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深挖智能汽车设计要素,你知多少?

作者:时间:2016-10-22来源:网络收藏

不同类型的无线通信信号,均需要不同的带宽、中央频率,与增益。以信号来说,基本系统需求是以1.57542GHz的中央频率,记录2.046MHz的RF带宽。依此带宽需求,至少必须达到2.5MS/s(1.25x2MHz)取样率。注意:此处的1.25乘数,是根据PXI-5661数字降转换器(DDC)于降频(Decimation)阶段的下降(Roll-off)滤波器所得出。

在下方说明的测试作业中,我们使用5MS/s(20MB/s)取样率以撷取完整的带宽。由于标准PXI控制器硬盘即可达到20MB/s或更高的数据流量,因此不需使用外接的RAID亦可将信号串流至磁盘。然而,基于2个理由,我们仍建议使用外接硬盘。首先,外接硬盘可提升整体的数据储存量,并记录多组波形。其次,外接硬盘不会对PXI控制器的硬盘造成额外负担。在下方说明的测试作业中,我们采用1组USB2.0的外接硬盘。此硬盘为320GB的Western Digital Passport,具有5400RPM的硬盘转速。在我们的测试作业中,一般读取速度约落在25~28MB/s.因此该款硬盘可同时用于波形数据串流的仿真(6MB/s)与记录(20MB/s)作业。

GPS信号记录作业最为特殊之处,即是选择并设定合适的天线与低噪声放大器(LNA)。透过一般被动式平面天线(Passive patch antenna),即可于L1GPS频带中发现介于-120~-110dBm的常见峰值功率(此处为-116dBm)。由于GPS信号的功率强度极小,因此必须进行放大作业,以使矢量信号分析器可撷取卫星信号的完整动态范围。虽然有多个方法可将合适的增益强度套用至信号,不过我们发现:若使用主动式GPS天线搭配NIPXI-5690前置放大器(Pre-amplifier)时,即可达到最佳效果。若串联2组各可达30dB增益的LNA,则总增益则可达到60dB(30+30)。因此,矢量信号分析器可测得的峰值功率,将从-116dBm提升至-56dBm.下图即为该项设定的范例系统:

图6.GPS接收器与串联的LNA.

请注意,记录操作系统的必备组件之一,即为主动式GPS天线。主动式(Active)GPS天线,包含1组平面天线与1组LNA.此款天线一般均需要2.5V~5V的DC偏压电压,并仅需约$20美金即可购买现成产品。为了简单起见,我们使用1组天线搭配1组SMA接头。我们将于下列段落中看到,在RF前端的第一组LNA噪声图形极为重要;该图形将可确认进行记录作业的仪控,是否对无线信号构成最低噪声。亦请注意,图6中的矢量信号分析器为简化图标。实际的PXI-5661为3阶段式超外差(Super-heterodyne)矢量信号分析器,较复杂于图中所示。

若将60dB套用至无线信号中,则可于L1中得到约-60~-50dBm的峰值功率。若以扫频(Swept spectrum)模式设定VSA并分析整体频谱,则亦将发现L1频带(FM与移动电话)之外的带中功率(Power in band),其强度将高于GPS信号。然而,带外(Out-of-band)信号的峰值功率一般均不会超过-20dBm,且将透过VSA的多组带通(Band pass)滤波器之一进行滤波作业。若要检视记录装置的RF前端是否达到应有效率,最简单的方法之一即为开启RFSA示范面板的范例程序。透过此程序,即可于L1GPS频带中呈现RF频谱。图7即为常见的频谱。请注意,此频谱截图是透过GPS中心频率于室外所得。主动式GPS天线与PXI-5690前置放大器,可达到60dB的总增益。

中心频率:1.57542GHz

展频(Span):4MHz

RBW:10Hz

平均:RMS、20Averages

图7.仅透过极小的分辨率带宽(RBW),才可于频谱中呈现GPS

此处使用前面所提到的RF记录与播放LabVIEW范例程序;设定-50dBm的参考准位、1.57542GHz中央频率,与5MS/s的IQ取样率。下图即显示设置范例的人机接口:

图8.RF记录与播放范例的人机接口。

GPS信号的最长记录时间,将根据取样率与最大储存容量而定。若使用2TB容量的Raid磁盘阵列(Windows XP所支持的最大磁盘),将可透过5MS/s取样率记录最多25个小时的信号。

设定RF前端

由于串联的LNA可提供60dB的增益,因此使用者可大幅提升矢量信号分析器前端的功率。在我们的测量作业中,60dB的增益即足以将峰值功率从-116dBm提升至-56dBm.而透过60dB的增益(与1.5dB的噪声系数),信号的噪声功率将为–112dBm/Hz(-174+增益+F)。因此,所能撷取到的讯噪比(SNR)最高可达56.5dB(-56dBm+112.5dBm),亦低于实际的仪器动态范围。由此可知,若有80dB的动态范围,则VSA将可记录最大的SNR,且不会有无线信号的噪声影响。

当要记录任何无线信号时,可将参考准位设定高出一般峰值功率至少5dB,以因应任何信号强度的异常现象。在某些情况下,虽然上述此步骤将降低VSA的有效动态范围,但GPS信号却不会受到影响。由于GPS信号于天线输入的最大理想SNR即为58dB(-116+174),因此若于VSA记录超过58dB的动态范围将无任何意义。因此,我们甚至可以“抛弃”仪器的动态范围达10dB以上,亦不会影响记录信号的质量(在此带宽中,PXI-5661将提供优于75dB的动态范围)。

由于必须设定合适的参考准位,适当设定记录装置的RF前端亦显得同样重要。如先前所提,若要获得最佳的RF记录数据,则建议使用主动式GPS天线。由于主动式天线内建LNA,以低噪声系数提供最高30dB的增益,因此亦可供应DC偏压。下方将接着说明多种偏压方式。

方法1:以GPS接收器进行供电的主动式天线

第一个方法,是以DC偏压“T”供电至主动式天线。在此范例中,我们将DC信号(此为3.3V)套用至偏压“T”的DC埠,且“T”又将合适的DC偏移套用至主动式天线。请注意,此处将根据主动式天线的DC功率需求,进而决定是否套用精确的DC电压。下图即说明相关连结情形。

图9.使用DC偏压“T”供电至主动式GPS天线



关键词: GPS GPS接收器测试

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