概略
从波音747客机的导航操作、轿车驾驭每天都会运用的GPS导航体系，到寻宝者要找到深藏于森林某处的瑰宝，GPS技能现已敏捷融入于多种运用中。
合理立异技能不断提高GPS接纳器效能的一起，相关的技能特性亦越来越完好。时至今日，软件乃至可树立GPS波形，以准确仿真实践的信号。除此之外，仪器总线技能亦不断提高，现在即可透过PXI仪控功用，以记载并播映实时的GPS信号。
介绍
因为GPS技能已于一般商用商场逐步遍及，因而多项规划均着眼于提高相关特性，如：
1)下降耗电量
2)可寻觅弱小的卫星信号
3)较快的撷取次数
4)更准确的定位功用
透过此运用阐明，将可了解进行多项GPS接纳器丈量的办法：灵敏度、噪声系数、定位准确度、初次定位时刻，与方位差错。此篇技能文件是要能让工程师完全了解GPS的丈量技能。对刚开始触摸GPS接纳器丈量作业的工程师来说，可对常见的丈量作业略知一二。若工程师已具有GPS丈量的相关经历，亦可透过此篇技能文件开始了解新的仪控技能。此篇运用阐明将分为下列数个阶段：
1.GPS技能的根底
2.GPS丈量体系
3.常见丈量概述
a.灵敏度
b.初次定位时刻(TTFF)
c.定位准确度与重复性
d.追寻准确度与重复性
每个阶段均将供给数项实作诀窍与技巧。更重要的是，读者可将自己的成果与GPS接纳器取得的成果进行比较。透过自己的成果、接纳器的成果，再调配理论丈量的成果，即可进一步检视自己的丈量数据。
GPS导航体系介绍
全球定位体系(GPS)为空间架构的无线电导航体系，本由美国空军所研制。尽管GPS原是开发做为军事定位体系之用，却也对民间发生重要影响。事实上，您现在就或许在车辆、船只，乃至移动电话中运用GPS接纳器。GPS导航体系包括由24组卫星，均以L1与L2频带(Band)进行多重信号的传输。透过1.57542GHz的L1频带，各组卫星均发生1.023MchipsBPSK(二进制相位键移)的展频信号。展频序列则运用称为C/A(coarse acquisition)码的虚拟随机数(PN)序列。尽管展频序列为1.023Mchips，但实践的信号数据传输率为50Hz[1].在体系的原始布署作业中，一般GPS接纳器可达20~30公尺以上的准确度差错。此种差错肇因于美国军方依安全理由所附加的随机频率差错所形成的。可是，此称为挑选性牢靠度(Selective availability)差错信号源，已于2000年5月2日撤销。在今日，接纳器的最大差错不超越5公尺，而一般差错已降至1~2公尺。
不论是L1或L2(1.2276GHz)频带，GPS卫星均会发生所谓的“P码”隶属信号。此信号为10.23MbpsBPSK的调变信号，亦运用PN序列做为展频码。军方即透过P码的传输，进行更准确的定位作业。在L1频带中，P码是透过C/A码进行反相位(Outofphase)的90度传输，以保证可于相同载波上测得此2种信号码[2].P码于L1频带中可达-163dBW的信号功率;于L2频带中可达-166dBW.相对来说，若在地球表面的C/A码，则可于L1频带中到达最小-160dBW的播送功率。
GPS导航信号
针对C/A码来说，导航信号是由数据的25个结构(Frame)所构成，而每个结构则包括1500个位[2].此外，每组结构均可分为5组300个位的子结构。当接纳器撷取C/A码时，将消耗6秒钟撷取1个子结构，亦即1个结构有必要消耗30秒钟。请留意，其实某些较为深化的丈量作业，才有或许真实花费30秒钟以撷取完好结构;咱们将于稍后评论之。事实上，30秒钟仅为撷取完好结构的均匀最短时刻;体系的初次定位时刻(TTFF)往往超越30秒钟。
为了进行定位作业，大多数的接纳器均有必要更新卫星星历(Almanac)与星历表(Ephemeris)的信息。该笔信息均包括于人造卫星所传输的信号数据中，，而每个子结构亦包括专属的信息集。一般来说，咱们可透过子结构的类别，从而辨识出其间所包括的信息[2][7]：
Sub-frame1：包括时序批改(Clock correction)、准确度，与人造卫星的运作景象
Sub-frame2-3：包括准确的轨迹参数，可核算卫星的的确方位
Sub-frames4-5：包括大略的卫星轨迹数据、时序批改，与运作信息。
而接纳器有必要透过卫星星历与星历表的信息，才干够进行定位作业。一旦得到各组卫星的的确间隔，则高阶GPS接纳器将透过简略的三角表达式(Triangulation algorithm)回传方位信息。事实上，若能整合虚拟间隔(Pseudorange)与卫星方位的信息，将可让接纳器准确辨认其方位。
不论是运用C/A码或P码，接纳器均可追寻最多4组人造卫星，进行3D定位。追寻人造卫星的进程极为杂乱，不过简略来说，便是接纳器将透过每组卫星的间隔，预算出自己的方位。因为信号是以光速(c)，或为299，792，458m/s跋涉，因而接纳器可透过下列等式核算出与人造卫星之间的间隔，即称为“虚拟间隔(Pseudorange)”：
