專利名稱：帶有校正多徑信號效應裝置的射頻信號接收機及啟動該接收機的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及射頻信號接收機，特別是GPS類型的，它帶有用來校正多徑信號效應的裝置。本發(fā)明也涉及到用來啟動或者設定接收機工作的方法。
接收機也包含由幾個相關信道構成用來接收中間信號的相關級。每個信道具有一個相關器，其中對中間信號進行相關。當信道正在被使用時，通過相關器的至少一個控制回路來實現(xiàn)與要搜索和跟蹤的可視發(fā)送源特定代碼的至少兩個復制品的相關，這些復制品始終同相。相關器包含用來積分被相關信號的裝置，在每個積分周期的最后提供初期信號自相關函數(shù)的第一幅值，以及后期信號自相關函數(shù)的第二幅值。在發(fā)送源跟蹤模式中，第一個幅值和第二個幅值基本相同。
接收機也包含與相關級相連在相關后用來處理從射頻信號中提取的數(shù)據的微處理器裝置。
如果上述的接收機是一個GPS接收機，則從射頻信號中提取的數(shù)據，特別地，是GPS消息，偽距和多普勒頻率，這些數(shù)據用來計算位置、速度和時間(小時)。
本發(fā)明的射頻信號接收機當然還能用于GLONASS或者GALILEO型的衛(wèi)星導航系統(tǒng)中。同樣地，接收機可以用在移動電話網絡中，比如CDMA(碼分多址)型網絡。在這種情況下，發(fā)送源不再是衛(wèi)星而是電話網絡的基本小區(qū)，處理的數(shù)據涉及到可聽或者可識別的消息，或者是導航消息。
目前，24顆衛(wèi)星置于地球表面上方接近20,200公里處的6個軌道平面上的軌道中，每個軌道平面關于赤道偏離55°。在地球上方的軌道上在返回同一位置之前衛(wèi)星完全旋轉一周所用的時間接近12小時。在軌道上衛(wèi)星的分布使地球上的GPS接收機能夠從至少四個可視的衛(wèi)星中接收GPS信號，用來確定位置、速度和當?shù)貢r間。
在民用中，軌道上每個衛(wèi)星發(fā)送由1.57542GHz的載波頻率構成的射頻信號，其中對每個衛(wèi)星特有的1.023MHz偽隨機PRN代碼以及對50Hz的GPS消息進行調制。GPS消息包含發(fā)送衛(wèi)星的天文歷表和年鑒數(shù)據，這些特別對于計算X、Y、Z位置，速度和與時間相關的數(shù)據時有用。
PRN(偽隨機噪聲)代碼，特別是金色碼型代碼，對于每個衛(wèi)星來說彼此不同。金色碼是由每隔一毫秒就重復的1023個碼片組成數(shù)字信號。重復周期也由金色碼中的術語“時段(epoch)”來定義。值得注意的是碼片對一個比特采用1或者0的數(shù)值。然而，碼片(在GPS技術中應用的術語)要與用來定義數(shù)據單位的一個比特區(qū)分開。
對32個衛(wèi)星標識號進行定義的金色碼具有正交的特征。通過它們彼此的相關，相關結果產生接近0的數(shù)值。這樣這一特點使得同時從幾個衛(wèi)星中產生的并以相同頻率發(fā)送的幾個射頻信號可以獨立地在同一個GPS接收機的多個信道中處理。
目前，在一些日?；顒又?，便攜式的或者特別集成在車輛中的GPS接收機用來使導航數(shù)據提供給用戶。這些數(shù)據特別有利于定位、尋找目的和了解方位。此外，便攜式GPS接收機趨于具有更小的尺寸以便使它們能夠集成在一些物體比如在便攜式電話或者手表中，這樣可以很容易地通過個人來運送。然而，由于它們是通過小尺寸的電池或者蓄電池來供電的，通常需要最小化接收機的能量消耗。
值得注意的是GPS接收機需要接收由至少四個可視衛(wèi)星發(fā)送的射頻信號以便詳細確定它的位置和與時間相關的數(shù)據。接收機也能夠通過用雷達分別跟蹤可視衛(wèi)星中的一個來接收每個衛(wèi)星特有的天文年歷數(shù)據和年鑒數(shù)據。
附

圖1示意性地顯示了GPS接收機1，它帶有用來接收射頻信號的天線2。為了能夠確定其位置、速度和與時間相關的數(shù)據，上述GPS接收機1必須接收來自至少四個可視衛(wèi)星S1至S4的信號SV1至SV4。然而當上述接收機1在由許多障礙物所包圍的場所中使用時，比如在城市的建筑物B中，由接收機1接收的某些射頻信號SV1′和SV3′有時通過這些障礙物反射。這些經過反射并與來自同一發(fā)送源的直接信號SV1和SV3相組合的信號SV1′和SV3′使得從接收機所接收的信號集中提取的數(shù)據產生了偏差。這些偏差特別是對于計算接收機的位置有影響。
對于陸地導航接收機來說，相應于計算位置45m的偏差，由于多徑信號產生的相位偏差可能大于或等于150ns。通常，額定偏差在30ns界限之內，這相應于計算位置近似9m的偏差。即使對這種多徑信號的現(xiàn)象了解得很清楚，這些偏差通常很難徹底消除。已經提出一些實施例用來最小化這些多徑信號的影響。
特別地，可以引用諾瓦泰爾(Novatel)公司的專利應用No.WO95/14937，它公開了一種偽隨機噪聲編碼的射頻信號接收機，它帶有補償因多徑信號產生的失真的裝置。為了做到這一點，接收機包含了幾個相關信道，每一個的目的在于同時捕捉特定的衛(wèi)星。每個信道的自相關裝置包含幾個相關器，每個相關器接收內部產生的偽隨機代碼復制品的相位，它相對于與中間信號相關的其它復制品而發(fā)生偏移。提供信道中每個相關器的輸出信號功率等級估計器，用來消除多徑信號效應。每個復制品之間的相位偏差小于0.2個碼片，這就要求對每個復制品有很高的固定頻率。
這種接收機的主要缺點是每個信道帶有很多相關器用來獲取并跟蹤特定可視衛(wèi)星的相位。因此，在形成信道相關級的時候所需的大量部件導致了很高的能耗，它不允許接收機集成在包含低容量能源的便攜式物體上。
