GNSS空间信号质量评估系统接收通道性能测试

王瑾，卢晓春，赵航，白燕



GNSS空间信号质量评估系统接收通道性能测试

王瑾1,2,3，卢晓春1,3，赵航1,3，白燕1,2,3

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710060；2. 中国科学院研究生院，北京 100039；3. 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600）

GNSS空间信号质量评估系统的接收通道是评估导航信号质量的主要误差源之一。通过分析接收通道特性引起的信号幅度误差、相位失真、频率偏移等现象，研究了接收通道增益平坦度、幅度误差、相位误差、频率偏移、矢量误差幅度、群时延等机理，提出了相应的测试方法，测试结果表明接收通道性能能够满足空间信号质量评估的要求。

通道性能；增益平坦度；矢量误差幅度；群时延

0 引言

目前，全球卫星导航系统（GNSS）的应用越来越广泛，几乎涉及国民经济和社会发展的各个领域。GNSS信号质量直接影响导航性能，国内外对于导航信号质量评估工作都非常重视。美国斯坦福大学成立了GPS导航实验室（GPS Lab），致力于导航信号质量的监测与评估。Galileo的空间信号监测和评估任务主要由欧洲空间技术研究中心（ESTEC）的导航实验室完成，并在多个地方组建了地面观测站。中国科学院国家授时中心（NTSC）于2009年4月建立了一套GNSS空间信号质量评估系统。该系统包括7.3m天线、射频系统、标准仪器系统、数据采集系统、接收机和离线数据分析系统。系统可以接收L波段信号，既可实现对导航信号的地面接收功率、频率（频谱，带宽等）等实时监测，也可对典型通信信号参数如功率谱密度、眼图、星座图、信号调制参数等进行实时监测[1]。

导航信号的接收校准通道是GNSS空间信号质量评估系统误差分析的重要组成部分。为了保证信号质量评估的准确性，必须对信号接收通道的性能进行测试，根据测试数据，分析接收通道对导航信号产生的误差影响。本文利用由线路分配放大校准喇叭、接收喇叭、低噪声放大器等组成的接收校准通道，结合信号源、频谱仪和矢量网络分析仪等仪器，搭建了测试平台，通过测试分析，得到了通道的增益平坦度、幅度误差、相位误差、频率偏移和矢量误差幅度（EVM），连续监测了通道的幅度变化及群时延等参数。

1 系统组成

GNSS空间信号质量评估系统由射频接收分系统、原子频标分系统、数据管理分系统、射频信号评估分系统、基带信号评估分系统、监测接收机分系统6个部分组成，如图1所示。射频信号评估分系统接收射频接收分系统送来的导航信号，经过矩阵开关放大和滤波后，在外部原子频标的支持下，利用标准仪器对射频信号的质量进行评估。基带信号评估分系统对射频接收分系统送来的导航信号进行下变频，利用信号采集设备，在外部原子频标的支持下，对输入信号进行中频带通采样，将采集结果送入数据流盘，采用软件分析的方法，对基带信号的质量进行离线评估。监测接收机分系统接收射频接收分系统送来的导航信号，利用监测接收机，在外部原子频标的支持下，对输入信号进行相关接收，将测量结果送入数据管理分系统，利用分析软件，对接收机的观测量进行评估。整个系统中射频接收分系统的接收校准通道与基带信号评估分系统、射频信号评估分系统及监测接收机分系统之间都有信号传输，是空间信号质量评估系统中的重要组成部分。

图1 空间信号质量评估系统组成图

2 测试原理

如图1所示，整个GNSS空间信号质量评估系统中的基带信号评估分系统、监测接收机分系统和射频信号评估分系统都要通过接收校准通道接收信号，所以接收校准通道的性能将影响最终的信号质量评估结果，测试接收通道的幅频特性和时延特性可以作为离线数据分析的误差组成部分的依据。

GNSS空间信号质量评估系统接收校准通道指从线路分配放大器输入口，通过高稳相电缆到校准喇叭和接收喇叭，经低噪声放大器通过低损耗电缆到分路器，最终到达线路分配放大器输出口的通道。接收校准通道如图2所示。接收校准通道包括了除天线反射面以外的所有接收通道设备。因此，通过测试校准通道引起的信号幅度、相位失真可以反映接收通道的幅频特性。

