卫星导航接收机抗干扰A/D芯片测试技术研究

郭艺

（北京卫星导航中心，北京 100094）

0 引言

国内以往的卫星导航接收机抗干扰模块大多以FPGA为架构，导致体积、功耗和成本的大幅上升[1]。抗干扰A/D芯片旨在解决接收机抗干扰应用过程中面临的上述问题，在复杂电磁环境下，对模拟中频信号进行A/D采样，并为导航基带解算芯片提供抗窄带干扰处理的数字中频信号，用于定位解算。虽然抗干扰芯片在国外已开展较长时间研究[2]，但在国内尚数起步阶段[3]，没有可供借鉴的芯片指标体系和测试方法，主要还是针对接收机抗干扰测试技术展开研究居多[4,5]，因此迫切需要开展相关测试技术研究。

本文首先介绍了抗干扰 A/D芯片的主要功能和体系架构；在此基础上，根据应用需求建立了相应的测试指标体系；接着搭建了完整的测试系统，提出了相应的测试方法；最后进行了芯片的实际测试，取得了良好的效果。本文成果对抗干扰芯片测试具有重要工程参考价值。

1 抗干扰A/D芯片概述

抗干扰 A/D芯片的研制背景源于卫星导航接收机特别是小型化接收机使用时所面临的复杂电磁环境，对小型化、低功耗、低成本抗干扰芯片有迫切的需求。包含抗干扰A/D芯片的卫星导航接收机系统框图如图1所示。

卫星导航射频信号通过射频模块下变频为模拟中频信号，抗干扰A/D芯片对模拟中频信号进行A/D采样，并为导航基带解算模块提供经过抗干扰处理的数字中频信号，用于定位解算。

抗干扰A/D芯片系统组成框图如图2所示。主要包括模数转换和抗干扰处理两大部分；模数转换由双通道A/D模块实现，抗干扰处理部分主要包含带通滤波、干扰信号检测、抗干扰信号处理等功能模块。

图1 卫星导航接收机系统框图

2 指标体系

根据抗干扰A/D芯片的实际需要，建立相应指标体系，主要包括功能要求、指标要求和接口要求等。

2.1 功能要求

是否具有A/D数模转换功能。

是否具有干扰信号检测功能。

是否具有干扰信号抑制处理功能，所能抑制干扰的种类包括哪些。

是否具有自动增益控制功能以充分利用输出中频数字信号宽度。

是否具有多种工作模式，可根据使用环境需要进行模式灵活切换。

是否可根据需要灵活选择抗干扰频点。

2.2 指标要求

抗干扰处理后，根据需要输出稳幅可选位数数字信号。

针对不同干扰类型，给出不同接收频点抗干扰能力。

插入损耗。抗干扰芯片工作时带来的额外处理损耗。

工作电压及功耗要求。

环境适应性要求。包括工作温度、储存温度等。 可靠性要求。

2.3 接口要求

主要是指芯片所采用的管脚及封装形式。

3 测试系统组成

抗干扰A/D芯片测试系统主要由RNSS模拟信号源、RDSS模拟信号源、专用干扰信号源、抗干扰芯片测试平台及测试控制评估计算机等构成，采用有线方式连接，具体组成框图如图3所示。

模拟信号源用来产生 RNSS和 RDSS模拟信号，干扰源用来产生模拟干扰信号，模拟信号源和干扰源采用有线方式，通过合路器输出模拟射频信号给抗干扰芯片测试平台。抗干扰测试平台主要包含射频模块、抗干扰芯片夹具以及 RNSS、RDSS基带处理模块，将被测芯片安置在抗干扰芯片测试

硬件平台夹具中，测试平台接收射频信号，下变频至中频，进行抗干扰处理并最终进行定位解算。控制与评估计算机通过串口服务器接收并评估定位结果，同时对模拟信号源和干扰源进行相应控制。

图4为一次抗干扰芯片实际测试中所采用的测试系统设备，主要包括 RNSS模拟信号源、RDSS模拟信号源、专用干扰信号源及测试控制评估计算机实物。

图4 测试系统设备实物图

图5 抗干扰芯片测试平台实物图

图5为抗干扰芯片测试平台实物图。测试平台主要由射频模块、抗干扰A/D芯片夹具、RDSS基带模块、RNSS基带模块等组成。

4 关键指标测试方法

4.1 统计计算方法

4.1.1 定位误差计算方法

将抗干扰芯片测试平台上报的定位信息与测试系统仿真的已知位置信息进行比较，计算三维位置误差。定位误差计算方法见式（1）：

式中：ΔE——东向位置误差分量；ΔN——北向位置误差分量；ΔV——高程位置误差分量。

东向位置误差分量、北向位置误差分量、高程位置误差分量计算方法见式（2）：

式中：xi′,j——用户机解算出的位置分量值；xi,j——测试系统仿真的已知位置分量值；i——取值 E（东向）、N（北向）或H（高程）；j——参加统计的位置信息样本序号。