在同樣的技術范圍中，特林布爾導航有限公司(Trimble Navigation Limited)的美國專利No.5,966,403公開了擴展頻譜射頻接收機，它也包含了用來最小化多徑信號效應的裝置。這個文獻提供了兩種可替換的實施例。在第一個變體中，均勻或者非均勻信號加權函數(shù)用來將初期和后期的復制品和中間信號進行相關。微處理器裝置接收一些相關過的和加權的信號，關閉載波和代碼控制回路。這些微處理器裝置承擔估計因多徑信號產生的信號失真的任務以及最小化這些失真的任務。
在第二個變種中，接收機的兩個相關信道并聯(lián)使用，用來跟蹤同一個衛(wèi)星，它發(fā)送的信號會偏離其軌道。第二信道用來使微處理器裝置最小化因多徑信號產生的失真。為了使微處理器能夠評估因多徑信號產生的失真，強加了一個相位延遲，用來產生每個信道初期和后期的復制品。
就前面的文獻而言，這些實施例的一個缺點本質上在于用來最小化多徑信號效應的各個信道結構的復雜性。此外，大尺度的微處理器用作所有同步的任務。復雜性也導致了高能耗，這就阻止了這樣的接收機集成在具有低容量能源的小尺寸的便攜式物體上。
本發(fā)明的另一個目的在于使用接收機中那些具有與允許校正多徑信號的效應的信道相同結構的未用信道。
這一目的和其它目的通過在此所述的接收機來實現(xiàn)，該接收機的特征在于通過微處理器裝置配置至少一個第二未用信道，它與至少一個用來搜索和/或跟蹤同一個可視發(fā)送源的第一工作信道并聯(lián)放置，當微處理器檢測到在第一工作信道中存在多徑信號時，微處理器裝置控制第二信道產生與中間信號相相關的特定代碼的復制品，以便第二信道的積分裝置提供第一信道自相關函數(shù)的第一個和第二個幅值之間的自相關函數(shù)最大的幅值。
本發(fā)明的接收機的一個優(yōu)點是通過使用相同的信道以及與微處理器裝置共同工作，避免了因多路射頻信號效應產生的計算誤差的問題，其中每個信道包含了相同數(shù)目的部件。當接收機工作時，并非所有的相關信道都使用，因為可視的發(fā)送源特別是可視衛(wèi)星的數(shù)目小于接收機中相關信道的數(shù)目。這就意味著一定數(shù)目的信道保持未用。結果，這些定義為未被使用的信道可以與工作信道并聯(lián)連接以允許微處理器裝置校正因多徑信號產生的偏差。
值得注意的是微處理器裝置至少需要四個在特定可視衛(wèi)星跟蹤模式中所使用的相關信道，以便它能計算位置、速度和與時間相關的數(shù)據。這樣，當在工作信道之一中檢測到多徑信號時，可以只提供一個與工作信道并聯(lián)的未用信道。
上述接收機必須能夠集成在包含低容量能源并能很容易攜帶的物體中，這就強制減少在每個相關信道中部件的數(shù)目。此外，對所有同步任務的管理必須能夠以簡化的方式來實現(xiàn)，特別是在每個獨立于微處理器裝置的相關信道中。通常只是在工作信道中檢測到了多徑信號的存在之后，微處理器裝置才幫助未用的信道搜索自相關函數(shù)的最大幅值。這樣在所述微處理器裝置和工作信道之間很少有數(shù)據傳遞，這就減小了接收機的能耗。
本發(fā)明接收機的另一個優(yōu)點是將第一信道通常使用的參數(shù)通過微處理器裝置傳送到與第一信道并聯(lián)的第二信道中。因此第二信道與微處理器裝置一起工作能更快地找到自相關函數(shù)的最大幅值。即使第二信道由于穩(wěn)定性的原因而連接，由于有可能多徑信號消失了，因而第一信道仍能保持使用。在這種情況下，第二信道停止使用，第一信道向微處理器裝置提供數(shù)據，特別是用來計算GPS接收機的位置、速度和時間相關的數(shù)據的操作。
由第二信道提供的自相關函數(shù)的最大幅值和第一信道初期信號的第一自相關函數(shù)的幅值之間的相位偏移可以存儲。相位的偏移可以引入作為第二未用信道的附加參數(shù)，該信道將來與第一工作信道并聯(lián)連接。
通常，微處理器裝置包含存儲裝置，其中關于衛(wèi)星位置、衛(wèi)星特定代碼和對陸地上的接收機來說，在該接收機被啟動時是可視的衛(wèi)星的數(shù)據。這樣接收機在設定所選的相關信道工作的時候可以確定哪些衛(wèi)星是可視的。
根據這種用來校正接收機多徑信號效應的方法，也可以達到該目的和其它目的，這種方法包含第一組步驟，它包括-配置和切換一定數(shù)目的第一信道以便每個信道搜索和跟蹤特定的發(fā)送源；-將每個與中間信號相關的第一工作信道特定代碼的初期和后期復制品進行相位偏移，直到自相關函數(shù)的第一個和第二個幅值相等時為止；-在尋找和/或跟蹤階段，存儲初期信號和后期信號的相關幅值以及相應的相位偏移，上述方法的特征在于它還包含了第二組步驟-對于每一個第一工作信道，在搜索和/或跟蹤階段使用自相關函數(shù)幅值和存儲的相應相位偏移，當信道處于發(fā)送源跟蹤模式時，來計算初期信號第一個幅值點處的自相關函數(shù)的第一個斜率和在后期信號的第二個幅值點處的自相關函數(shù)的第二個斜率；-如果計算的兩個斜率在絕對值上有明顯的不同，或者在跟蹤模式中初期信號的第一個幅值或者后期信號的第二幅值中發(fā)現(xiàn)變化，則配置和切換至少一個與第一工作信道并聯(lián)放置的第二未用信道；-在微處理器裝置指令下對第二信道的碼的復制品之一進行相位偏移，直到第二信道的積分裝置提供了第一信道自相關函數(shù)第一、第二幅值之間的自相關函數(shù)的最大幅值，以便微處理器裝置能夠從第二信道的射頻信號中提取數(shù)據同時校正多徑信號的效應。
