專利名稱：高靈敏度接收機(jī)及接收的制作方法
相關(guān)專利申請本文參考了美國專利申請序列號為09/678,044，標(biāo)題為“衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)及方法”的專利申請，于2000年10月11日提交。
以往技術(shù)的描述全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)一般從三個(gè)或更多的地球軌道衛(wèi)星接收信號，利用這些信號來決定諸如位置和速度等導(dǎo)航數(shù)據(jù)。GPS信號在全球范圍內(nèi)都可以免費(fèi)獲得，目前經(jīng)常利用它在一個(gè)城市或更大范圍內(nèi)來對汽車進(jìn)行定位。雙頻載波GPS接收機(jī)一般跟蹤一對無線載波(L1和L2)，并且和GPS衛(wèi)星一起，從P碼對這兩個(gè)載頻的調(diào)制產(chǎn)生累積的德耳塔范圍度量(ADR)。接收機(jī)同時(shí)還跟蹤L1的C/A碼來產(chǎn)生碼相位度量。載頻L1分配的頻率為1575.42MHz，載頻L2的頻率是1227.78MHz。廉價(jià)一些的接收機(jī)僅在一個(gè)載頻上進(jìn)行調(diào)制，因此沒有足夠的信息來計(jì)算定位出錯(cuò)時(shí)出現(xiàn)的本地對流層和電離層的信號傳播延遲。在這兩種頻率上，無線載波信號沿視線路徑來傳送。因此建筑物、山脈和地平線能夠阻礙接收，而多徑反射會影響良好的接收。
地球軌道GPS衛(wèi)星群中的每個(gè)衛(wèi)星都發(fā)射三十二種唯一識別碼中的一種，這些識別碼以碼分多址(CDMA)的方式來安排。該方式允許許多GPS衛(wèi)星在同一個(gè)頻率上以擴(kuò)頻模式進(jìn)行發(fā)送，加上或者減去該頻率的由于衛(wèi)星的相對速率引起的多普勒頻率漂移。每個(gè)GPS衛(wèi)星都會預(yù)分配三十二偽隨機(jī)數(shù)(PRN)序列碼中的一個(gè)，把一個(gè)1023“電路塊”碼和這個(gè)預(yù)分配碼相關(guān)聯(lián)得到信噪混雜結(jié)果，我們可以根據(jù)這個(gè)給特定的衛(wèi)星分類。傳送這些預(yù)分配碼時(shí)并不一定互相相位一致。因此，搜尋一個(gè)GPS衛(wèi)星最初包括搜尋各種載頻，計(jì)算多普勒頻率偏移和本地晶振誤差。搜尋時(shí)還需要用1023種不同的碼相位和二十種或更多可能的相關(guān)碼模板來查找一個(gè)匹配碼。
最大的可能誤差來自于啟動時(shí)典型的本地晶振的隨機(jī)頻率。因此，明顯的多普勒頻率僅在大搜尋范圍內(nèi)可知。知道準(zhǔn)確的多普勒頻率也沒有多大幫助，因?yàn)楸镜鼐д窨赡艽蟠笃x了原值。
從用戶觀點(diǎn)來看，以往GPS接收機(jī)至少有兩個(gè)操作特性使用戶不能完全的滿意。當(dāng)建筑物降低本地信號場水平到低于接收機(jī)的最大靈敏度時(shí)，上述傳統(tǒng)的接收機(jī)在室內(nèi)經(jīng)常退出工作。而且，大多數(shù)接收機(jī)在冷啟動時(shí)要花很長的時(shí)間來產(chǎn)生一個(gè)定位方案。
在室內(nèi)，信噪比(SNR)一般下降的太低以致不能提供一個(gè)有用的信號給傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)?？色@得的信號淹沒在噪聲之中?？偟膩碚f，有兩種方法可以用來改進(jìn)一個(gè)接收機(jī)的SNR相干采樣平均和非相干采樣平均。在相干方法中，模數(shù)樣本在平方之前累加，比如，ΣmP,P=(ΣnI)2+(ΣnQ)2,]]>I和Q總計(jì)超過十毫秒。在非相干方法中，樣本在平方后再累加。
