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GPS有源天线OTA测试方法
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图1-b、OTA接收性能(TIS)测试示意图 民用GPS使用L1频带（1575.42MHz±10KHz）为终端提供下行单项通信业务支持，主要用于导航、定位、授时和测速。这就对测量方案提出了挑战，因为单向通信（开环）系统无法形成有效的反馈机制，在天线测量过程中就会造成因天线方向性而产生测试不准确的情况，因而不能准确地一次性反映天线性能——尽管通过对测量结果二次分析可以纠正，但极大的影响测试效率，特别是在天线设计阶段。典型的GPS有源天线开环测量方案如图2所示。
图2、GPS有源天线开环测量方案示意图 当待测终端（简称DUT）开机后，通过测量天线获取GPS信号发生器的特定信号——该信号可以是单星静态信号，也可以是多星动态信号（通过信道仿真器产生），控制端通过时间参量不断控制暗室转台的状态和极化分量的切换，以实现测量。DUT则将获取的GPS信号通过接收机进行射频和基带处理后，获取数据的载噪比CN0，以此作为GPS测量的最终数据保存在其存储设备中。测试完成后，DUT需要将该数据导出给控制PC做分析处理。PC在补偿相应的信号传输路径损耗，最终根据经典天线理论，计算得出该天线在三维空间中的总体辐射性能TCNR：
其中，EICi表示在处于双极化测量天线不同极化分量下的空间某点CN0值。 由于典型的手机方案中GPS接收机在强信号下易出现堵塞，而在弱信号下又易出现失真（测试结果见图3），因此若想准确得到测试结果可能需要多次反复测试，不断修正信号源的发射功率值，但开环测量系统本身无法及时获取信号源最优的调整量，测试过程中没有依据可以动态地调整信号源功率，甚至会出现多次反复测量仍无法准确获取整机接收性能的情况。
图3、终端GPS接收机性能 出于以上考虑，行业内也出现了一些闭环测量方案：即系统通过WLAN空口（IEEE 802.11体系标准）将GPS测量数据及时回传给控制处理单元分析，并根据分析结果实时调整GPS信号源。该方案可以有效地解决开环系统的缺陷，但实际使用过程中，由于目前智能终端产品方案上多为WLAN/GPS/BT/FM等业务无线业务共集成电路IC，WLAN在传送数据时（一般地，终端发射机发射功率不小于10dBm）引起IC底噪升高，可能会造成对GPS接收机的额外干扰，相关的实验室测试结果见表1，采用正常GPS、蓝牙加扰GPS和WLAN加扰GPS的对照测试方法，在GPS中等接收水平下（载噪比35dB左右）静态模拟8颗GPS卫星，观察不同实验组的GPS冷启动时间差异。每个实验组选取十个样本观察值（从中去除最大和最小值），观察结果可见，蓝牙加扰的影响要小于WLAN。虽然不同IC方案商提供一些功率控制手段可缓解此类问题，但平台和平台之间没有相应的行业标准规范，因此实际测量方案中缺乏通用性。 表1-a 加扰模式下的GPS冷启动时间（单位s） 次数/模式 常规 +BT +WLAN 1 33.0 39.0 33.0 2 22.0 33.0 34.4 3 24.0 21.7 31.3 4 35.1 37.8 20.2 5 29.9 25.8 37.3 6 36.2 20.8 32.3 7 29.6 38.1 37.2 8 38.3 31.6 34.6 9 27.6 35.4 25.4 10 36.9 29.0 37.4表1-b 测试结果分析 正常 +BT +WLAN 平均值(s) 31.5 31.6 33.2由于一般终端蓝牙（IEEE 802.15体系标准）空口发射功率比WLAN要低得多（一般手机终端蓝牙发射机输出功率不大于0dBm），同时作为一项成熟的无线通信方案也具备传输可靠、静态较低传输时延（典型为毫秒级）的特点，因此可以通过蓝牙空口作为形成GPS天线测量闭环系统的手段。通过对现有实验室环境改造升级可以方便地支持GPS天线测量需求。 以带有Android操作系统的终端为例。全波暗室采用单天线测量系统ETS-2090。其双极化测量天线经RF开关控制器与GPS信号发生器Agilent E4438C相连，内置通信天线与辅助设备（另一具有蓝牙功能的Android智能手机）相连，而辅助设备通过USB接口与控制PC相连。
图4、GPS有源天线闭环测量方案示意图 系统的整体运行思路如图4所示。PC开机激活特定的测量软件，完成与辅助设备的接口通信准备，并初始化所有测量仪器；待测智能终端通过特定的APP开启蓝牙与辅助设备（蓝牙地址唯一）配对通信，GPS信号源初始化后试探性地发射一个信号值X0，经空口衰减后被DUT接收，经过解析获取载噪比CN0，通过蓝牙空口以数据流的形式传递给辅助设备，辅助设备将蓝牙数据流转换成串口数据流后反馈给控制PC，控制PC根据反馈的数据判断是否可接受，若低于（或高于）门限则控制信号源相应的调节输出功率X1，从而形成测试系统的闭环。 使用该测量方案的测试情况如图5，通过实现测量实时调节，不仅可以得到更为准确的测试结果，还可以获取清晰的过程数据，方便对天线进行辐射方向图的分析。
图5-a、闭环系统测试结果 图5-b、闭环系统过程数据 本文提出一种利用蓝牙空口作为GPS闭环测量手段的测试方案，该闭环测量方案借助高效的算法可以实现数据的实时纠正，并配合软硬件自动化接口使得测量过程中不需要人为介入，对提高测试准确性和测试效率有一定的借鉴意义。 作者：中兴通讯 喻洋 参考文献 《Test Plan for Mobile Station Over the Air Performance》CTIA,2008 《RF SYSTEM DESIGN OF TRANSCEIVER FOR WIRELESS CONMMUNICATIONS》Springer, 2005 《GPS原理与接收机设计》电子工业出版社，2009 《蓝牙技术原理与协议》北京交通大学出版社，2002 本文刊登于微波射频网旗下《微波射频技术》杂志 2016无线射频专刊。
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