如附圖1所示，由GPS接收機的天線2所接收的射頻信號SV1至SV4由四個可視衛(wèi)星S1至S4來發(fā)送。這四個衛(wèi)星的信號SV1至SV4對上述GPS接收機1來說是必須的，以便能提取用來計算其位置、速度和/或與時間相關的數(shù)據的所有信息。然而，在它們的路徑上，某些射頻信號SV1′和SV3′可能被各種諸如建筑物B的障礙物反射。這些偏離的信號SV1′和SV3′可能對接收機所接收的直接信號SV1和SV3的檢測造成破壞。這樣在搜索和跟蹤衛(wèi)星S1和S3的相位中的相關信道受了多徑信號的效應，這就導致了定位計算的偏差。正如將要在下面描述中所介紹的那樣，至少一個定義為未用的信道與跟蹤衛(wèi)星S1和S3的每個工作信道并聯(lián)放置以便校正多徑信號的效應。
GPS接收機優(yōu)選地適合于諸如手表之類的便攜式物體，以便提供佩戴手表的人所需要的位置、速度和當?shù)貢r間數(shù)據。由于手表具有小尺寸的蓄電池或者電池，所以在GPS接收機工作期間功率消耗必須盡可能小。
當然，GPS接收機也適用于其它諸如便攜式電話的小尺寸便攜式物體，它們配備有小尺寸的蓄電池或者電池。
GPS接收機1在附圖2中作了示意性的說明。它包含接收和整形裝置，帶有由天線2提供的射頻信號3的頻率變換用來產生中間信號IF，由12個信道7′組成的用來接收中間信號IF的相關級7，將每個信道與各自的緩沖寄存器11相連的數(shù)據傳輸總線10，以及最后將每個緩沖寄存器與微處理器裝置12相連的數(shù)據總線13。
中間信號IF最好是復數(shù)形式，由同相信號I的一部分和兩相信號Q的一部分以大約400kHz的頻率由整形裝置3提供。復數(shù)中間信號IF在附圖2中通過與斜線相垂直的粗線來表征，它定義了2個比特。
在接收機1中可用的信道7′的數(shù)目比地球上任意位置上可見的衛(wèi)星的最大數(shù)目還要多，以便維持一定數(shù)目的未用信道。當微處理器檢測到多徑信號在正常工作的信道中出現(xiàn)時，這些未用的信道的目的在于和工作的信道并聯(lián)。多徑信號的影響，以及未用信道的連接將特別參照附圖3至6在此后進行介紹。
通常，在接收裝置3中，第一電子電路4′首先將頻率為1.57542GHz的射頻信號轉換為例如179MHz的頻率。然后第二電子電路IF 4″進行雙變頻，把GPS信號首先轉換成頻率為4.76MHz然后在最后通過在4.36MHz取樣來轉換成例如400kHz的頻率。將在大約為400kHz頻率處取樣和量化的中間復數(shù)信號IF提供給相關級7的信道7′。
對于頻率變換操作，時鐘信號發(fā)生器5構成了射頻信號接收和整形裝置3的一部分。這種發(fā)生器帶有比如未示出的石英振蕩器，以大約17.6MHz的頻率定標。兩個時鐘信號CLK和CLK16特別地提供給相關級7和微處理器裝置12用來對這些部件的所有操作來計時。第一個時鐘頻率CLK具有4.36MHz的數(shù)值，而第二個時鐘頻率設定在它的1/16，即272.5kHz，它在相關級大部分中采用以便節(jié)省能量消耗。
需要指出的是可以設想通過在相關級中放置一個除法器而不是在接收裝置3中將其與時鐘信號發(fā)生器5集成在一起來獲得時鐘信號CLK16。
在這些例子中由第二電路4″產生的信號給出了不同極性的信號(+1或-1)。必須考慮該極性用于接收機中GPS信號的解調操作。在可替代的實施例中，第二電路4″對于同相部件以及兩相部件能夠產生分布在兩個輸出比特上的信號(+3；+1；-1；-3)。
在本發(fā)明GPS接收機的例子中，帶有1位量化載波頻率的中間信號IF提供給相關級，即使這種量化產生大約3dB的信號噪聲比(SNR)附加損失。
每個信道的寄存器11能接收來自微處理器裝置的配置數(shù)據或者參數(shù)。每個信道能通過寄存器發(fā)送數(shù)據，該數(shù)據涉及GPS消息，PRN代碼的狀態(tài)，與多普勒效應相關的頻率增量，偽距，帶有相位偏移的相關幅度數(shù)值以及相關和跟蹤特定的衛(wèi)星后的其它數(shù)據。
緩沖寄存器11由幾種寄存器組成，例如命令寄存器和狀態(tài)寄存器，各信道的NCO(數(shù)控振蕩器)寄存器，偽距寄存器，能量寄存器，載波和代碼的偏移量寄存器和增量寄存器，以及測試寄存器。值得注意的是在相關階段這些寄存器可以累加數(shù)據以便在衛(wèi)星獲取和跟蹤期間使用而不必自動地傳送給微處理器。
在可替代實施例中，給定放置在寄存器單元中的某些數(shù)據對每個信道都是公共的，則單塊寄存器11可以被設想用于相關級所有的信道7′。
相關級7的每一個信道7′包含相關器8和通過專用部件被設定工作的控制器9，特別地是用來獲取衛(wèi)星信號和跟蹤信道所檢測到的衛(wèi)星的信號處理算法。
每個信道的控制器9特別包括存儲單元，算術單元，數(shù)據比特同步單元，相關器控制單元和中斷單元，它們在附圖中不可見。存儲單元特別地由用來存儲瞬時數(shù)據的RAM存儲器構成。RAM存儲器以規(guī)則或者非規(guī)則的結構分布。算術單元特別進行加減乘除以及移位運算。
這樣在正常的工作中，對于所檢測到的衛(wèi)星所有的獲取和跟蹤操作在相關級每個信道中自主地實現(xiàn)。這些任務以位并行結構來執(zhí)行，其中多個比特的計算在一個時鐘脈沖中實現(xiàn)。數(shù)字信號是1kHz，這就允許在不太大的頻率速率下自主地處理上述載波頻率信號和控制回路PRN代碼。當信道已經跟蹤一顆衛(wèi)星時，電路將用來在接著的計算中使用的GPS數(shù)據流進行同步。