对n个定位误差按从小到大的顺序进行排序。取第[n×95%]个结果为本次测量的定位精度。n为采集样本数，[n×95%]表示不超过n×95%的最大整数。

4.1.2 定位成功率计算方法

抗干扰芯片测试平台以 1 Hz频率上报定位结果，待上报定位结果的时间达到Ns后，统计符合定位精度的定位结果个数，记为n，见式（3）。

4.1.3 误码率计算方法

抗干扰芯片测试平台上报导航电文，待单次上报电文总和大于1×106，统计误码率方法见式（4）。

4.2 指标测试方法

4.2.1 抗干扰能力测试

本项目考核在有线条件下，测试样片在RNSS、RDSS卫星信号体制下的抗窄带干扰能力。RNSS卫星信号体制抗窄带干扰能力是指定位精度满足要求，定位成功率≥90%，所能承受的最大窄带干扰强度；RDSS卫星信号体制抗干扰能力是指接收误码率≤1×10-5，所能承受的最大窄带干扰强度。这里窄带干扰通常为一个或多个单频、窄带、扫频等带内干扰。

（1）RNSS体制测试方法及步骤

步骤1：按图3所示连接各测试设备，设置测试系统为指定相应测试场景，按要求设定到达测试平台射频输入端的信号功率，并播发信号。

步骤 2：测试平台进行加电测试，配置被测芯片为相应频点抗干扰，配置测试系统通过串口设置测试平台以1Hz频度输出定位结果，观察收星定位情况。

步骤3：如果测试平台在检测开始后2min之内没有上报定位结果，或上报定位结果过程中中断时间超过30s，则认为平台不能正常上报定位结果。

步骤 4：如测试平台正常上报定位结果，待上报定位结果的时间达到600s后，测试系统设置平台停止输出定位结果，统计定位成功率和定位精度，并停止播发信号。

步骤 5：按照测试场景定义设置干扰，开启干扰源，调整干扰功率，再播发信号，使得测试平台不能正常上报定位结果。

步骤6：按照每次1dB的间隔逐渐减小干扰强度直至测试平台能够正常上报定位结果，按步骤 4方法统计定位成功率和定位精度。定位成功率≥90%，定位精度满足要求，记录对应的干扰强度值，该干扰强度值即为该场景下被测芯片的抗干扰能力。

更换测试场景，重复步骤 1～步骤 6，得到下一场景下被测芯片的抗干扰能力。

（2）RDSS体制测试方法及步骤

步骤1：按图3所示连接各测试设备，设置测试系统为指定相应测试场景，按要求设定到达射频输入端的信号功率，测试平台进行加电测试，配置被测芯片为相应频点抗干扰，向测试系统上报电文。

