引言

本文將介紹如何測(cè)量德思特Safran GSG-7或GSG-8 GNSS模擬器的輸出信號(hào)功率。此外，還展示了如何為此類測(cè)量正確配置德思特Safran Skydel仿真引擎以及如何設(shè)置射頻設(shè)備，從而使用頻譜分析儀準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)的射頻功率。

什么是載波噪聲密度C/N0

GNSS接收器可以測(cè)量到衛(wèi)星的偽距，精度一般為0.5米或更低，而影響GNSS信號(hào)測(cè)距精度的因素之一是載噪比C/N0。C/N0，即載波噪聲密度（一般也會(huì)簡(jiǎn)單稱之為載噪比，但要注意它和信噪比C/N不完全一致），是接收信號(hào)載波功率（Carrier Power）與噪聲頻譜密度功率（Noise Density）的比率，以dB·Hz為單位。

當(dāng)接收到GNSS信號(hào)時(shí)，信號(hào)通常會(huì)被接收器輸入端的噪聲淹沒(méi)。以GPS信號(hào)為例，根據(jù)ICD標(biāo)準(zhǔn)文檔，到達(dá)地球表面的GPS L1C/A信號(hào)的最低電平不得低于-160 dBW（-130 dBm），衛(wèi)星的高度約為20200公里，因此將適用擴(kuò)散損耗，相應(yīng)的路徑損耗約為-157.1 dB，此外還存在大氣損耗等其他的散射與折射損耗，為了維持此信號(hào)電平，GPS L1C/A的衛(wèi)星發(fā)射功率約為25 W（~14 dBW，44 dBm）。所以，可以了解到GPS L1C/A接收機(jī)的接收信號(hào)載波功率C為：

C=-130dBm

噪聲源（例如熱噪聲）產(chǎn)生的功率與系統(tǒng)帶寬和溫度成正比，熱噪聲通常在290 K時(shí)計(jì)算，噪聲的噪聲功率譜密度為：N0=kT(W/Hz)。其中，k為玻爾茲曼Boltzmann常數(shù)（1.3803×10-23 J/K），T為絕對(duì)溫度（K），因此可以算得熱噪聲功率譜密度為：

N0=1.3803×10-23×290=-204dBW/Hz=-174dBm/Hz

故GPS L1 C/A的典型載噪比（C/N0）為：

C/N0=-130dBm/-174dBm/Hz=44dB·Hz

C/N0如何在Skydel中工作與體現(xiàn)

用戶可以在德思特Safran Skydel仿真引擎與德思特Safran GNSS模擬器GSG-7/8中重現(xiàn)真實(shí)的GNSS信號(hào)傳輸過(guò)程：

Skydel生成的所有GNSS信號(hào)的“參考功率”約為-130 dBm，可以手動(dòng)滑動(dòng)滑塊將所有衛(wèi)星信號(hào)的信號(hào)功率均設(shè)置為-130 dBm，如下圖：

當(dāng)高斯噪聲激活時(shí)，Skydel會(huì)生成噪聲，使得-130 dBm的模擬GNSS信號(hào)與噪聲之間的C/N0為44 dB·Hz。

如果用戶將衛(wèi)星功率增加1 dB（例如：使用滑塊調(diào)整），C/N0將增加1 dB。

但是，有一些注意事項(xiàng)：

● Skydel以較高功率傳輸GNSS信號(hào)來(lái)模擬天線放大器的增益效果，根據(jù)接收器的設(shè)計(jì)，可能會(huì)改變接收器報(bào)告結(jié)果的中C/N0

● 當(dāng)同時(shí)傳輸多個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)時(shí)，其他衛(wèi)星的信號(hào)被視為噪聲，這也會(huì)影響接收器報(bào)告的C/N0

● 為了精確驗(yàn)證Skydel生成的信號(hào)的C/N0，我們使用頻譜分析儀測(cè)量單個(gè)衛(wèi)星的功率，然后在沒(méi)有任何GNSS信號(hào)的情況下單獨(dú)測(cè)量噪聲的功率

硬件配置

可用于運(yùn)行此仿真方案的GNSS模擬器GSG-7或GSG-8的硬件型號(hào)有：

但是，用戶可以使用與Skydel兼容的任何類型的SDR來(lái)完成基于軟件定義架構(gòu)的GNSS模擬器仿真：

（此處顯示的硬件配置示例GNSS模擬器采用德思特Safran GSG-8，也可采用GSG-7）

與德思特Safran GSG-8一起使用進(jìn)行射頻測(cè)量的射頻設(shè)備如下：

● 頻譜分析儀（德思特RTSA R55550-408）

● 校準(zhǔn)SMA公頭射頻電纜

● 德思特Safran GSG-8 GNSS模擬器

● 外部LNA（低噪聲放大器）

低噪聲放大器（LNA）是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）前端接收器中使用的射頻（RF）組件，用于將天線接收到的RF信號(hào)放大到所需水平。GNSS LNA通過(guò)添加最小的噪聲和失真來(lái)增強(qiáng)所需的信號(hào)強(qiáng)度，以減輕RF接收器鏈中后續(xù)組件添加的噪聲的影響，從而提高信噪比（SNR）和整體系統(tǒng)性能。

