如何測量GNSS信號和高斯噪聲功率及載波比？

引言

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

什么是載波噪聲密度C/N0

GNSS接收器可以測量到衛(wèi)星的偽距，精度一般為0.5米或更低，而影響GNSS信號測距精度的因素之一是載噪比C/N0。C/N0，即載波噪聲密度（一般也會簡單稱之為載噪比，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。

當接收到GNSS信號時，信號通常會被接收器輸入端的噪聲淹沒。以GPS信號為例，根據(jù)ICD標準文檔，到達地球表面的GPS L1C/A信號的最低電平不得低于-160 dBW（-130 dBm），衛(wèi)星的高度約為20200公里，因此將適用擴散損耗，相應的路徑損耗約為-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接收機的接收信號載波功率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時計算，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)真實的GNSS信號傳輸過程：

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

當高斯噪聲激活時，Skydel會生成噪聲，使得-130 dBm的模擬GNSS信號與噪聲之間的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：

● Skydel以較高功率傳輸GNSS信號來模擬天線放大器的增益效果，根據(jù)接收器的設計，可能會改變接收器報告結(jié)果的中C/N0

● 當同時傳輸多個衛(wèi)星的信號時，其他衛(wèi)星的信號被視為噪聲，這也會影響接收器報告的C/N0

● 為了精確驗證Skydel生成的信號的C/N0，我們使用頻譜分析儀測量單個衛(wèi)星的功率，然后在沒有任何GNSS信號的情況下單獨測量噪聲的功率

硬件配置

可用于運行此仿真方案的GNSS模擬器GSG-7或GSG-8的硬件型號有：

但是，用戶可以使用與Skydel兼容的任何類型的SDR來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-8一起使用進行射頻測量的射頻設備如下：

● 頻譜分析儀（德思特RTSA R55550-408）

● 校準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信號放大到所需水平。GNSS LNA通過添加最小的噪聲和失真來增強所需的信號強度，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時射頻電纜的衰減功率和LNA的放大功率：

Skydel配置

#01啟動Skydel

Windows：在開始菜單中找到Skydel雙擊打開，并新建一個項目。

Linux/GSG-7/GSG-8：終端中鍵入Skydel-SDX，并新建一個項目。

#02添加信號

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

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

#03設置車輛位置

此處使用Skydel設置的默認固定位置，但需要對車輛天線設置進行更改。為此，請轉(zhuǎn)到“設置（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)設置為“None”：

#04設置全球參數(shù)

轉(zhuǎn)到“設置（Settings）”->“全局（Global）”->“信號功率（Signal Power）”并禁用“信號強度模型（Signal Strength Model）”：

#05測量GNSS信號功率

按照以下說明在Skydel中測量RF信號和噪聲功率：

1. 啟動Skydel

2. 檢查Skydel中的“Spectrum（頻譜）”選項卡：預期最大功率級別應為-140 dBm

3. 設置頻譜分析儀進行功率測量

4. 報告以GPS L1C/A信號為中心的功率電平,為了獲得更高的精度，請對啟用的GNSS信號執(zhí)行測量。其他衛(wèi)星應在“信號啟用/禁用（Signal Enable/Disable）”選項卡上保持未選中狀態(tài)

GPS L1信號的頻譜儀測量視圖

5. 停止模擬

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

7. 需要將頻譜分析儀設置為僅用于測量噪聲功率，并進行測量

噪聲信號的頻譜視圖

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

結(jié)論

德思特Safran Skydel仿真引擎強大的軟件定義架構(gòu)提供了極大的靈活性。無論硬件平臺如何，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仿真引擎測量GNSS信號和高斯噪聲功率。

Skydel生成-130 dBm的基帶GNSS信號。當高斯噪聲激活時，Skydel會生成噪聲，例如-130 dBm的模擬GNSS信號與C/N0=44 dB·Hz的熱噪聲。

當使用連接到SDR無線電的Skydel生成RF信號時，測量的信號強度將取決于您的Skydel配置設置、無線電增益和RF設備的衰減。因此，確定C/N0值將幫助您確定GNSS系統(tǒng)后期的搭建與實際參數(shù)的預測。