等式1.“虚拟间隔(Psedorange)”为时刻间隔(Time interval)的函式[1][4]
接纳器有必要将卫星所传送的信号数据进行译码，才干够取得定位信息。每个卫星均针对其方位进行播送(Broadcasting)，接纳器跟着透过每组卫星之间的虚拟间隔差异，以决议自己的的确方位[8].接纳器所运用的三角丈量法(Triangulation)，可由3组卫星进行2D定位;4组卫星则可进行3D定位。
设定GPS丈量体系
测验GPS接纳器的首要产品，为1组可仿真GPS信号的RF矢量信号发生器。在此运用阐明中，读者将可了解应怎么运用NI PXI-5671与NI PXIe-5672RF矢量信号发生器，以到达丈量意图。此产品并可调配NI GPS东西组，以模仿1~12组GPS人造卫星。
完好的GPS丈量体系亦应包括多种不同配件，以达最佳效能。举例来说，外接的固定式衰减器(Attenuator)，可提高功率准确度与噪声层(Noise floor)的效能。此外，依据接纳器是否支撑其直接输入埠的DC偏压(Bias)，某些接纳器亦或许需求DC阻绝器(Blocker)。下图即为GPS信号发生的完好体系：
图1.GPS发生体系的程序图
如图1所示，当测验GPS接纳器时，往往选用最高60dB的外接RF衰减(留白，Padding)。固定式衰减器至少可供给丈量体系2项长处。首要，固定式衰减器可保证测验激起的噪声层低于-174dBm/Hz的热噪声层(Thermal noise floor)。其次，因为可透过高准确度RF功率计(Power meter)校准信号准位，因而固定式衰减器亦可提高功率准确度。尽管仅需20dB的衰减即可契合噪声层的要求，但若运用60~70dB的衰减，则可到达更高的功率准确度与噪声层效能。稍后将接着评论RF功率校准，而图2抢先阐明衰减对噪声层效能所形成的影响。
图2.不同衰减所需的仪器功率比较
如图2所示，衰减可用于削弱噪声，而不只限于-174dBm/Hz的热噪声层。
RF矢量信号发生器
当挑选RF矢量信号发生器时，NI abVIEW GPS东西组可一起支撑NI PXI-5671与NI PXIe-5672RF矢量信号发生器。尽管此2款适配卡可发生GPS信号，但因为PCI Express总线速度较快，并可马上进行IF等化(Equalization)，因而NI PXIe-5672矢量信号发生器较遭到喜爱。此2款适配卡均具有6MB/s总数据传输率与1.5MS/s(IQ)取样率，可从磁盘串流GPS波形。
尽管PXI控制器硬盘可轻松保持此数据传输率，NI仍主张运用外接磁盘进行额定的贮存容量。下图为包括NI PXIe-5672的常见PXI体系：
图3.包括NIPXIe5672VSG与NIPXI-5661VSA的PXI体系
GPS东西组可于完好导航信号期间，树立最长12.5分钟(25个结构)的波形。依6MB/s的取样率，则最大档案约为7.5GB.因为上述的波形档案尺度，一切的波形均可贮存于多款硬盘选项之一。这些波形贮存资源选项包括：
o PXI控制器的硬盘(引荐运用120GB硬盘晋级)
o如HDD8263与HDD8264的外接RAID设备
o外接USB2.0硬盘(已透过Western Digital Passport硬盘进行测验)
上述各种硬盘设定，均可支撑超越20MB/s的接连数据串流作业。因而，任何贮存选项均可仿真GPS信号，并进行记载与播映。在稍后的阶段中，将阐明仿真与记载GPS波形的整合作业，并进行GPS接纳器效能的特性参数描绘(Characterization)作业。
树立仿真的GPS信号
因为GPS接纳器是透过天线传输数据，并取得卫星星历与星历信息;当然，仿真的GPS信号亦需求该项信息。卫星星历与星历信息，均透过文本文件表明，可供给卫星方位、卫星高度、机器状况，与绕行轨迹的相关信息。此外，在树立波形的进程中M，亦有必要挑选客制参数，如星期时刻(TOW)、方位(经度、纬度、高度)，与仿真的接纳器速率。以此信息为根底，东西组将主动挑选最多12组人造卫星、核算一切的都卜勒位移(Doppler shift)与虚拟间隔(Pseudorange)信息，并接着发生所需的基带波形。为了可赶快入门，东西组设备程序亦包括典范的卫星星历与星历档案。此外，更可由下列网站直接下载：
。Almanac information (The Navigation Center of Excellence) http://navcen.uscg.gov/gps/almanacs.htm
。Ephemeris information (NASA Goddard Space Flight Center) http://cddis.gsfc.nasa.gov/gnss_datasum.html#brdc
