GPS有源天線OTA測試方法

2017-04-04  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

由于GPS采用衛(wèi)星通信技術,其下行功率信號經(jīng)由大氣層以及其他環(huán)境因素(典型如在城市地區(qū)由于多徑效應的影響)產(chǎn)生損耗,實際到達移動終端接收機的信號已十分微弱,這要求接收機有更為優(yōu)良的性能。因此,對GPS無線接收系統(tǒng)的有源天線進行測量是十分必要的。本文借助藍牙(Bluetooth)空口提出一種響應迅速、準確性高,且成本低的GPS有源天線測量(OTA)方案。

整機輻射性能的測試在手機射頻性能測試中越來越受到重視,這種輻射性能測試反映了手機的最終發(fā)射和接收的能力。目前,主要有兩種方法對手機的輻射性能進行考察:一種是對天線的輻射性能進行直接判定,即無源測試;另一種是在特定全電波暗室內(nèi),測試手機的輻射功率和接收靈敏度,稱為有源測試。OTA(Over The Air)測試就屬于有源測試。相比于傳統(tǒng)的無源測試,OTA 測試著重衡量整機三維空間內(nèi)的輻射性能測試,因而逐漸成為手機行業(yè)重視和認可的測試項目。目前,業(yè)內(nèi)進行OTA測試的暗室環(huán)境主要有單天線測量和多探頭測量兩種(此外還有針對MIMO測試的混響室測量系統(tǒng))其基本工作原理可簡單描述為:

由于實際傳輸?shù)氖噶侩姶挪梢苑殖伤綐O化和垂直極化兩個正交分量,因此通過一個或多個雙極化測量天線(或RF探頭)可以捕獲測試機的輻射性能,并利用已知輻射特性的電偶極子或環(huán)型天線預先校準測量路徑的損耗并補償,最終通過天線經(jīng)典理論計算可以得到測試機的有源天線收發(fā)性能(如圖1)。

圖1-a、OTA發(fā)射性能(TRP)測試示意圖

圖1-b、OTA接收性能(TIS)測試示意圖

民用GPS使用L1頻帶(1575.42MHz±10KHz)為終端提供下行單項通信業(yè)務支持,主要用于導航、定位、授時和測速。這就對測量方案提出了挑戰(zhàn),因為單向通信(開環(huán))系統(tǒng)無法形成有效的反饋機制,在天線測量過程中就會造成因天線方向性而產(chǎn)生測試不準確的情況,因而不能準確地一次性反映天線性能——盡管通過對測量結果二次分析可以糾正,但極大的影響測試效率,特別是在天線設計階段。典型的GPS有源天線開環(huán)測量方案如圖2所示。

圖2、GPS有源天線開環(huán)測量方案示意圖

當待測終端(簡稱DUT)開機后,通過測量天線獲取GPS信號發(fā)生器的特定信號——該信號可以是單星靜態(tài)信號,也可以是多星動態(tài)信號(通過信道仿真器產(chǎn)生),控制端通過時間參量不斷控制暗室轉臺的狀態(tài)和極化分量的切換,以實現(xiàn)測量。DUT則將獲取的GPS信號通過接收機進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測量的最終數(shù)據(jù)保存在其存儲設備中。測試完成后,DUT需要將該數(shù)據(jù)導出給控制PC做分析處理。PC在補償相應的信號傳輸路徑損耗,最終根據(jù)經(jīng)典天線理論,計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量天線不同極化分量下的空間某點CN0值。

由于典型的手機方案中GPS接收機在強信號下易出現(xiàn)堵塞,而在弱信號下又易出現(xiàn)失真(測試結果見圖3),因此若想準確得到測試結果可能需要多次反復測試,不斷修正信號源的發(fā)射功率值,但開環(huán)測量系統(tǒng)本身無法及時獲取信號源最優(yōu)的調(diào)整量,測試過程中沒有依據(jù)可以動態(tài)地調(diào)整信號源功率,甚至會出現(xiàn)多次反復測量仍無法準確獲取整機接收性能的情況。

