专利名称：多普勒补偿接收器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及一种接收器，具体涉及补偿所接收的信号中的多普勒效应的接收器。
背景技术：
由于计算的复杂性，已经使用多个并行信道在硬件中实现了全球定位卫星(GPS)接收器。通常，每个信道负责跟踪和解调一个卫星。在一些更复杂的设计中，因为经济的原因，一个信道可以由多个卫星分时共享。在多协议通信系统的情况下，所述硬件实现由于额外的芯片成本和所消耗的印刷电路板面积而变得不太吸引人。
发明内容
虽然将在GPS接收器的环境中说明本接收器，但是所述原理也适用于具有由于发送器和接收器的相对运动而产生的、在所接收的信号中的多普勒效应的任何接收器。
所接收的GPS信号可以被看作来自NS个可视卫星的NS个DS-CDMA信号的叠加。每个卫星具有其唯一的签名和由于多普勒效应而导致的略微不同的载波频率，即使它们以相同的载波频率f来发送。复合GPS代码信号可以被模拟为(见Elliot D.Kaplan，Understanding GPS Principles and Applications，Artech House Inc.(1996)(Elliot D.Kaplan，理解GPS原理和应用，Artech House公司(1996))) 其中，Ai是卫星i的幅值，d[k]是在第k毫秒中的数据，fi＝1/Ti是第i个卫星的载波频率，g(t-mTi)＝σ(t-mTi)σ[(m+1)Ti-t)]是窗函数， 是单位步长函数，Pi[n]是在卫星i的C/A代码的第k毫秒中的第n个码片(chip)，％表示模运算，Np是可视卫星的数量，(i是相移。在方程(1)中，为了通用(commodity)而有意忽略了噪音项。
在将复合信号s(t)乘以载波频率f＝1/T的窗函数并且求和后，方程(1)变为 χ(t)在整个时间轴上的积分表示cos(2πfit+(i)乘以常数的傅立叶变换 (3)为了最小化由于多普勒频移而导致的特定卫星i的检测误差以及相移的检测误差，对于每个卫星，下述表达式必须成立f-fi＝0和i＝0。在符合傅立叶变换位移性质的情况下，可以通过频率或时域位移来获得条件f-fi＝0。
在硬件实现方式中，通过提前或延迟本地振荡器LO频率和符合锁相环(PLL)电路的输出的相位(频域位移)来跟踪载波。并行执行在方程(3)中的积分，其每个通过如图1所示的独立信道。来自射频前端的信号被数字化、解调并与卫星签名(PN编号)相关，并且向数字信号处理器DSP传送结果以用于进一步的处理。也存在与每个信道相关的PLL块和本地振荡器LO。根据成本/性能，GPS接收器可以包含4-12个信道。
本接收器的硬件架构使用较少的硬件部件，并且允许有效的软件实现。它提供灵活性和低功耗。
所述接收器包括天线，用于从相对于接收器而移动的发送器接收信号。A/D转换器连接到所述天线，提供来自输入信号的采样数字信号。控制器从A/D转换器接收和解调所述采样的数字信号。控制器在解调之前将被采样的数字信号频移以补偿在输入信号中的多普勒效应。控制器通过频移被采样的数字信号而补偿多普勒提高的频率，以便每n个采样跳过一个采样周期。其实现可以通过每n个采样将m个采样的周波(cycle)减少一个采样周期而得到。控制器通过频移被采样的数字信号而补偿多普勒降低的频率，以便每n个采样增加一个采样周期。其实现可以通过每n个采样重复一个采样以频移被采样的数字信号而得到。
被采样的数字信号被频移，直到发送器的公知发送频率已经被修改以匹配输入信号的频率。控制器使用例如锁相环来将被采样的数字信号的相位与输入信号的相位匹配。控制器包括用于频移和解调器被采样的数字信号的软件和锁相环。控制器识别在输入信号中有多少发送器的发送，并且对于每个所识别的发送器并行地解调和频移被采样的数据。
通过下面参照附图详细说明本发明，本发明的这些和其他方面将会变得更加清楚。
图1是在硬件中实现的现有技术的接收器的方框图。
图2是按照本发明的原理的接收器的方框图。
图3是按照本发明的原理的比较多普勒提高的频率的非频移与频移符号波形的一对图形。
图4是按照本发明的原理的比较多普勒降低的频率的非频移与频移符号波形的一对图形。
图5是包含本发明的原理的图2的控制部分的软件实现的方框图。
图6是包含本发明的原理的图3的控制部分的软件实现的详细方框图。
具体实施例方式
在图2中图解了被设计用于多普勒补偿接收器的软件实现的接收器的硬件部件。在天线10上接收的信号被连接到GPS射频前端芯片12。GPS芯片12的输出被提供到解调器14。解调器14的输出通过低通滤波器16而被提供到模数(A/D)转换器18。然后数字信号被提供到控制器20，控制器20被示出为数字信号处理器(DSP)。控制器20多普勒和相位校正与解调所接收的信号。控制器20也向GPS芯片12提供自动增益控制AGC。通过来自由晶体振荡器24驱动的锁相环PLL 22的时钟信号来设置GPS芯片12和解码器14的基准频率与A/D转换器18的采样率。优选的是，晶体振荡器24是高精度、低漂移的振荡器，并且也可以被用作控制器20的时钟。