上述平均的目的是減少統(tǒng)計(jì)方差。因?yàn)镾NR定義成10logA22σ2,]]>減少不相關(guān)噪聲的方差σ，就可以改進(jìn)SNR和接收機(jī)的靈敏度。在相干平均方法中，改進(jìn)值是101ogN，其中N是累加的毫秒數(shù)。在非相干平均方法中，改進(jìn)值是10logM,]]>其中M是累加的毫秒數(shù)。加起來，現(xiàn)有技術(shù)接收機(jī)的總改進(jìn)值是10logN+10logM.]]>但是太大的N值會增加集成次數(shù)和縮短頻率反應(yīng)(時(shí)間)。頻率反應(yīng)(時(shí)間)越短，接收機(jī)查找初始的載波鎖定的時(shí)間就越長，因?yàn)樵诓樵冎行枰扇「玫牟襟E。因此在獲得接收機(jī)靈敏度的同時(shí)，需要犧牲適度的“第一次定位時(shí)間”的性能。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供一種每次冷啟動后能迅速提供定位方案的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目標(biāo)是提供一種價(jià)格不高的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
簡而言之，本發(fā)明的接收機(jī)的一個(gè)實(shí)施例包括一個(gè)在數(shù)字信號處理之前的數(shù)字采樣器，數(shù)字信號處理可以運(yùn)行在高速率和低速率下。如果非相干平均選擇了高速率來減少噪聲，樣本會隨著時(shí)間進(jìn)行平均而且被轉(zhuǎn)化成低速率。在任何一種情況下，數(shù)字信號處理器僅輸入低速率樣本。
本發(fā)明的一個(gè)好處是提供了一種極大地增強(qiáng)導(dǎo)航接收機(jī)的靈敏度的系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的另一個(gè)好處是提供了一種增強(qiáng)靈敏度和“第一次定位時(shí)間”，從而足夠用于城市峽谷和室內(nèi)的系統(tǒng)和方法。
看完以下的建議實(shí)施例的詳細(xì)描述(以各種附圖來闡明)后，與那些普通的技術(shù)相比，毫無疑問，本發(fā)明的上述目標(biāo)和好處是明顯的。
建議實(shí)施例的詳細(xì)描述附

圖1示例了一個(gè)接收機(jī)100，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。它包括一個(gè)動態(tài)天線102，一個(gè)外部低噪聲放大器(LNA)104，一個(gè)無線頻率(RF)電路塊106，一個(gè)提供定位輸出的數(shù)字信號處理器(DSP)108。一個(gè)典型的接收機(jī)100工作在L波段的微波信號，該信號由軌道全球定位系統(tǒng)GPS導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射。動態(tài)天線102包括一個(gè)寬帶天線110，一個(gè)低噪聲放大器(LNA)112，和一個(gè)第一RF帶通濾波器114。外部LNA104包括一個(gè)放大器106，其后是一個(gè)第二RF帶寬濾波器118。RF電路塊106包括一個(gè)AGC控制放大器120，一個(gè)由第一本地晶振(L01)輸入的第一混合器122，和一個(gè)用于截止圖像的中頻(IF)帶通濾波器124。同相(I)和四相(Q)樣本通過一個(gè)90°的相位轉(zhuǎn)換器125獲得，125提供了一個(gè)四相的第二本地晶振(L02)信號給Q混合器126。I混合器127的輸入來自同相L02信號。
DSP108最好包括一個(gè)有傳統(tǒng)采樣率的傳統(tǒng)GPS-接收機(jī)，比如，“FLS”用于低速率采樣。IF帶通濾波器一般集中在175MHz，第二IF混合器126和127把它轉(zhuǎn)化為基帶，比如132KHz。
在I、Q混合器之后的一對放大器128和129組成了信號級別。在這些放大器之后可能包含一對低通、反偽信號濾波器，就像傳統(tǒng)的接收機(jī)的設(shè)計(jì)。如果包含了，這些低通濾波器應(yīng)該擁有20MHz或更高的頻率點(diǎn)，但必須低達(dá)可以進(jìn)行圖像截止。