圖3、終端GPS接收機性能

出于以上考慮,行業(yè)內(nèi)也出現(xiàn)了一些閉環(huán)測量方案:即系統(tǒng)通過WLAN空口(IEEE 802.11體系標準)將GPS測量數(shù)據(jù)及時回傳給控制處理單元分析,并根據(jù)分析結果實時調(diào)整GPS信號源。該方案可以有效地解決開環(huán)系統(tǒng)的缺陷,但實際使用過程中,由于目前智能終端產(chǎn)品方案上多為WLAN/GPS/BT/FM等業(yè)務無線業(yè)務共集成電路IC,WLAN在傳送數(shù)據(jù)時(一般地,終端發(fā)射機發(fā)射功率不小于10dBm)引起IC底噪升高,可能會造成對GPS接收機的額外干擾,相關的實驗室測試結果見表1,采用正常GPS、藍牙加擾GPS和WLAN加擾GPS的對照測試方法,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,觀察不同實驗組的GPS冷啟動時間差異。每個實驗組選取十個樣本觀察值(從中去除最大和最小值),觀察結果可見,藍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題,但平臺和平臺之間沒有相應的行業(yè)標準規(guī)范,因此實際測量方案中缺乏通用性。

表1-a 加擾模式下的GPS冷啟動時間(單位s)

表1-b 測試結果分析

由于一般終端藍牙(IEEE 802.15體系標準)空口發(fā)射功率比WLAN要低得多(一般手機終端藍牙發(fā)射機輸出功率不大于0dBm),同時作為一項成熟的無線通信方案也具備傳輸可靠、靜態(tài)較低傳輸時延(典型為毫秒級)的特點,因此可以通過藍牙空口作為形成GPS天線測量閉環(huán)系統(tǒng)的手段。通過對現(xiàn)有實驗室環(huán)境改造升級可以方便地支持GPS天線測量需求。

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

圖4、GPS有源天線閉環(huán)測量方案示意圖

系統(tǒng)的整體運行思路如圖4所示。PC開機激活特定的測量軟件,完成與輔助設備的接口通信準備,并初始化所有測量儀器;待測智能終端通過特定的APP開啟藍牙與輔助設備(藍牙地址唯一)配對通信,GPS信號源初始化后試探性地發(fā)射一個信號值X0,經(jīng)空口衰減后被DUT接收,經(jīng)過解析獲取載噪比CN0,通過藍牙空口以數(shù)據(jù)流的形式傳遞給輔助設備,輔助設備將藍牙數(shù)據(jù)流轉換成串口數(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)門限則控制信號源相應的調(diào)節(jié)輸出功率X1,從而形成測試系統(tǒng)的閉環(huán)。

使用該測量方案的測試情況如圖5,通過實現(xiàn)測量實時調(diào)節(jié),不僅可以得到更為準確的測試結果,還可以獲取清晰的過程數(shù)據(jù),方便對天線進行輻射方向圖的分析。

圖5-a、閉環(huán)系統(tǒng)測試結果 圖5-b、閉環(huán)系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)

本文提出一種利用藍牙空口作為GPS閉環(huán)測量手段的測試方案,該閉環(huán)測量方案借助高效的算法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時糾正,并配合軟硬件自動化接口使得測量過程中不需要人為介入,對提高測試準確性和測試效率有一定的借鑒意義。

作者:中興通訊 喻洋

參考文獻

《Test Plan for Mobile Station Over the Air Performance》CTIA,2008
《RF SYSTEM DESIGN OF TRANSCEIVER FOR WIRELESS CONMMUNICATIONS》Springer, 2005
《GPS原理與接收機設計》電子工業(yè)出版社,2009
《藍牙技術原理與協(xié)議》北京交通大學出版社,2002

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