建立仿真的GPS信号
由于GPS接收器是透过天线传输数据，并取得卫星星历与星历信息;当然，仿真的GPS信号亦需要该项信息。卫星星历与星历信息，均透过文本文件表示，可提供卫星位置、卫星高度、机器状态，与绕行轨道的相关信息。此外，在建立波形的过程中M，亦必须选择客制参数，如星期时间(TOW)、位置(经度、纬度、高度)，与仿真的接收器速率。以此信息为基础，工具组将自动选择最多12组人造卫星、计算所有的都卜勒位移(Doppler shift)与虚拟距离(Pseudorange)信息，并接着产生所需的基带波形。为了可尽快入门，工具组安装程序亦包含范例的卫星星历与星历档案。此外，更可由下列网站直接下载：
。Almanac information (The Navigation Center of Excellence) http://navcen.uscg.gov/gps/almanacs.htm
。Ephemeris information (NASA Goddard SPACe Flight Center) http://cddis.gsfc.nasa.gov/gnss_datasum.html#brdc
透过客制的卫星星历与星历档案，即可建立特定日期与时间的GPS信号，甚至可回溯数年以前。请注意，当选择这些档案时，必须选择与日期相对应的档案。一般来说，卫星星历与星历信息为每日更新，因此当选择特定时间与日期时，亦应选择同1天的档案。下载的星历档案往往为压缩的“*.Z”格式。因此，在搭配使用GPS工具组之前，档案必须先行解压缩。
只要使用工具组中的“自动模式(AutomatIC mode)”，即可囊括大多数的GPS模块作业，并可透过程序设计的方式，计算都卜勒与随机距离信息;当然，此功能亦提供手动模式。在手动模式(Manual mode)中，使用者可个别指定每组人造卫星的信息。图4即显示此2种作业模式所提供的输入参数。
1LLA(longitude，latitude，altitude)
图4.GPS工具组自动与手动模式的默认值
请注意，工具组将根据所指定的星历档案，于可能的数值范围中强制设定GPS的TOW.因此，若选择的数值超出该星历档案的范围，工具组将自动设定为最接近的数值并提醒使用者。“niGPS Write Waveform To File”范例程序即可建立GPS基带波形(自动模式)，而其人机接口即如下图所示。
图5.简单的范例程序即可建立GPS测试波形。
请注意，某些特定测量作业，将决定用户所建立GPS测试的文件类型。举例来说，当测量接收器灵敏度时，将仿真单一人造卫星。另一方面来说，需要定位作业的测量(如TTFF与位置精确度)，所使用的GPS信号将仿真多组人造卫星。基于上述需求，NIGPS工具组所搭配的范例程序，将同时包含单位星与多重卫星仿真功能。
记录空气中的GPS信号
建立GPS波形时，其独特又日趋普遍的方式，即是直接从空气中撷取之。在此测试中，我们使用矢量信号分析器(如NI PXI 5661)记录信号，再透过矢量信号发生器(如NI PXIe-5672)产生已记录的信号。由于在记录GPS信号时，亦可撷取实际的信号减损(Impairments)，因此在播放信号时，可进一步了解接收器于布署环境中的作业情形。
只要透过极为直接的方式，即可撷取空气中的GPS信号。在RF记录系统中，我们将适合的天线与放大器，搭配使用PXI矢量信号分析器与硬盘，以撷取最多可达数个小时的连续数据。举例来说，1组2TB的RAID磁盘阵列，即可记录最多25个小时的GPS波形。由于此篇技术文件将不会讨论串流的特殊技术，因此若需要相关范例程序代码，请至：http://www.ni.com/streaming/rf.透过下列段落，即可了解应如何针对RF记录与播放系统，设定合适的RF前端。
不同类型的无线通信信号，均需要不同的带宽、中央频率，与增益。以GPS信号来说，基本系统需求是以1.57542GHz的中央频率，记录2.046MHz的RF带宽。依此带宽需求，至少必须达到2.5MS/s(1.25x2MHz)取样率。注意：此处的1.25乘数，是根据PXI-5661数字降转换器(DDC)于降频(Decimation)阶段的下降(Roll-off)滤波器所得出。
在下方说明的测试作业中，我们使用5MS/s(20MB/s)取样率以撷取完整的带宽。由于标准PXI控制器硬盘即可达到20MB/s或更高的数据流量，因此不需使用外接的RAID亦可将GPS信号串流至磁盘。然而，基于2个理由，我们仍建议使用外接硬盘。首先，外接硬盘可提升整体的数据储存量，并记录多组波形。其次，外接硬盘不会对PXI控制器的硬盘造成额外负担。在下方说明的测试作业中，我们采用1组USB2.0的外接硬盘。此硬盘为320GB的Western Digital Passport，具有5400RPM的硬盘转速。在我们的测试作业中，一般读取速度约落在25~28MB/s.因此该款硬盘可同时用于GPS波形数据串流的仿真(6MB/s)与记录(20MB/s)作业。
GPS信号记录作业最为特殊之处，即是选择并设定合适的天线与低噪声放大器(LNA)。透过一般被动式平面天线(Passive patch antenna)，即可于L1GPS频带中发现介于-120~-110dBm的常见峰值功率(此处为-116dBm)。由于GPS信号的功率强度极小，因此必须进行放大作业，以使矢量信号分析器可撷取卫星信号的完整动态范围。虽然有多个方法可将合适的增益强度套用至信号，不过我们发现：若使用主动式GPS天线搭配NIPXI-5690前置放大器(Pre-amplifier)时，即可达到最佳效果。若串联2组各可达30dB增益的LNA，则总增益则可达到60dB(30+30)。因此，矢量信号分析器可测得的峰值功率，将从-116dBm提升至-56dBm.下图即为该项设定的范例系统：
图6.GPS接收器与串联的LNA.
