随着GPS的普及，测试成本需要不断降低
2009-01-19
作者：John Lukez，Rob B
似乎在一夜间，GPS已从汽车内的单一应用设备演变为手持设备应用，并且现在成为了多模手持设备的一部分，甚至是嵌入在笔记本电脑中的GPS？具备GPS功能的设备有望在四年内成为规模达300亿美元的市场，这暗示着许多设备将来自高批量制造流水线，并且每部设备的GPS子系统都需要测试，不论是单独测试，还是作为多模手机系统的一部分。
与Wi-Fi、WiMAX或手机通信模式不同的是，GPS不是一种接收器/发射器技术。GPS IC促成了单纯接收设备，后者寻找24个有效GPS卫星信号中的至少4个，并做一些直接的三角测量和误差校正，为用户提供非常准确的位置信息。结合数字地图，GPS系统会把人们的位置告诉他们，以及如何到达他们想去的地方。为此，GPS子系统必须能接收电平非常低的卫星信号（最小信号强度为-130dBm），并准确捕获伪随机噪声(PRN)测距码、星历表、星历数据。捕获了这些信息以后，设备的内部电路就可做位置计算，并把它们与标准地图坐标信息（例如WGS-84）关联起来。
测试方面的挑战
在GPS设备中，有两件关键项目需要测试（见图1）。其一就是确认设备足够灵敏，并能准确捕获叠加（即调制）在卫星载波信号上的数据。
另一项测试是模拟多颗卫星，发送它们各自的信号数据，并验证设备计算了恰当的定位坐标。或者可把设备暴露在实际卫星信号中，验证它是否提供了正确的位置定位。
后一种方法的问题在于，实际卫星信号可能随着大气条件而变化，使得难以实现初始测试条件的可重复性。前一种方法的问题在于，多通道测试是一件昂贵而耗时的事情。
应用测试仪创新技术
对于位置定位测试，如果人们选择使用实际卫星传输，并希望拥有一致并且可重复的初始条件，那么他们就需要确保进入的卫星信号保持在稳定的功率电平，并且不论使用什么方式来实现这个目标，都不会使卫星信号进一步失真。借用Rube Goldberg的一篇论述，我们可以缓冲信号，并在它减弱时把它放大，并在它超过选定的标称电平时使它减弱。或者就在外部放置一根天线，并输入捕获的任何信号，无论接收的功率电平有何变化。第一种情形过于复杂，第二种则冒着质量扰动风险。
创造一种多通道测试仪如何？它提供功率电平可调的L1信号，并能产生仿真卫星数据。这种基于信号发生器的测试仪将能产生低电平信号，后者既可用于SNR（例如校准），也可用于位置定位测试（见图2）。
开发一种基于矢量信号发生器(VSG)的测试仪当然是可行的，它每次能为一条通道提供L1信号，并对SNR和接收灵敏度做测试。事实上已经做到了。但这种测试仪的多通道版本很昂贵。促成GPS功能的芯片组成本在迅速接近商品定价。而且，向多模手机添加GPS模式的成本必须与降价步伐一致。因此，购买昂贵的多通道测试仪变得越来越没有吸引力了。
利用软件定义无线电，人们可以设计基于VSG的多通道测试仪，它的价格更加接近单通道系统。这使人们可以不必用两个或更多测试步骤，而是用一个测试步骤来测试SNR和位置定位。
GPS测试的另一方面
还有另一方面的GPS测试尚未得到探索。基于VSG的测试仪产生约为-130dBm的调制信号，并向被测设备(DUT)提供传导测试，它向设备的射频输入端交付的信号将不同于在测试仪流出的功率。如果设备需要具有准确的测试，则电缆和连接器损耗必须得到考虑。但是难点在于，我们最后一次能用简单方式测量大小约为-130dBm的信号功率是在何时？普通的功率表此时无济于事。
但是，如果我们沿着线路输送功率更高的CW信号（比如-60dBm），我们当然就能用连在电缆（它连至DUT）末端的功率表来测量产生的功率。如果我们在-60dBm测量到6dB衰减，则我们知道在-130dBm将有6dB衰减。衰减不受功率影响，而是受频率影响，并且频率在两种情形中均相同。如果测试仪中建有-60dBm CW信号功能，则整个过程就能更快完成。