Q采樣器130和I采樣器131都包括硬限制器和比較器，以把模擬信號轉(zhuǎn)化為兩位數(shù)字信號。數(shù)字位包括符號和數(shù)量，為方便，可以用“3”、“1”、“-1”和“-3”度量來標(biāo)記。130和131這些采樣器在內(nèi)部可以在不止一個(gè)速率上進(jìn)行采樣，比如一個(gè)高速率用于噪聲平衡以及一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)低速率。但為和DSP108兼容，采樣器的輸出速率固定在一個(gè)相對較低的標(biāo)準(zhǔn)速率。
最好的接收機(jī)的可能信噪比(SNR)主要由出現(xiàn)于LNA112輸入處的初始信號電平和噪聲電平?jīng)Q定。在一個(gè)典型的GPS接收機(jī)中，L1載頻的粗獲取碼(C/A)在這點(diǎn)的信號帶寬大約為1MHz，而噪聲帶寬為20MHz或更多。本發(fā)明的實(shí)施例中，信噪帶寬比決定了使用這里所說的方法和電路能對傳統(tǒng)的接收機(jī)的SNR改進(jìn)多少。
真正的非相干白噪聲隨時(shí)間幾乎達(dá)到零平衡。如果帶通濾波器排除太多的噪聲，過濾的噪聲在后面的階段將不能達(dá)到真正的空平衡。由于信號嚴(yán)重淹沒在熱噪聲和其他背景噪聲中，平均后剩余的些許小噪聲就可以減弱信號能量。
因此使第一和第二RF帶通濾波器114和118對L1載波的20MHz開以及和使帶通濾波器124也對第一中頻的20MHz開放是有好處的。這里采用了比正常速率高的速率采樣，但如果噪聲相關(guān)的話，平均產(chǎn)生的是噪聲而非信號的平均值。因此，作為經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，噪聲的帶寬必須是信號的帶寬的“P”倍。一個(gè)最小的值為20的“P”就可以得到很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
附圖2細(xì)繪了附圖1中I和Q采樣器130和131的建議實(shí)施例。采樣器200從輸入202口接收I或Q模擬信息。兩位模數(shù)轉(zhuǎn)化器(ADC)204提供了一個(gè)符號位和數(shù)量位。ADC204內(nèi)部有三個(gè)依賴于輸入?yún)⒖茧妷旱墓夥糯蟊容^器。這種依賴會引起降低信號的DC偏移。根據(jù)鎖存數(shù)據(jù)選擇器210選擇的時(shí)鐘源，兩位數(shù)據(jù)值206被高速鎖存器208鎖存。比如，可以選擇一個(gè)27.245MHz的內(nèi)存時(shí)鐘(MCLK)，一個(gè)54.49MHz的雙MCLK，或者一個(gè)外部時(shí)鐘。加法器212用于累積平均用的高速樣本，比如，通過加法器扔掉一些不太重要的位輸出。2.112MHz重鎖器214包括可以從樣本平均中加上或減去的數(shù)字門限，比如減少或者排除在ADC204操作中引起的微小誤差的DC延遲。采樣型數(shù)據(jù)選擇器216可以輸出2.112MHz重鎖器214的高速采樣平均值，或者輸出2.112MHz重鎖器218的低速樣本非平均值。這個(gè)輸出以傳統(tǒng)的速率給DSP提供了樣本，比如DSP108(附圖1)。自動增益控制(AGC)數(shù)據(jù)選擇器220允許AGC計(jì)數(shù)器選擇兩個(gè)采樣類型。
總而言之，本發(fā)明的導(dǎo)航接收機(jī)的實(shí)施例包括第一無線頻率帶寬濾波器，它至少有預(yù)期信號帶寬的20倍，因此采樣平均值得到了改進(jìn)。獲取經(jīng)過第一無線頻率帶寬濾波器的高速率采樣信號噪聲時(shí)，采用了一個(gè)高速率采樣器。然后有一個(gè)累加器用于累加高速率樣本和提供樣本平均值。最后，有一個(gè)轉(zhuǎn)換器用于把樣本平均值轉(zhuǎn)化成傳統(tǒng)的低速率采樣以用于傳統(tǒng)的數(shù)字處理。
對接收的信號和噪聲進(jìn)行高速率采樣，用來排除噪聲，比如“FHS”。這些樣本然后被轉(zhuǎn)化為低速率的樣本以便DSP來接收和處理。實(shí)際上，我們通過輸入己經(jīng)排除了很多能淹沒信號的噪聲的樣本來欺騙DSP。低速率樣本設(shè)法使樣本率和DSP要求的一致。既然總的能量消耗和DSP的樣本率有很大關(guān)系，在較低的樣本率下運(yùn)行可以節(jié)約能量。