图2 接收校准通道

对通过接收校准通道的导航信号进行分析，其原理如图3所示，首先通过衰减器、低通滤波器，经过下变频器和带通滤波器，产生满足采样要求的中频信号，经过ADC取样后生成数字中频信号，在随后的数字信号处理单元里进行解调，进行时域、频域以及调制域的分析。

图3 信号分析原理图

采用以上信号分析测试方法，分析的主要参数包括通道增益平坦度、幅度误差、相位误差、频率偏移、EVM（矢量误差幅度）和群时延。通道增益平坦度是在给定带宽范围内的增益剧烈增加和快速下降的数值，是频率特性曲线的一个重要指标。幅度误差、相位误差、频率误差和EVM是被测信号和标准信号间比较的结果，是评价经过数字调制后信号质量的重要参数。群时延是衡量系统对信号造成的时延失真的主要参数。

频率偏移是指测得频率与标准频率之间的差值。

值是指矢量误差的幅值，即在参考信号状态位置与被测信号状态位置之间的矢量的幅度[2]，可用下式计算：

3 测试方法

测试中以信号源Agilent E4438C模拟产生L频段北斗的频点B1（1 561.098 MHz），B2（1 207.14 MHz）和B3（1 268.52 MHz）为例。

3.1 通道增益平坦度测试

如图4连接仪器设备，Agilent E4438C产生B1频点的扫频信号并通过接收校准通道，信号功率为-60 dBm，信号功率依次增加（每次增加5 dB）至-30 dBm，Agilent E4407B接收扫频信号，测量通道的幅频响应和增益平坦度；Agilent E4438C分别发射B2，B3频点的扫频信号并重复以上步骤，Agilent E4407B接收扫频信号，测量通道的幅频响应和增益平坦度。

图4 通道增益平坦度测试示意图

3.2 通道的相位、幅度误差、频偏、EVM值测试

如图5所示连接仪器设备。Agilent E4438C发射B1频点的QPSK（10）调制信号，信号功率为-60 dBm，信号功率依次增加（每次增加5dB）至-30 dBm，RSA6114A接收调制信号，进行/解调，测量接收通道的相位、幅度误差、频偏、值；Agilent E4438C分别发射B2，B3频点的QPSK（10）调制信号，重复以上步骤，RSA6114A接收调制信号，测量接收通道的相位、幅度误差、频偏和值。

图5 通道幅频特性测试示意图

3.3 连续监测通道的幅度变化的测试

按照图6所示连接仪器设备。Agilent E4438C发射B1频点的BPSK（2）调制信号，Agilent E4407B接收信号并测量信号的20MHz带宽通道功率，使用计算机远程控制Agilent E4407B，读取（每秒钟一次）通道功率读数，连续采集3天的通道功率读数，Agilent E4438C发射B3频点的BPSK（10）调制信号，Agilent E4407B接收信号并测量信号的20MHz带宽通道功率，重复使用Matlab工具将3天的通道功率读数画图，分析通道幅度变化规律。

图6 通道幅度变化测试示意图

3.4 通道群时延特性测试

使用矢量网络分析仪AgilentE8362B测试接收校准通道的幅度、群时延变化特性。按照图7所示连接仪器设备。首先对矢量网络分析仪进行校准，按下PRESET键，删除屏幕上显示的trace，在trace菜单中选择new trace；连接电子校准件的端口A和B到Port 1和Port 2之间，进行全双端口校准；断开滤波器和电子校准件的端口A，将Port1的输出接至Port2，点击测量，校准结束。移去校准电路，将测试输入端口和矢量网络分析仪的Port 1端口进行连接，测试输出端口接至矢量网络分析仪的Port 2端口，标出所需的Marker点，打印群时延曲线。分别测量通过放大器滤波器组和直接电缆连接通道的群时延曲线，根据群时延特性曲线计算3项参数：线性、抛物性和波动，测量结果与原有参考值作对比。

图7 通道群时延测试示意图

4 测试结果及分析

测试中所有仪器的外参考信号是中国科学院国家授时中心10 MHz信号。仪器首先进行预热和自校准，调整天线指向角，在方位角120～230°和俯仰角20～65°的范围内寻找干扰信号最少的净空。寻找结果是：当天线方位角120°、俯仰角30°时，干扰信号最小。

