專利名稱：一種gps接收機的多普勒頻率補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種GPS接收機中的多普勒頻率補償方法。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(GPS)由安排在6個軌道平面的24顆地球軌道衛(wèi)星組成。GPS是通過測量衛(wèi)星信號到達用戶位置的時間(TOA)測距以確定用戶位置的。一個GPS接收機連接到至少4顆衛(wèi)星，對其做出響應(yīng)，然后就可以得到它的精確定位。
由于衛(wèi)星和地球間存在著相對運動，所以從衛(wèi)星發(fā)送到地面接收機的信號頻率會產(chǎn)生平移。此外，比特頻率和芯片頻率也會因此而平移。這種頻率上的改變稱為多普勒頻移。這種由于衛(wèi)星發(fā)射的信號，它的載波頻率和比特頻率的頻譜受到了多普勒的影響，為了能夠解調(diào)這種信號，就要在地面接收機處對多普勒平移進行補償。如果衛(wèi)星和接收機是沿衛(wèi)星到接收機視線相對運動方向運動，則多普勒頻移為正，反之，若是相反方向，則為負。當(dāng)GPS衛(wèi)星處于接收機天頂時，多普勒頻移為0。多普勒頻移會改變衛(wèi)星發(fā)送信號的已知碼相位。因此，在GPS接收機通過校正分析以確定衛(wèi)星碼相位之前，必須先校正衛(wèi)星發(fā)送信號的多普勒頻移。目前有一種技術(shù)是用匹配濾波器來校正多普勒頻移。在這種技術(shù)中，多普勒發(fā)生器會產(chǎn)生一個復(fù)數(shù)相移值(由實部和虛部組成)，在用匹配濾波相關(guān)器將其與PN碼關(guān)聯(lián)之前，將這一相移值與一個引入的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)采樣結(jié)合起來，這樣就可以最小化多普勒誤差了。即使這樣做在一定程度上是有用的，但系統(tǒng)還是會有多普勒誤差。因此，需要有一種方法能更好的通過多普勒頻移補償來進一步改進校正分析。

發(fā)明內(nèi)容
相對于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種可快速、準(zhǔn)確的進行多普勒頻率補償?shù)姆椒?。該方法可提高補償精度，改善接收機定位的準(zhǔn)確性；減少處理信號的時間，提高GPS接收機的效率。
為了達到上述目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的一種GPS接收機的多普勒頻率補償方法，其特征在于，包括下述步驟將接收到來自捕獲模塊數(shù)據(jù)中的包括多普勒的I輸入信號和Q輸入信號的數(shù)據(jù)輸出，存儲在多普勒模塊相位旋轉(zhuǎn)器中的乘法器中；將多普勒相位參數(shù)輸入到載波相位輸出緩沖器，將多普勒頻率參數(shù)輸入到載波相位寄存器，再從載波相位寄存器和載波相位輸出緩沖器輸入到多普勒模塊數(shù)控振蕩器的加法器；用該加法器將來自多普勒相位參數(shù)和多普勒頻率參數(shù)的載波頻率和載波相位相加，加法器的輸出值輸入到載波相位輸出緩沖器，在載波相位輸出緩沖器里得到當(dāng)前的載波相位值，再由載波相位輸出緩沖器輸出，將載波相位值中的四個最高有效位MSB輸入到一個正弦/余弦查找表中，從查找表中找出相應(yīng)的正弦/余弦值；將正弦/余弦值與包括多普勒的I輸入信號和Q輸入信號一起輸入到相位旋轉(zhuǎn)器中的乘法器，旋轉(zhuǎn)輸入信號的相位；最后將旋轉(zhuǎn)后的值進行量化，得到多普勒頻率補償?shù)男盘栞敵龅较嚓P(guān)器，與本地產(chǎn)生碼進行相關(guān)運算。
上述方案中，所述將加法器的值輸入到載波相位輸出緩沖器后，載波相位輸出緩沖器的輸出還包括一個支路返回到加法器，作為加法器多普勒相位參數(shù)的輸入。
所述的正弦/余弦值分別由一個1位的Sign位和一個3位的Mag位表示，其中，Sign位表示正弦/余弦值的符號，Mag位為正弦/余弦值的大小。