這樣，在所有相關步驟期間與微處理器裝置12的數(shù)據傳輸不再發(fā)生。只是相關級每個信道7′的相關結果，特別是50Hz頻率的GPS消息傳送給微處理器。這就導致了電流消耗的大大降低。然而，當微處理器裝置必須將一個未用的信道與正常工作的信道并行相連以校正多徑信號效應時，所述未用信道的同步操作是通過所述微處理器裝置執(zhí)行的。但是通過微處理器裝置，工作信道的一些參數(shù)可以迅速地傳送以配置未用信道，而不會對上述接收機的功率消耗帶來任何的害處。
因此，微處理器裝置12最好包括一個瑞士EM Microelectronic-Marin提供的8位CoolRISC816微處理器。這種微處理器由4.36MHz的時鐘信號來計時。微處理器裝置12也包括未示出的存儲裝置，關于上述衛(wèi)星的位置、其金色碼的信息以及那些能被陸地上的GPS接收機所接收的信息存儲在其中。
在所有衛(wèi)星搜索和跟蹤程序中，工作信道7′向微處理器發(fā)送中斷信號INT1和INT2用來告訴微處理器它可以提取的數(shù)據。一接收到中斷信號，微處理器就通常必須遍覽所有的信道以發(fā)現(xiàn)可以提取的數(shù)據來自哪個信道。例如，這些數(shù)據與配置參數(shù)、GPS消息、PRN碼的狀態(tài)、由于多普勒效應的頻率增量、偽距、用于中斷接收裝置的模式、積分計數(shù)器的狀態(tài)以及其它信息等相關。
由于同時可以產生幾個中斷信號INT 1到INT 12，所以微處理器裝置12也包括用于操作信道7′的優(yōu)先解碼器。這樣微處理器可以根據確定的優(yōu)先順序來直接訪問發(fā)送中斷信號的優(yōu)先信道。
在另一個未示出的實施例中，優(yōu)先解碼器也可以在相關級中集成。
單半導體基片可以包含帶有寄存器、優(yōu)先解碼器、微處理器的整個相關級，還可能包含時鐘信號發(fā)生器的一部分。
當接收機1設定在工作中，相關級7的幾個信道7′由微處理器裝置12來配置。每個信道的結構還在于在其中引入與載波頻率相關的不同參數(shù)以及要搜索和跟蹤的特定衛(wèi)星的PRN代碼。在正常的工作模式下，每個信道的配置是不同的以便搜索和跟蹤它們各自的衛(wèi)星。由于工作信道僅僅能跟蹤可視衛(wèi)星，就留下了一些未用的信道。
附圖3介紹了一部分為PRN代碼控制回路和另一部分為載波控制回路的相關器8。在相關級7的每個相關信道7′中相關器8是相同的，但是在每個信道中它們的配置是不同的。參照附圖2中所述，在正常的工作中，每個信道執(zhí)行所有同步任務以便獨立于微處理器來搜索或跟蹤特定的可視衛(wèi)星。這樣就簡化了上述接收機的制造并因此允許減小其功率的消耗。
關于所述相關器各種部件的更多細節(jié)，讀者可以參考“了解GPS原理和應用”一書第5章中的內容，特別是附圖5.8和5.13。該書由Phillip Ward編寫、由Elliott D.Kaplan(美國Artech House出版社，1996)編輯、出版號為ISBN 0-89006-793-7。
參照附圖3，在圖中定義了2個比特的斜線相交的粗線表征的中間信號IF是復數(shù)信號(I+iQ)，它由1位同相信號成分和1位兩相信號成分Q組成。上述的中間信號IF已經被取樣和量化，并首先通過了第一載波混頻器20。混頻器或乘法器21將信號IF與內部產生的載波復制品的余弦減去i倍其正弦相乘，以便從復數(shù)信號中提取同相信號I，而混頻器或者乘法器22將信號IF與內部產生的載波復制品的負正弦減去i倍其余弦相乘，以便從復數(shù)信號中提取兩相的信號Q。
這些Sin和Cos信號來自于復制信號的Cos/Sin表組成的方框45中。在第一混頻器20中第一步的目的是從攜帶GPS消息的信號中提取載波頻率。
在這一操作之后，必須在工作或者切換信道中尋找來自所要獲取的衛(wèi)星的信號的等效PRN代碼，在這些信道中產生相應于需要的衛(wèi)星的PRN代碼。為了做到這一點，同相和兩相信號經過第二混頻器23將信號I和Q與PRN代碼的初期復制品和后期復制品進行相關以獲得四個相關的信號。在相關級的每個信道中，僅僅保持初期和后期復制品而不考慮準時的復制品。這就使得相關部件的數(shù)目達到最小。然而，通過從代碼控制回路中去除準時成分，可以看到信噪比損失約為2.5dB。
混頻器或者乘法器24從2位寄存器36中接收信號I和初期復制信號E并提供相關后的初期同相信號。混頻器或者乘法器25從寄存器36中接收信號I和后期復制信號L并提供相關后的后期同相信號。混頻器或者乘法器26接收兩相的信號Q和初期信號E并提供相關的初期兩相信號。最后混頻器或者乘法器27接收信號Q和后期復制信號L，并提供后期兩相信號。在本發(fā)明的實施例中，初期復制信號E和后期復制信號L的漂移或者偏移量是半個碼片，這就意味著中央實時成分P的漂移量是1/4個碼片。為了簡單，可以比如用異或(XOR)邏輯門來制造乘法器。
四個相關信號各自進入由作為檢波前元件的積分計數(shù)器28、29、30、31構成的積分裝置中。在每個積分周期的最后，這些積分計數(shù)器提供在10個比特上表示的二進制的輸出字IES，ILS，QES和QLS。這些二進制字定義了附圖4a中特別說明的自相關函數(shù)的幅值。這些幅值通常標準化成相關信號的幅值。在衛(wèi)星搜索模式下，關于初期相關信號和后期相關信號的一些幅值和相位偏移在存儲裝置中存儲，以便供微處理器裝置在初期和后期相關信號的自相關函數(shù)幅值點處計算斜率時使用。根據斜率的計算，微處理器裝置能夠檢測到工作信道是否受到多徑信號效應的影響。
