高效能訊號模擬器助陣　GNSS驗證快又準確

2013-04-01

Mirin Lew

GNSS發展如火如荼。為提高GPS精準度，目前各國皆極積發展GNSS，但也為晶片製造商帶來更複雜的測試挑戰，因此儀器廠商透過高精度訊號模擬器結合訊號產生器，進一步協助晶片商有效並準確測試GNSS訊號。

全球導航衛星系統(GNSS)由各個國家不同的衛星導航系統所組成(表1)，包括已全面運作的美國全球衛星定位系統(GPS)和俄羅斯GLONASS系統，以及歐盟的伽利略(Galileo)系統，加上日前剛啟用的中國北斗衛星系統。透過GNSS送出的訊號，使用者可以準確地進行定位。

衛星定位應用日益普及　GNSS晶片測試需求增溫

近年來，衛星服務應用產品正蓬勃發展，例如智慧型手機和平板電腦開始提供定位服務、車載導航系統的數量快速增加以及愈來愈多消費性電子裝置紛紛內建GPS功能，使得全球衛星導航系統市場飛速成長。市場分析師預估，在這些因素驅動下，GNSS市場未來幾年間的成長幅度可望達到10～20%。

儘管此一市場趨勢可望帶動更多全新導航和定位服務的發展，但同時也將為致力於開發GNSS晶片和模組的廠商，帶來更繁重的測試工作。不僅如此，現在有愈來愈多單一行動裝置支援多種全球衛星導航系統，因此測試工程師除了測試行動裝置支援的所有無線標準外，還須透過多種GNSS訊號驗證GNSS接收器的運作。

測試GNSS接收器是一項極具挑戰性的任務，過程中須量測多項特性；包括首次定位時間(TTFF)、定位準確度，及接收器靈敏度。執行TTFF量測時，工程師必須在冷、暖，或熱啟動等條件下，計算GNSS接收器完成定位的時間，亦即GNSS接收器完成前一次定位後，保留了多少衛星、時間和定位資訊，定位準確度測試則須計算接收器所完成的定位與正確的位置有多接近。接收器靈敏度測試則是指接收器取得衛星訊號，或追蹤衛星後續擷取所需的最小訊號位準。

TTFF和定位準確度測試通常是在研發和設計驗證過程中執行。為有效執行這些測試，接收器須要透過多種衛星訊號來計算並修正定位。靈敏度測試則是在研發和製造階段進行，只須使用簡單的單衛星訊號即可。此外，工程師也可使用真實的衛星訊號來測試GNSS接收器，不過這種方法欠缺可重複性或可靠性，而具有記錄和播放功能的測試系統，可提供GNSS測試所需的可重複訊號，缺點是靈活性不佳，導致測試不易。

提升GNSS驗證效率　高精度訊號模擬器建功

靈活的GNSS訊號模擬器可讓即時接收器測試的種種挑戰迎刃而解。藉由使用這類模擬器，工程師可任意選擇使用哪個衛星分布和哪一顆衛星進行測試，也可在播放訊號時改變個別衛星的功率或可見度，同時還可添加障礙、甚至於模擬現在還無法使用的衛星，例如伽利略衛星。接下來將介紹GNSS訊號模擬器的功用與技術特性。

進行衛星定位產品研發與設計驗證時，GNSS模擬器可以至少模擬十二顆衛星，以便在地球上任何地點，複製所有可見的衛星訊號(最多可模擬十五顆GPS衛星)。值得注意的是，衛星訊號必須包含有效的導航訊息，讓接收器得以計算出正確的位置。

另外，透過GNSS組合(如GPS加GLONASS)產生訊號，以便測試愈來愈普遍的多標準接收器；可模擬固定接收器情境則是測試基本TTFF和位置隨時間的漂移，並可模擬移動接收器，以測試接收器在移動時的追蹤和定位準確度，可即時控制衛星的可見度和功率，方便測試工程師模擬接收器通過隧道或受到遮蔽時的情形，並且產生任何日期、時間和地點的客製情境。

GNSS模擬器也應具備加入缺陷訊號的功能，例如在模擬時加入多路徑訊號。當GNSS接收器在低功率位準下通過建築物、樹木和其他遮蔽物時，通常會接收到間接的衛星訊號(即多路徑訊號)，因而出現不同於直視訊號的延遲和多普勒偏移。如果能夠在模擬訊號時加入這些訊號，特別是在研發階段，工程師便能夠在各種各樣的狀況下測試GNSS接收器的效能極限。

此外，在衛星訊號中添加偽虛擬距離(Pseudorange)誤差或高度仰角(Elevation Mask)的能力，是非常實用的GNSS模擬器特性。藉由添加虛擬距離誤差，工程師可測試接收器的演算法，以便偵測並排除故障的衛星，而高度仰角功能則可以將高於某個仰角的可見衛星排除在外，在建構建築物或高山等遮蔽物模型時，這項功能非常有用。利用這項功能還可建構接收器通過電離層和對流層時，所產生的大氣衰減和延遲的模型，以利為GNSS接收器提供更真實的訊號。

TTFF測試很少會在製造過程中進行，因為接收器需要30～45秒的時間，在冷啟動狀況下進行定位。為了節省時間，很多測試可能受限於只能使用簡單的單衛星訊號，驗證接收器擷取衛星訊號、報告接收功率，以及追蹤衛星的能力，並測試接收器的靈敏度。這類測試通常不需即時的導航資料，因此可使用靜止衛星訊號或波形檔，以便節省測試時間並降低設備成本。

訊號模擬器結合訊號產生器　衛星定位精度效能升級

為滿足此一市場需求，安捷倫(Agilent)N7609B Signal Studio for GNSS軟體提供執行TTFF、靈敏度和定位準確度測試所需的性能、靈活性和功能，因此可在研發、設計驗證和製造過程中驗證GNSS接收器的運作。若與部分訊號產生器搭配使用，此軟體可即時模擬GPS、GLONASS和伽俐略L1/E1訊號(圖1)。它還提供基本的單衛星波形選項，以便產生波形檔，可在製造過程中用於各種射頻向量訊號產生器。

圖1　先進的模擬軟體可在外部PC上運作，以提供GNSS訊號模擬的配置。

事實上，工程師只需設定訊號參數，軟體便可產生情境資料。資料會被下載到X系列訊號產生器，以便即時產生GNSS訊號套用於待測GNSS接收器。

針對每個衛星，先進的模擬軟體可模擬多達十五顆衛星，並可產生多達三十二個通道的GPS和GLONASS直視和多路徑訊號，以及十六個通道的伽俐略訊號。如此一來，測試工程師不僅可即時控制衛星的可見度和功率，同時還可進行多路徑訊號和虛擬距離誤差模擬。其情境產生器讓工程師能夠建立客製的情境，以便模擬靜止或移動的接收器，而軌跡產生器公用程式讓工程師能夠輕易產生靜止或移動情境之軌跡資料檔。此外，工程師可套用天線模型，以便模擬GNSS天線的增益檔，或建立因環境障礙物導致功率損耗的模型(圖2)。