所述的多普勒相位旋轉(zhuǎn)是指將輸入信號I和Q與正弦/余弦值的Sign位和Mag位輸入相位旋轉(zhuǎn)器中的乘法器分別相乘，將乘法器的值按照下列公式進行相加IOut＝I*COS(θ)-Q*SIN(θ)QOut＝I*SIN(θ)+Q*COS(θ)式中；Qout與Iout分別為進行相位旋轉(zhuǎn)后的Q信號與I信號，I和Q為接收到的來自捕獲模塊的信號，SIN(θ)及COS(θ)為由查找表得出的正弦/余弦值，θ為相位誤差。
所述的生成載波相位值的步驟是重復(fù)執(zhí)行的，每次使用不同的多普勒頻率參數(shù)，因此，每個正弦/余弦值是不同相移的偏移量。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點是由于多普勒模塊采用了載波數(shù)控振蕩器NCO和相位旋轉(zhuǎn)器，從而可把頻率的值累加到相位中，累加值的4位最高有效位用于查找表，再用相位旋轉(zhuǎn)器來進行多普勒旋轉(zhuǎn)，這樣就可更準(zhǔn)確的算出多普勒頻移，提高GPS接收機的精度，正確定位。本發(fā)明多普勒頻率補償方法，提高了偽噪聲碼與已接收擴頻信號的相關(guān)性，在時域中，該相關(guān)性補償了信號內(nèi)的多普勒頻移誤差。


圖1是本發(fā)明的一個GPS接收機上的基帶整體功能模塊圖。圖中，CCt為捕獲模塊；CaIO為捕獲模塊I輸出；CaQO為捕獲模塊Q輸出；GPSctl為GPS基帶控制模塊；Sync PL為同步脈沖信號；CaL為捕獲模塊使能載入控制信號；Sersftclk為串行移位時鐘；DopL為多普勒使能載入控制信號；DopP為多普勒相位；CoL為相關(guān)使能載入控制信號；CodS為相關(guān)存儲使能信號；DIOut為多普勒I輸出；DQOut為多普勒Q輸出；CoIO為相關(guān)I輸出；CoQO為相關(guān)Q輸出；CPU為中央處理器；Ram1和S_Mem都是存儲器；Dopp_N為當(dāng)前多普勒的相位值；DopFP為多普勒頻率參數(shù)；DopPP為多普勒相位參數(shù)。
圖2是圖1中的用于頻率補償?shù)亩嗥绽漳KDPL結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
如圖1、圖2所示，一種GPS接收機的多普勒頻率補償方法，多普勒模塊DPL接收到來自捕獲模塊CCt的數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)中有包括多普勒的I輸入信號CIO和包括多普勒的Q輸入信號CQO，存儲在多普勒模塊相位旋轉(zhuǎn)器中的乘法器中。預(yù)測多普勒相位的特定衛(wèi)星或來源，在載波數(shù)控振蕩器NCO和正弦/余弦查找表處理后，也輸入到該乘法器，疊加到同一顆衛(wèi)星(或其他的來源)的CIO和CQO上，形成多普勒補償后的I輸出信號DIOut和Q輸出信號DQOut。在本發(fā)明的多普勒模塊DPL中，數(shù)據(jù)采樣速率是2f0(f0＝1.023MHz)，對于每顆衛(wèi)星信道，載波數(shù)控振蕩器NCO也以2f0的有效速率運行。
在CCt處理過之后，I和Q信號在12信道的多普勒模塊DPL中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生多普勒頻移，分別用來補償追蹤到的衛(wèi)星(SV)的多普勒頻移。
