記錄空氣中的 GPS 訊號

建立 GPS 波形時(shí)，其獨(dú)特又日趨普遍的方式，即是直接從空氣中擷取之。在此測試中，我們使用向量訊號分析器 (如 NI PXI 5661) 記錄訊號，再透過向量訊號產(chǎn)生器 (如 NI PXIe-5672) 產(chǎn)生已記錄的訊號。由于在記錄 GPS 訊號時(shí)，亦可擷取實(shí)際的訊號減損 (Impairments)，因此在播放訊號時(shí)，可進(jìn)一步了解接收器于布署環(huán)境中的作業(yè)情形。

只要透過極為直接的方式，即可擷取空氣中的 GPS 訊號。在 RF 記錄系統(tǒng)中，我們將適合的天線與放大器，搭配使用 PXI 向量訊號分析器與硬盤，以擷取最多可達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)的連續(xù)數(shù)據(jù)。舉例來說，1 組 2 TB 的 RAID 磁盤陣列，即可記錄最多 25 個(gè)小時(shí)的 GPS 波形。由于此篇技術(shù)文件將不會(huì)討論串流的特殊技術(shù)，因此若需要相關(guān)范例程序代碼，請至：

ni.com/streaming/rf. 透過下列段落，即可了解應(yīng)如何針對 RF 記錄與播放系統(tǒng)，設(shè)定合適的 RF 前端。

不同類型的無線通信訊號，均需要不同的帶寬、中央頻率，與增益。以 GPS 訊號來說，基本系統(tǒng)需求是以 1.57542 GHz 的中央頻率，記錄 2.046 MHz 的 RF 帶寬。依此帶寬需求，至少必須達(dá)到 2.5 MS/s (1.25 x 2 MHz) 取樣率。注意：此處的 1.25 乘數(shù)，是根據(jù) PXI-5661 數(shù)字降轉(zhuǎn)換器 (DDC) 于降頻 (Decimation) 階段的下降 (Roll-off) 濾波器所得出。

在下方說明的測試作業(yè)中，我們使用 5 MS/s (20 MB/s) 取樣率以擷取完整的帶寬。由于標(biāo)準(zhǔn) PXI 控制器硬盤即可達(dá)到 20 MB/s 或更高的數(shù)據(jù)流量，因此不需使用外接的 RAID 亦可將 GPS 訊號串流至磁盤。然而，基于 2 個(gè)理由，我們?nèi)越ㄗh使用外接硬盤。首先，外接硬盤可提升整體的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量，并記錄多組波形。其次，外接硬盤不會(huì)對 PXI 控制器的硬盤造成額外負(fù)擔(dān)。在下方說明的測試作業(yè)中，我們采用 1 組 USB 2.0 的外接硬盤。此硬盤為 320 GB 的 Western Digital Passport，具有 5400 RPM 的硬盤轉(zhuǎn)速。在我們的測試作業(yè)中，一般讀取速度約落在 25 ~ 28 MB/s。因此該款硬盤可同時(shí)用于 GPS 波形數(shù)據(jù)串流的仿真 (6 MB/s) 與記錄 (20 MB/s) 作業(yè)。

GPS 訊號記錄作業(yè)最為特殊之處，即是選擇并設(shè)定合適的天線與低噪聲放大器 (LNA)。透過一般被動(dòng)式平面天線 (Passive patch antenna)，即可于 L1 GPS 頻帶中發(fā)現(xiàn)介于 -120 ~ -110 dBm 的常見峰值功率 (此處為 -116 dBm)。由于 GPS 訊號的功率強(qiáng)度極小，因此必須進(jìn)行放大作業(yè)，以使向量訊號分析器可擷取衛(wèi)星訊號的完整動(dòng)態(tài)范圍。雖然有多個(gè)方法可將合適的增益強(qiáng)度套用至訊號，不過我們發(fā)現(xiàn)：若使用主動(dòng)式 GPS 天線搭配 NI PXI-5690 前置放大器 (Pre-amplifier) 時(shí)，即可達(dá)到最佳效果。若串聯(lián) 2 組各可達(dá) 30 dB 增益的 LNA，則總增益則可達(dá)到 60 dB (30 + 30)。因此，向量訊號分析器可測得的峰值功率，將從 -116 dBm 提升至 -56 dBm。下圖即為該項(xiàng)設(shè)定的范例系統(tǒng)：

