GNSS空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)接收通道性能測試

王瑾，盧曉春，趙航，白燕

?

GNSS空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)接收通道性能測試

王瑾1,2,3，盧曉春1,3，趙航1,3，白燕1,2,3

（1. 中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710060；2. 中國科學(xué)院研究生院，北京 100039；3. 中國科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點實驗室，西安 710600）

GNSS空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)的接收通道是評估導(dǎo)航信號質(zhì)量的主要誤差源之一。通過分析接收通道特性引起的信號幅度誤差、相位失真、頻率偏移等現(xiàn)象，研究了接收通道增益平坦度、幅度誤差、相位誤差、頻率偏移、矢量誤差幅度、群時延等機理，提出了相應(yīng)的測試方法，測試結(jié)果表明接收通道性能能夠滿足空間信號質(zhì)量評估的要求。

通道性能；增益平坦度；矢量誤差幅度；群時延

0 引言

目前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的應(yīng)用越來越廣泛，幾乎涉及國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的各個領(lǐng)域。GNSS信號質(zhì)量直接影響導(dǎo)航性能，國內(nèi)外對于導(dǎo)航信號質(zhì)量評估工作都非常重視。美國斯坦福大學(xué)成立了GPS導(dǎo)航實驗室（GPS Lab），致力于導(dǎo)航信號質(zhì)量的監(jiān)測與評估。Galileo的空間信號監(jiān)測和評估任務(wù)主要由歐洲空間技術(shù)研究中心（ESTEC）的導(dǎo)航實驗室完成，并在多個地方組建了地面觀測站。中國科學(xué)院國家授時中心（NTSC）于2009年4月建立了一套GNSS空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括7.3m天線、射頻系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)儀器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、接收機和離線數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。系統(tǒng)可以接收L波段信號，既可實現(xiàn)對導(dǎo)航信號的地面接收功率、頻率（頻譜，帶寬等）等實時監(jiān)測，也可對典型通信信號參數(shù)如功率譜密度、眼圖、星座圖、信號調(diào)制參數(shù)等進行實時監(jiān)測[1]。

導(dǎo)航信號的接收校準(zhǔn)通道是GNSS空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)誤差分析的重要組成部分。為了保證信號質(zhì)量評估的準(zhǔn)確性，必須對信號接收通道的性能進行測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，分析接收通道對導(dǎo)航信號產(chǎn)生的誤差影響。本文利用由線路分配放大校準(zhǔn)喇叭、接收喇叭、低噪聲放大器等組成的接收校準(zhǔn)通道，結(jié)合信號源、頻譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器，搭建了測試平臺，通過測試分析，得到了通道的增益平坦度、幅度誤差、相位誤差、頻率偏移和矢量誤差幅度（EVM），連續(xù)監(jiān)測了通道的幅度變化及群時延等參數(shù)。

1 系統(tǒng)組成

GNSS空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)由射頻接收分系統(tǒng)、原子頻標(biāo)分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)、射頻信號評估分系統(tǒng)、基帶信號評估分系統(tǒng)、監(jiān)測接收機分系統(tǒng)6個部分組成，如圖1所示。射頻信號評估分系統(tǒng)接收射頻接收分系統(tǒng)送來的導(dǎo)航信號，經(jīng)過矩陣開關(guān)放大和濾波后，在外部原子頻標(biāo)的支持下，利用標(biāo)準(zhǔn)儀器對射頻信號的質(zhì)量進行評估?；鶐盘栐u估分系統(tǒng)對射頻接收分系統(tǒng)送來的導(dǎo)航信號進行下變頻，利用信號采集設(shè)備，在外部原子頻標(biāo)的支持下，對輸入信號進行中頻帶通采樣，將采集結(jié)果送入數(shù)據(jù)流盤，采用軟件分析的方法，對基帶信號的質(zhì)量進行離線評估。監(jiān)測接收機分系統(tǒng)接收射頻接收分系統(tǒng)送來的導(dǎo)航信號，利用監(jiān)測接收機，在外部原子頻標(biāo)的支持下，對輸入信號進行相關(guān)接收，將測量結(jié)果送入數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)，利用分析軟件，對接收機的觀測量進行評估。整個系統(tǒng)中射頻接收分系統(tǒng)的接收校準(zhǔn)通道與基帶信號評估分系統(tǒng)、射頻信號評估分系統(tǒng)及監(jiān)測接收機分系統(tǒng)之間都有信號傳輸，是空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)中的重要組成部分。