请注意，记录操作系统的必备组件之一，即为主动式GPS天线。主动式(Active)GPS天线，包含1组平面天线与1组LNA.此款天线一般均需要2.5V~5V的DC偏压电压，并仅需约$20美金即可购买现成产品。为了简单起见，我们使用1组天线搭配1组SMA接头。我们将于下列段落中看到，在RF前端的第一组LNA噪声图形极为重要;该图形将可确认进行记录作业的仪控，是否对无线信号构成最低噪声。亦请注意，图6中的矢量信号分析器为简化图标。实际的PXI-5661为3阶段式超外差(Super-heterodyne)矢量信号分析器，较复杂于图中所示。
若将60dB套用至无线信号中，则可于L1中得到约-60~-50dBm的峰值功率。若以扫频(Swept speCTRum)模式设定VSA并分析整体频谱，则亦将发现L1频带(FM与移动电话)之外的带中功率(Power in band)，其强度将高于GPS信号。然而，带外(Out-of-band)信号的峰值功率一般均不会超过-20dBm，且将透过VSA的多组带通(Band pass)滤波器之一进行滤波作业。若要检视记录装置的RF前端是否达到应有效率，最简单的方法之一即为开启RFSA示范面板的范例程序。透过此程序，即可于L1GPS频带中呈现RF频谱。图7即为常见的频谱。请注意，此频谱截图是透过GPS中心频率于室外所得。主动式GPS天线与PXI-5690前置放大器，可达到60dB的总增益。
中心频率：1.57542GHz
展频(Span)：4MHz
RBW：10Hz
平均：RMS、20Averages
图7.仅透过极小的分辨率带宽(RBW)，才可于频谱中呈现GPS
此处使用前面所提到的RF记录与播放LabVIEW范例程序;设定-50dBm的参考准位、1.57542GHz中央频率，与5MS/s的IQ取样率。下图即显示设置范例的人机接口：
图8.RF记录与播放范例的人机接口。
GPS信号的最长记录时间，将根据取样率与最大储存容量而定。若使用2TB容量的Raid磁盘阵列(Windows XP所支持的最大磁盘)，将可透过5MS/s取样率记录最多25个小时的信号。
设定RF前端
由于串联的LNA可提供60dB的增益，因此使用者可大幅提升矢量信号分析器前端的功率。在我们的测量作业中，60dB的增益即足以将峰值功率从-116dBm提升至-56dBm.而透过60dB的增益(与1.5dB的噪声系数)，信号的噪声功率将为–112dBm/Hz(-174+增益+F)。因此，所能撷取到的讯噪比(SNR)最高可达56.5dB(-56dBm+112.5dBm)，亦低于实际的仪器动态范围。由此可知，若有80dB的动态范围，则VSA将可记录最大的SNR，且不会有无线信号的噪声影响。
当要记录任何无线信号时，可将参考准位设定高出一般峰值功率至少5dB，以因应任何信号强度的异常现象。在某些情况下，虽然上述此步骤将降低VSA的有效动态范围，但GPS信号却不会受到影响。由于GPS信号于天线输入的最大理想SNR即为58dB(-116+174)，因此若于VSA记录超过58dB的动态范围将无任何意义。因此，我们甚至可以“抛弃”仪器的动态范围达10dB以上，亦不会影响记录信号的质量(在此带宽中，PXI-5661将提供优于75dB的动态范围)。
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