圖 4. GPS 接收器與串聯(lián)的 LNA。

請注意，記錄操作系統(tǒng)的必備組件之一，即為主動(dòng)式 GPS 天線。主動(dòng)式 (Active) GPS 天線，包含 1 組平面天線與 1 組 LNA。此款天線一般均需要 2.5V ~ 5V 的 DC 偏壓電壓，并僅需約 $20 美金即可購買現(xiàn)成產(chǎn)品。為了簡單起見，我們使用 1 組天線搭配 1 組 SMA 接頭。我們將于下列段落中看到，在 RF 前端的第一組 LNA 噪聲圖形極為重要;該圖形將可確認(rèn)進(jìn)行記錄作業(yè)的儀控，是否對無線訊號構(gòu)成最低噪聲。亦請注意，圖 4 中的向量訊號分析器為簡化圖標(biāo)。實(shí)際的 PXI-5661 為 3 階段式超外差 (Super-heterodyne) 向量訊號分析器，較復(fù)雜于圖中所示。

若將 60 dB 套用至無線訊號中，則可于 L1 中得到約 -60 ~ -50 dBm 的峰值功率。若以掃頻 (Swept spectrum) 模式設(shè)定 VSA 并分析整體頻譜，則亦將發(fā)現(xiàn) L1 頻帶 (FM 與移動(dòng)電話)之外的帶中功率 (Power in band)，其強(qiáng)度將高于 GPS 訊號。然而，帶外 (Out-of-band) 訊號的峰值功率一般均不會(huì)超過 -20 dBm，且將透過 VSA 的多組帶通 (Band pass) 濾波器之一進(jìn)行濾波作業(yè)。若要檢視記錄裝置的 RF 前端是否達(dá)到應(yīng)有效率，最簡單的方法之一即為開啟 RFSA 示范面板的范例程序。透過此程序，即可于 L1 GPS 頻帶中呈現(xiàn) RF 頻譜。圖 7 即為常見的頻譜。請注意，此頻譜截圖是透過 GPS 中心頻率于室外所得。主動(dòng)式 GPS 天線與 PXI-5690 前置放大器，可達(dá)到 60 dB 的總增益。

中心頻率：1.57542 GHz

展頻 (Span)：4 MHz

RBW：10 Hz

平均：RMS、20 Averages

圖 5. 僅透過極小的分辨率帶寬 (RBW)，才可于頻譜中呈現(xiàn) GPS

此處使用前面所提到的 RF 記錄與播放 LabVIEW 范例程序;設(shè)定 -50 dBm 的參考準(zhǔn)位、1.57542 GHz 中央頻率，與 5 MS/s 的 IQ 取樣率。下圖即顯示設(shè)置范例的人機(jī)接口：

圖 6. RF 記錄與播放范例的人機(jī)接口。

GPS 訊號的最長記錄時(shí)間，將根據(jù)取樣率與最大儲(chǔ)存容量而定。若使用 2 TB 容量的 Raid 磁盤陣列 (Windows XP 所支持的最大磁盤)，將可透過 5 MS/s 取樣率記錄最多 25 個(gè)小時(shí)的訊號。

設(shè)定 RF 前端

由于串聯(lián)的 LNA 可提供 60 dB 的增益，因此使用者可大幅提升向量訊號分析器前端的功率。在我們的量測作業(yè)中，60 dB 的增益即足以將峰值功率從 -116 dBm 提升至 -56 dBm。而透過 60 dB 的增益 (與 1.5 dB 的噪聲系數(shù))，訊號的噪聲功率將為 –112 dBm/Hz (-174 + 增益 + F)。因此，所能擷取到的訊噪比 (SNR) 最高可達(dá) 56.5 dB (-56 dBm +112.5 dBm)，亦低于實(shí)際的儀器動(dòng)態(tài)范圍。由此可知，若有 80 dB 的動(dòng)態(tài)范圍，則 VSA 將可記錄最大的 SNR，且不會(huì)有無線訊號的噪聲影響。