圖1 空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)組成圖

2 測試原理

如圖1所示，整個GNSS空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)中的基帶信號評估分系統(tǒng)、監(jiān)測接收機分系統(tǒng)和射頻信號評估分系統(tǒng)都要通過接收校準(zhǔn)通道接收信號，所以接收校準(zhǔn)通道的性能將影響最終的信號質(zhì)量評估結(jié)果，測試接收通道的幅頻特性和時延特性可以作為離線數(shù)據(jù)分析的誤差組成部分的依據(jù)。

GNSS空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)接收校準(zhǔn)通道指從線路分配放大器輸入口，通過高穩(wěn)相電纜到校準(zhǔn)喇叭和接收喇叭，經(jīng)低噪聲放大器通過低損耗電纜到分路器，最終到達線路分配放大器輸出口的通道。接收校準(zhǔn)通道如圖2所示。接收校準(zhǔn)通道包括了除天線反射面以外的所有接收通道設(shè)備。因此，通過測試校準(zhǔn)通道引起的信號幅度、相位失真可以反映接收通道的幅頻特性。

圖2 接收校準(zhǔn)通道

對通過接收校準(zhǔn)通道的導(dǎo)航信號進行分析，其原理如圖3所示，首先通過衰減器、低通濾波器，經(jīng)過下變頻器和帶通濾波器，產(chǎn)生滿足采樣要求的中頻信號，經(jīng)過ADC取樣后生成數(shù)字中頻信號，在隨后的數(shù)字信號處理單元里進行解調(diào)，進行時域、頻域以及調(diào)制域的分析。

圖3 信號分析原理圖

采用以上信號分析測試方法，分析的主要參數(shù)包括通道增益平坦度、幅度誤差、相位誤差、頻率偏移、EVM（矢量誤差幅度）和群時延。通道增益平坦度是在給定帶寬范圍內(nèi)的增益劇烈增加和快速下降的數(shù)值，是頻率特性曲線的一個重要指標(biāo)。幅度誤差、相位誤差、頻率誤差和EVM是被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號間比較的結(jié)果，是評價經(jīng)過數(shù)字調(diào)制后信號質(zhì)量的重要參數(shù)。群時延是衡量系統(tǒng)對信號造成的時延失真的主要參數(shù)。

頻率偏移是指測得頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率之間的差值。

值是指矢量誤差的幅值，即在參考信號狀態(tài)位置與被測信號狀態(tài)位置之間的矢量的幅度[2]，可用下式計算：

3 測試方法

測試中以信號源Agilent E4438C模擬產(chǎn)生L頻段北斗的頻點B1（1 561.098 MHz），B2（1 207.14 MHz）和B3（1 268.52 MHz）為例。

3.1 通道增益平坦度測試

如圖4連接儀器設(shè)備，Agilent E4438C產(chǎn)生B1頻點的掃頻信號并通過接收校準(zhǔn)通道，信號功率為-60 dBm，信號功率依次增加（每次增加5 dB）至-30 dBm，Agilent E4407B接收掃頻信號，測量通道的幅頻響應(yīng)和增益平坦度；Agilent E4438C分別發(fā)射B2，B3頻點的掃頻信號并重復(fù)以上步驟，Agilent E4407B接收掃頻信號，測量通道的幅頻響應(yīng)和增益平坦度。

圖4 通道增益平坦度測試示意圖

3.2 通道的相位、幅度誤差、頻偏、EVM值測試

如圖5所示連接儀器設(shè)備。Agilent E4438C發(fā)射B1頻點的QPSK（10）調(diào)制信號，信號功率為-60 dBm，信號功率依次增加（每次增加5dB）至-30 dBm，RSA6114A接收調(diào)制信號，進行/解調(diào)，測量接收通道的相位、幅度誤差、頻偏、值；Agilent E4438C分別發(fā)射B2，B3頻點的QPSK（10）調(diào)制信號，重復(fù)以上步驟，RSA6114A接收調(diào)制信號，測量接收通道的相位、幅度誤差、頻偏和值。