對積分計數(shù)器進行了定義以便能夠計數(shù)到1023，它等于PRN代碼的碼片數(shù)。在搜索的初始階段對每個微處理器裝置所選擇信道的每個積分計數(shù)器28、29、30、31進行配置，以便每毫秒提供完整的一組二進制字IES，ILS，QES和QLS。
在緊跟這些積分器的回路中，所有操作在位并行結構中發(fā)生，信號頻率為1kHz，為了消除要解調的有用信號中的部分噪聲，在數(shù)字信號處理鏈的其它部分僅僅使用8個最高有效位。
在附圖中由與定義8位的斜線相交的粗線表征的二進制輸出字IES，ILS，QES和QLS進入代碼回路鑒別器32和代碼回路濾波器33中。代碼回路鑒別器執(zhí)行計算信號IES，ILS，QES和QLS能量的操作。在一定數(shù)目N的積分循環(huán)周期，比如16次循環(huán)，在鑒碼器中實現(xiàn)數(shù)值的累加。
在本發(fā)明中，鑒別器是不相干的，并且為延遲鎖相環(huán)類型(DLL)。在這種鑒別器中，在初期信號幅度的平方值和后期信號幅度的平方值之間進行減法。然而，如果初期信號幅值和后期信號幅值基本相等，則可以使用任何類型的鑒別器。讀者可以參考A.J.Van Dierendonck所著、美國航空航天學院1996年出版的“全球定位系統(tǒng)和應用”一書中題為“GPS接收機”的第八章。
在這種鑒別器中，從載波回路中產生校正，因為在衛(wèi)星傳送信號期間，不僅能在載波頻率上感受到多普勒效應，而且在載波頻率上調制的PRN代碼中也能感受到。將載波帶入到代碼回路鑒別器中相應于將載波偏移增量除以1540。
依靠鑒別器的濾波結果，通過PRN代碼發(fā)生器35上的28位NCO振蕩器強加一個相位增量，以便向寄存器36發(fā)送PRN代碼位序列來產生新的相關。這種28位NCO的頻率分辨率是16mHz(對于時鐘頻率為4.36MHz來說)。
控制器處理回路的各種結果以便它可以調整獲取和跟蹤操作。一旦存在同步并且跟蹤需要的衛(wèi)星，數(shù)值IES和ILS就引入到解調單元50中，它能夠通過數(shù)據輸入輸出寄存器向微處理器裝置提供每位50Hz的數(shù)據消息。除了這一消息，微處理器裝置還能獲得尤其是那些在緩沖寄存器中引入的關于偽距的信息，以便計算X、Y、Z位置，速度和準確的當?shù)貢r間。
任何一個上文中介紹的部件都不將進行詳細的描述，因為它們是本領域技術人員的常規(guī)知識的一部分。
在加法器37中用信號IES和ILS的總和來產生信號IPS，在加法器38中用信號QES和QLS的總和來產生信號QPS，信號IPS和QPS都由8個比特來表征。這些二進制字以1kHz的頻率引入載波回路鑒別器42(包絡檢波)中來計算載波回路濾波器43所跟隨的信號的能量。鑒別器特別地由8位乘法器和20位累加器構成。它是頻率和鎖相環(huán)型的。
在鑒頻器中進行平均值操作以便增加載波跟蹤回路的可靠性和準確性。在鑒別器中提供的累加持續(xù)N次循環(huán)比如16次循環(huán)，它相應于16ms。微處理器裝置也強加信號STC給鑒別器42中用于與所選信道并聯(lián)的未用信道。
根據鑒別器的結果并且在通過濾波器之后，載波44的24位NCO振蕩器接收頻率增量(bin)用來校正載波頻率復制品。這種24位NCO具有大約260mHz的頻率分辨率。
在跟蹤期間，代碼和載波的兩種控制或者征服的方法是同步的，雖然載波跟蹤回路只能在確定衛(wèi)星信號出現(xiàn)后更新。
需要了解的是在衛(wèi)星發(fā)送射頻信號期間，多普勒效應對上述信號的載波頻率和PRN代碼都有影響，這就意味著代碼和載波控制回路要彼此相連以便在接收機中獲得更好的PRN代碼相位和載波頻率校正精度。
在搜索階段每個相關時期，PRN代碼復制品的相位在時間上是延遲的，比如延遲以一個碼片的間距，以便找到衛(wèi)星相位偏移。一旦在跟蹤階段找到衛(wèi)星，代碼調整按照0.05至0.1碼片的間距發(fā)生。此外，包含多普勒效應的載波頻率必須被校正，它發(fā)生在載波控制回路中。除了多普勒效應，還必須考慮內部振蕩器的欠缺準確性以及電離層效應。這些在代碼和載波回路中校正的偏差相應于±7.5kHz的頻率偏移。
當沒有檢測到多徑信號時，在每個工作信道中同步地執(zhí)行同步任務。如果微處理器裝置在第一工作信道中檢測到多徑信號的效應，第二未用信道與第一信道并聯(lián)以便找到自相關函數(shù)的最大幅值。在這種情況下，上述信道的代碼和載波控制回路不能再使用，因為使用第二未用信道在跟蹤模式下不再需要獲得初期和后期信號的自相關函數(shù)的等效幅值。
未用的信道必須和微處理器裝置連成回路用作初期或后期復制品之一的相位偏移操作，以便找到第一信道的兩個幅值之間的自相關函數(shù)的最大幅值。為了做到這一點，兩個中斷部件45和47放置在所有信道的每個控制回路中。當微處理器裝置在第一信道中檢測到多徑信號的存在時，第二未用信道從上述裝置接收Sc指令以便中斷兩個控制回路。
附圖4a和4b一方面說明了自相關函數(shù)，另一方面說明了與上述代碼的復制品相關的特定的代碼中間信號。
附圖4a中的自相關函數(shù)說明了兩個相同的矩形脈沖信號的相關結果，但是彼此存在相位偏移。上述相關的邏輯信號一方面是偽隨機代碼的中間信號，另一方面是在上述接收機信道中產生的偽隨機代碼的復制品。自相關函數(shù)的通用公式如下R(t)＝∫f(τ)f(t+τ)dτ其中當τ的絕對值小于或等于TC/2時，f(τ)等于要相關的矩形信號的幅值A，否則為0。因為偽隨機代碼頻率是1023MHz，所以TC代表相應于977.5ns的一個碼片。由于信號是矩形信號，所以這個函數(shù)R(t)可以只通過下面的公式來定義R(t)＝A2Tc(1-|t|/Tc|t|≤TcR(t)＝0 其它當沒有多徑信號效應的干擾時，自相關函數(shù)的形狀是三角形的，在函數(shù)頂點或最高點的每側斜率的絕對值是相等的。信號幅值A的數(shù)值為1，它意味著當要相關的信號嚴格地同相時，被定義為標準化的幅值在上述函數(shù)的頂點數(shù)值為1。
