GPS接收器測試

等式 10 與 11. 第一組 LNA 的噪聲系數(shù)將影響接收器的噪聲系數(shù)

　　透過等式 10 與 11 來看，若 GPS 接收器連接已啟動的天線，則其噪聲指數(shù)約可達 1.5 dB。請注意，我們已經(jīng)先忽略了相關(guān)噪聲指數(shù)等式中的第三項條件。由于此數(shù)值極小，基本上可將之忽略。

　　在某些案例中，GPS 接收器的作業(yè)天線會搭配使用內(nèi)建 LNA。因此測試點將忽略接收器的第一組 LNA。如此一來將透過第二組 LNA 得出噪聲指數(shù)，且其往往又大于第一組 LNA 的噪聲指數(shù)。若將 LNA1 移除，則可透過下列等式得出 LNA2 的噪聲指數(shù)。　　

等式 12 與 13. 移除第一組 LNA 所得到的接收器噪聲指數(shù)

　　如等式 12 與 13 所示，若將具備最佳噪聲指數(shù)的 LNA 移除，則將大幅影響整組接收器的噪聲指數(shù)。請注意，雖然此「常見」GPS 接收器噪聲指數(shù)的計算范例純?yōu)槔碚摂⑹?，但仍具有其重要性。由于接收器所呈現(xiàn)的 C/N 比值，實在與系統(tǒng)的噪聲系數(shù)密不可分，因此系統(tǒng)的噪聲系數(shù)可協(xié)助我們設(shè)定合適的 C/N 測試限制。

　　單一衛(wèi)星敏感度量測

　　在了解敏感度量測的基本理論之后，接著將進行實際量測的各個程序。一般測試系統(tǒng)均是透過直接聯(lián)機，將模擬的 L1 單一衛(wèi)星載波送入至 DUT 的 RF 通訊端口中。為了獲得 C/N 比值，我們將接收器設(shè)定透過 NMEA-183 協(xié)議進行通訊。在 LabVIEW 中，則僅需串聯(lián) 3 筆 GSV 指令，即可讀取最大的衛(wèi)星 C/N 值。

　　根據(jù) GPS 規(guī)格說明，單一 L1 衛(wèi)星若位于地球表面，則其功率應(yīng)不低于 -130 dBm [7]。然而，消費者對室內(nèi)與戶外的 GPS 接收器使用需求，已進一步壓低了測試限制。事實上，多款 GPS 接收器可達最低 -142 dBm 定位追蹤敏感度，與最低 -160 dBm 訊號追蹤。在一般作業(yè)點 (Operating point) 時，大多數(shù)的 GPS 接收器均可迅速持續(xù)鎖定低于 6dB 的訊號，因此我們的測試激發(fā)則使用 -136dBm 的平均 RF 功率強度。

　　若要達到最佳的功率精確度與噪聲水平 (Noise floor) 效能，則建議針對 RF 向量訊號產(chǎn)生器的輸出，使用外接衰減。在大多數(shù)的案例中，40 dB ~ 60 dB 的外接衰減，可讓我們更接近線性范圍 (功率 ≥ -80 dBm)，妥善操作產(chǎn)生器。由于各組接收器的定位衰減 (Fix attenuation) 均不甚固定，因此必須先行校準(zhǔn)系統(tǒng)，以決定測試激發(fā)的正確功率。

　　在校準(zhǔn)程序中，我們可考慮：1) 訊號的峰值平均比 (Peak-to-average ratio)、衰減器各個部分的差異，還有任何接線作業(yè)可能的插入損耗 (Insertion loss)。為了校準(zhǔn)系統(tǒng)，應(yīng)先從 DUT 切斷聯(lián)機，再將該聯(lián)機接至 RF 向量訊號分析器 (如 PXI-5661)。

　　Part A：單一衛(wèi)星校準(zhǔn)

　　當(dāng)執(zhí)行敏感度量測時，RF 功率強度的精確性，實為訊號產(chǎn)生器最重要的特性之一。由于接收器可獲得 0 數(shù)字精確度的 C/N 值 (如 34 dB-Hz)，因此生產(chǎn)測試中的敏感度量測可達 ± 0.5 dB 的功率精確度。因此，必須確保我們的儀控功能至少要達到相等或以上的效能。由于一般 RF 儀控作業(yè)是專為大范圍功率強度、頻率范圍，與溫度條件所設(shè)計，因此在執(zhí)行基本系統(tǒng)校準(zhǔn)時，量測的可重復(fù)性 (Repeatability) 應(yīng)遠高于特定儀器效能。下列章節(jié)將進一步說明可確保 RF 功率精確度的 2 種方法。

　　方法 1：單一被動式 RF 衰減器：

　　雖然使用外接衰減，是為了確保 GPS 訊號產(chǎn)生作業(yè)可達最佳噪聲密度，但實際僅需 20 dB 的衰減，即可確保噪聲密度低于 -174 dBm/Hz。當(dāng)使用 20 dB 的固定板 (Pad) 時，僅需將儀器設(shè)定為超過 20 dB 的 RF 功率強度即可。為了達到 -136 dBm 的目標(biāo)，儀器應(yīng)程序設(shè)計為 -115 dBm (假設(shè) 1 dB 的連接線插入損耗)，且將 20 dB 衰減器直接連至產(chǎn)生器的輸出。則所達到的 RF 功率將為 -136 dBm，但仍具有額外的不確定性。假設(shè) 20 dB 的固定板具有 ± 0.25 dB 的不確定性，且 RF 產(chǎn)生器亦于 -116 dBm 具有 ± 1.0 dB 的不確定性，則整體的不確定性將為 ± 1.25 dB。因此，雖然方法 1 最為簡單且不需進行校準(zhǔn)，但由于系統(tǒng)中的多項組件均未經(jīng)過校準(zhǔn)，因此可能接著發(fā)生不確定性。請注意，造成儀器不確定性最主要的原因之一，即為電壓駐波比 (Voltage standing wave ratio，VSWR)。因為被動式衰減器是直接連至儀器的輸出，所以反射回儀器的駐波即為實際衰減。由于降低了功率的不確定性，因此可提升整體功率的精確性。

　　請注意，此處亦使用高效能 VNA 確實量測被動衰減器。透過此量測裝置，即可于 ± 0.1 dB 的不確定性之內(nèi)，決定所要套用的衰減。

　　方法 2：經(jīng)過校準(zhǔn)的多組被動衰減器

　　校準(zhǔn) RF 功率的第二種方法，即是使用高精確度的 RF 功率計 (高于 ± 0.2 dB 的精確度，并最低可達 -70 dBm) 搭配多款固定式衰減器。因為我們是以固定頻率，與相對較小的功率范圍操作 RF 產(chǎn)生器，所以可有效修正由產(chǎn)生器造成的任何錯誤。此外，由于被動衰減器是以固定頻率進行線性動作，因此亦可校準(zhǔn)其不確定性。在方法 2 中，主要即必須確保產(chǎn)生系統(tǒng)可達到最佳效能，且將不確定性降至最低。此高精確度功率計可達優(yōu)于 80 dB 的動態(tài)范圍 (往往為雙頭式儀器)，進而確保最低的量測不確定性。