GNSS接收机测试解决方案

GNSS接收机测试解决方案——KingCable深圳金凯博电子科技有限公司2012-2-13目录目录目录目录：：：：一、GNSS系统概述1.1GNSS介绍1.2GPS系统1.3GPS信号测试的基本要求二、GNSS传统测试系统2.1GNSS测试所面临的问题2.2Agilent的GNSS测试解决方案2.3Spirent的GNSS测试解决方案2.4LitePoint的GNSS测试解决方案三、KingCable的GNSS测试解决方案3.1KingCable公司介绍3.2KingCable的GNSS测试解决方案3.3KingCable的GNSS测试解决方案优势一一一一、、、、GNSS系统概述系统概述系统概述系统概述1.1GNSS介绍介绍介绍介绍GNSS是GlobalNavigationSatelliteSystem的缩写。中文译名为全球导航卫星系统。目前，GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统、中国的Compass(北斗)，全部建成后其可用的卫星数目达到100颗以上，截止2011年10月，欧盟的Galileo系统、中国的Compass(北斗)还未进入大规模的民用阶段。早在20世纪90年代中期开始，欧盟一直在致力于一个雄心勃勃的民用全球导航卫星系统计划，称之为GlobalNavigationSatelliteSystem。该计划分两步实施：第一步是建立一个综合利用美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统的第一代全球导航卫星系统(当时称为GNSS-1，即后来建成的EGNOS)；第二步是建立一个完全独立于美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统，即正在建设中的Galileo卫星导航定位系统。由此可见，GNSS从一问世起，就不是一个单一星座系统，而是一个包括GPS、GLONASS、Compass、Galileo等在内的综合星座系统。众所周知，卫星是在天空中环绕地球而运行的，其全球性是不言而喻的；而全球导航是相对于陆基区域性导航而言，以此体现卫星导航的优越性。1.2GPS系统系统系统系统4大全球导航卫星系统：美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟Galileo的和中国的北斗，其中GPS系统应用最为广泛，下面主要针对GPS系统来展开叙述。GPS系统由三大部分组成：空间部分、控制部分和用户部分。空间部分是GPS人造卫星的总称，人造卫星平均高度约20200Km，运行轨道是一个椭圆，地球位于该椭圆的一个焦点上，运行周期约为12小时，在6个倾角约550的轨道面上不平均地分布着近30颗导航卫星，部分为备用卫星。在GPS系统中，卫星是动态的已知点，用户端所有的导航定位信息都是依据这个动态已知点发送的“星历”计算得到的。GPS星历，实际上是一系列描述GPS卫星运动及轨道的实时状态参数。民用GPS模块所接收到的广播星历是由GPS卫星以扩频通信方式通过导航电文直接向用户播发的用于实时数据处理的预报星历，在不同的载波上以不同的速率广播民用的伪随即码C/A码星历和军用的P码星历。我们常说的GPS定为模块/接收机称为用户部分，接收、解调卫星的广播C/A码信号，中心频率为1575.42MHz，通过运算与每个卫星的伪距离，采用距离交会法求出接收机的经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数，特点是点位速度快、但误差大。初次定位的模块至少需要4颗卫星参与计算，称为3D定位。GPS模块通过串行通信口不断输出NMEA格式的定位信息及辅助信息，供接收者选择应用。仍然是以GPS为例，GPS信号频率为：L1：1575.42MHz，上有C/A码和P码L2：1227.6MHz，上仅有P码C/A码是用于跟踪、锁定和测量的伪随机噪声码，它由m序列优选对组合码组成的GOLD码。