摘要：隨著手機(jī)智能化普及，Global Positioned System（簡稱GPS）已成為智能終端支持導(dǎo)航、定位等業(yè)務(wù)的一項必備功能。由于GPS采用衛(wèi)星通信技術(shù)，其下行功率信號經(jīng)由大氣層以及其他環(huán)境因素（典型如在城市地區(qū)由于多徑效應(yīng)的影響）產(chǎn)生損耗，實際到達(dá)移動終端接收機(jī)的信號已十分微弱，這要求接收機(jī)有更為優(yōu)良的性能。因此，對GPS無線接收系統(tǒng)的有源天線進(jìn)行測量是十分必要的。本文借助藍(lán)牙（Bluetooth）空口提出一種響應(yīng)迅速、準(zhǔn)確性高，且成本低的GPS有源天線測量（OTA）方案。

關(guān)鍵詞：智能終端GPS 藍(lán)牙 有源天線 測量

整機(jī)輻射性能的測試在手機(jī)射頻性能測試中越來越受到重視，這種輻射性能測試反映了手機(jī)的最終發(fā)射和接收的能力。目前，主要有兩種方法對手機(jī)的輻射性能進(jìn)行考察：一種是對天線的輻射性能進(jìn)行直接判定，即無源測試；另一種是在特定全電波暗室內(nèi)，測試手機(jī)的輻射功率和接收靈敏度，稱為有源測試。OTA(Over The Air)測試就屬于有源測試。相比于傳統(tǒng)的無源測試，OTA 測試著重衡量整機(jī)三維空間內(nèi)的輻射性能測試，因而逐漸成為手機(jī)行業(yè)重視和認(rèn)可的測試項目。目前，業(yè)內(nèi)進(jìn)行OTA測試的暗室環(huán)境主要有單天線測量和多探頭測量兩種（此外還有針對MIMO測試的混響室測量系統(tǒng)）其基本工作原理可簡單描述為：

由于實際傳輸?shù)氖噶侩姶挪梢苑殖伤綐O化和垂直極化兩個正交分量，因此通過一個或多個雙極化測量天線（或RF探頭）可以捕獲測試機(jī)的輻射性能，并利用已知輻射特性的電偶極子或環(huán)型天線預(yù)先校準(zhǔn)測量路徑的損耗并補(bǔ)償，最終通過天線經(jīng)典理論計算可以得到測試機(jī)的有源天線收發(fā)性能（如圖1）。

圖1-a、OTA發(fā)射性能(TRP)測試示意圖

圖1-b、OTA接收性能(TIS)測試示意圖

民用GPS使用L1頻帶（1575.42MHz±10KHz）為終端提供下行單項通信業(yè)務(wù)支持，主要用于導(dǎo)航、定位、授時和測速。這就對測量方案提出了挑戰(zhàn)，因為單向通信（開環(huán)）系統(tǒng)無法形成有效的反饋機(jī)制，在天線測量過程中就會造成因天線方向性而產(chǎn)生測試不準(zhǔn)確的情況，因而不能準(zhǔn)確地一次性反映天線性能——盡管通過對測量結(jié)果二次分析可以糾正，但極大的影響測試效率，特別是在天線設(shè)計階段。典型的GPS有源天線開環(huán)測量方案如圖2所示。

圖2、GPS有源天線開環(huán)測量方案示意圖

當(dāng)待測終端（簡稱DUT）開機(jī)后，通過測量天線獲取GPS信號發(fā)生器的特定信號——該信號可以是單星靜態(tài)信號，也可以是多星動態(tài)信號（通過信道仿真器產(chǎn)生），控制端通過時間參量不斷控制暗室轉(zhuǎn)臺的狀態(tài)和極化分量的切換，以實現(xiàn)測量。DUT則將獲取的GPS信號通過接收機(jī)進(jìn)行射頻和基帶處理后，獲取數(shù)據(jù)的載噪比CN0，以此作為GPS測量的最終數(shù)據(jù)保存在其存儲設(shè)備中。測試完成后，DUT需要將該數(shù)據(jù)導(dǎo)出給控制PC做分析處理。PC在補(bǔ)償相應(yīng)的信號傳輸路徑損耗，最終根據(jù)經(jīng)典天線理論，計算得出該天線在三維空間中的總體輻射性能TCNR：

其中，EICi表示在處于雙極化測量天線不同極化分量下的空間某點CN0值。

由于典型的手機(jī)方案中GPS接收機(jī)在強(qiáng)信號下易出現(xiàn)堵塞，而在弱信號下又易出現(xiàn)失真（測試結(jié)果見圖3），因此若想準(zhǔn)確得到測試結(jié)果可能需要多次反復(fù)測試，不斷修正信號源的發(fā)射功率值，但開環(huán)測量系統(tǒng)本身無法及時獲取信號源最優(yōu)的調(diào)整量，測試過程中沒有依據(jù)可以動態(tài)地調(diào)整信號源功率，甚至?xí)霈F(xiàn)多次反復(fù)測量仍無法準(zhǔn)確獲取整機(jī)接收性能的情況。

