GPS接收機的射頻前端測試原理和方法

輝輝仔

近幾年來，GPS（全球定位系統）在我國軍事、交通、郵電、地礦、煤礦、石油、建築以及農業、氣象、土地管理、金融、公安等部門和行業，以及在航空航太、測時授時、物理探礦、姿態測定等領域得到了廣泛應用。其應用的物質基礎是各種類型的GPS接收機。
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粗略統計，目前我國每年應用在各個領域的各種類型的GPS接收機在數百萬台，其中多以國外進口為主。雖然國內已經有許多家單位進入這一領域，但縱觀國內生產的GPS接收機，所使用的GPS核心定位產品主要來源於美國、日本、韓國和臺灣等地。為擺脫目前受制於人的被動局面，設計具有自主知識產權的導航接收機勢在必行。作為GPS接收機重要組成部分的接收機射頻前端電路是接收機動態性能的關鍵部件。它的很多指標，諸如噪聲係數、動態範圍、鏡頻抑制、1dB 壓縮點和相位噪聲等，都直接影響接收機的性能。因此，射頻指標的準確測量對GPS 接收機性能的準確評估非常重要。要有自主知識產權的接收機，就必須有一套完整而有效的射頻模塊指標的測試方法
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9 S0 _2 a1 X# ^' B0 _- w7 \& nGPS信號測試的基本要求

: X% ]- l  N+ |) a$ R# \& ]' iGPS 信號一般使用兩個射頻波段：一個信號頻率為1575.42MHz（L1波段）,另一個信號頻率1227.6MHz（L2波段）。一般來說，商用GPS接收機使用的波段為L1波段。接收機接收到最小信號功耗為-133dBm到-130dBm，此信號非常微弱，淹沒在噪聲�。測量 GPS 射頻模組所要使用的儀器設備及配件其可用頻率要高出五倍衛星信號頻率以上，才能滿足最基本的諧波失真測量。對於測量中使用的同軸線、接頭、負載等所有的特性阻抗都要是 50Ω的特性，才能匹配良好。同時，其輔助測試工具除了阻抗匹配良好還要具有容易校正、誤差小、連接方便、高可靠性及重復性的特點。定期校正測試儀器也很重要，而且校正時要將連接線、接頭、衰減器等所有配件連接後一同測量。

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+ m) o! W6 n6 b# \GPS射頻各指標測試的方法
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( ?6 s- g2 }, a  F0 Q& c9 aGPS 射頻部分的測試方案很多，其中比較重要的指標有：增益，可控增益範圍，輸入壓縮點，雜訊係數，鏡頻抑制，本振到信號的隔離度，本振相噪等。

) X. h  H0 F- k增益測量

( e0 l) }' N, l0 nGPS 射頻前端的增益是指輸入到 ADC 的信號與GPS 天線接收到的信號相比的放大程度。GPS 接收機射頻前端的增益一般都在 110dB 左右。增益可以使用頻譜分析儀來測量。

# s+ L* ^$ |: b" c$ D2 M低噪聲放大器、混頻器等器件的增益可以用向量網路分析儀來測量S21得到，注意埠的50Ω匹配。連接如圖 2。
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; T. [/ X3 J! L# Q1 J4 q有兩個系統性能參數體現了接收機的線性度，三階交調點和 1dB 壓縮點。三階交調特性會將鄰道信號的交調項混到有用信號中，造成信號質量的退化。但是，對於 GPS 來說，在帶內只有一個通道，沒有強的鄰道幹擾信號，因此，主要從1dB壓縮性能來考慮系統的線性度。實際的放大器其輸出功率並無法隨著輸入功率的增加而一直維持線性比例放大，最後總會達到飽和，當放大器的增益較線性的理想值減小 1dΒ 時的輸入功率稱之為輸入 1dΒ壓縮點(見圖 3)。測量時如圖 1 連接後，用信號發生器做功率掃描，從而找到輸入 1dB 壓縮點
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( m2 f+ h( D+ D) R4 V; s' q! A& R  y2.2 噪聲係數
GPS 接收機射頻前端內部本身也會產生噪聲，用噪聲係數來表示，其值越小越好。

+ ~/ t( s) X" L( ?Si和 Ni 是輸入信號和輸入雜訊，So 和 No 是輸出信號和輸出雜訊。
+ [' G7 Y6 w* K6 g1 q9 LGPS 接收機前級所使用的低雜訊放大器(low noise amplifier , LNA) 的雜訊係數尤其重要。如果雜訊係數太大，將會影響到 GPS 接收機的系統靈敏度。常用的測量雜訊係數的方法有兩種：使用雜訊係數測試儀直接測量、增益法。雜訊係數測試儀直接測量示意圖如圖 4。

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8 S- h# F3 @& T" C: ^使用噪聲係數分析儀是測量噪聲係數的最直接方法。結果也是最準確地。並且分析儀能夠同時顯示增益和雜訊係數。但分析儀有頻率限制，並且當測量很高的雜訊係數時，例如噪聲係數超過10dB，測量結果非常不準確。

