如何降低GPS測(cè)試成本

似乎在一夜間，GPS已從汽車內(nèi)的單一應(yīng)用設(shè)備演變?yōu)槭殖衷O(shè)備應(yīng)用，并且現(xiàn)在成為了多模手持設(shè)備的一部分，甚至是嵌入在筆記本電腦中的GPS？具備GPS功能的設(shè)備有望在四年內(nèi)成為規(guī)模達(dá)300億美元的市場(chǎng)，這暗示著許多設(shè)備將來(lái)自高批量制造流水線，并且每部設(shè)備的GPS子系統(tǒng)都需要測(cè)試，不論是單獨(dú)測(cè)試，還是作為多模手機(jī)系統(tǒng)的一部分。

與Wi-Fi、WiMAX或手機(jī)通信模式不同的是，GPS不是一種接收器/發(fā)射器技術(shù)。GPS IC促成了單純接收設(shè)備，后者尋找24個(gè)有效GPS衛(wèi)星信號(hào)中的至少4個(gè)，并做一些直接的三角測(cè)量和誤差校正，為用戶提供非常準(zhǔn)確的位置信息。結(jié)合數(shù)字地圖，GPS系統(tǒng)會(huì)把人們的位置告訴他們，以及如何到達(dá)他們想去的地方。為此，GPS子系統(tǒng)必須能接收電平非常低的衛(wèi)星信號(hào)（最小信號(hào)強(qiáng)度為-130dBm），并準(zhǔn)確捕獲偽隨機(jī)噪聲(PRN)測(cè)距碼、星歷表、星歷數(shù)據(jù)。捕獲了這些信息以后，設(shè)備的內(nèi)部電路就可做位置計(jì)算，并把它們與標(biāo)準(zhǔn)地圖坐標(biāo)信息（例如WGS-84）關(guān)聯(lián)起來(lái)。

測(cè)試方面的挑戰(zhàn)

在GPS設(shè)備中，有兩件關(guān)鍵項(xiàng)目需要測(cè)試（見圖1）。其一就是確認(rèn)設(shè)備足夠靈敏，并能準(zhǔn)確捕獲疊加（即調(diào)制）在衛(wèi)星載波信號(hào)上的數(shù)據(jù)。

另一項(xiàng)測(cè)試是模擬多顆衛(wèi)星，發(fā)送它們各自的信號(hào)數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證設(shè)備計(jì)算了恰當(dāng)?shù)亩ㄎ蛔鴺?biāo)。或者可把設(shè)備暴露在實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)中，驗(yàn)證它是否提供了正確的位置定位。

后一種方法的問題在于，實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)可能隨著大氣條件而變化，使得難以實(shí)現(xiàn)初始測(cè)試條件的可重復(fù)性。前一種方法的問題在于，多通道測(cè)試是一件昂貴而耗時(shí)的事情。

應(yīng)用測(cè)試儀創(chuàng)新技術(shù)

對(duì)于位置定位測(cè)試，如果人們選擇使用實(shí)際衛(wèi)星傳輸，并希望擁有一致并且可重復(fù)的初始條件，那么他們就需要確保進(jìn)入的衛(wèi)星信號(hào)保持在穩(wěn)定的功率電平，并且不論使用什么方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，都不會(huì)使衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)一步失真。借用Rube Goldberg的一篇論述，我們可以緩沖信號(hào)，并在它減弱時(shí)把它放大，并在它超過選定的標(biāo)稱電平時(shí)使它減弱?；蛘呔驮谕獠糠胖靡桓炀€，并輸入捕獲的任何信號(hào)，無(wú)論接收的功率電平有何變化。第一種情形過于復(fù)雜，第二種則冒著質(zhì)量擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

創(chuàng)造一種多通道測(cè)試儀如何？它提供功率電平可調(diào)的L1信號(hào)，并能產(chǎn)生仿真衛(wèi)星數(shù)據(jù)。這種基于信號(hào)發(fā)生器的測(cè)試儀將能產(chǎn)生低電平信號(hào)，后者既可用于SNR（例如校準(zhǔn)），也可用于位置定位測(cè)試（見圖2）。

開發(fā)一種基于矢量信號(hào)發(fā)生器(VSG)的測(cè)試儀當(dāng)然是可行的，它每次能為一條通道提供L1信號(hào)，并對(duì)SNR和接收靈敏度做測(cè)試。事實(shí)上已經(jīng)做到了。但這種測(cè)試儀的多通道版本很昂貴。促成GPS功能的芯片組成本在迅速接近商品定價(jià)。而且，向多模手機(jī)添加GPS模式的成本必須與降價(jià)步伐一致。因此，購(gòu)買昂貴的多通道測(cè)試儀變得越來(lái)越?jīng)]有吸引力了。