在附圖4b中，相位偏移t＝0的復制品(0)與提取的信號(中間信號)嚴格地同相，它給出的最大幅值等于1。關于提取的信號的相位偏移t＝1/2個碼片的復制品(1)，給出的幅值等于1/2。最后，關于提取的信號的相位偏移t＝1個碼片的復制品(2)，給出的幅值等于0。
本發(fā)明的GPS接收機產生兩個初期和后期偽隨機信號的復制品，它們每個與中間信號相關。兩個復制品之間的相位偏移是1/2個碼片。附圖5a說明了自相關函數(shù)，其中相關的初期和后期信號的幅值在可視衛(wèi)星跟蹤模式中表達。在跟蹤模式中調整的初期幅值是從自相關函數(shù)的頂點偏移-1/4個碼片，在跟蹤模式中調整的后期幅值是從上述自相關函數(shù)的頂點偏移1/4個碼片。
在正常的工作中，工作信道初期和后期信號的幅值在可視衛(wèi)星跟蹤模式中是相等的。這些幅值從來不會出現(xiàn)在自相關函數(shù)的最大值處。鑒碼器在每個積分周期進行初期信號幅值和后期信號幅值的減法。通過減法，鑒碼器能夠提供更準確的代碼校正增量。
當幅值相等時，在鑒別器中相減的結果產生的數(shù)值為0，它是進入跟蹤模式所必須的。在附圖5b中說明了在鑒別器中這些幅值偏差的相關函數(shù)。
值得注意的是在附圖5a中所示的自相關函數(shù)并不是理想的三角形，因為在接收和整形裝置中執(zhí)行2MHz的帶通濾波，它從功率譜中除去了一些凸角。這樣自相關函數(shù)在頂部是一個圓形的部分而不是一個尖峰。
當射頻信號在其路徑中由于障礙物產生偏離時，接收機接收的信號是多徑信號。這些信號加入到直接從被跟蹤的發(fā)送衛(wèi)星中產生的射頻信號中。如果一個信道處在這種衛(wèi)星的跟蹤模式下，這些效應就會干擾接收機位置的計算。
附圖6a介紹了接收機所接收的直接信號和多徑信號的自相關函數(shù)。正如通?？梢钥吹降哪菢樱鄰叫盘柕淖韵嚓P函數(shù)向直接信號的自相關函數(shù)的右邊偏移。此外，多徑信號自相關函數(shù)的最大幅值小于直接信號自相關函數(shù)的最大幅值。
在附圖6a中，多路自相關函數(shù)是構造性的，即最大的幅值是正的。也可能對于多徑信號來說產生最大幅值為負的自相關函數(shù)。在這種情況下，信號成為破壞性的多徑信號。
附圖6b介紹了當出現(xiàn)多徑信號時，在接收機積分裝置的輸出端獲得的所得到的自相關函數(shù)。這個所得的函數(shù)是附圖6a中所示的兩個自相關函數(shù)的疊加。
設定運行用來搜索和跟蹤信號偏離軌道的衛(wèi)星的信道，對于初期相關信號E1和后期相關信號L1來說具有相同的自相關函數(shù)幅值，但是相對于上述函數(shù)的頂點相位偏移了Δ。在構造性的多徑信號的情況下，在跟蹤模式中的兩個相等的幅值大于沒有受到多徑信號影響的工作信道的幅值。由于自相關函數(shù)的頂點P1通常在兩個初期和后期復制品之間等相位偏移的地方，所以多徑信號產生了由偏移量Δ表示的相位偏差。
在附圖6b中，這種偏移Δ近似為1/8個碼片，它相應于由微處理器裝置計算出位置的35m的偏差。
在附圖6c中說明了在有多徑信號影響的鑒碼器中獲得的初期和后期信號幅值減法E1-L1的自相關函數(shù)。
為了理解接收機如何校正多徑信號的影響，參照附圖7，其中介紹了啟動接收機或者設定后者工作的方法的步驟流程圖。值得注意的是微處理器裝置正常情況下應該至少配置四個用來跟蹤可視衛(wèi)星的信道，以便計算接收機的位置。然而，為了簡化起見，該方法的步驟中參照附圖7僅僅描述了一個所選擇的信道。
在步驟100中，由微處理器裝置選擇第一信道用來搜索和跟蹤可視衛(wèi)星。第一信道搜索可視衛(wèi)星而同時在載波和代碼控制回路中校正與中間信號相關的載波和代碼復制品。
在搜索階段，在步驟101中在積分裝置的輸出端進行初期和后期信號自相關函數(shù)的幅值檢驗。如果幅值不相等，則在步驟102中產生偽隨機PRN代碼的相位偏移。理論上，在搜索階段代碼復制品被偏移一個碼片。
在上述衛(wèi)星的所有搜索階段，在積分裝置的輸出端存儲幅值，以及相應的相位偏移。
第一信道的幅值E1和L1一旦相等，就在步驟103中由微處理器執(zhí)行在E1點和L1點的斜率計算。在步驟104中比較計算得到的斜率。如果斜率PE1和PL1在絕對值上基本相等，則第一信道不受多徑信號的影響。在步驟105中調整的該信道向微處理器裝置提供準確的數(shù)據尤其用來計算X、Y、Z位置。
即使微處理器裝置沒有在第一信道中檢測到多徑信號的出現(xiàn)，但是當上述接收機移動時也可能出現(xiàn)多徑信號。為了確保第一信道在跟蹤模式中不受上述多徑信號的影響，也進行初期和后期信號自相關函數(shù)幅值的檢測。
只要在步驟106中沒有看到幅值E1的變化，第一信道仍然向微處理器裝置提供沒有多徑信號效應的準確信號。相反，如果在幅度E1中出現(xiàn)變化，則微處理器裝置在步驟107中配置和切換第二未用信道，它被設定與第一信道并聯(lián)工作。如果在步驟104中計算的第一信道的斜率的絕對值明顯不同時，第二信道也進行切換。