透过客制的卫星星历与星历档案，即可树立特定日期与时刻的GPS信号，乃至可回溯数年曾经。请留意，当挑选这些档案时，有必要挑选与日期相对应的档案。一般来说，卫星星历与星历信息为每日更新，因而当挑选特定时刻与日期时，亦应挑选同1天的档案。下载的星历档案往往为紧缩的“*.Z”格局。因而，在调配运用GPS东西组之前，档案有必要先行解紧缩。
只需运用东西组中的“主动形式(Automatic mode)”，即可包括大多数的GPS模块作业，并可透进程序规划的办法，核算都卜勒与随机间隔信息;当然，此功用亦供给手动形式。在手动形式(Manual mode)中，运用者可单个指定每组人造卫星的信息。图4即显现此2种作业形式所供给的输入参数。
1LLA(longitude，latitude，altitude)
图4.GPS东西组主动与手动形式的默认值
请留意，东西组将依据所指定的星历档案，于或许的数值规模中强制设定GPS的TOW.因而，若挑选的数值超出该星历档案的规模，东西组将主动设定为最挨近的数值并提示运用者。“niGPS Write Waveform To File”典范程序即可树立GPS基带波形(主动形式)，而其人机接口即如下图所示。
图5.简略的典范程序即可树立GPS测验波形。
请留意，某些特定丈量作业，将决议用户所树立GPS测验的文件类型。举例来说，当丈量接纳器灵敏度时，将仿真单一人造卫星。另一方面来说，需求定位作业的丈量(如TTFF与方位准确度)，所运用的GPS信号将仿真多组人造卫星。依据上述需求，NIGPS东西组所调配的典范程序，将一起包括单位星与多重卫星仿真功用。
记载空气中的GPS信号
树立GPS波形时，其共同又日趋遍及的办法，便是直接从空气中撷取之。在此测验中，咱们运用矢量信号剖析器(如NI PXI 5661)记载信号，再透过矢量信号发生器(如NI PXIe-5672)发生已记载的信号。因为在记载GPS信号时，亦可撷取实践的信号减损(Impairments)，因而在播映信号时，可进一步了解接纳器于布署环境中的作业景象。
只需透过极为直接的办法，即可撷取空气中的GPS信号。在RF记载体系中，咱们将适宜的天线与扩大器，调配运用PXI矢量信号剖析器与硬盘，以撷取最多可达数个小时的接连数据。举例来说，1组2TB的RAID磁盘阵列，即可记载最多25个小时的GPS波形。因为此篇技能文件将不会评论串流的特别技能，因而若需求相关典范程序代码，请至：http://www.ni.com/streaming/rf.透过下列阶段，即可了解应怎么针对RF记载与播映体系，设定适宜的RF前端。
不同类型的无线通信信号，均需求不同的带宽、中心频率，与增益。以GPS信号来说，根本体系需求是以1.57542GHz的中心频率，记载2.046MHz的RF带宽。依此带宽需求，至少有必要到达2.5MS/s(1.25x2MHz)取样率。留意：此处的1.25乘数，是依据PXI-5661数字降转化器(DDC)于降频(Decimation)阶段的下降(Roll-off)滤波器所得出。
在下方阐明的测验作业中，咱们运用5MS/s(20MB/s)取样率以撷取完好的带宽。因为规范PXI控制器硬盘即可到达20MB/s或更高的数据流量，因而不需运用外接的RAID亦可将GPS信号串流至磁盘。可是，依据2个理由，咱们仍主张运用外接硬盘。首要，外接硬盘可提高全体的数据贮存量，并记载多组波形。其次，外接硬盘不会对PXI控制器的硬盘形成额定负担。在下方阐明的测验作业中，咱们选用1组USB2.0的外接硬盘。此硬盘为320GB的Western Digital Passport，具有5400RPM的硬盘转速。在咱们的测验作业中，一般读取速度约落在25~28MB/s.因而该款硬盘可一起用于GPS波形数据串流的仿真(6MB/s)与记载(20MB/s)作业。
GPS信号记载作业最为特别之处，便是挑选并设定适宜的天线与低噪声扩大器(LNA)。透过一般被迫式平面天线(Passive patch antenna)，即可于L1GPS频带中发现介于-120~-110dBm的常见峰值功率(此处为-116dBm)。因为GPS信号的功率强度极小，因而有必要进行扩大作业，以使矢量信号剖析器可撷取卫星信号的完好动态规模。尽管有多个办法可将适宜的增益强度套用至信号，不过咱们发现：若运用主动式GPS天线调配NIPXI-5690前置扩大器(Pre-amplifier)时，即可到达最佳作用。若串联2组各可达30dB增益的LNA，则总增益则可到达60dB(30+30)。因而，矢量信号剖析器可测得的峰值功率，将从-116dBm提高至-56dBm.下图即为该项设定的典范体系：
图6.GPS接纳器与串联的LNA.