大批量制造
仔细考虑我们构建GPS测试系统的决定，我们注意到：市场上只有一种测试仪，并且我们的工程师觉得他们能设计一种多通道系统，它在价格方面可与单通道型号相比。
这项产品开发决定的结果就是一种测试仪，它在可调功率范围内为L1(1,575.42MHz)产生类似GPS的信号，并且支持传导（经由电缆）和辐射（经由空气）测试方法（见图3）。
前部面板上的单一射频端口是功率为-60dBM至-145dBm的信号的来源。在-60dBm时，信号为CW类型。在较低功率范围时，它是BPSK调制信号。导航数据在1.023MHz时是GPS C/A。载波多普勒偏移为±10KHz，通道功率可在偏离标称电平±15dB的范围内改变。
由于拥有6条通道，并能改变每条通道的频率和功率，因此人们可以向DUT同时发送6路信号，并在一次采样中捕获6个不同功率电平的SNR。这当然会缩短做首次测试（例如SNR）的时间，并且不会影响全面性或准确度（见图4）。
在测试自动化领域显身手
该测试仪具备C/C++应用程序接口(API)，来简化测试脚本和自动化测试软件的编写。另外，该系统具有图形用户界面(GUI)，后者设计用于GPS DUT的人工测试（见图5）。借助该系统，用户能选择空间载体数量、功率电平、输出模式、多普勒频率、C/A率、源频率。
设置非常简单。利用前部面板射频连接器，测试仪被电缆连至DUT。测试仪后部的USB端口被连至PC上的USB连接器。用户利用安装于PC的GUI软件和设备驱动程序来控制测试仪和DUT。（DUT从PC的某个USB连接器接收其功率和控制指令。）
利用这台PC，可以开发和执行测试脚本和自动化测试程序。在制造环境中，这些自动化程序将控制DUT和测试仪。在开发环境中，用户可用GUI来控制测试仪。
实质上，如果评论家们的观点正确，并且GPS市场增长至数百亿美元规模的话，则行业将需要在GPS测试系统领域开展同样的创新，这些创新目前在支撑着Wi-Fi市场——单机箱、快速、全面、准确。
与Wi-Fi、WiMAX或手机通信模式不同的是，GPS不是一种接收器/发射器技术。GPS IC促成了单纯接收设备，后者寻找24个有效GPS卫星信号中的至少4个，并做一些直接的三角测量和误差校正，为用户提供非常准确的位置信息。结合数字地图，GPS系统会把人们的位置告诉他们，以及如何到达他们想去的地方。为此，GPS子系统必须能接收电平非常低的卫星信号（最小信号强度为-130dBm），并准确捕获伪随机噪声(PRN)测距码、星历表、星历数据。捕获了这些信息以后，设备的内部电路就可做位置计算，并把它们与标准地图坐标信息（例如WGS-84）关联起来。
测试方面的挑战
在GPS设备中，有两件关键项目需要测试（见图1）。其一就是确认设备足够灵敏，并能准确捕获叠加（即调制）在卫星载波信号上的数据。
另一项测试是模拟多颗卫星，发送它们各自的信号数据，并验证设备计算了恰当的定位坐标。或者可把设备暴露在实际卫星信号中，验证它是否提供了正确的位置定位。
后一种方法的问题在于，实际卫星信号可能随着大气条件而变化，使得难以实现初始测试条件的可重复性。前一种方法的问题在于，多通道测试是一件昂贵而耗时的事情。
应用测试仪创新技术
对于位置定位测试，如果人们选择使用实际卫星传输，并希望拥有一致并且可重复的初始条件，那么他们就需要确保进入的卫星信号保持在稳定的功率电平，并且不论使用什么方式来实现这个目标，都不会使卫星信号进一步失真。借用Rube Goldberg的一篇论述，我们可以缓冲信号，并在它减弱时把它放大，并在它超过选定的标称电平时使它减弱。或者就在外部放置一根天线，并输入捕获的任何信号，无论接收的功率电平有何变化。第一种情形过于复杂，第二种则冒着质量扰动风险。