CPU在存儲器RAM1中為每一顆衛(wèi)星存儲預(yù)測的載波相位參數(shù)DopPP和預(yù)測的載波頻率參數(shù)DopFP，在控制信號的控制下存儲到存儲器S_Mem中。在每個一毫秒內(nèi)，存儲器S_Mem將DopFP和DopPP分別傳送到多普勒模塊的載波相位寄存器和載波相位輸出緩沖器。DopPP和DopFP是一個24比特數(shù)字化的值。在初捕模式下，載入使能控制信號DopL只載入一次DopPP和DopFP；在跟蹤模式下，連續(xù)的載入DopPP和DopFP，周期為425.04ns。加法器A在count有效時將DopFP疊加到DopPP上。count是NCO的使能時鐘，在初捕模式下，以連續(xù)的11個周期為一組，每個周期38.64ns，連續(xù)的兩組間隔5100.48ns，即11個半碼片halfchip的時間；在跟蹤模式下與GPS時鐘一樣是連續(xù)的周期，周期與初捕模式的相同。然后將加法器A的值輸入到載波相位輸出緩沖器，在載波相位輸出緩沖器里得到當(dāng)前的載波相位值，用CarNCO表示。載波相位輸出緩沖器的輸出有兩個支路一個支路返回到加法器A，作為加法器A中多普勒相位參數(shù)DopPP的輸入，繼續(xù)與多普勒頻率參數(shù)DopFP相加；另一路作為載波振蕩器NCO的輸出CarNCO送入到多普勒相位旋轉(zhuǎn)器。CarNCO是相位在查找表中的代表。
將CarNCO的四個最高有效位MSB輸入到正弦/余弦查找表中，產(chǎn)生正弦/余弦值，見表1。查找表包括24比特寄存器來存儲其輸出。查找表每隔一段時間，地址比特從0開始，隨著反復(fù)將多普勒相位參數(shù)DopPP和多普勒頻率參數(shù)DopFP相加而遞增，最后返回0重新計算。隨著地址位的改變，對應(yīng)的正弦/余弦值也是不斷變化的。通常，查找表是通過相位角和振幅的復(fù)指數(shù)量化來描述的。本發(fā)明中，載波相位寄存器的最高有效位(MSBs)有4個用來對查找表編址，那么每個多普勒周期有16個地址。正弦/余弦值分別由一個1位的Sign位和一個3位的Mag位表示。其中，Sign位表示正弦/余弦值的符號，即該值是正數(shù)還是負數(shù)；Mag位為正弦/余弦值的大小。
表1正弦/余弦查找表

將正弦/余弦查找表輸出的正弦/余弦值輸入到相位旋轉(zhuǎn)器中的乘法器(Multiplier)中，將正弦/余弦值與輸入的CaIO和CaQO分別相乘，得到iSin、iCos、qSin、和qCos的值，將乘法器的輸出值分別輸入到4-比特寄存器。把寄存器的值在相位旋轉(zhuǎn)器的加法器ADDER中按照下列公式進行相加。
IOut＝I*COS(θ)-Q*SIN(θ)QOut＝I*SIN(θ)+Q*COS(θ)式中；Qout與Iout分別為進行相位旋轉(zhuǎn)后的Q信號與I信號，I和Q為接收到的來自捕獲模塊CCt的信號，SIN(θ)及COS(θ)為由查找表得出的正弦/余弦值，θ為相位誤差。
最后通過5-比特寄存器和一個量化器Quantizer將相加得到的值進行量化，來形成經(jīng)過多普勒頻率補償?shù)妮敵鲂盘柖嗥绽誌輸出DIOut和多普勒Q輸出DQOut，DIOut和DQOut輸入到圖1的相關(guān)器Correlator，與本地產(chǎn)生碼進行相關(guān)運算。
在每一個時間段，每一顆衛(wèi)星的多普勒相位的開始值存儲在存儲器RAM1中，并被多普勒模塊用于在這段時間內(nèi)對衛(wèi)星信號進行旋轉(zhuǎn)。在每個時間段的結(jié)尾，多普勒相位的結(jié)束值存儲在RAM1中，用來作為下一部份的開始值。在GPSct1模塊控制下，在載波相位輸出緩沖器中，當(dāng)多普勒儲存使能信號DopS有效時將特定的衛(wèi)星每次旋轉(zhuǎn)結(jié)束時存儲的當(dāng)前的多普勒相位值Dopp_N，輸入到RAM1中，在控制信號的控制下存儲到S_Mem中。在初捕模式下多普勒存儲使能信號DopS一直無效，不保存多普勒相位值；而在跟蹤模式下，dopSave的周期與DopL的周期相同。在隨后時段該衛(wèi)星的下一個片段的多普勒旋轉(zhuǎn)期間，通過DPL模塊取回加到數(shù)控振蕩器上作為初始值，調(diào)節(jié)其輸出頻率。另外，多普勒還將輸出CarNCO的四個最高有效位MSB，表示為ncoO，這個輸出是為了以后的測試而產(chǎn)生的。
權(quán)利要求
