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如何利用RF记录与回放将真实性引入您的GNSS测试

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RF记录与回放系统有望将真实的世界引入GNSS测试实验室,但如何才能实现真实性呢?我们将在此对实现真实性的若干技术加以探讨。

记录与回放系统(RPS)是专业GNSS测试员工具箱中的一个关键组成部分。这些便携式的设备使工程师能够以数字方式记录现实世界的RF环境并将其回放出来,在真实的条件下对GNSS接收机的性能加以测试。与现实世界不同的是,这种回放机制可以不断重复相同的条件,从而使迭代测试成为可能。

但是,现实世界的RF环境空间巨大且动态丰富,并且充斥着各种噪音,要想记录其完整的丰富性根本是不可能的。因此,记录与回放系统(RPS)可以实现的真实性水平只能大致接近接收机在日常使用中将会遭遇的环境真实性。然而,有些RPS单元可以提供傲视同群的更高真实性,而这种能力在很大程度上取决于此类单元中所使用技术。

本博客延续了我们的电子书如何在实验室中创造真实的GNSS测试环境右箭头图标所涵盖的主题,探讨了影响RF记录与回放真实性的五项技术因素。如果您目前正在对各种RPS单元进行评测,或者您希望对使用RPS开展测试时看似异常的结果刨根问底,这些关键因素都值得您认真考虑。

1. 记录的位深度

在对环境进行数字化记录时,记录与回放设备所采用的分辨率具有至关重要的意义。与周遭的噪音相比,GNSS信号极其微弱,因此如果某个单元只能以1或2位进行记录,所记录的信号可能会完全淹没在充满噪音的环境中。采用更高位数的记录则可以更精确地将输入的信号重现出来。

因此,记录的位深度必须高于接收机的位深度,否则它就无法从接收机的视角提供所在环境的真实呈现,而且接收机从噪音中辨识信号的能力也就无法接受测试。

具备更高位深度的RPS单元,例如我们的思博伦GSS6450,可以使用更尖端的模拟-数字(ADC)和数字-模拟(DAC)信号转换器,并具备先进的RF设计和,以及分辨率更高的信号处理能力。

也就是说,它们可以更好地记录和回放不同强度下的不同信号(见下文),使工程师能够更好地评价接收机捕获和重新捕获GNSS信号的能力。在另一方面,这还意味着该单元可以生成更大的数字文件,从而限制记录的时长,或者需要用到额外的外部存储空间。

2. 动态范围

与位深度密切相关的另一项指标就是记录与回放单元的动态范围。该指标表示的是该单元可记录的信号强度范围。例如,如果某个单元的动态范围为40dB,它就可以记录该环境中最响亮信号40dB范围内的一切。如果GNSS信号比该环境中最响信号还要安静60dB,则具备40dB动态范围的记录与回放单元就不可能拾获该信号。

需要特别注意的是,RPS单元会使用过滤来去除环境中的带外RF噪音,而这些噪音很可能会淹没GNSS信号。在测试应对真实GNSS信号的接收机时,这种方式自然是没问题的,但过滤噪音也会降低已记录环境的整体真实性,如果没有得到充分的考虑到这一因素,很可能会产生颇具误导性的结果。

较为先进的RPS单元可以提供更宽广的动态范围,使环境中的不同组成部分可以通过多路RF输出被独立记录下来。例如,思博伦GSS6450就具备一路专用于GNSS信号的输入、一路适用于蜂窝信号的输入,以及一路面向宽带的输入。接下来,这些信号可以被重新组合在一起,形成真实环境的更忠实回放,而这种能力对于接收机面对RF干扰时的强健性和弹性测试尤为宝贵。

3. 振荡器质量

振荡器是RPS单元中的关键器件,负责提供将已记录信号回放给被测设备的频率。该频率必须与该单元数模转换器生成的RF信号精确校准。如果两者不一致,就可能产生相位噪音,从而降低辐射信号的载噪比(C/N0)。

如果振荡器的温度超过该单元的已校准范围(在产品资料规格中会详细说明),则也会产生相位噪音。温度补偿振荡器(TCXO)通常较不稳定,而且比炉控振荡器(OCXO)更容易受到温度变化的影响,因此检查您的RPS单元所采用的振荡器类型是非常有必要的。

振荡器的选择其实是制造商在成本、尺寸和功耗方面折衷的产物,因此,如果某种单元既具备更长的电池寿命,而且还更加便宜,这很可能是因为它采用的是TCXO,而非OCXO。

如果信号总是在类似的温度下记录和回放,这似乎也没什么不妥。但如果信号在摄氏零下4度的条件下记录,而在温暖的实验室中回放,我们就可能要面临振荡器频率与记录信号时的频率存在巨大差异的风险。由此产生的相位噪音可能会使被测接收机更难以锁定信号。事实上,振荡器所引入的任何噪音都会对真实性造成侵蚀,因为回放出来的信号与真实的已记录信号截然不同。

4. 设计和制造水平

记录与回放单元的设计和制造质量非常重要,但在确保实验室中真实性的考虑中却常常被忽视。质量较差的单元可能会因为其内部组件产生的噪音而将抖动引入记录中,而这种噪音在记录时的真实环境中是不存在的。

高质量的记录与回放单元在各方面都是有保障的,其中的内置电源等器件都可以将抖动降至最低水平。然而,随着时间的推移,各器件的性能都会逐步下滑,因此较老的单元应当定期接受重新评估,确保其内部噪音水平不会在记录或回放阶段引入任何异常。

5. 不同单元上的回放

记录与回放系统会将已记录的环境存储为数字I/Q文件,而此类文件可以在未参与记录的其它的单元上回放出来。

然而,在这里需要注意的是,每个RPS单元在记录路径和回放路径方面都会有自己的微妙差异,主要原因就是其设计和制造时使用了不同的器件。此外,第二个单元中振荡器引入的任何相位噪音也会对测试的真实性产生影响,进而影响测试结果的完整性。

为避免这种情况的发生,有些RPS单元,例如我们的思博伦GSS6450右箭头图标,会在制造期间接受校准,并对回放线路进行校准调整。这种作法可以提高已记录内容在其它单元上回放时的性能。

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这份全新的思博伦电子书将深入分析GNSS测试中真实性的问题,并探讨测试团队应如何使用RF信号模拟和记录与回放系统来创造真实的测试环境。

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Ajay Vemuru

Director of PNT Simulation, Spirent Communications

Ajay Vemuru is Director of PNT Simulation at Spirent Communications. With over a decade of experience in location technology, Ajay’s work enables Spirent to acquire fresh insights, and make better decisions, accelerating customer developments in a range of emerging markets. Before Spirent, Ajay worked as a software engineer and research engineer at two of the leading semiconductor companies in Silicon Valley. Ajay has chaired technical sessions and hosted panel discussions at various industry conferences and seminars. Ajay holds a master’s degree in electrical engineering from Ohio University.