如何测量GNSS信号和高斯噪声功率及载波比?

描述

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 dBW,44 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

信号

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:N0=kT(W/Hz)。其中,k为玻尔兹曼Boltzmann常数(1.3803×10-23 J/K),T为绝对温度(K),因此可以算得热噪声功率谱密度为:

N0=1.3803×10-23×290=-204dBW/Hz=-174dBm/Hz

故GPS L1 C/A的典型载噪比(C/N0)为:

C/N0=-130dBm/-174dBm/Hz=44dB·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:

信号

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:

信号

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。

信号

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:

信号

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:

信号

(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。

信号信号

(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:

信号

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:

信号

转到“设置(Settings)”->“GPS”->“信号启用/禁用(Signal Enable/Disable)”,仅保留一颗卫星输出:

信号

#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”:

信号

#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)”:

信号

#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

信号

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

信号

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。

信号信号信号

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

信号

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:

信号

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/N0=44 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。

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