第二信道通過微處理器裝置使用存儲的第一信道的參數(shù)進行配置。這就允許在步驟108中第二信道的代碼復制品的同相引導，用來迅速搜索最大幅值E2。該最大的幅值E2在第一信道跟蹤模式中位于兩個幅值E1和L1之間。由于第二信道必須找到初期代碼復制品或者后期代碼復制品的最大幅值，所以第二信道的控制回路不能直接使用。因此，微處理器裝置要負責征服第二信道使其通過線性回歸方法或者牛頓—辛普森優(yōu)化算法找到自相關函數(shù)的頂點。這樣強加給第二信道的兩個中斷部件一個指令用來斷開其控制回路。
只要幅值E2不是最大，就在步驟109中執(zhí)行第二信道的代碼復制品之一的代碼相位偏移。在所有的最大幅值的這些搜索操作中，對位于兩個幅值E1和L1之間的第二信道的幅值E2、以及相應的相位偏差進行存儲。
當在步驟108中找到最大幅值E2時，就在步驟110中使用存儲的幅值執(zhí)行自相關函數(shù)頂點每側斜率的計算。如果斜率P2AV和P2AP的絕對值明顯不同，在步驟113中只是按最大幅值排列的第二信道向微處理器裝置提供準確的數(shù)據，特別用作位置計算。對第二信道的幅值進行連續(xù)的檢測。
如果斜率P2AV和P2AP在絕對值上幾乎相同，這就意味著多徑信號不存在。在這種情況下，第二信道在步驟112中停止。這樣微處理器裝置能夠重新從第一信道獲取數(shù)據，因為當?shù)谝恍诺狼袚Q的時候第二信道沒有停止。
由于以上描述的接收機要應用在尺寸變小的便攜式物體中，諸如手表或者移動電話中，因此當微處理器裝置在上述工作信道中檢測到多徑信號的存在時，單獨的未用信道最好與一個工作信道并聯(lián)切換。正如上面介紹的那樣，最初只需要選擇至少四個信道，每個信道跟蹤一個特定的可視衛(wèi)星。
通常，第二信道僅僅在可視衛(wèi)星跟蹤的模式下通過第一信道來切換。然而，由于每個信道的參數(shù)和相位偏移存儲在存儲裝置中，所以即使第一信道處于搜索模式，第二信道也可以與第一信道并聯(lián)切換。微處理器裝置知道工作信道是否能受到多徑信號的影響。
根據以上給出的描述，在不偏離權利要求所確定的本發(fā)明范圍的條件下，本領域技術人員可以設計出所述接收機特別是GPS型接收機的多種變形。
權利要求
1.由發(fā)送源特定編碼所調制的射頻信號的接收機，特別是GPS型的，上述接收機包含-帶有射頻信號頻率變換的接收和整形裝置(3)，用來產生中間信號(IF)；-由幾個相關信道(7′)構成用來接收中間信號的相關級(7)，每個信道帶有相關器(8)，當信道使用時，在其中至少一個相關器的控制回路中將中間信號和要搜索和跟蹤的可視發(fā)送源特定代碼的至少兩個初期和后期復制品進行相關，相關器包含積分裝置(28、29、30、31)用來相關信號，在每個積分周期的最后，提供初期信號自相關函數(shù)的第一個幅值和后期信號自相關函數(shù)的第二個幅值，在發(fā)送源跟蹤模式中第一個幅值和第二個幅值保持基本上相等；-與相關級相連用來在相關后從射頻信號中處理所提取數(shù)據的微處理器裝置(12)，上述接收機的特征在于通過微處理器裝置將至少一個第二未用信道與至少一個第一工作信道并聯(lián)放置用來搜索和/或跟蹤同一個可視的發(fā)送源，當微處理器在第一工作信道中檢測到多路射頻信號的存在時，微處理器裝置控制第二信道用來產生與中間信號相關的特定代碼的復制品，以便第二信道的積分裝置提供第一信道自相關函數(shù)第一個和第二個幅值之間的自相關函數(shù)的最大幅值。
2.根據權利要求1的接收機，其特征在于在可視發(fā)送源的搜索和/或跟蹤階段，在存儲裝置中存儲積分裝置提供的至少關于第一工作信道的自相關函數(shù)的一些幅值以及相應的相位偏移，用來使微處理器裝置計算在初期信號第一個幅值點處的自相關函數(shù)的第一個斜率和后期信號第二個幅值點處自相關函數(shù)的第二個斜率，當?shù)谝粋€和第二個幅值相等時，當在跟蹤模式下第一個斜率和第二個斜率顯著不同時，上述微處理器裝置在第一工作信道中檢測到多路射頻信號的存在。
3.根據權利要求1的接收機，其特征在于在可視發(fā)送源跟蹤模式下當微處理器裝置(12)檢測到初期和/或后期相關信號的自相關函數(shù)的幅度變化時，與第一工作信道并聯(lián)放置并配置第二未用的信道。
4.根據權利要求1中用來接收衛(wèi)星發(fā)射的射頻信號的接收機，其特征在于相關級(7)包括比可視衛(wèi)星數(shù)目更多的相關信道(7′)，以便至少有一個與第一工作信道并聯(lián)的第二未用信道可以切換用來搜索和/或跟蹤同一個可視的發(fā)送源。
5.根據權利要求4的接收機，其特征在于信道(7′)的數(shù)目大于或等于12。
6.根據權利要求1、4和5的任何一個的接收機，其特征在于當微處理器裝置在第一信道的每一個中檢測到多徑信號的出現(xiàn)時，配置幾個第二未用信道被切換，其中每個都與第一工作信道之一并聯(lián)。
7.根據權利要求1中用來接收衛(wèi)星發(fā)射的射頻信號的接收機，其特征在于在可視衛(wèi)星搜索和/或跟蹤階段，每個第一工作信道積分裝置的積分周期相當于發(fā)送衛(wèi)星特定代碼的重復周期。
8.根據權利要求1的接收機，其特征在于一組輸入輸出寄存器(11)放置在相關級(7)和微處理裝置(12)之間作為接口，以便接收微處理器向相關級發(fā)送的數(shù)據和相關級提供給微處理器的數(shù)據。
9.根據權利要求2的接收機，其特征在于每個信道包含用來存儲自相關函數(shù)幅值和相應的相位偏移的存儲裝置。
10.根據權利要求2的接收機，其特征在于存儲器裝置構成了微處理器裝置(12)的一部分。