请留意，记载操作体系的必备组件之一，即为主动式GPS天线。主动式(Active)GPS天线，包括1组平面天线与1组LNA.此款天线一般均需求2.5V~5V的DC偏压电压，并仅需约$20美金即可购买现成产品。为了简略起见，咱们运用1组天线调配1组SMA接头。咱们将于下列阶段中看到，在RF前端的第一组LNA噪声图形极为重要;该图形将可承认进行记载作业的仪控，是否对无线信号构成最低噪声。亦请留意，图6中的矢量信号剖析器为简化图标。实践的PXI-5661为3阶段式超外差(Super-heterodyne)矢量信号剖析器，较杂乱于图中所示。
若将60dB套用至无线信号中，则可于L1中得到约-60~-50dBm的峰值功率。若以扫频(Swept spectrum)形式设定VSA并剖析全体频谱，则亦将发现L1频带(FM与移动电话)之外的带中功率(Power in band)，其强度将高于GPS信号。可是，带外(Out-of-band)信号的峰值功率一般均不会超越-20dBm，且将透过VSA的多组带通(Band pass)滤波器之一进行滤波作业。若要检视记载设备的RF前端是否到达应有功率，最简略的办法之一即为敞开RFSA演示面板的典范程序。透过此程序，即可于L1GPS频带中呈现RF频谱。图7即为常见的频谱。请留意，此频谱截图是透过GPS中心频率于室外所得。主动式GPS天线与PXI-5690前置扩大器，可到达60dB的总增益。
中心频率：1.57542GHz
展频(Span)：4MHz
RBW：10Hz
均匀：RMS、20Averages
图7.仅透过极小的分辨率带宽(RBW)，才可于频谱中呈现GPS
此处运用前面所说到的RF记载与播映LabVIEW典范程序;设定-50dBm的参看准位、1.57542GHz中心频率，与5MS/s的IQ取样率。下图即显现设置典范的人机接口：
图8.RF记载与播映典范的人机接口。
GPS信号的最长记载时刻，将依据取样率与最大贮存容量而定。若运用2TB容量的Raid磁盘阵列(Windows XP所支撑的最大磁盘)，将可透过5MS/s取样率记载最多25个小时的信号。
设定RF前端
因为串联的LNA可供给60dB的增益，因而运用者可大幅提高矢量信号剖析器前端的功率。在咱们的丈量作业中，60dB的增益即足以将峰值功率从-116dBm提高至-56dBm.而透过60dB的增益(与1.5dB的噪声系数)，信号的噪声功率将为–112dBm/Hz(-174+增益+F)。因而，所能撷取到的讯噪比(SNR)最高可达56.5dB(-56dBm+112.5dBm)，亦低于实践的仪器动态规模。由此可知，若有80dB的动态规模，则VSA将可记载最大的SNR，且不会有无线信号的噪声影响。
当要记载任何无线信号时，可将参看准位设定高出一般峰值功率至少5dB，以因应任何信号强度的异常现象。在某些状况下，尽管上述此过程将下降VSA的有用动态规模，但GPS信号却不会遭到影响。因为GPS信号于天线输入的最大抱负SNR即为58dB(-116+174)，因而若于VSA记载超越58dB的动态规模将无任何含义。因而，咱们乃至能够“扔掉”仪器的动态规模达10dB以上，亦不会影响记载信号的质量(在此带宽中，PXI-5661将供给优于75dB的动态规模)。
因为有必要设定适宜的参看准位，恰当设定记载设备的RF前端亦显得相同重要。如从前所提，若要取得最佳的RF记载数据，则主张运用主动式GPS天线。因为主动式天线内建LNA，以低噪声系数供给最高30dB的增益，因而亦可供给DC偏压。下方将接着阐明多种偏压办法。
办法1：以GPS接纳器进行供电的主动式天线
第一个办法，是以DC偏压“T”供电至主动式天线。在此典范中，咱们将DC信号(此为3.3V)套用至偏压“T”的DC埠，且“T”又将适宜的DC偏移套用至主动式天线。请留意，此处将依据主动式天线的DC功率需求，从而决议是否套用准确的DC电压。下图即阐明相关衔接景象。
图9.运用DC偏压“T”供电至主动式GPS天线
在图9中可发现，PXI-4110可程序化DC电源供给器，即可供给DC偏压信号。尽管多款现成的电源供给器(其间亦包括价位较低的电源供给器)均可用于此运用中，咱们仍是运用PXI-4110以简化作业。相同的，现有常见的偏压器(Bias tee)可进行最高1.58GHz的作业，而此场所运用的偏压器购自于www.minicircuits.com.
