用頻譜儀的MARK功能測試信號峰值電平，直接讀出頻率值。

對于GPS仿真器通常選取1575.42 MHz和1227.60 MHz兩個常用的頻率校準點。

2.2 電平準確度校準

與測試合成頻率類似，為了模擬地面收到的GPS小信號，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。造成測量接收機無法捕捉頻率而難以測量其調(diào)諧電平值。

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

測試時，要調(diào)整頻譜儀設(shè)置，使其達到最高靈敏度，提高讀數(shù)可重復(fù)性，以完成小信號的校準，可以有三個方法。

首先，用盡可能小的輸入衰減以得到最好的靈敏度。因為當降低后的衰減量加到檢波器的信號電平時，中放增益會同時增加10 dB來補償這個損失，其結(jié)果使儀表顯示的信號幅度保持不變。但是，噪聲信號卻會很大程度上受放大器的影響，其電平會被放大，增加10 dB。既然內(nèi)部噪聲主要由中放的第一級產(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對中放產(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，當被測信號繼續(xù)衰減，接近噪聲電平時，附加的噪聲疊加在掃描線上，致使信號讀取困難。此時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量的可重復(fù)性。減小VBW不會對顯示的載波信號造成影響，因為載波信號檢波輸出為DC信號，通過低通濾波處理時，不會被濾波器帶寬所影響。需要注意的是:減小VBW可以對噪聲信號進行平滑，但并不是得到該噪聲電平的功率平均值。

個別儀器仍舊會碰到信號抖動的情況，可以使用求平均值的功能來讀得相對穩(wěn)定的信號。

通過以上方法，可以準確、快速地在指定頻率點上測得電平值。

2.3 數(shù)字調(diào)制參數(shù)校準

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

圖2 QPSK理想調(diào)制星座圖

CDMA無線信號是頻域、時域、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)。測試實例可以證實，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存在嚴重誤差，將會增加碼域噪聲，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QPSK調(diào)制而言，Rho只是反映調(diào)制質(zhì)量的一個側(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，在測試仿真器的調(diào)制參數(shù)時，被校仿真器應(yīng)置于模擬GPS單星信號，調(diào)節(jié)輸出電平至最大（即-50 dB），矢量信號分析儀的參考電平置于適當值，選取與GPS通信標準制式相對應(yīng)的標準解調(diào)方式，取其平均值，先查看星座圖狀態(tài)，然后直接測出其Rho與EVM。

3 注意事項

任何事物都有雙重性，計量校準也不例外。要得到頻域的高分辨率和高靈敏度時，需要減小RBW的設(shè)置值，但是較窄濾波器響應(yīng)的時間就會較長；而當掃描時間太快時，濾波器又不能充分響應(yīng)，并且幅度、頻率和顯示值的準確度變差，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：掃描時間≥k(Span/RBW2)VBW＞RBW。也就是說，頻譜儀測試分辨率和靈敏度提高了，測試速度就要下降。無論何時，測試哪個參數(shù)，其設(shè)置都必須在這兩者之間選取一個最佳點，以保證良好的溯源。

由于校準參量是GPS小信號，任何可能引起測試誤差的細節(jié)都要予以關(guān)注，測試時需使用隔離度在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)的校準和量值溯源[J].北京: 計量學報，2005，26（3）：271-274.