圖5 通道幅頻特性測試示意圖

3.3 連續(xù)監(jiān)測通道的幅度變化的測試

按照圖6所示連接儀器設(shè)備。Agilent E4438C發(fā)射B1頻點的BPSK（2）調(diào)制信號，Agilent E4407B接收信號并測量信號的20MHz帶寬通道功率，使用計算機遠程控制Agilent E4407B，讀取（每秒鐘一次）通道功率讀數(shù)，連續(xù)采集3天的通道功率讀數(shù)，Agilent E4438C發(fā)射B3頻點的BPSK（10）調(diào)制信號，Agilent E4407B接收信號并測量信號的20MHz帶寬通道功率，重復(fù)使用Matlab工具將3天的通道功率讀數(shù)畫圖，分析通道幅度變化規(guī)律。

圖6 通道幅度變化測試示意圖

3.4 通道群時延特性測試

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AgilentE8362B測試接收校準(zhǔn)通道的幅度、群時延變化特性。按照圖7所示連接儀器設(shè)備。首先對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行校準(zhǔn)，按下PRESET鍵，刪除屏幕上顯示的trace，在trace菜單中選擇new trace；連接電子校準(zhǔn)件的端口A和B到Port 1和Port 2之間，進行全雙端口校準(zhǔn)；斷開濾波器和電子校準(zhǔn)件的端口A，將Port1的輸出接至Port2，點擊測量，校準(zhǔn)結(jié)束。移去校準(zhǔn)電路，將測試輸入端口和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port 1端口進行連接，測試輸出端口接至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port 2端口，標(biāo)出所需的Marker點，打印群時延曲線。分別測量通過放大器濾波器組和直接電纜連接通道的群時延曲線，根據(jù)群時延特性曲線計算3項參數(shù)：線性、拋物性和波動，測量結(jié)果與原有參考值作對比。

圖7 通道群時延測試示意圖

4 測試結(jié)果及分析

測試中所有儀器的外參考信號是中國科學(xué)院國家授時中心10 MHz信號。儀器首先進行預(yù)熱和自校準(zhǔn)，調(diào)整天線指向角，在方位角120～230°和俯仰角20～65°的范圍內(nèi)尋找干擾信號最少的凈空。尋找結(jié)果是：當(dāng)天線方位角120°、俯仰角30°時，干擾信號最小。

4.1 通道增益平坦度測試結(jié)果

Agilent E4438C分別設(shè)置頻率為B1，B2和B3，功率為-40 dBm，Agilent E4407B設(shè)置對應(yīng)的頻率，Span（即ADC的采樣速率）設(shè)置要大于被測信號帶寬，但設(shè)置過大會使信號的信噪比過大，根據(jù)3個頻點的帶寬，設(shè)置為30 MHz，頻譜分辨率RBW設(shè)置為300 kHz，參考電平Ref設(shè)置為-25 dBm，在給定帶寬為20 MHz和50 MHz，功率為-40 dBm條件下，B1，B2，B3頻點的信號通過通道的增益平坦度結(jié)果，如表1所示。相對而言，B1，B3頻點通道的平坦度較好，B2頻點時較差，但是總體增益增加的數(shù)值都較小，滿足空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)的要求。

表1 通道增益平坦度測試結(jié)果

4.2 通道的相位、幅度誤差、頻偏、EVM值測試結(jié)果

Agilent E4438C分別設(shè)置頻率為B1，B2，B3，設(shè)置工作模式為實時/，調(diào)制方式QPSK（10）。要使信號正確解調(diào)，根據(jù)被測信號的頻率和帶寬設(shè)置Agilent RSA6114A的對應(yīng)頻率，測量帶寬為30 MHz，調(diào)制方式QPSK（10），選擇的測量濾波器是根升余弦濾波器，選擇的參考濾波器是余弦濾波器。每個頻點測量5次，測得通道的相位、幅度誤差頻率偏移和如表2所示，表2中的數(shù)據(jù)可作為信號質(zhì)量評估系統(tǒng)誤差分析的依據(jù)。