增益法是基於噪聲係數的定義。 噪聲由兩個因素產生。一個是到達射頻系統輸入的幹擾，與需要的有用信號不同。第二個是由於射頻系統載波的隨機擾動。第二種情況是布朗運動的結果，應用於任何電子器件中的熱平衡，器件的可利用的噪聲功率為：PNA = kTΔF，ΔF = 噪聲帶寬(Hz)。在室溫(290ΔK)時，噪聲功率譜密度 PNAD = -174dBm/Hz.
* |7 G" i7 l/ ]因而我們有以下的公式：
1 |2 }( X9 s7 T! l" ?& ?9 ~NF = PNOUT - ( -174dBm/Hz + 20 * log10(BW)+ Gain )
9 q1 G( L1 ^7 u  }. I! F* O# b在公式中，PNOUT 是已測的總共輸出噪聲功率，-174dBm/Hz 是 290°K 時環境噪聲的功率譜密度。BW 是感興趣的頻率帶寬。Gain 是系統的增益。NF 是 DUT 的噪聲係數。為簡化公式，我們可以直接測量輸出噪聲功率譜密度(dBm/Hz)，這時公式變為：
+ F" Y$ ?% D3 p, \' t7 }% pNF = PNOUTD + 174dBm/Hz - Gain
這樣我們只要再測出增益就可以算出噪聲係數的值。

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鏡像抑制
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1 n% v- ~7 `  u* v' D2 K鏡像信號的存在會影響信號的信噪比。為了抑制這種影響，接收機必須有一定的鏡像抑制率。即在混頻器之前將鏡像位置的信號抑制到一定的程度，以減小混入帶內的信號對中頻信號的影響。測量鏡像抑制需要用到的儀器有信號發生器、衰減器、頻譜分析儀。信號發生器產生一定功率的鏡像信號，通過一個固定衰減器送到 GPS 接收機的射頻輸入端，然後用頻譜分析儀看混頻器前鏡像信號的功率。

" p- d9 w3 B) p* {' j9 k2.4 本振到射頻間隔離度
- h/ U7 _. [" u) T' k接收機各頻率埠之間的隔離度包括三項，信號與本振之間的隔離度，信號與中頻之間的隔離度，本振與中頻之間的隔離度。隔離度定義是本振或信號泄漏到其他埠的功率與原有功率之比，單位為 dB。在 GPS 接收機中，比較重要的指標是到射頻間隔離度，本振至射頻信號的隔離度不好時，本振功率可能從接收機信號端反向輻射或從天線反發射，造成對其他電設備幹擾。另一方面，對於直接下變頻結構的 GPS 接收機來說，還會造成自混頻，引起直流失調等問題。測量本振到射頻間隔離度的連接方法見圖 6。



) H  V' e1 J& F在 GPS 射頻模塊的本振端加入信號發生器，衰減器可以確保 50Ω阻抗匹配。在射頻端加頻譜分析儀分析結果。不用的中頻端要接 50Ω匹配負載。測量其他的隔離度，測量方法完全相似。
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+ l9 y+ Q0 L: j2.5 本振相位噪聲
+ O4 n3 M  E' [7 [3 R$ n頻率綜合器提供的本振信號的相位噪聲太大，會降低 GPS 射頻前端信噪比，從而影響 GPS 接收靈敏度。本振的相位噪聲表示為：
; _; C+ a4 L1 @( {0 yL(f)= Pn(f)/ Pc（dBc/Hz）
( ?& X9 |! I9 b  T& S式中 L(f)為單邊帶相位噪聲譜密度，單位元取 dBc/Hz；Pn(f)為在偏離載頻為 f 處的帶寬為1Hz 的單邊帶功率，以 dBm為單位； Pc為載波功率，以 dBm為單位。
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本振的相位雜訊可以直接用頻譜分析儀來測量。要想測量值準確，必須根據所測量相噪的載頻偏移量，合理選擇頻譜分析儀的 SPAN和RBWS的值。因為這兩個值決定了頻譜分析儀內部中頻濾波器的帶寬，如果帶寬太大，所測量的相噪淹沒在濾波器的裙帶下，會造成測量結果錯誤。見圖 7。

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現在一些新型號的頻譜分析儀會提供一些選項，可根據頻偏自動選擇適當的SPAN和RBWS的值，幫助我們更準確地測量相位噪聲。比如Agilent PSA系列，有以下選項幫助優化測量。
# O- b) Q4 F3 F+ _3 Z8 aOptimize phase noise for frequency offsets<50kHz from the carrier（用來測量頻偏小於 50kHz 頻率處的相位噪聲）。
- J/ \5 _0 S4 l* u" J7 |Optimize phase noise for frequency offsets>50kHz from the carrier（用來測量頻偏大於50kHz 頻率處的相位噪聲）。
Optimize LO for fast tuning（用來測量頻偏大於2MHz頻率處的相位噪聲）。

# `2 I$ g% m' y$ \# i' D* b3. 小結
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GPS產業的發展和重要性與日俱增，對其產品的開發也日益重要。隨之而來的是對 GPS 接收機的測試要求越來越高，以求可以找出產品中的問題，以及準確評估產品的性能。但射頻測試技術在國內起步較晚，可靠而耐用的射頻測試儀器以及輔助工具的供應商全都來自美、日等先進高科技國家，所以對於測試技術的創新和發展很不利。