办法2：以接纳器供电至主动式天线
供电至主动式GPS天线的第二个办法，便是透过天线自身的接纳器。大多数的现成GPS接纳器，均运用单一端口供电至主动式GPS天线，且此端口亦透过适宜的DC信号到达偏压。若将主动式GPS接纳器整合割裂器(Splitter)与DC阻绝器(Blocker)，即可供电至主动式LNA，并仅记载GPS接纳器所取得的信号。下图即为正确的衔接办法：
图10.透过DC阻绝器(Blocker)，将可记载并剖析GPS信号
如图10所示，GPS接纳器的DC偏压即用以供电至LNA.请留意，因为当进行记载时，即可调查接纳器的相关特性，如速度与准确度衰减(Dilution)景象，因而办法2特别适用于驱动程序测验。
串联式(Noise figure)噪声系数核算
若要核算已记载GPS信号的总噪声量，只需找出全体RF前端的噪声系数即可。就一般状况来说，整组体系的噪声系数，往往遭到体系的第一组扩大器所影响。在一切RF组件或体系中，噪声系数均可视为SNRin与SNRout(参看：丈量技能的噪声系数)的份额。当记载GPS信号时，有必要先找出全体RF前端的噪声系数。
当履行串联式噪声系数核算时，有必要先行针对每笔噪声系数与增益，将之转化为线性等式;即所谓的“噪声因子(Noise factor)”。当以串联的RF组件核算体系的噪声系数时，即可先找出体系的噪声因子，并接着转化为噪声系数。因而体系的噪声系数有必要运用下列等式核算之：
等式2.串联式RF扩大器的噪声系数核算作业[3]
请留意，因为噪声因子(nf)与增益(g)归于线性联系而非对数(Logarithmic)联系，因而以小写表明之。下列即为增益与噪声系数，从线性转化为对数(反之亦然)的等式：
等式3到等式6.增益与噪声系数的线性/对数转化[3]
内建低噪声扩大器(LNA)的主动式GPS天线，一般均供给30dB的增益，且其噪声系数约为1.5dB.在仪控记载作业的第二阶段，则由NIPXI-5690供给30dB的附加增益。因为其噪声系数较高(5dB)，因而第二组扩大器仅将发生极小的噪声至体系中。在教育实作中，可针对记载仪控作业的完好RF前端，运用等式2核算其噪声因子。增益与噪声系数值即如下图所示：
图11.RF前端的首2组组件噪声系数与因子。
依据上列核算，即可找出接纳器的全体噪声因子：
等式7.RF记载体系的串联噪声系数
若要将噪声因子转化为噪声系数(单位为dB)，则可套用等式3以取得下列成果：
等式8.第一组LNA的噪声系数将影响接纳器的噪声系数
如等式8所示，第一组LNA(1.5dB)的噪声系数，将影响整组丈量体系的噪声系数。透过VSA的相关设定，可让仪器的噪声水平(Noise floor)低于输入激起的噪声水平，因而用户所进行的记载作业，将仅对无线信号形成1.507dB的噪声。
对GPS接纳器宣布信号
因为多款接纳器可运用适宜的软件，让用户呈现如经度与纬度的信息，因而需求更规范化的办法进行主动丈量作业。还好，现在有多款接纳器均可透过众所周知的NMEA-183协议，以设定对PXI控制器宣布信号。如此一来，接纳器将可透过序列或USB衔接线，接连传送相关指令。在NILabVIEW中，一切的指令均可转化语法，以回传卫星与定位信息。NMEA-183协议可支撑6种根本指令，并各自代表专属的信息。这些指令即如下表所示
图12.根本NMEA-183指令概述
以实践测验需求而言，GGA、GSA，与GSV指令应最为有用。更值得一提的是，GSA指令的信息可用于了解接纳器是否可到达定位作业需求，或可用于初次定位时刻(Time To First Fix，TTFF)丈量。当履行高灵敏性的丈量时，实践可针对所追寻的卫星，运用GSV指令回传C/N(Carrier-to-noise)比。
尽管无法于此具体阐明MNEA-183协议，但可至其他网站寻觅一切的指令信息，如：http://www.gpsinformation.org/dale/nmea.htm#RMC.在LabVIEW中，这些指令可透过NI-VISA驱动程序转化其语法。
图13.运用NMEA-183协议的LabVIEW典范
GPS丈量技能
现在有多种丈量作业可为GPS接纳器的效能进行特性描绘(Characterization)，其间亦有数种常见丈量可套用至一切的GPS接纳器中。此章节将阐明履行丈量的理论与实作，如：灵敏度、初次定位时刻(TTFF)、定位准确度/可重复性，与定位追寻不定性(Uncertainty)。应留意的是，还有许多不同的办法可查验定位准确度，并履行接纳器追寻功用的测验。尽管接着将阐明多种根本办法，但仍无法归纳一切。
灵敏度(Sensitivity)丈量作业介绍