GPS采用GOLD码作为C/A码的主要原因其优点在于广泛用于多址通信，但C/A码精度较低，码结构是公开的，可供GPS设备使用。P码是GPS的精测码，码速率为10.23MHz，由两个伪随机噪声码相乘构成的，由两级12位移位寄存器构成。P码的码长为6.19*1012，所以在不知道P码结构的情况下，是无法捕获P码的，美国国防部又实行了AS政策，在P码上又增加了极度保密的W码，绝对禁止非特许用户使用。GPS卫星信号L波段，其调制波是卫星电文和伪随机噪声码的组合码。GPS卫星发送的导航电文D码，是一种不归零的二进制码组成的编码脉冲串，其速率是50bps。为了克服通讯距离上的问题，同时要将信号发送给用户，需要作二级调制。首先，将50Hz的D码调制成一种伪随机噪声码，这种码被称为P码，码速率高达10.23MHz。D码调制成P码形成一个组合码，使得D码的频带带宽从50Hz扩展到10.23MHz。即GPS卫星原发送的50bps的D码，转为发送10.23Mbps的组合码，第二级再用组合码去调制载波。伪随机码性能的好坏，直接关系到整个系统性能的好坏。对伪随机码的要求如下：1、有尖锐的自相关特性；2、有处处为零的互相关特性；3、不同的码元数平衡相等；4、有足够多的编码；5、有尽可能大的复杂度。理论上说，只有用纯随机序列作为扩频码才是实际最理想的，但难度很大，只能产生一种周期的序列来近似随机序列的噪声，称为伪随机码或伪噪声码序列。还可以用具有白噪声统计特性的信号来编码，白噪声是一种平稳随机过程，具有以下特性：1、瞬时值服从高斯分布（或正态分布）；2、功率谱在很宽的频带内都是均匀的；3、具有尖锐的自相关函数。但是对于白噪声信号的产生，加工和复制存在很多技术上的困难，至今还较难于实现，因而只能用类似于白噪声统计特性的伪随机码信号来逼近，并作为扩频系统的扩频码。其中最重要最基础的伪随机序列是m序列。GPS信号涉及直接序列扩频通信系统（DSSS）：是最典型、应用最广泛的一种扩展频谱通信系统，它是用伪随机编码序列把基带信号的频谱进行扩展，形成相当带宽的低功率谱密度信号发射，而在接收端，使用相同的码序列扩展的信号频谱进行解扩，还原出原始的信息。1.3GPS信号测试的基本要求信号测试的基本要求信号测试的基本要求信号测试的基本要求GPS模块性能的评价指标主要是接收灵敏度、定位时间、位置精度、功耗、时间精度等。模块开机定位时间在不同的启动模式下有很大不同。一般来说，冷启动时间是指模块内部没有保存任何有助于定位的数据的情况，一般在1分钟以内；暖启动时间是指模块内部有较新的卫星星历（不超过2小时），但时间偏差大，一般标称在45秒内；热启动时间是指关机不超过20分钟，并且RTC时间误差很小时的情况，一般标称在10秒以内。定位精度可在静态与动态情况下进行考察，且动态定位效果优于静态定位。GPS模块的定位精度取决于很多方面，比如来自于GPS系统的卫星钟差及轨道差，可见GPS卫星数量及集合分布、太阳辐射、大气层、多径效应等。另外，同一个GPS模块，还会因为天线及馈线质量、天线位置和方向、测试时间段、开放天空范围及方向、天气、PCB设计等原因产生不同的定位误差。GPS模块在实际应用中经常作为时间基准，辅以模块内的RTO，可获得非常高精度的时间参考，为产品的设计提供了很大的方便。GPS常见的天线是陶瓷平板天线，成本低，外部加有源放大电路，接收信号方向单一，增益比较高，所以采用最多。缺点是体积大，容易受温度影响产生频率漂移，如果把陶瓷面积做小，会影响接收增益，如果做薄则会影响接收天线接收带宽，还会受有源放大部分影响。目前多使用的尺寸是25*25*4mm，陶瓷片天线在实际使用时垂直向上放置时效果最好。GPS天线的信号传输线同样非常重要，包括外部馈线与PCB走线。只有在阻抗匹配时输出功率才可能最大，因此整个传输线要保证50欧姆的高频阻抗。GPS信号测试的基本要求信号测试的基本要求信号测试的基本要求信号测试的基本要求GPS有两个射频波段：1575.42MHz(L1波段)、1227.6MHz(L2波段)，商用GPS在L1波段，接收机接收到最小信号功耗为-133dBm到-130dBm，测量的频谱分析仪的可用频率要高出5倍卫星信号频率以上，才能满足最基本的谐波失真测量。