步骤 2：按照测试场景定义设置干扰，开启干扰源，调整干扰功率，并播发信号使测试平台不能正常上报电文。

步骤3：按照每次1dB的间隔逐渐减小干扰强度直至测试平台能够正常上报导航电文，误码率不大于1×10-5，该干扰强度值即为该场景下被测芯片的抗干扰能力。

更换测试场景，重复步骤 1～步骤 3，得到下一场景下被测芯片的抗干扰能力。

4.2.2 插入损耗测试

本项目考核测试样片在无干扰情况下，在直通工作模式下，与使用常用A/D模数转换芯片的技术方案相比，收星载噪比的损失程度。

（1）RNSS体制测试方法及步骤

步骤1：按图3所示连接各测试设备，设置测试系统为指定一颗卫星信号下静态接收测试场景，按要求设定到达测试平台射频输入端信号功率，并播发信号。

步骤 2：测试平台进行加电测试，配置被测芯片为相应频点直通，测试系统通过串口设置测试平台以1Hz频度输出收星载噪比。

步骤 3：测试平台正常上报载噪比结果，待上报载噪比结果的时间达到300秒后，测试系统设置平台停止输出载噪比结果，统计载噪比的平均值CNR1。

步骤4：按图3所示将测试平台中的待测芯片替换为常用A/D模数转换芯片，测试场景和信号功率不变。

步骤 5：测试平台正常上报载噪比结果，待上报载噪比结果的时间达到300s后，测试系统设置平台停止输出载噪比结果，统计载噪比的平均值CNR2。

可得插入损耗=CNR1-CNR2。

（2）RDSS体制测试方法及步骤

按图3所示连接各测试设备，设置测试系统为指定RDSS任意一个波束测试场景，按要求设定到达射频输入端信号功率，并播发信号。

测试平台进行加电测试，配置被测芯片为相应频点直通，测试平台上报电文，测试系统统计误码率指标。

若误码率不大于 1×10-5，则将信号功率减弱

0.1dB。

若误码率大于 1×10-5，则记录功率值P1=当前信号功率值+0.1dB。

将测试平台上的待测抗干扰芯片替换为常用A/D模数转换芯片，按照步骤1)～4)重新进行测试并记录功率值P2。

可得插入损耗=P1-P2。

4.2.3 供电与功耗测试

本项目考核测试样片在干扰环境下，在抗干扰工作模式下，供电与功耗是否符合指标要求。测试方法及步骤如下。

图6 供电与功耗测试设备连接示意图

步骤1：按图6所示连接各测试设备，设置测试系统为典型抗干扰测试场景，按要求设定到达射频输入端信号功率，开启干扰，然后播发信号。

步骤 2：测试平台进行加电测试，配置被测芯片为抗干扰模式，测试系统通过串口设置测试平台以1Hz频度输出RNSS定位结果，同时上报RDSS的I支路电文，观察RNSS定位和RDSS误码率情况。

步骤 3：设置被测芯片输入电压为指标规定的最大值，若测试平台能够正常工作，输出RNSS定位和RDSS误码率合格，则供电符合要求。

步骤 4：设置被测芯片输入电压为指标规定的最小值，若测试平台能够正常工作，输出RNSS定位和RDSS误码率合格，则供电符合要求。

步骤 5：设置被测芯片输入电压为指标规定的正常值，若测试平台能够正常工作，输出RNSS定位和RDSS误码率合格，记录电流读数，计算所得功耗。

4.2.4 封装与管脚检查

本项目考核测试样片的封装形式是否符合技术要求，器件管脚定义、工作模式是否符合技术要求的规定。测试方法及步骤如下。

目测检测抗窄带干扰芯片封装形式是否满足要求。

按图3所示连接各测试设备，在提供的测试平台上对待测样片进行安装，测试平台进行加电测试，按研制技术要求规定配置被测芯片为不同工作模式，配置相应测试环境。若测试平台能够正常工作，输出RNSS定位精度和RDSS误码率合格，则确定被测芯片管脚定义、工作模式符合研制技术要求的规定。

4.3 实际测试

根据上文所述卫星导航接收机抗干扰 A/D芯片测试指标体系、测试系统组成以及关键指标测试方法，我们对一抗干扰A/D芯片进行了实际测试，测试结果表明本文测试能够充分反映抗干扰 A/D芯片的技术状态，可作为研制、招标比测、验收测试等的依据。

5 结论

卫星导航接收机抗干扰 A/D芯片研制在国内刚刚起步，其全面测试缺乏可借鉴参考的成熟技术。本文对抗干扰A/D芯片指标体系、测试系统、测试方法做了全面详实的研究，研究成果对开展芯片工程技术研制、测试试验具有重要的指导意义。

[1]王达伟,李加琪,吴嗣亮,王菊.基于 FPGA 的卫星导航抗干扰处理器设计[J].北京理工大学学报,2014,34(3):299-303.

[2]Capozza,P.T.,Holland,B.J.and Hopkinson,T.M.,A Single-Chip Narrow-Band Frequency-Domain Excisor for a Global Positioning System(GPS) Receiver[J],IEEE Journal of Solid-State Circuits,March 2000,35(3):401-411

[3]张文华.卫星导航抗干扰专用芯片后端版图设计[J].现代导航.2014,5(3):183-186

[4]Soubielle,J.,Vigneau,W.,Description of an Interference Test Facility(ITF) to assess GNSS receivers performance in presence of interference [C].5th ESA workshop on NAVITEC,2010:1-7.

[5]郭淑霞,张宁,刘孟江,董中要.一种卫星导航抗干扰接收机的室内无线测试方法[J].计算机工程与科学,2013,42(3):169-174