4.1 通道增益平坦度测试结果

Agilent E4438C分别设置频率为B1，B2和B3，功率为-40 dBm，Agilent E4407B设置对应的频率，Span（即ADC的采样速率）设置要大于被测信号带宽，但设置过大会使信号的信噪比过大，根据3个频点的带宽，设置为30 MHz，频谱分辨率RBW设置为300 kHz，参考电平Ref设置为-25 dBm，在给定带宽为20 MHz和50 MHz，功率为-40 dBm条件下，B1，B2，B3频点的信号通过通道的增益平坦度结果，如表1所示。相对而言，B1，B3频点通道的平坦度较好，B2频点时较差，但是总体增益增加的数值都较小，满足空间信号质量评估系统的要求。

表1 通道增益平坦度测试结果

4.2 通道的相位、幅度误差、频偏、EVM值测试结果

Agilent E4438C分别设置频率为B1，B2，B3，设置工作模式为实时/，调制方式QPSK（10）。要使信号正确解调，根据被测信号的频率和带宽设置Agilent RSA6114A的对应频率，测量带宽为30 MHz，调制方式QPSK（10），选择的测量滤波器是根升余弦滤波器，选择的参考滤波器是余弦滤波器。每个频点测量5次，测得通道的相位、幅度误差频率偏移和如表2所示，表2中的数据可作为信号质量评估系统误差分析的依据。

表2 接收通道幅频特性测试结果

星座图可以反映信号相位误差、相位误差幅度等特征[4]。图8是E4438C直连RSA6114A解调图，图9是E4438C通过接收校准通道后，正常情况下得到的RSA6114A解调图，发现在接入接收校准通道时星座图有点离散状况，考虑到接收通道本身会引入白噪声，所以属于正常情况。

图9 通过接收校准通道后的解调图

4.3 连续监测通道的幅度变化情况

使用计算机远程控制Agilent E4407B，每秒钟一次读取通道功率读数。连续采集3天的通道功率读数，分别记录发射B1频点的BPSK（2）和B3频点BPSK（10）的调制信号，Agilent E4407B接收信号并分别测量信号的4.092 MHz和20.46 MHz带宽通道功率，使用Matlab将3天的通道功率读数画图，分析通道幅度变化规律。如图10和图11所示，在码速率为2.046 MHz和10.23 MHz码速率的情况下通道增益的日均波动为3 dB。

图10 2011-10-27—2011-10-29 B1频点BPSK（2）通道功率变化图

图11 2011-10-30—2011-11-02 B3频点BPSK（10）通道功率变化图

4.4 通道群时延特性测试结果

和

接收校准通道的时延指标如表4中第3列所示，根据计算得到测试结果（表中第4列），与通道时延指标比较，与指标要求相符，满足空间信号质量评估系统要求。

表4 接收通道群时延测试结果

5 结论

本文重点讨论了GNSS信号质量评估系统中接收通道的幅频特性的测试方法，测得了通道增益平坦度、相位误差、幅度误差、频率偏移、值及群时延参数等值，连续监测了通道的幅度变化，并分析了测试结果。测试结果可用作GNSS信号质量评估系统误差分析的数据依据，测试结果表明接收通道性能满足空间信号质量评估系统的要求。

[1] 卢晓春, 周鸿伟. GNSS空间信号质量分析方法研究[J]. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2010, 40(5): 528-533.

[2] 李立功. 现代电子测试技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2008.

[3] 李德儒. 群时延测量技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 1990.

[4] 周炯槃, 庞沁华, 续大我, 等. 通信原理[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2005.

Testing of the receiving channel perfomance ofGNSS signal quality assessment system

WANG Jin1,2,3, LU Xiao-chun1,3, ZHAO Hang1,3, BAI Yan1,2,3

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;3. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

The receiving channel of GNSS signal quality assessment system is one of the main error sources for signal quality assessment system.Through the analyses of the signal amplitude error, phase distortion,frequency offset, etc., which are related to the characteristics of receiving channel, the mechanisms of gain flatness, amplitude error, phase error,frequency offset, error vector magnitude(EVM)and group delay are studied. A corresponding test method is proposed and the test shows that the receiving channel performance satisfies the requirements of the space signal quality assessment system.

channel performance; gain flatness; EVM(error vector magnitude); group delay

V448；P228

A

1674-0637(2012)04-0235-09

2012-02-27

国家自然科学基金资助项目（11073022）；中国科学院“西部之光”人才培养计划资助项目（Y001YR3701）

王瑾，女，博士研究生，助理研究员，主要从事卫星导航和时间同步研究。