1.一種GPS接收機的多普勒頻率補償方法，其特征在于，包括下述步驟將接收到來自捕獲模塊數(shù)據(jù)中的包括多普勒的I輸入信號和包括多普勒的Q輸入信號的數(shù)據(jù)輸出，存儲在多普勒模塊相位旋轉(zhuǎn)器中的乘法器中；將多普勒相位參數(shù)輸入到載波相位輸出緩沖器，將多普勒頻率參數(shù)輸入到載波相位寄存器，再從載波相位寄存器和載波相位輸出緩沖器輸入到多普勒模塊數(shù)控振蕩器的加法器；用該加法器將來自多普勒相位參數(shù)和多普勒頻率參數(shù)的載波頻率和載波相位相加，該加法器的輸出值輸入到載波相位輸出緩沖器，在載波相位輸出緩沖器里得到當(dāng)前的載波相位值，再由載波相位輸出緩沖器輸出，將載波相位值中的四個最高有效位MSB輸入到一個正弦/余弦查找表中，從查找表中找出相應(yīng)的正弦/余弦值；將正弦/余弦值與包括多普勒的I輸入信號和包括多普勒的Q輸入信號一起輸入到相位旋轉(zhuǎn)器中的乘法器，旋轉(zhuǎn)輸入信號的相位；最后將旋轉(zhuǎn)后的值進行量化，得到多普勒頻率補償?shù)男盘栞敵龅较嚓P(guān)器，與本地產(chǎn)生碼進行相關(guān)運算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS接收機的多普勒頻率補償方法，其特征在于，所述將加法器的值輸入到載波相位輸出緩沖器后，載波相位輸出緩沖器的輸出還包括一個支路返回到加法器，作為加法器中多普勒相位參數(shù)的輸入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS接收機的多普勒頻率補償方法，其特征在于，所述的正弦/余弦值分別由一個1位的Sign位和一個3位的Mag位表示，其中，Sign位表示正弦/余弦值的符號，Mag位為正弦/余弦值的大小。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的GPS接收機的多普勒頻率補償方法，其特征在于，所述的多普勒相位旋轉(zhuǎn)是指將輸入信號I和Q與正弦/余弦值的Sign位和Mag位輸入相位旋轉(zhuǎn)器中的乘法器分別相乘，將乘法器的值按照下列公式進行相加IOut＝I*COS(θ)-Q*SIN(θ)QOut＝I*SIN(θ)+Q*COS(θ)式中；Qout與Iout分別為進行相位旋轉(zhuǎn)后的Q信號與I信號，I和Q為接收到的來自捕獲模塊的信號，SIN(θ)及COS(θ)為由查找表得出的正弦/余弦值，θ為相位誤差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS接收機的多普勒頻率補償方法，其特征在于，所述的生成載波相位值的步驟是重復(fù)執(zhí)行的，每次使用不同的多普勒頻率參數(shù)，因此，每個正弦/余弦值是不同相移的偏移量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種GPS接收機的多普勒頻率補償方法，該方法將接收到來自捕獲模塊數(shù)據(jù)中的包括多普勒的I輸入信號和Q輸入信號的數(shù)據(jù)輸出存儲在多普勒模塊相位旋轉(zhuǎn)器中的乘法器中；將多普勒相位參數(shù)和多普勒頻率參數(shù)輸入到多普勒模塊數(shù)控振蕩器的加法器中；用加法器將多普勒載波頻率和載波相位相加，輸出值輸入到載波相位輸出緩沖器，產(chǎn)生當(dāng)前的載波相位值，再由載波相位輸出緩沖器輸出到一個正弦/余弦查找表中，從查找表中找出相應(yīng)的正弦/余弦值，并與包括多普勒的I輸入信號和Q輸入信號一起輸入到相位旋轉(zhuǎn)器中的乘法器，旋轉(zhuǎn)輸入信號的相位；最后將旋轉(zhuǎn)后的值進行量化，得到多普勒頻率補償?shù)男盘栞敵龅较嚓P(guān)器，與本地產(chǎn)生碼進行相關(guān)運算。
文檔編號G01S5/14GK101078758SQ200710018149
公開日2007年11月28日 申請日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者蘭娟, 曹磊, 周文益 申請人:西安華迅微電子有限公司