圖3、終端GPS接收機(jī)性能

出于以上考慮，行業(yè)內(nèi)也出現(xiàn)了一些閉環(huán)測量方案：即系統(tǒng)通過WLAN空口（IEEE 802.11體系標(biāo)準(zhǔn)）將GPS測量數(shù)據(jù)及時回傳給控制處理單元分析，并根據(jù)分析結(jié)果實時調(diào)整GPS信號源。該方案可以有效地解決開環(huán)系統(tǒng)的缺陷，但實際使用過程中，由于目前智能終端產(chǎn)品方案上多為WLAN/GPS/BT/FM等業(yè)務(wù)無線業(yè)務(wù)共集成電路IC，WLAN在傳送數(shù)據(jù)時（一般地，終端發(fā)射機(jī)發(fā)射功率不小于10dBm）引起IC底噪升高，可能會造成對GPS接收機(jī)的額外干擾，相關(guān)的實驗室測試結(jié)果見表1，采用正常GPS、藍(lán)牙加擾GPS和WLAN加擾GPS的對照測試方法，在GPS中等接收水平下（載噪比35dB左右）靜態(tài)模擬8顆GPS衛(wèi)星，觀察不同實驗組的GPS冷啟動時間差異。每個實驗組選取十個樣本觀察值（從中去除最大和最小值），觀察結(jié)果可見，藍(lán)牙加擾的影響要小于WLAN。雖然不同IC方案商提供一些功率控制手段可緩解此類問題，但平臺和平臺之間沒有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此實際測量方案中缺乏通用性。

表1-a 加擾模式下的GPS冷啟動時間（單位s）

表1-b 測試結(jié)果分析

由于一般終端藍(lán)牙（IEEE 802.15體系標(biāo)準(zhǔn)）空口發(fā)射功率比WLAN要低得多（一般手機(jī)終端藍(lán)牙發(fā)射機(jī)輸出功率不大于0dBm），同時作為一項成熟的無線通信方案也具備傳輸可靠、靜態(tài)較低傳輸時延（典型為毫秒級）的特點，因此可以通過藍(lán)牙空口作為形成GPS天線測量閉環(huán)系統(tǒng)的手段。通過對現(xiàn)有實驗室環(huán)境改造升級可以方便地支持GPS天線測量需求。

以帶有Android操作系統(tǒng)的終端為例。全波暗室采用單天線測量系統(tǒng)ETS-2090。其雙極化測量天線經(jīng)RF開關(guān)控制器與GPS信號發(fā)生器Agilent E4438C相連，內(nèi)置通信天線與輔助設(shè)備（另一具有藍(lán)牙功能的Android智能手機(jī)）相連，而輔助設(shè)備通過USB接口與控制PC相連。

圖4、GPS有源天線閉環(huán)測量方案示意圖

系統(tǒng)的整體運行思路如圖4所示。PC開機(jī)激活特定的測量軟件，完成與輔助設(shè)備的接口通信準(zhǔn)備，并初始化所有測量儀器；待測智能終端通過特定的APP開啟藍(lán)牙與輔助設(shè)備（藍(lán)牙地址唯一）配對通信，GPS信號源初始化后試探性地發(fā)射一個信號值X0，經(jīng)空口衰減后被DUT接收，經(jīng)過解析獲取載噪比CN0，通過藍(lán)牙空口以數(shù)據(jù)流的形式傳遞給輔助設(shè)備，輔助設(shè)備將藍(lán)牙數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)流后反饋給控制PC，控制PC根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)判斷是否可接受，若低于（或高于）門限則控制信號源相應(yīng)的調(diào)節(jié)輸出功率X1，從而形成測試系統(tǒng)的閉環(huán)。

使用該測量方案的測試情況如圖5，通過實現(xiàn)測量實時調(diào)節(jié)，不僅可以得到更為準(zhǔn)確的測試結(jié)果，還可以獲取清晰的過程數(shù)據(jù)，方便對天線進(jìn)行輻射方向圖的分析。

圖5-a、閉環(huán)系統(tǒng)測試結(jié)果 圖5-b、閉環(huán)系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)

本文提出一種利用藍(lán)牙空口作為GPS閉環(huán)測量手段的測試方案，該閉環(huán)測量方案借助高效的算法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時糾正，并配合軟硬件自動化接口使得測量過程中不需要人為介入，對提高測試準(zhǔn)確性和測試效率有一定的借鑒意義。