GPS有源天線OTA測(cè)試方法

2017-04-04  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

由于GPS采用衛(wèi)星通信技術(shù),其下行功率信號(hào)經(jīng)由大氣層以及其他環(huán)境因素(典型如在城市地區(qū)由于多徑效應(yīng)的影響)產(chǎn)生損耗,實(shí)際到達(dá)移動(dòng)終端接收機(jī)的信號(hào)已十分微弱,這要求接收機(jī)有更為優(yōu)良的性能。因此,對(duì)GPS無(wú)線接收系統(tǒng)的有源天線進(jìn)行測(cè)量是十分必要的。本文借助藍(lán)牙(Bluetooth)空口提出一種響應(yīng)迅速、準(zhǔn)確性高,且成本低的GPS有源天線測(cè)量(OTA)方案。

整機(jī)輻射性能的測(cè)試在手機(jī)射頻性能測(cè)試中越來(lái)越受到重視,這種輻射性能測(cè)試反映了手機(jī)的最終發(fā)射和接收的能力。目前,主要有兩種方法對(duì)手機(jī)的輻射性能進(jìn)行考察:一種是對(duì)天線的輻射性能進(jìn)行直接判定,即無(wú)源測(cè)試;另一種是在特定全電波暗室內(nèi),測(cè)試手機(jī)的輻射功率和接收靈敏度,稱為有源測(cè)試。OTA(Over The Air)測(cè)試就屬于有源測(cè)試。相比于傳統(tǒng)的無(wú)源測(cè)試,OTA 測(cè)試著重衡量整機(jī)三維空間內(nèi)的輻射性能測(cè)試,因而逐漸成為手機(jī)行業(yè)重視和認(rèn)可的測(cè)試項(xiàng)目。目前,業(yè)內(nèi)進(jìn)行OTA測(cè)試的暗室環(huán)境主要有單天線測(cè)量和多探頭測(cè)量?jī)煞N(此外還有針對(duì)MIMO測(cè)試的混響室測(cè)量系統(tǒng))其基本工作原理可簡(jiǎn)單描述為:

由于實(shí)際傳輸?shù)氖噶侩姶挪梢苑殖伤綐O化和垂直極化兩個(gè)正交分量,因此通過(guò)一個(gè)或多個(gè)雙極化測(cè)量天線(或RF探頭)可以捕獲測(cè)試機(jī)的輻射性能,并利用已知輻射特性的電偶極子或環(huán)型天線預(yù)先校準(zhǔn)測(cè)量路徑的損耗并補(bǔ)償,最終通過(guò)天線經(jīng)典理論計(jì)算可以得到測(cè)試機(jī)的有源天線收發(fā)性能(如圖1)。

圖1-a、OTA發(fā)射性能(TRP)測(cè)試示意圖

圖1-b、OTA接收性能(TIS)測(cè)試示意圖

民用GPS使用L1頻帶(1575.42MHz±10KHz)為終端提供下行單項(xiàng)通信業(yè)務(wù)支持,主要用于導(dǎo)航、定位、授時(shí)和測(cè)速。這就對(duì)測(cè)量方案提出了挑戰(zhàn),因?yàn)閱蜗蛲ㄐ?開(kāi)環(huán))系統(tǒng)無(wú)法形成有效的反饋機(jī)制,在天線測(cè)量過(guò)程中就會(huì)造成因天線方向性而產(chǎn)生測(cè)試不準(zhǔn)確的情況,因而不能準(zhǔn)確地一次性反映天線性能——盡管通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果二次分析可以糾正,但極大的影響測(cè)試效率,特別是在天線設(shè)計(jì)階段。典型的GPS有源天線開(kāi)環(huán)測(cè)量方案如圖2所示。

圖2、GPS有源天線開(kāi)環(huán)測(cè)量方案示意圖

當(dāng)待測(cè)終端(簡(jiǎn)稱DUT)開(kāi)機(jī)后,通過(guò)測(cè)量天線獲取GPS信號(hào)發(fā)生器的特定信號(hào)——該信號(hào)可以是單星靜態(tài)信號(hào),也可以是多星動(dòng)態(tài)信號(hào)(通過(guò)信道仿真器產(chǎn)生),控制端通過(guò)時(shí)間參量不斷控制暗室轉(zhuǎn)臺(tái)的狀態(tài)和極化分量的切換,以實(shí)現(xiàn)測(cè)量。DUT則將獲取的GPS信號(hào)通過(guò)接收機(jī)進(jìn)行射頻和基帶處理后,獲取數(shù)據(jù)的載噪比CN0,以此作為GPS測(cè)量的最終數(shù)據(jù)保存在其存儲(chǔ)設(shè)備中。測(cè)試完成后,DUT需要將該數(shù)據(jù)導(dǎo)出給控制PC做分析處理。PC在補(bǔ)償相應(yīng)的信號(hào)傳輸路徑損耗,最終根據(jù)經(jīng)典天線理論,計(jì)算得出該天線在三維空間中的總體輻射性能TCNR:

其中,EICi表示在處于雙極化測(cè)量天線不同極化分量下的空間某點(diǎn)CN0值。

由于典型的手機(jī)方案中GPS接收機(jī)在強(qiáng)信號(hào)下易出現(xiàn)堵塞,而在弱信號(hào)下又易出現(xiàn)失真(測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3),因此若想準(zhǔn)確得到測(cè)試結(jié)果可能需要多次反復(fù)測(cè)試,不斷修正信號(hào)源的發(fā)射功率值,但開(kāi)環(huán)測(cè)量系統(tǒng)本身無(wú)法及時(shí)獲取信號(hào)源最優(yōu)的調(diào)整量,測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有依據(jù)可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整信號(hào)源功率,甚至?xí)霈F(xiàn)多次反復(fù)測(cè)量仍無(wú)法準(zhǔn)確獲取整機(jī)接收性能的情況。

