GPS接收機的射頻前端测试原理和方法

　　近几年来，GPS（定位系统）在我国军事、交通、邮电、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业，以及在航空航太、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域得到了广泛应用。 其应用的物质基础是各种类型的GPS接收机。其应用的物质基础是各种类型的GPS接收机

　　粗略统计，目前我国每年应用在各个领域的各种类型的GPS接收机在数百万台，其中多以国外进口为主。虽然国内已经有许多家单位进入这一领域，但纵观国内生产的GPS接收机，所使用的GPS定位产品主要来源於美国、日本、韩国和台湾等地。为摆脱目前受制於人的被动局面，设计具有自主知识产权的导航接收机势在必行。作为GPS接收机重要组成部分的接收机射频前端电路是接收机动态性能的关键部件。它的很多指标，诸如噪声系数、动态范围、镜频抑制、1dB 压缩点和相位噪声等，都直接影响接收机的性能。因此，射频指标的准确测量对GPS 接收机性能的准确*估非常重要。要有自主知识产权的接收机，就必须有一套完整而有效的射频模块指标的测试方法

　　GPS信号测试的基本要求

　　GPS 信号一般使用两个射频波段：一个信号频率为1575.42MHz（L1波段）,另一个信号频率1227.6MHz（L2波段）。一般来说，商用GPS接收机使用的波段为L1波段。接收机接收到信号功耗为-133dBm到-130dBm，此信号非常微弱，淹没在噪声里。测量 GPS 射频模组所要使用的仪器设备及配件其可用频率要高出五倍卫星信号频率以上，才能满足基本的谐波失真测量。对於测量中使用的同轴线、接头、负载等所有的特性阻抗都要是 50Ω的特性，才能匹配良好。同时，其辅助测试工具除了阻抗匹配良好还要具有容易校正、误差小、连接方便、高可靠性及重复性的特点。定期校正测试仪器也很重要，而且校正时要将连接线、接头、衰减器等所有配件连接後一同测量。

　　GPS射频各指标测试的方法

　　GPS 射频部分的测试方案很多，其中比较重要的指标有：增益，可控增益范围，输入压缩点，杂讯系数，镜频抑制，本振到信号的隔离度，本振相噪等。

　　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。增益可以使用频谱分析仪来测量。

　　低噪声放大器、混频器等器件的增益可以用向量网路分析仪来测量S21得到，注意埠的50Ω匹配。连接如图 2。

　　有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。但是，对於 GPS 来说，在带内只有一个通道，没有强的邻道干扰信号，因此，主要从1dB压缩性能来考虑系统的线性度。实际的放大器其输出功率并无法随着输入功率的增加而一直维持线性比例放大，後总会达到饱和，当放大器的增益较线性的理想值减小 1dΒ 时的输入功率称之为输入 1dΒ压缩点(见图 3)。测量时如图 1 连接後，用信号发生器做功率扫描，从而找到输入 1dB 压缩点

　　2.2 噪声系数

　　GPS 接收机射频前端内部本身也会产生噪声，用噪声系数来表示，其值越小越好。

　　Si和 Ni 是输入信号和输入杂讯，So 和 No 是输出信号和输出杂讯。

　　GPS 接收机前级所使用的低杂讯放大器(low noise amplifier , LNA) 的杂讯系数尤其重要。如果杂讯系数太大，将会影响到 GPS 接收机的系统灵敏度。常用的测量杂讯系数的方法有两种：使用杂讯系数测试仪直接测量、增益法。杂讯系数测试仪直接测量示意图如图 4。

　　使用噪声系数分析仪是测量噪声系数的直接方法。结果也是准确地。并且分析仪能够同时显示增益和杂讯系数。但分析仪有频率限制，并且当测量很高的杂讯系数时，例如噪声系数超过10dB，测量结果非常不准确。

　　增益法是基於噪声系数的定义。 噪声由两个因素产生。一个是到达射频系统输入的干扰，与需要的有用信号不同。第二个是由於射频系统载波的随机扰动。第二种情况是布朗运动的结果，应用於任何电子器件中的热平衡，器件的可利用的噪声功率为：PNA = kTΔF，ΔF = 噪声带宽(Hz)。在室温(290ΔK)时，噪声功率谱密度 PNAD = -174dBm/Hz.