雖然本產(chǎn)品以本實(shí)施例的術(shù)語來描述，但可以理解，本文檔并不是一種限制。毫無疑問，在看了上述文檔后，那些精通此技術(shù)的人可以看到，各種代替和修改是明顯的。相應(yīng)的，附加的權(quán)利說明書覆蓋了所有在本發(fā)明范圍和實(shí)質(zhì)下的替代和修改。
權(quán)利要求
1.一個(gè)用于改進(jìn)導(dǎo)航接收機(jī)的靈敏度的方法包括以下步驟打開RF和IF接收機(jī)的無線頻率(RF)和中頻(IF)的帶通明顯比預(yù)期的信號帶寬寬；以第一采樣率進(jìn)行超外差轉(zhuǎn)化后對一個(gè)預(yù)期的信號進(jìn)行采樣；對上步采樣獲得的樣本進(jìn)行平均以排除噪聲，增加預(yù)期信號的信噪比；以比第一采樣率明顯低的第二采樣率輸出上步平均所獲得的樣本平均值；其中從上述第二采樣率獲得的樣本平均值，一個(gè)數(shù)字信號處理器提供了定位方案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中打開步驟包括使用軌道全球定位系統(tǒng)(GPS)導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的L波段微波信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中打開步驟包括使用至少二十倍預(yù)期信號帶寬的帶通濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中采樣步驟要求第一采樣率至少比第二采樣率高十倍。
5.一個(gè)導(dǎo)航接收機(jī)包括一個(gè)至少二十倍預(yù)期信號帶寬的第一無線頻率帶寬濾波器，從而改進(jìn)采樣平均值；一個(gè)高速采樣器，對經(jīng)過第一無線頻率帶寬濾波器的信號和噪聲進(jìn)行高速采樣；一個(gè)累加高速采樣和提供采樣平均值的累加器；一個(gè)用于轉(zhuǎn)化采樣平均值到低速采樣的轉(zhuǎn)化器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的接收機(jī)，其中第一無線頻率帶寬濾波器的帶寬集中在微波信號的L1載波上，大約寬20MHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的接收機(jī)，其中高速采樣器運(yùn)行在至少十倍的由轉(zhuǎn)化器輸出的低速采樣器的頻率上。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的接收機(jī)，其中轉(zhuǎn)換器數(shù)字地排除了DC偏移，而不是像更早階段的接收機(jī)的注入，因此進(jìn)一步改進(jìn)了接收機(jī)的靈敏度。
9.權(quán)利要求5所述的接收機(jī)進(jìn)一步包括一個(gè)用于在高速采樣和低速采樣之間進(jìn)行選擇的選擇器。
10.權(quán)利要求9所述的接收機(jī)進(jìn)一步包括一個(gè)擁有一個(gè)低速采樣輸入的數(shù)字信號處理器，低速采樣輸入連接到轉(zhuǎn)化器上，以和選擇器的狀態(tài)無關(guān)的常速率輸入樣本。
全文摘要
一個(gè)導(dǎo)航接收機(jī)由一個(gè)在數(shù)字信號處理之前的數(shù)字采樣器組成，數(shù)字信號處理可以運(yùn)行在高速率和低速率下。如果非相干平均選擇了高速率來減少噪聲，樣本會隨著時(shí)間進(jìn)行平均而且被轉(zhuǎn)化成低速率。在任何一種情況下，數(shù)字信號處理器僅輸入低速率樣本。
文檔編號G01S1/00GK1439895SQ0310615
公開日2003年9月3日 申請日期2003年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月19日
發(fā)明者P·W·麥克博尼, A·N·沃 申請人:伊萊德公司, 精工愛普生株式會社