根據(jù)我們使用的LNA電氣規(guī)格，我們估計(jì)GPS L1C/A頻段（1575.42 MHz）的整體LNA放大增益約為25.72 dB。

（LNA增益性能曲線與LNA噪聲性能曲線）

下表顯示了GPS L1頻段1575.42 MHz時(shí)射頻電纜的衰減功率和LNA的放大功率：

Skydel配置

#01啟動(dòng)Skydel

Windows：在開始菜單中找到Skydel雙擊打開，并新建一個(gè)項(xiàng)目。

Linux/GSG-7/GSG-8：終端中鍵入Skydel-SDX，并新建一個(gè)項(xiàng)目。

#02添加信號(hào)

在“輸出（Output）”中添加SDR，并添加需要輸出的信號(hào)，本例中需要輸出GPS L1C/A信號(hào)，此處不需要添加一個(gè)高斯噪聲，如下：

轉(zhuǎn)到“設(shè)置（Settings）”->“GPS”->“信號(hào)啟用/禁用（Signal Enable/Disable）”，僅保留一顆衛(wèi)星輸出：

#03設(shè)置車輛位置

此處使用Skydel設(shè)置的默認(rèn)固定位置，但需要對(duì)車輛天線設(shè)置進(jìn)行更改。為此，請(qǐng)轉(zhuǎn)到“設(shè)置（Settings）”->“車輛（Vehicle）”->“天線（Antenna）”，并將“增益模式和增益偏移（Gain Pattern and Gain Offset）”的L1部分的參數(shù)設(shè)置為“None”：

#04設(shè)置全球參數(shù)

轉(zhuǎn)到“設(shè)置（Settings）”->“全局（Global）”->“信號(hào)功率（Signal Power）”并禁用“信號(hào)強(qiáng)度模型（Signal Strength Model）”：

#05測(cè)量GNSS信號(hào)功率

按照以下說(shuō)明在Skydel中測(cè)量RF信號(hào)和噪聲功率：

1. 啟動(dòng)Skydel

2. 檢查Skydel中的“Spectrum（頻譜）”選項(xiàng)卡：預(yù)期最大功率級(jí)別應(yīng)為-140 dBm

3. 設(shè)置頻譜分析儀進(jìn)行功率測(cè)量

4. 報(bào)告以GPS L1C/A信號(hào)為中心的功率電平,為了獲得更高的精度，請(qǐng)對(duì)啟用的GNSS信號(hào)執(zhí)行測(cè)量。其他衛(wèi)星應(yīng)在“信號(hào)啟用/禁用（Signal Enable/Disable）”選項(xiàng)卡上保持未選中狀態(tài)

GPS L1信號(hào)的頻譜儀測(cè)量視圖

5. 停止模擬

6. 在“輸出（Output）”選項(xiàng)卡上啟用“高斯噪聲（Gaussian Noise）”并在“信號(hào)啟用/禁用（Signal Enable/Disable）”選項(xiàng)卡中禁用已激活的衛(wèi)星。

7. 需要將頻譜分析儀設(shè)置為僅用于測(cè)量噪聲功率，并進(jìn)行測(cè)量

噪聲信號(hào)的頻譜視圖

考慮到添加到RF電纜連接中的LNA增益，其近似值為22.8 dB，最終獲取到的信號(hào)強(qiáng)度和噪聲結(jié)果如下表所示：

結(jié)論

德思特Safran Skydel仿真引擎強(qiáng)大的軟件定義架構(gòu)提供了極大的靈活性。無(wú)論硬件平臺(tái)如何，Skydel不僅為用戶提供多種配置可能性，而且還提供內(nèi)置測(cè)量和性能工具。在本文中，我們展示了如何使用德思特Safran Skydel仿真引擎測(cè)量GNSS信號(hào)和高斯噪聲功率。

Skydel生成-130 dBm的基帶GNSS信號(hào)。當(dāng)高斯噪聲激活時(shí)，Skydel會(huì)生成噪聲，例如-130 dBm的模擬GNSS信號(hào)與C/N0=44 dB·Hz的熱噪聲。

當(dāng)使用連接到SDR無(wú)線電的Skydel生成RF信號(hào)時(shí)，測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度將取決于您的Skydel配置設(shè)置、無(wú)線電增益和RF設(shè)備的衰減。因此，確定C/N0值將幫助您確定GNSS系統(tǒng)后期的搭建與實(shí)際參數(shù)的預(yù)測(cè)。