　　因而我们有以下的公式：

　　NF = PNOUT - ( -174dBm/Hz + 20 * log10(BW)+ Gain )

　　在公式中，PNOUT 是已测的总共输出噪声功率，-174dBm/Hz 是 290°K 时环境噪声的功率谱密度。BW 是感兴趣的频率带宽。Gain 是系统的增益。NF 是 DUT 的噪声系数。为简化公式，我们可以直接测量输出噪声功率谱密度(dBm/Hz)，这时公式变为：

　　NF = PNOUTD + 174dBm/Hz - Gain

　　这样我们只要再测出增益就可以算出噪声系数的值。

　　镜像抑制

　　镜像信号的存在会影响信号的信噪比。为了抑制这种影响，接收机必须有一定的镜像抑制率。即在混频器之前将镜像位置的信号抑制到一定的程度，以减小混入带内的信号对中频信号的影响。测量镜像抑制需要用到的仪器有信号发生器、衰减器、频谱分析仪。信号发生器产生一定功率的镜像信号，通过一个固定衰减器送到 GPS 接收机的射频输入端，然後用频谱分析仪看混频器前镜像信号的功率。

　　2.4 本振到射频间隔离度

　　接收机各频率埠之间的隔离度包括三项，信号与本振之间的隔离度，信号与中频之间的隔离度，本振与中频之间的隔离度。隔离度定义是本振或信号泄漏到其他埠的功率与原有功率之比，单位为 dB。在 GPS 接收机中，比较重要的指标是到射频间隔离度，本振至射频信号的隔离度不好时，本振功率可能从接收机信号端反向辐射或从天线反发射，造成对其他电设备干扰。另一方面，对於直接下变频结构的 GPS 接收机来说，还会造成自混频，引起直流失调等问题。测量本振到射频间隔离度的连接方法见图 6。

　　在 GPS 射频模块的本振端加入信号发生器，衰减器可以确保 50Ω阻抗匹配。在射频端加频谱分析仪分析结果。不用的中频端要接 50Ω匹配负载。测量其他的隔离度，测量方法完全相似。

　　2.5 本振相位噪声

　　频率综合器提供的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。本振的相位噪声表示为：

　　L(f)= Pn(f)/ Pc（dBc/Hz）

　　式中 L(f)为单边带相位噪声谱密度，单位元取 dBc/Hz；Pn(f)为在偏离载频为 f 处的带宽为1Hz 的单边带功率，以 dBm为单位； Pc为载波功率，以 dBm为单位。

　　本振的相位杂讯可以直接用频谱分析仪来测量。要想测量值准确，必须根据所测量相噪的载频偏移量，合理选择频谱分析仪的 SPAN和RBWS的值。因为这两个值决定了频谱分析仪内部中频滤波器的带宽，如果带宽太大，所测量的相噪淹没在滤波器的裙带下，会造成测量结果错误。见图 7。

　　现在一些新型号的频谱分析仪会提供一些选项，可根据频偏自动选择适当的SPAN和RBWS的值，帮助我们更准确地测量相位噪声。比如Agilent PSA系列，有以下选项帮助优化测量。

　　Optimize phase noise for frequency offsets<50kHz from the carrier（用来测量频偏小於 50kHz 频率处的相位噪声）。

　　Optimize phase noise for frequency offsets>50kHz from the carrier（用来测量频偏大於50kHz 频率处的相位噪声）。

　　Optimize LO for fast tuning（用来测量频偏大於2MHz频率处的相位噪声）。

　　3. 小结

　　GPS产业的发展和重要性与日俱增，对其产品的开发也日益重要。随之而来的是对 GPS 接收机的测试要求越来越高，以求可以找出产品中的问题，以及准确*估产品的性能。但射频测试技术在国内起步较晚，可靠而耐用的射频测试仪器以及辅助工具的供应商全都来自美、日等先进高科技国家，所以对於测试技术的创新和发展很不利。