GPS有源天線OTA測試方法

2017-04-04  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

由于GPS采用衛星通信技術,其下行功率信號經由大氣層以及其他環境因素(典型如在城市地區由于多徑效應的影響)產生損耗,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良的性能。因此,對GPS無線接收系統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,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。相比于傳統的無源測試,OTA 測試著重衡量整機三維空間內的輻射性能測試,因而逐漸成為手機行業重視和認可的測試項目。目前,業內進行OTA測試的暗室環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)其基本工作原理可簡單描述為:

由于實際傳輸的矢量電磁波可以分成水平極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型天線預先校準測量路徑的損耗并補償,最終通過天線經典理論計算可以得到測試機的有源天線收發性能(如圖1)。

圖1-a、OTA發射性能(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,因為單向通信(開環)系統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有源天線開環測量方案如圖2所示。

圖2、GPS有源天線開環測量方案示意圖

當待測終端(簡稱DUT)開機后,通過測量天線獲取GPS信號發生器的特定信號——該信號可以是單星靜態信號,也可以是多星動態信號(通過信道仿真器產生),控制端通過時間參量不斷控制暗室轉臺的狀態和極化分量的切換,以實現測量。DUT則將獲取的GPS信號通過接收機進行射頻和基帶處理后,獲取數據的載噪比CN0,以此作為GPS測量的最終數據保存在其存儲設備中。測試完成后,DUT需要將該數據導出給控制PC做分析處理。PC在補償相應的信號傳輸路徑損耗,最終根據經典天線理論,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堵塞,而在弱信號下又易出現失真(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射功率值,但開環測量系統本身無法及時獲取信號源最優的調整量,測試過程中沒有依據可以動態地調整信號源功率,甚至會出現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,行業內也出現了一些閉環測量方案:即系統通過WLAN空口(IEEE 802.11體系標準)將GPS測量數據及時回傳給控制處理單元分析,并根據分析結果實時調整GPS信號源。該方案可以有效地解決開環系統的缺陷,但實際使用過程中,由于目前智能終端產品方案上多為WLAN/GPS/BT/FM等業務無線業務共集成電路IC,WLAN在傳送數據時(一般地,終端發射機發射功率不小于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)靜態模擬8顆GPS衛星,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標準規范,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)空口發射功率比WLAN要低得多(一般手機終端藍牙發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天線測量閉環系統的手段。通過對現有實驗室環境改造升級可以方便地支持GPS天線測量需求。

以帶有Android操作系統的終端為例。全波暗室采用單天線測量系統ETS-2090。其雙極化測量天線經RF開關控制器與GPS信號發生器Agilent E4438C相連,內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有源天線閉環測量方案示意圖

系統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射一個信號值X0,經空口衰減后被DUT接收,經過解析獲取載噪比CN0,通過藍牙空口以數據流的形式傳遞給輔助設備,輔助設備將藍牙數據流轉換成串口數據流后反饋給控制PC,控制PC根據反饋的數據判斷是否可接受,若低于(或高于)門限則控制信號源相應的調節輸出功率X1,從而形成測試系統的閉環。

使用該測量方案的測試情況如圖5,通過實現測量實時調節,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據,方便對天線進行輻射方向圖的分析。

圖5-a、閉環系統測試結果 圖5-b、閉環系統過程數據

本文提出一種利用藍牙空口作為GPS閉環測量手段的測試方案,該閉環測量方案借助高效的算法可以實現數據的實時糾正,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》電子工業出版社,2009
《藍牙技術原理與協議》北京交通大學出版社,2002

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