灵敏度为GPS接纳器功用的最重要丈量作业之一。事实上，对多款已量产的GPS接纳器来说，仅限为最终出产测验所履行的RF丈量罢了。若深化来说，灵敏度丈量即为“接纳器可追寻并接纳上方卫星定位信息的最低卫星功率强度”。一般人均以为，GPS接纳器有必要串联多组LNA以达极高的增益，才干将信号扩大到适宜的功率强度。事实上，尽管LNA可提高信号功率，亦或许下降SNR.因而，当GPS信号的RF功率强度下降时，SNR也将跟着下降，最终让接纳器无法追寻卫星。
多款GPS接纳器可指定2组灵敏值：撷取灵敏度(Acquisition sensitivity)与信号追寻灵敏度(Signal tracking sensitivity)[9].如字面上的意思，撷取灵敏度为“接纳器可进行定位的最低功率强度”。相反而言，信号追寻灵敏度为“接纳器可追寻各个卫星的最低功率强度”。
以根本概念而言，咱们可将灵敏度界说为“无线接纳器发生所需最低位过错率(BER)的最低功率强度”。因为BER与载波噪声(Carrier-to-noise，C/N)比休戚相关，因而灵敏度一般均是透过已知的接纳器输入功率强度，得出所需的C/N值而定。
请留意，各组卫星的C/N值，均可直接透过GPS接纳器的芯片组而得。现在有多种办法可核算出此项数值，而某几款接纳器却是核算发讯日期(Messagedate)而得出约略值。当透过高功率测验激起进行模仿时，新款GPS接纳器一般均可得到54~56dB-Hz的C/N峰值。因为即便是万里无云的晴空，GPS接纳器亦或许得出30~50dB-Hz的C/N值;因而该C/N限值尚归于正常规模之内。一般GPS接纳器均有必要到达最小C/N比值，才干契合28~32dB-Hz的定位(撷取灵敏度)规模。因而，某些特别接纳器的灵敏度可界说为“接纳器发生最低定位C/N比值所需的最低功率强度”。
理论上来说，单一卫星或多组卫星测验激起均可丈量灵敏度。而实务上来看，因为已可轻松且安稳宣布所需的RF功率，因而往往是以单一卫星形式进行丈量作业。依界说而言，灵敏度为接纳器回传最小C/N比值的最低功率强度。在接下来的评论中，则可发现接纳器的灵敏度甚为依靠RF前端的噪声指数.
在等式9中，灵敏度可表达为C/N比值与噪声指数的函式。举例来说，定位追寻所需的最低C/N为32dB-Hz，则噪声指数为2dB的接纳器将具有-140dBm(-174+32+2)的灵敏度。可是，当独自测验基带(Baseband)收发器时，往往疏忽了第一组LNA.一般接纳器为下图所示：
图14.GPS接纳器往往串联多组LNA[6]
如图14所示，一般GPS接纳器均是串联了多组LNA，为GPS信号供给高功率的增益。如从前所说，第一组LNA将决议整组体系的噪声指数。图14中，咱们先假定LNA1具有30dB的增益与1.5dB的NF.此外，咱们假定整个RF前端具有40dB的增益与5dB的NF.接着请留意，因为LNA2之后的噪声功率将超越-174dBm/Hz的热噪声(Thermal noise)，因而带通(Bandpass)滤波器将一起削弱信号与噪声。如此将简直不会对SNR形成任何影响。最终，咱们假定GPS芯片组可发生40dB的增益与5dB的噪声指数。即可核算出整组体系的噪声指数为：
图15.线性与对数形式的增益与NF
依据上列核算，即可找出接纳器的全体噪声因子：
等式10与11.第一组LNA的噪声系数将影响接纳器的噪声系数
透过等式10与11来看，若GPS接纳器衔接已发动的天线，则其噪声指数约可达1.5dB.请留意，咱们现已先疏忽了相关噪声指数等式中的第三项条件。因为此数值极小，根本上可将之疏忽。
在某些事例中，GPS接纳器的作业天线会调配运用内建LNA.因而测验点将疏忽接纳器的第一组LNA.如此一来将透过第二组LNA得出噪声指数，且其往往又大于第一组LNA的噪声指数。若将LNA1移除，则可透过下列等式得出LNA2的噪声指数。
等式12与13.移除第一组LNA所得到的接纳器噪声指数
如等式12与13所示，若将具有最佳噪声指数的LNA移除，则将大幅影响整组接纳器的噪声指数。请留意，尽管此“常见”GPS接纳器噪声指数的核算典范纯为理论叙说，但仍具有其重要性。因为接纳器所呈现的C/N比值，真实与体系的噪声系数密不可分，因而体系的噪声系数可帮忙咱们设定适宜的C/N测验约束。
单一卫星灵敏度丈量
在了解灵敏度丈量的根本理论之后，接着将进行实践丈量的各个程序。一般测验体系均是透过直接联机，将模仿的L1单一卫星载波送入至DUT的RF通讯端口中。为了取得C/N比值，咱们将接纳器设定透过NMEA-183协议进行通讯。在LabVIEW中，则仅需串联3笔GSV指令，即可读取最大的卫星C/N值。