利用軟件定義無(wú)線電，人們可以設(shè)計(jì)基于VSG的多通道測(cè)試儀，它的價(jià)格更加接近單通道系統(tǒng)。這使人們可以不必用兩個(gè)或更多測(cè)試步驟，而是用一個(gè)測(cè)試步驟來(lái)測(cè)試SNR和位置定位。

GPS測(cè)試的另一方面

還有另一方面的GPS測(cè)試尚未得到探索。基于VSG的測(cè)試儀產(chǎn)生約為-130dBm的調(diào)制信號(hào)，并向被測(cè)設(shè)備(DUT)提供傳導(dǎo)測(cè)試，它向設(shè)備的射頻輸入端交付的信號(hào)將不同于在測(cè)試儀流出的功率。如果設(shè)備需要具有準(zhǔn)確的測(cè)試，則電纜和連接器損耗必須得到考慮。但是難點(diǎn)在于，我們最后一次能用簡(jiǎn)單方式測(cè)量大小約為-130dBm的信號(hào)功率是在何時(shí)？普通的功率表此時(shí)無(wú)濟(jì)于事。

但是，如果我們沿著線路輸送功率更高的CW信號(hào)（比如-60dBm），我們當(dāng)然就能用連在電纜（它連至DUT）末端的功率表來(lái)測(cè)量產(chǎn)生的功率。如果我們?cè)?60dBm測(cè)量到6dB衰減，則我們知道在-130dBm將有6dB衰減。衰減不受功率影響，而是受頻率影響，并且頻率在兩種情形中均相同。如果測(cè)試儀中建有-60dBm CW信號(hào)功能，則整個(gè)過程就能更快完成。

大批量制造

仔細(xì)考慮我們構(gòu)建GPS測(cè)試系統(tǒng)的決定，我們注意到：市場(chǎng)上只有一種測(cè)試儀，并且我們的工程師覺得他們能設(shè)計(jì)一種多通道系統(tǒng)，它在價(jià)格方面可與單通道型號(hào)相比。

這項(xiàng)產(chǎn)品開發(fā)決定的結(jié)果就是一種測(cè)試儀，它在可調(diào)功率范圍內(nèi)為L(zhǎng)1(1,575.42MHz)產(chǎn)生類似GPS的信號(hào)，并且支持傳導(dǎo)（經(jīng)由電纜）和輻射（經(jīng)由空氣）測(cè)試方法（見圖3）。

前部面板上的單一射頻端口是功率為-60dBM至-145dBm的信號(hào)的來(lái)源。在-60dBm時(shí)，信號(hào)為CW類型。在較低功率范圍時(shí)，它是BPSK調(diào)制信號(hào)。導(dǎo)航數(shù)據(jù)在1.023MHz時(shí)是GPS C/A。載波多普勒偏移為±10KHz，通道功率可在偏離標(biāo)稱電平±15dB的范圍內(nèi)改變。

由于擁有6條通道，并能改變每條通道的頻率和功率，因此人們可以向DUT同時(shí)發(fā)送6路信號(hào)，并在一次采樣中捕獲6個(gè)不同功率電平的SNR。這當(dāng)然會(huì)縮短做首次測(cè)試（例如SNR）的時(shí)間，并且不會(huì)影響全面性或準(zhǔn)確度（見圖4）。

在測(cè)試自動(dòng)化領(lǐng)域顯身手

該測(cè)試儀具備C/C++應(yīng)用程序接口(API)，來(lái)簡(jiǎn)化測(cè)試腳本和自動(dòng)化測(cè)試軟件的編寫。另外，該系統(tǒng)具有圖形用戶界面(GUI)，后者設(shè)計(jì)用于GPS DUT的人工測(cè)試（見圖5）。借助該系統(tǒng)，用戶能選擇空間載體數(shù)量、功率電平、輸出模式、多普勒頻率、C/A率、源頻率。

設(shè)置非常簡(jiǎn)單。利用前部面板射頻連接器，測(cè)試儀被電纜連至DUT。測(cè)試儀后部的USB端口被連至PC上的USB連接器。用戶利用安裝于PC的GUI軟件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制測(cè)試儀和DUT。（DUT從PC的某個(gè)USB連接器接收其功率和控制指令。）

利用這臺(tái)PC，可以開發(fā)和執(zhí)行測(cè)試腳本和自動(dòng)化測(cè)試程序。在制造環(huán)境中，這些自動(dòng)化程序?qū)⒖刂艱UT和測(cè)試儀。在開發(fā)環(huán)境中，用戶可用GUI來(lái)控制測(cè)試儀。

實(shí)質(zhì)上，如果評(píng)論家們的觀點(diǎn)正確，并且GPS市場(chǎng)增長(zhǎng)至數(shù)百億美元規(guī)模的話，則行業(yè)將需要在GPS測(cè)試系統(tǒng)領(lǐng)域開展同樣的創(chuàng)新，這些創(chuàng)新目前在支撐著Wi-Fi市場(chǎng)——單機(jī)箱、快速、全面、準(zhǔn)確。