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本文将介绍如何测量德思特Safran GSG-7或GSG-8 GNSS模拟器的输出信号功率。此外#xff0c;还展示了如何为此类测量正确配置德思特Safran Skydel仿真引擎以及如何设置射频设备#xff0c;从而使用频谱分析仪准确测量信号的射频功率。
什么是载波噪声密度C/N0
GNSS接收…引言
本文将介绍如何测量德思特Safran GSG-7或GSG-8 GNSS模拟器的输出信号功率。此外还展示了如何为此类测量正确配置德思特Safran Skydel仿真引擎以及如何设置射频设备从而使用频谱分析仪准确测量信号的射频功率。
什么是载波噪声密度C/N0
GNSS接收器可以测量到卫星的伪距精度一般为0.5米或更低而影响GNSS信号测距精度的因素之一是载噪比C/N0。C/N0即载波噪声密度一般也会简单称之为载噪比但要注意它和信噪比C/N不完全一致是接收信号载波功率Carrier Power与噪声频谱密度功率Noise Density的比率以dB·Hz为单位。
当接收到GNSS信号时信号通常会被接收器输入端的噪声淹没。以GPS信号为例根据ICD标准文档到达地球表面的GPS L1C/A信号的最低电平不得低于-160 dBW-130 dBm卫星的高度约为20200公里因此将适用扩散损耗相应的路径损耗约为-157.1 dB此外还存在大气损耗等其他的散射与折射损耗为了维持此信号电平GPS L1C/A的卫星发射功率约为25 W~14 dBW44 dBm。所以可以了解到GPS L1C/A接收机的接收信号载波功率C为
C-130dBm 噪声源例如热噪声产生的功率与系统带宽和温度成正比热噪声通常在290 K时计算噪声的噪声功率谱密度为N0kT(W/Hz)。其中k为玻尔兹曼Boltzmann常数1.3803×10-23 J/KT为绝对温度K因此可以算得热噪声功率谱密度为
N01.3803×10-23×290-204dBW/Hz-174dBm/Hz
故GPS L1 C/A的典型载噪比C/N0为
C/N0-130dBm/-174dBm/Hz44dB·Hz
C/N0如何在Skydel中工作与体现
用户可以在德思特Safran Skydel仿真引擎与德思特Safran GNSS模拟器GSG-7/8中重现真实的GNSS信号传输过程 Skydel生成的所有GNSS信号的“参考功率”约为-130 dBm可以手动滑动滑块将所有卫星信号的信号功率均设置为-130 dBm如下图 当高斯噪声激活时Skydel会生成噪声使得-130 dBm的模拟GNSS信号与噪声之间的C/N0为44 dB·Hz。 如果用户将卫星功率增加1 dB例如使用滑块调整C/N0将增加1 dB。
但是有一些注意事项
● Skydel以较高功率传输GNSS信号来模拟天线放大器的增益效果根据接收器的设计可能会改变接收器报告结果的中C/N0
● 当同时传输多个卫星的信号时其他卫星的信号被视为噪声这也会影响接收器报告的C/N0
● 为了精确验证Skydel生成的信号的C/N0我们使用频谱分析仪测量单个卫星的功率然后在没有任何GNSS信号的情况下单独测量噪声的功率
硬件配置
可用于运行此仿真方案的GNSS模拟器GSG-7或GSG-8的硬件型号有 但是用户可以使用与Skydel兼容的任何类型的SDR来完成基于软件定义架构的GNSS模拟器仿真 此处显示的硬件配置示例GNSS模拟器采用德思特Safran GSG-8也可采用GSG-7 与德思特Safran GSG-8一起使用进行射频测量的射频设备如下
● 频谱分析仪德思特RTSA R55550-408
● 校准SMA公头射频电缆
● 德思特Safran GSG-8 GNSS模拟器
● 外部LNA低噪声放大器
低噪声放大器LNA是全球导航卫星系统GNSS前端接收器中使用的射频RF组件用于将天线接收到的RF信号放大到所需水平。GNSS LNA通过添加最小的噪声和失真来增强所需的信号强度以减轻RF接收器链中后续组件添加的噪声的影响从而提高信噪比SNR和整体系统性能。 根据我们使用的LNA电气规格我们估计GPS L1C/A频段1575.42 MHz的整体LNA放大增益约为25.72 dB。 LNA增益性能曲线与LNA噪声性能曲线 下表显示了GPS L1频段1575.42 MHz时射频电缆的衰减功率和LNA的放大功率 Skydel配置
#01启动Skydel
Windows在开始菜单中找到Skydel双击打开并新建一个项目。
Linux/GSG-7/GSG-8终端中键入Skydel-SDX并新建一个项目。
#02添加信号
在“输出Output”中添加SDR并添加需要输出的信号本例中需要输出GPS L1C/A信号此处不需要添加一个高斯噪声如下 转到“设置Settings”-“GPS”-“信号启用/禁用Signal Enable/Disable”仅保留一颗卫星输出 #03设置车辆位置
此处使用Skydel设置的默认固定位置但需要对车辆天线设置进行更改。为此请转到“设置Settings”-“车辆Vehicle”-“天线Antenna”并将“增益模式和增益偏移Gain Pattern and Gain Offset”的L1部分的参数设置为“None” #04设置全球参数
转到“设置Settings”-“全局Global”-“信号功率Signal Power”并禁用“信号强度模型Signal Strength Model” #05测量GNSS信号功率
按照以下说明在Skydel中测量RF信号和噪声功率
1. 启动Skydel
2. 检查Skydel中的“Spectrum频谱”选项卡预期最大功率级别应为-140 dBm 3. 设置频谱分析仪进行功率测量
4. 报告以GPS L1C/A信号为中心的功率电平,为了获得更高的精度请对启用的GNSS信号执行测量。其他卫星应在“信号启用/禁用Signal Enable/Disable”选项卡上保持未选中状态 GPS L1信号的频谱仪测量视图
5. 停止模拟
6. 在“输出Output”选项卡上启用“高斯噪声Gaussian Noise”并在“信号启用/禁用Signal Enable/Disable”选项卡中禁用已激活的卫星。 7. 需要将频谱分析仪设置为仅用于测量噪声功率并进行测量 噪声信号的频谱视图
考虑到添加到RF电缆连接中的LNA增益其近似值为22.8 dB最终获取到的信号强度和噪声结果如下表所示 结论
德思特Safran Skydel仿真引擎强大的软件定义架构提供了极大的灵活性。无论硬件平台如何Skydel不仅为用户提供多种配置可能性而且还提供内置测量和性能工具。在本文中我们展示了如何使用德思特Safran Skydel仿真引擎测量GNSS信号和高斯噪声功率。
Skydel生成-130 dBm的基带GNSS信号。当高斯噪声激活时Skydel会生成噪声例如-130 dBm的模拟GNSS信号与C/N044 dB·Hz的热噪声。
当使用连接到SDR无线电的Skydel生成RF信号时测量的信号强度将取决于您的Skydel配置设置、无线电增益和RF设备的衰减。因此确定C/N0值将帮助您确定GNSS系统后期的搭建与实际参数的预测。