表2 接收通道幅頻特性測試結(jié)果

星座圖可以反映信號相位誤差、相位誤差幅度等特征[4]。圖8是E4438C直連RSA6114A解調(diào)圖，圖9是E4438C通過接收校準(zhǔn)通道后，正常情況下得到的RSA6114A解調(diào)圖，發(fā)現(xiàn)在接入接收校準(zhǔn)通道時星座圖有點離散狀況，考慮到接收通道本身會引入白噪聲，所以屬于正常情況。

圖9 通過接收校準(zhǔn)通道后的解調(diào)圖

4.3 連續(xù)監(jiān)測通道的幅度變化情況

使用計算機遠程控制Agilent E4407B，每秒鐘一次讀取通道功率讀數(shù)。連續(xù)采集3天的通道功率讀數(shù)，分別記錄發(fā)射B1頻點的BPSK（2）和B3頻點BPSK（10）的調(diào)制信號，Agilent E4407B接收信號并分別測量信號的4.092 MHz和20.46 MHz帶寬通道功率，使用Matlab將3天的通道功率讀數(shù)畫圖，分析通道幅度變化規(guī)律。如圖10和圖11所示，在碼速率為2.046 MHz和10.23 MHz碼速率的情況下通道增益的日均波動為3 dB。

圖10 2011-10-27—2011-10-29 B1頻點BPSK（2）通道功率變化圖

圖11 2011-10-30—2011-11-02 B3頻點BPSK（10）通道功率變化圖

4.4 通道群時延特性測試結(jié)果

和

接收校準(zhǔn)通道的時延指標(biāo)如表4中第3列所示，根據(jù)計算得到測試結(jié)果（表中第4列），與通道時延指標(biāo)比較，與指標(biāo)要求相符，滿足空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)要求。

表4 接收通道群時延測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文重點討論了GNSS信號質(zhì)量評估系統(tǒng)中接收通道的幅頻特性的測試方法，測得了通道增益平坦度、相位誤差、幅度誤差、頻率偏移、值及群時延參數(shù)等值，連續(xù)監(jiān)測了通道的幅度變化，并分析了測試結(jié)果。測試結(jié)果可用作GNSS信號質(zhì)量評估系統(tǒng)誤差分析的數(shù)據(jù)依據(jù)，測試結(jié)果表明接收通道性能滿足空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)的要求。

[1] 盧曉春, 周鴻偉. GNSS空間信號質(zhì)量分析方法研究[J]. 中國科學(xué): 物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué), 2010, 40(5): 528-533.

[2] 李立功. 現(xiàn)代電子測試技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2008.

[3] 李德儒. 群時延測量技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 1990.

[4] 周炯槃, 龐沁華, 續(xù)大我, 等. 通信原理[M]. 北京: 北京郵電大學(xué)出版社, 2005.

Testing of the receiving channel perfomance ofGNSS signal quality assessment system

WANG Jin1,2,3, LU Xiao-chun1,3, ZHAO Hang1,3, BAI Yan1,2,3

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;3. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

The receiving channel of GNSS signal quality assessment system is one of the main error sources for signal quality assessment system.Through the analyses of the signal amplitude error, phase distortion,frequency offset, etc., which are related to the characteristics of receiving channel, the mechanisms of gain flatness, amplitude error, phase error,frequency offset, error vector magnitude(EVM)and group delay are studied. A corresponding test method is proposed and the test shows that the receiving channel performance satisfies the requirements of the space signal quality assessment system.

channel performance; gain flatness; EVM(error vector magnitude); group delay

V448；P228

A

1674-0637(2012)04-0235-09

2012-02-27

國家自然科學(xué)基金資助項目（11073022）；中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃資助項目（Y001YR3701）

王瑾，女，博士研究生，助理研究員，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航和時間同步研究。