深挖智能汽車設(shè)計(jì)要素，你知多少？

多款GPS接收器可指定2組敏感值：擷取靈敏度(Acquisition sensitivity)與信號追蹤靈敏度(Signal tracking sensitivity)[9].如字面上的意思，擷取靈敏度為“接收器可進(jìn)行定位的最低功率強(qiáng)度”。相反而言，信號追蹤靈敏度為“接收器可追蹤各個(gè)衛(wèi)星的最低功率強(qiáng)度”。

以基本概念而言，我們可將靈敏度定義為“無線接收器產(chǎn)生所需最低位錯(cuò)誤率(BER)的最低功率強(qiáng)度”。由于BER與載波噪聲(Carrier-to-noise，C/N)比息息相關(guān)，因此靈敏度一般均是透過已知的接收器輸入功率強(qiáng)度，得出所需的C/N值而定。

請注意，各組衛(wèi)星的C/N值，均可直接透過GPS接收器的芯片組而得。目前有多種方式可計(jì)算出此項(xiàng)數(shù)值，而某幾款接收器卻是計(jì)算發(fā)訊日期(Messagedate)而得出約略值。當(dāng)透過高功率測試激發(fā)進(jìn)行模擬時(shí)，新款GPS接收器一般均可得到54~56dB-Hz的C/N峰值。由于即便是萬里無云的晴空，GPS接收器亦可能得出30~50dB-Hz的C/N值;因此該C/N限值尚屬于正常范圍之內(nèi)。一般GPS接收器均必須達(dá)到最小C/N比值，才能符合28~32dB-Hz的定位(擷取靈敏度)范圍。因此，某些特殊接收器的靈敏度可定義為“接收器產(chǎn)生最低定位C/N比值所需的最低功率強(qiáng)度”。

理論上來說，單一衛(wèi)星或多組衛(wèi)星測試激發(fā)均可測量靈敏度。而實(shí)務(wù)上來看，由于已可輕松且穩(wěn)定發(fā)出所需的RF功率，因此往往是以單一衛(wèi)星模式進(jìn)行測量作業(yè)。依定義而言，靈敏度為接收器回傳最小C/N比值的最低功率強(qiáng)度。在接下來的討論中，則可發(fā)現(xiàn)接收器的靈敏度甚為依賴RF前端的噪聲指數(shù).

在等式9中，靈敏度可表達(dá)為C/N比值與噪聲指數(shù)的函式。舉例來說，定位追蹤所需的最低C/N為32dB-Hz，則噪聲指數(shù)為2dB的接收器將具有-140dBm(-174+32+2)的靈敏度。然而，當(dāng)單獨(dú)測試基帶(Baseband)收發(fā)器時(shí)，往往忽略了第一組LNA.一般接收器為下圖所示：

圖14.GPS接收器往往串聯(lián)多組LNA[6]

如圖14所示，一般GPS接收器均是串聯(lián)了多組LNA，為GPS信號提供高效率的增益。如先前所說，第一組LNA將決定整組系統(tǒng)的噪聲指數(shù)。圖14中，我們先假設(shè)LNA1具有30dB的增益與1.5dB的NF.此外，我們假設(shè)整個(gè)RF前端具有40dB的增益與5dB的NF.接著請注意，由于LNA2之后的噪聲功率將超過-174dBm/Hz的熱噪聲(Thermal noise)，因此帶通(Bandpass)濾波器將同時(shí)減弱信號與噪聲。如此將幾乎不會對SNR造成任何影響。最后，我們假設(shè)GPS芯片組可產(chǎn)生40dB的增益與5dB的噪聲指數(shù)。即可計(jì)算出整組系統(tǒng)的噪聲指數(shù)為：

圖15.線性與對數(shù)模式的增益與NF

根據(jù)上列計(jì)算，即可找出接收器的整體噪聲因子：

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(dòng)的天線，則其噪聲指數(shù)約可達(dá)1.5dB.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(xiàng)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(diǎn)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(jì)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(shí)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)星靈敏度測量

在了解靈敏度測量的基本理論之后，接著將進(jìn)行實(shí)際測量的各個(gè)程序。一般測試系統(tǒng)均是透過直接聯(lián)機(jī)，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(jìn)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-130dBm[7].然而，消費(fèi)者對室內(nèi)與戶外的GPS接收器使用需求，已進(jìn)一步壓低了測試限制。事實(shí)上，多款GPS接收器可達(dá)最低-142dBm定位追蹤靈敏度，與最低-160dBm信號追蹤。在一般作業(yè)點(diǎn)(Operatingpoint)時(shí)，大多數(shù)的GPS接收器均可迅速持續(xù)鎖定低于6dB的信號，因此我們的測試激發(fā)則使用-136dBm的平均RF功率強(qiáng)度。

若要達(dá)到最佳的功率精確度與噪聲水平(Noise floor)效能，則建議針對RF矢量信號發(fā)生器的輸出，使用外接衰減。在大多數(shù)的案例中，40dB~60dB的外接衰減，可讓我們更接近線性范圍(功率≥-80dBm)，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)信號的峰值平均比(Peak-to-average ratio)、衰減器各個(gè)部分的差異，還有任何接線作業(yè)可能的插入損耗(Insertionl oss)。為了校準(zhǔn)系統(tǒng)，應(yīng)先從DUT切斷聯(lián)機(jī)，再將該聯(lián)機(jī)接至RF矢量信號分析器(如PXI-5661)。

PartA：單一衛(wèi)星校準(zhǔn)

當(dāng)執(zhí)行靈敏度測量時(shí)，RF功率強(qiáng)度的精確性，實(shí)為信號發(fā)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34dB-Hz)，因此生產(chǎn)測試中的靈敏度測量可達(dá)±0.5dB的功率精確度。因此，必須確保我們的儀控功能至少要達(dá)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(qiáng)度、頻率范圍，與溫度條件所設(shè)計(jì)，因此在執(zhí)行基本系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，測量的可重復(fù)性(Repeatability)應(yīng)遠(yuǎn)高于特定儀器效能。下列章節(jié)將進(jìn)一步說明可確保RF功率精確度的2種方法。