圖3、終端GPS接收機(jī)性能

出于以上考慮,行業(yè)內(nèi)也出現(xiàn)了一些閉環(huán)測(cè)量方案:即系統(tǒng)通過(guò)WLAN空口(IEEE 802.11體系標(biāo)準(zhǔn))將GPS測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)回傳給控制處理單元分析,并根據(jù)分析結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整GPS信號(hào)源。該方案可以有效地解決開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的缺陷,但實(shí)際使用過(guò)程中,由于目前智能終端產(chǎn)品方案上多為WLAN/GPS/BT/FM等業(yè)務(wù)無(wú)線業(yè)務(wù)共集成電路IC,WLAN在傳送數(shù)據(jù)時(shí)(一般地,終端發(fā)射機(jī)發(fā)射功率不小于10dBm)引起IC底噪升高,可能會(huì)造成對(duì)GPS接收機(jī)的額外干擾,相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1,采用正常GPS、藍(lán)牙加擾GPS和WLAN加擾GPS的對(duì)照測(cè)試方法,在GPS中等接收水平下(載噪比35dB左右)靜態(tài)模擬8顆GPS衛(wèi)星,觀察不同實(shí)驗(yàn)組的GPS冷啟動(dòng)時(shí)間差異。每個(gè)實(shí)驗(yàn)組選取十個(gè)樣本觀察值(從中去除最大和最小值),觀察結(jié)果可見(jiàn),藍(lán)牙加擾的影響要小于WLAN。雖然不同IC方案商提供一些功率控制手段可緩解此類問(wèn)題,但平臺(tái)和平臺(tái)之間沒(méi)有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,因此實(shí)際測(cè)量方案中缺乏通用性。

表1-a 加擾模式下的GPS冷啟動(dòng)時(shí)間(單位s)

表1-b 測(cè)試結(jié)果分析

由于一般終端藍(lán)牙(IEEE 802.15體系標(biāo)準(zhǔn))空口發(fā)射功率比WLAN要低得多(一般手機(jī)終端藍(lán)牙發(fā)射機(jī)輸出功率不大于0dBm),同時(shí)作為一項(xiàng)成熟的無(wú)線通信方案也具備傳輸可靠、靜態(tài)較低傳輸時(shí)延(典型為毫秒級(jí))的特點(diǎn),因此可以通過(guò)藍(lán)牙空口作為形成GPS天線測(cè)量閉環(huán)系統(tǒng)的手段。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室環(huán)境改造升級(jí)可以方便地支持GPS天線測(cè)量需求。

以帶有Android操作系統(tǒng)的終端為例。全波暗室采用單天線測(cè)量系統(tǒng)ETS-2090。其雙極化測(cè)量天線經(jīng)RF開(kāi)關(guān)控制器與GPS信號(hào)發(fā)生器Agilent E4438C相連,內(nèi)置通信天線與輔助設(shè)備(另一具有藍(lán)牙功能的Android智能手機(jī))相連,而輔助設(shè)備通過(guò)USB接口與控制PC相連。

圖4、GPS有源天線閉環(huán)測(cè)量方案示意圖

系統(tǒng)的整體運(yùn)行思路如圖4所示。PC開(kāi)機(jī)激活特定的測(cè)量軟件,完成與輔助設(shè)備的接口通信準(zhǔn)備,并初始化所有測(cè)量?jī)x器;待測(cè)智能終端通過(guò)特定的APP開(kāi)啟藍(lán)牙與輔助設(shè)備(藍(lán)牙地址唯一)配對(duì)通信,GPS信號(hào)源初始化后試探性地發(fā)射一個(gè)信號(hào)值X0,經(jīng)空口衰減后被DUT接收,經(jīng)過(guò)解析獲取載噪比CN0,通過(guò)藍(lán)牙空口以數(shù)據(jù)流的形式傳遞給輔助設(shè)備,輔助設(shè)備將藍(lán)牙數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)流后反饋給控制PC,控制PC根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)判斷是否可接受,若低于(或高于)門(mén)限則控制信號(hào)源相應(yīng)的調(diào)節(jié)輸出功率X1,從而形成測(cè)試系統(tǒng)的閉環(huán)。

使用該測(cè)量方案的測(cè)試情況如圖5,通過(guò)實(shí)現(xiàn)測(cè)量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),不僅可以得到更為準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果,還可以獲取清晰的過(guò)程數(shù)據(jù),方便對(duì)天線進(jìn)行輻射方向圖的分析。

圖5-a、閉環(huán)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果 圖5-b、閉環(huán)系統(tǒng)過(guò)程數(shù)據(jù)

本文提出一種利用藍(lán)牙空口作為GPS閉環(huán)測(cè)量手段的測(cè)試方案,該閉環(huán)測(cè)量方案借助高效的算法可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)糾正,并配合軟硬件自動(dòng)化接口使得測(cè)量過(guò)程中不需要人為介入,對(duì)提高測(cè)試準(zhǔn)確性和測(cè)試效率有一定的借鑒意義。

作者:中興通訊 喻洋

參考文獻(xiàn)

《Test Plan for Mobile Station Over the Air Performance》CTIA,2008
《RF SYSTEM DESIGN OF TRANSCEIVER FOR WIRELESS CONMMUNICATIONS》Springer, 2005
《GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)》電子工業(yè)出版社,2009
《藍(lán)牙技術(shù)原理與協(xié)議》北京交通大學(xué)出版社,2002

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