创造一种多通道测试仪如何？它提供功率电平可调的L1信号，并能产生仿真卫星数据。这种基于信号发生器的测试仪将能产生低电平信号，后者既可用于SNR（例如校准），也可用于位置定位测试（见图2）。
开发一种基于矢量信号发生器(VSG)的测试仪当然是可行的，它每次能为一条通道提供L1信号，并对SNR和接收灵敏度做测试。事实上已经做到了。但这种测试仪的多通道版本很昂贵。促成GPS功能的芯片组成本在迅速接近商品定价。而且，向多模手机添加GPS模式的成本必须与降价步伐一致。因此，购买昂贵的多通道测试仪变得越来越没有吸引力了。
利用软件定义无线电，人们可以设计基于VSG的多通道测试仪，它的价格更加接近单通道系统。这使人们可以不必用两个或更多测试步骤，而是用一个测试步骤来测试SNR和位置定位。
GPS测试的另一方面
还有另一方面的GPS测试尚未得到探索。基于VSG的测试仪产生约为-130dBm的调制信号，并向被测设备(DUT)提供传导测试，它向设备的射频输入端交付的信号将不同于在测试仪流出的功率。如果设备需要具有准确的测试，则电缆和连接器损耗必须得到考虑。但是难点在于，我们最后一次能用简单方式测量大小约为-130dBm的信号功率是在何时？普通的功率表此时无济于事。
但是，如果我们沿着线路输送功率更高的CW信号（比如-60dBm），我们当然就能用连在电缆（它连至DUT）末端的功率表来测量产生的功率。如果我们在-60dBm测量到6dB衰减，则我们知道在-130dBm将有6dB衰减。衰减不受功率影响，而是受频率影响，并且频率在两种情形中均相同。如果测试仪中建有-60dBm CW信号功能，则整个过程就能更快完成。
大批量制造
仔细考虑我们构建GPS测试系统的决定，我们注意到：市场上只有一种测试仪，并且我们的工程师觉得他们能设计一种多通道系统，它在价格方面可与单通道型号相比。
这项产品开发决定的结果就是一种测试仪，它在可调功率范围内为L1(1,575.42MHz)产生类似GPS的信号，并且支持传导（经由电缆）和辐射（经由空气）测试方法（见图3）。
前部面板上的单一射频端口是功率为-60dBM至-145dBm的信号的来源。在-60dBm时，信号为CW类型。在较低功率范围时，它是BPSK调制信号。导航数据在1.023MHz时是GPS C/A。载波多普勒偏移为±10KHz，通道功率可在偏离标称电平±15dB的范围内改变。
由于拥有6条通道，并能改变每条通道的频率和功率，因此人们可以向DUT同时发送6路信号，并在一次采样中捕获6个不同功率电平的SNR。这当然会缩短做首次测试（例如SNR）的时间，并且不会影响全面性或准确度（见图4）。
在测试自动化领域显身手
该测试仪具备C/C++应用程序接口(API)，来简化测试脚本和自动化测试软件的编写。另外，该系统具有图形用户界面(GUI)，后者设计用于GPS DUT的人工测试（见图5）。借助该系统，用户能选择空间载体数量、功率电平、输出模式、多普勒频率、C/A率、源频率。
设置非常简单。利用前部面板射频连接器，测试仪被电缆连至DUT。测试仪后部的USB端口被连至PC上的USB连接器。用户利用安装于PC的GUI软件和设备驱动程序来控制测试仪和DUT。（DUT从PC的某个USB连接器接收其功率和控制指令。）
利用这台PC，可以开发和执行测试脚本和自动化测试程序。在制造环境中，这些自动化程序将控制DUT和测试仪。在开发环境中，用户可用GUI来控制测试仪。
实质上，如果评论家们的观点正确，并且GPS市场增长至数百亿美元规模的话，则行业将需要在GPS测试系统领域开展同样的创新，这些创新目前在支撑着Wi-Fi市场——单机箱、快速、全面、准确。
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