依据GPS标准阐明，单一L1卫星若坐落地球表面，则其功率应不低于-130dBm[7].可是，顾客对室内与野外的GPS接纳器运用需求，已进一步压低了测验约束。事实上，多款GPS接纳器可达最低-142dBm定位追寻灵敏度，与最低-160dBm信号追寻。在一般作业点(Operatingpoint)时，大多数的GPS接纳器均可敏捷继续承认低于6dB的信号，因而咱们的测验激起则运用-136dBm的均匀RF功率强度。
若要到达最佳的功率准确度与噪声水平(Noise floor)效能，则主张针对RF矢量信号发生器的输出，运用外接衰减。在大多数的事例中，40dB~60dB的外接衰减，可让咱们更挨近线性规模(功率≥-80dBm)，妥善操作发生器。因为各组接纳器的定位衰减(Fix attenuation)均不甚固定，因而有必要先行校准体系，以决议测验激起的正确功率。
在校准程序中，咱们可考虑：1)信号的峰值均匀比(Peak-to-average ratio)、衰减器各个部分的差异，还有任何接线作业或许的插入损耗(Insertionl oss)。为了校准体系，应先从DUT堵截联机，再将该联机接至RF矢量信号剖析器(如PXI-5661)。
PartA：单一卫星校准
当履行灵敏度丈量时，RF功率强度的准确性，实为信号发生器最重要的特性之一。因为接纳器可取得0数字准确度的C/N值(如34dB-Hz)，因而出产测验中的灵敏度丈量可达±0.5dB的功率准确度。因而，有必要保证咱们的仪控功用至少要到达持平或以上的效能。因为一般RF仪控作业是专为大规模功率强度、频率规模，与温度条件所规划，因而在履行根本体系校按时，丈量的可重复性(Repeatability)应远高于特定仪器效能。下列章节将进一步阐明可保证RF功率准确度的2种办法。
办法1：单一被迫式RF衰减器：
尽管运用外接衰减，是为了保证GPS信号发生作业可达最佳噪声密度，但实践仅需20dB的衰减，即可保证噪声密度低于-174dBm/Hz.当运用20dB的固定板(Pad)时，仅需将仪器设定为超越20dB的RF功率强度即可。为了到达-136dBm的方针，仪器应程序规划为-115dBm(假定1dB的衔接线插入损耗)，且将20dB衰减器直接连至发生器的输出。则所到达的RF功率将为-136dBm，但仍具有额定的不承认性。假定20dB的固定板具有±0.25dB的不承认性，且RF发生器亦于-116dBm具有±1.0dB的不承认性，则全体的不承认性将为±1.25dB.因而，尽管办法1最为简略且不需进行校准，但因为体系中的多项组件均未通过校准，因而或许接着发生不承认性。请留意，形成仪器不承认性最首要的原因之一，即为电压驻波比(Voltage standing wave ratio，VSWR)。因为被迫式衰减器是直接连至仪器的输出，所以反射回仪器的驻波即为实践衰减。因为下降了功率的不承认性，因而可提高全体功率的准确性。
请留意，此处亦运用高效能VNA的确丈量被迫衰减器。透过此丈量设备，即可于±0.1dB的不承认性之内，决议所要套用的衰减。
办法2：通过校准的多组被迫衰减器
校准RF功率的第二种办法，便是运用高准确度的RF功率计(高于±0.2dB的准确度，并最低可达-70dBm)调配多款固定式衰减器。因为咱们是以固定频率，与相对较小的功率规模操作RF发生器，所以可有用批改由发生器形成的任何过错。此外，因为被迫衰减器是以固定频率进行线性动作，因而亦可校准其不承认性。在办法2中，首要即有必要保证发生体系可到达最佳效能，且将不承认性降至最低。此高准确度功率计可达优于80dB的动态规模(往往为双头式仪器)，从而保证最低的丈量不承认性。
透过高准确度的功率计，即可运用3种丈量作业进行体系校准：1种用于矢量信号发生器的RF功率，别的2种丈量作业可校准衰减器。为了到达最佳的不承认性，则应设定体系所需的最少丈量次数。若要到达-136dBm的RF功率强度，则可将RF仪器程序规划为-65dBm的功率强度，并运用70dB固定衰减(假定1dB插入损耗)。为了的确进行RF功率强度的程序规划作业，则可透过固定的Padding校准实践衰减。校准程序如下：
1)将VSG程序规划为+15dBm功率强度
可敞开MeasurementandAutomationExplorer(MAX)并运用测验面板。透过测验面板以+15dBm发生1.58GHz接连波(CW)信号。
2)以高准确度的功率计丈量RF功率
运用RF功率计，让功率到达仪器功率准确度标准的+14.78dBm(或近似值)之内。
3)附加70dB固定式衰减器(30dB+20dB+20dB)与任何必要的衔接线
4)以高准确度的功率计丈量RF功率
将功率计设定为最大均匀值(512)，以丈量RF功率强度。此处的读数为-56.63dBm.