所有测量系统中的同轴线、接头、负载等所有器件的阻抗特性都要是50欧姆，才能匹配良好。a、、、、增益测量增益测量增益测量增益测量GPS射频前端的增益是指输入到ADC的信号与GPS天线接收到的信号相比的放大程度。GPS接收机射频前端的增益一般都在110dB左右，增益一般用SA来测量。LNA、Fixer等器件的增益可用矢量网络分析仪来测量S21得到，注意确保50欧姆匹配。两个系统性能参数体现了接收机的线性度：三阶交调点和1dB压缩点。三阶交调特性会将邻道信号的交调项混到有用信号中，造成信号质量的退化，因此主要从1dB压缩特性来考虑系统的线性度。实际工作中的放大器其输出功率无法随着输入功率的增加而一直维持线性比例放大，最终总会达到饱和，当放大器的增益较线性的理想值减小1dB时的输入功率称之为输入1dB压缩点。测量时用信号发生器做功率扫描，从而找到1dB压缩点。b、、、、噪声系数噪声系数噪声系数噪声系数GPS接收机前端内部本身也会产生噪声，用噪声系统来表示，其值越小越好。GPS接收机前级所用的LNA的噪声系统尤其重要，如果噪声系统太大，将会影响到GPS接收机的西灵敏度。c、、、、本振到射频间的隔离度本振到射频间的隔离度本振到射频间的隔离度本振到射频间的隔离度重点考察3方面的隔离度：信号与本振间的隔离度、信号与中频间的隔离度、本振与中频间的隔离度。d、、、、本振相位噪声本振相位噪声本振相位噪声本振相位噪声本振信号的相位噪声太大会降低GPS射频前端信噪比，从而影响GPS接收灵敏度。附注：提高GPS系统接收灵敏度关键是前置LNA，格外关注LNA低噪声系数、高增益特性、线性度、合理的带外抑制、低功耗、产品可靠性等方面的性能。GPS信号测试的基本参数信号测试的基本参数信号测试的基本参数信号测试的基本参数序号测试项目1冷启动到首次定位时间(TIFF)2热启动到首次定位时间3超热启动到首次定位时间4重新捕获时间5静止导航精度6动态导航精度7接收机灵敏度8干扰测试9多径测试10天线测试二二二二、、、、GNSS传统传统传统传统厂家厂家厂家厂家测试系统测试系统测试系统测试系统2.1GNSS测试测试测试测试所面临的问题所面临的问题所面临的问题所面临的问题同时位于地平线上的卫星数随着时间地点而异，最少为4颗，最多为12颗。GPS工作卫星编号按PRN（卫星采用的伪随机噪声码）编号。导航卫星有BLOCKI、BLOCKII、BLOCKIII三种。每个卫星上具有完全相同和准确的时钟，并保持有8个卫星的准确位置信息，其时钟与建在地面的时钟准确保持同步。GPS卫星的核心部件是高精度时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及处理器。其作用是：1、用L波段的无线电连续不段地发送导航定位电文，由导航电文可以知道该卫星的当前位置和卫星工作状态；2、当卫星飞越注入站上空时，接收地面S波段发送到卫星的导航电文和其他有关信息；3、接收地面主控站发送到卫星的调度命令；适时改正运行偏差4、通过星载铯钟提供高稳定时间标准。当前GPS接收机的主要发展趋势是：集成化、小型化、多通道。GPS系统特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作方便、应用广泛。GPS抗干扰性能好，保密性强（如要破解，需要知道所有卫星所采用的伪随机码PRN的种类、码长和初相，这显然不容易）。GPS卫星信号包括3种信号分量：载波、测距码和数据码时钟频率f0=10.23MHz，利用频率综合器产生所需要的频率。所有这些GPS信号都是由10.23MHz基准信号时钟产生的。GPS卫星发送的信号为扩频信号，有L1和L2两个分量组成，两个载波之间频差为347.82MHz，等于L1的28.3%。选择L波段基频10.23MHz分别154和120次倍频，选择这两个载频，目的是测量出消除由于电离层效应所产生的延时误差。GPS的两种测距码，即是C/A和P码（P码又称Y码），都是伪随机噪声码（PsendoRandomNoise，简写PRN），简称伪码。特点是具有良好