11.根據權利要求1的接收機，其特征在于當信道(7′)在正常情況下設定為工作時，在每個信道中包含數(shù)字信號處理算法的控制器(9)與相關器(8)相關，以允許搜索和跟蹤衛(wèi)星的所有同步任務能獨立于微處理器裝置(12)而自主地執(zhí)行。
12.根據上述任何一個權利要求的用來接收帶有由衛(wèi)星發(fā)送的載波頻率的射頻信號的接收機，其特征在于每個信道接收由同相成分(I)和兩相信號成分(Q)組成的復數(shù)中間信號，還在于信道的每個相關器包括-第一混頻器(20)，用于將同相信號成分和第一載波頻率復制品進行相關，以及將兩相信號成分和與第一載波頻率復制品相比偏移90°的第二載波頻率復制品進行相關；-第二混頻器(23)，用于將第一混頻器的輸出同相信號和第一初期特定代碼復制品以及第二后期特定信號復制品進行相關，以及將第一混頻器的兩相輸出信號和第一初期復制品和第二后期復制品進行相關；并且其特征還在于每個工作信道的積分裝置的四個積分計數(shù)器(28、29、30、31)從第二混頻器中接收相關的輸出信號以提供自相關函數(shù)的四個幅值(IES，LLS，QES和QLS)。
13.根據權利要求1和12任何一個的接收機，其特征在于初期信號相對于后期信號來說具有半個碼片的相位偏移。
14.根據權利要求12的接收機，其特征在于在積分計數(shù)器之后，在代碼控制回路中信道(7′)的每個相關器(8)包括代碼回路鑒別器(32)，鑒碼器執(zhí)行初期和后期信號自相關函數(shù)每個幅值的減法，以便在積分周期的N倍的鑒別器周期中向代碼復制品提供一個代碼校正增量，其中N是一個整數(shù)；代碼回路濾波器(33)，第一數(shù)控振蕩器，與一個2位寄存器相連向第二乘法級(23)傳送發(fā)送源特定代碼的初期和后期復制品的代碼發(fā)生器，并且在載波控制回路中，包含載波回路鑒別器(42)，載波回路濾波器(43)，第二數(shù)控振蕩器(44)，和用來向第一乘法級(20)提供載波頻率第一和第二復制品的部件(45)，放置在每個控制回路中由微處理器裝置(12)控制的回路中斷部件(46，27)以便當中斷指令強加給第二信道的上述部件時控制與第一工作信道并聯(lián)放置的第二未用信道。
15.用于在接收機中為由發(fā)送源特定代碼調制的射頻信號校正多徑信號效應的方法，上述接收機包括-帶有射頻信號頻率變換的接收和整形裝置(3)，用來產生中間信號(IF)；-由幾個相關信道(7′)構成用來接收中間信號的相關級(7)，每個信道帶有相關器(8)，當信道使用時，在其中至少一個相關器的控制回路中將中間信號和要搜索和跟蹤的可視發(fā)送源特定代碼的至少兩個初期和后期復制品進行相關，相關器包含積分裝置(28、29、30、31)用來相關信號，在每個積分階段的最后，提供初期信號的第一個幅度相關值和后期信號的第二個幅度相關值；-與相關級相連用來在相關后從射頻信號中處理所提取數(shù)據的微處理器裝置(12)，所述方法包括第一組步驟-配置和切換一定數(shù)目的第一信道以便每個信道搜索和跟蹤特定的發(fā)送源；-將每個與中間信號相關的工作信道特定代碼的初期和后期復制品進行相位偏移，直到自相關函數(shù)的第一個和第二個幅值相等時為止；-在搜索和/或跟蹤階段存儲初期信號和后期信號的相關幅值以及相應的相位偏移，上述方法的特征在于它還包含了第二組步驟-對于每一個第一工作信道，在搜索和/或跟蹤階段使用存儲的自相關函數(shù)幅值和相應相位偏移，當信道處于發(fā)送源跟蹤模式時，來計算初期信號第一個幅值點處的自相關函數(shù)的第一個斜率和在后期信號的第二個幅值點處的自相關函數(shù)的第二個斜率；-如果計算的兩個斜率在絕對值上有明顯的不同，或者在跟蹤模式中初期信號的第一個幅值或者后期信號的第二幅值中發(fā)現(xiàn)變化的話，則配置和切換至少一個與第一工作信道并聯(lián)放置的第二未用信道；-在微處理器裝置指令下對第二信道的碼復制品之一進行相位偏移，直到第二信道的積分裝置提供了第一信道自相關函數(shù)第一、第二幅值之間的自相關函數(shù)的最大幅值，以便微處理器裝置能夠從這個第二信道的射頻信號中提取數(shù)據同時校正多徑信號的效應。
16.根據權利要求15的方法，其特征在于存儲第二信道的自相關函數(shù)的幅值以及相應的相位偏移，直到由第二信道的積分裝置提供了最大的幅值。
17.根據權利要求16的方法，其特征在于微處理器裝置在第二信道最大幅值前后計算自相關函數(shù)的幅值變化斜率，其特征還在于如果斜率的絕對值幾乎相等，則第二信道停止，微處理器裝置能夠從第一信道的射頻信號中提取數(shù)據。
全文摘要
衛(wèi)星等發(fā)送源的特定代碼調制的射頻信號接收機，包含帶有射頻信號頻率變換以產生中間信號的接收和整形裝置，由幾個相關信道構成的接收中間信號的相關級，與相關級相連以在相關后處理要提取數(shù)據的微處理器裝置。每個信道包含一個相關器，其中中間信號與要搜索和跟蹤的可視發(fā)送源特定代碼的至少兩個初期和后期復制品相關。相關器還包括相關信號的積分裝置以提供初期信號自相關函數(shù)第一個幅值和后期信號的第二個幅值。在第一工作信道中檢測到多徑信號時，通過微處理器裝置至少配置一個第二未用信道，并將其與第一信道并聯(lián)。第二信道承擔在第一工作信道的兩個幅值間搜索最大幅值的任務。特別是GPS型的接收機可安裝在手表中，并由手表的蓄電池或電池供電。
文檔編號H04B7/155GK1391110SQ0212627
公開日2003年1月15日 申請日期2002年6月7日 優(yōu)先權日2001年6月8日
發(fā)明者Y·奧斯奇, A·蒙特爾德, P·-A·法林 申請人:阿蘇拉布股份有限公司