5)核算RF总耗费
若以+14.78dBm减去-56.63dBm，即可在整合了衰减器与衔接线之后，保证发生71.41dB的功率耗费。请留意，多款衰减器往往具有最高±1.0dB的不承认性。因而丈量所得的衰减或许最高达±3.0dB的改变。所以校准衰减器更显重要，保证已知衰减可达较低的不承认性。
依据衰减器与衔接线的校准例程，即可承认所需的RF功率强度有必要到达-136dBM.依据前述的71.41dB衰减，有必要将RF矢量信号发生器设定为-58.59dBm的功率强度。若要承认程序规划往后的功率无误，则可依下列过程进行：
6)直接将功率计附加至RF矢量信号发生器
并移除一切的衰减器与衔接线。
7)将RF发生器设定必要数值，使其最终功率到达-136dBm.
而程序规划的数值应为-58.59dBm，即由-136dBm+71.41dB而得。
8)以功率计丈量最终功率。
请留意，所测得的RF功率，将因仪器的功率准确度而有所不同。即便测得-58.59，则实践成果亦将因仪器的不承认性而发生少许改变。
9)调整发生器功率直到功率计读出-58.59dBm
尽管RF发生器可于必定的容错规模内进行作业，但此数值不只具有可重复性，亦可调整RF功率计进行校准，直到得出适宜的数值停止。
透过上述办法，仅需3项RF功率丈量作业，即可决议所需的RF功率。因而，假定丈量设备具有±0.2dB的不承认性，则可得出–136dBm的功率不承认性将为±0.6dBm(3×0.2)。
PartB：灵敏度丈量
现在校准RF丈量体系的功率之后，接着仅需进行RF发生器的程序规划，将功率强度设定足以让接纳器回传最小的C/N.尽管用于丈量灵敏度的RF功率将因接纳器而有所不同，可是接纳器C/N与RF功率的比值，将呈现完美的线性联系。在咱们的测验中，可假定所需的C/N为28dB-Hz以进行定位。透过等式12，即可得出接纳器C/N比值与噪声指数之间的联系。
假定卫星功率安稳，则可发现由接纳器报答的C/N比，简直就等于接纳器的噪声指数函式。下表显现可到达的多样C/N比值。
图16.C/N为噪声指数的函式
一般来说，接纳器上的GPS译码芯片组，将得出定位作业所需的最小C/N比值。可是，又有必要透过整组接纳器的噪声指数，才干决议现在功率强度所能到达的C/N比值。因而，当丈量灵敏度时，有必要先了解定位作业所需的最小C/N比值。
其实有多种办法可丈量灵敏度。如上表所示，RF功率与灵敏度具有直接相关性。因而，可依据现有的灵敏度功率强度，丈量接纳器的C/N比值;亦可依据不同的RF功率强度，得出体系灵敏度。
为了阐明这点，则可留意RF信号功率与GPS接纳器C/N比值，在不同功率强度之下的联系。下方丈量作业所套用的激起，即疏忽了第一组LNA而进行，且接纳器的全体噪声指数约为8dB.而图17显现相关成果。
图17.接纳器的C/N比值为RF功率的函式
如图17所示，此丈量典范的RF功率与C/N比值，简直是呈现完好的线性联系。而若运用高输入功率模仿C/N比值，将发生例外状况;接纳器报表将呈现或许的最大C/N值。可是，因为在任何条件下，进行试验的芯片组均不会发生超越54dB-Hz的C/N值，所以这些成果均属预期规模之中。
依据图7中所示RF功率与灵敏度之间的线性联系，其实仅需针对接纳器模仿不同的功率强度，即可进行GPS接纳器的出产测验作业。若接纳器在-142dBm得出28dB-Hz的C/N值，则亦可于-136dBm得到34dB-Hz的C/N值。若特别重视丈量速度，则可运用较高的C/N值，再从成果中推断出灵敏度的信息。
找出噪声指数
而由图17所示，接纳器的噪声指数将直接与RF功率强度与载噪比互成份额。依据此联系，咱们仅需针对RF功率强度与C/N进行相关性，即可丈量芯片组的噪声指数。而此项丈量中请留意，应以0.1dB为单位添加发生器的功率。因为NMEA-183协议所得到的卫星C/N值，是以最挨近的小数字为准，因而在丈量接纳器C/N比值时，应预算噪声指数达1位数的准确度。典范成果如图18所示。
图18.DUT功率与接纳器C/N的相关。
如图18所示，若RF功率强度处于-136.6dBm~-135.7dBm之间，则其C/N比值将保持于30dB-Hz.若以舍入法核算NMEA-183的数据时，则简直可承认-136.1dBm功率强度将发生30.0dB-Hz的C/N比值无误。透过等式14，芯片组的噪声指数则为-174.0dBm+-136.1dBm+30.0dB-Hz=7.9dB.请留意，此核算是依据2组不承认性系数而进行：矢量信号发生器的功率不承认性，还有接纳器所发生的C/N不承认性。