所接收的信号是从接收器的角度看、来自一个或多个发送器的发送的复合信号。即使每个发送器以相同的载波频率发送，因为多普勒效应，它们也将具有不同的接收频率，所述接收频率一般频移到比公共载波频率更高或更低。为了调整多普勒效应，控制器20将数据前后频移多个采样。根据公知的或假定的多普勒频率或多普勒效应来计算要频移的采样的数量。这是在逐个卫星的基础上进行的。如将要讨论的，在本控制器20中，这些是在多线程数字信号处理器上并行进行的。能够在软件中执行此的一种这样的处理器是Sandbridge技术公司的多线程SB9600处理器(Sandbridge TechnologiesMulti-Threaded SB9600Processor)。可以使用其他的处理器。
如果所接收的信号已经因多普勒效应而提高了频率，则对于每n个采样将数据向前频移一个采样周期。这可以通过每n个采样跳过一个周波周期来实现。这实际上对于每n个采样将m个采样的周波减少了一个采样周期。它提高了所接收的数据的频率以匹配所接收的多普勒提高的频率。图3示出了图解这个现象的一对曲线。顶部的正弦波图解了未频移的载波。每个单个周波有16个数据比特。如在底部正弦波中所示，跳过第16个采样周期，并且第16个数据比特变为下一个周波的第一数据比特。在图3的图示中，则在每个周波中发生一次。这具有对于每15个采样将16个采样的周波减少到15个采样的效果。
多普勒效应可以是多普勒降低的频率。通过每n个采样增加采样周期来执行由降低的频率所需要的频移数据。其可以通过每n个采样重复一个采样以产生位移来实现。这具有增加一个周波的采样数量的效果，从而降低频率。这在图4中进行了图解。在顶部的正弦波中，每个周波有8个采样。在底部的频移正弦波中，每个周波有9个采样。通过重复例如第8个采样而产生额外的、被插入的采样周期。每个周波重复这个每个周波的第8个采样。
应当注意，频移以提高或降低频率可以每个周波发生多次，或者可以发生在比一个周波更大的周期中。
在图1的硬件实现中，通过取代本地振荡器(LO)而使用的连续可变压控振荡器(VCO)来容易地实现将频率的差别降低到0。但是，由于有限的采样率而在软件中不能实现这个频率条件。在时域中的频移将引入寄生频率，这将增加检测误差。为了将检测误差保持为低，采样率需要为高。在研究该误差时，已经确定寄生频率的总能量以1/n2逼近于0，其中，n是每个周波的过采样的数量。(如果在每个周波中的k个采样中每个码片n个周波，则采样/码片的总数将是n*k。)优选的是，采样的数量是输入信号的每个周波至少8个，以最小化被引入的误差。
在图5和6中图解了用于频移解调相关和相位调整的软件实现的流程图。来自A/D转换器18的被采样的数字信号被存储在例如缓冲器30中。例如，几毫秒长度的采样数据被存储或缓冲。对于每个被识别的发送器，这个信息然后被线程处理独立地处理，如果处理要求超过一个线程的能力，则所述线程处理包括多个线程。每个线程包括时移接收器32，用于将数据向前或向后频移以提高或降低它们的频率以匹配考虑到多普勒效应的所接收的信号的频率。然后在34将结果解调和积分。这是通过乘以正弦和余弦表而产生的。在36将结果与特定发送器的PN序列相关。通过向时移接收器32提供输入，这个信息被锁相环38使用以实现0相位。在42处，每个线程的信息然后被提供以进行进一步的处理。如图2中所示，晶体振荡器24与缓冲器30组合使用，以精确地将在缓冲器中的信息与数据串定时。
可以通过将指针移位到在缓冲器30中存储的采样数据而实现时移计数器32。因此，为了重复采样并由此降低频率，指针对于下一个采样周期将不移动。为了提高频率，指针将不提供关于一个数据点的任何信息，并且实际上使用被跳过的数据采样来开始下一个周波。
下面是用于多普勒频率校正和解调器建立以便保持输入数据的连续性的算法的示例。
定义N是在时间间隔t中在数据缓冲器中获取的总采样的数量。
Nspc是每个周波的采样的数量。
fd是多普勒频率。
n是每个采样重复或跳过的周波的数量n=NNspc2·fd·t---(4)]]>作为其中N＝1309440的示例，是在每个码片两个周波和每个周波8个采样下每80毫秒的数据的采样数量(1023码片×8×2×80)；Nspc＝8；fd＝50Hz；并且t＝0.08秒，每个采样重复或跳过的周波的数量是n＝5115个周波。
当在固定长度缓冲器上解调多个载波时，保持数据连续性以避免失去同步性是重要的。例如，如果在数据的每个缓冲器丢失一个采样，则在每个码片16个采样情况下的16个缓冲器后，所接收的数据将差一个码片。假定对应于一个采样的正多普勒频率每个周波频移。假定数据缓冲器是40个采样长，并且每个周波的采样的数量是8。下面，在线以上示出了在数据缓冲器中的采样编号，在线以下示出了正多普勒频率的在频移后的采样编号。
在没有多普勒频移的每个周波8个采样，解调器在前8个采样和8个正弦-余弦采样值之间进行点积，随后进行以采样编号8开始的下8个采样的点积，然后进行以编号16开始的下8个采样的点积，等等。如果有对应于每个周波一个采样的多普勒频移，则第一个点积是从采样0到7，第二个是从8到14，等等。
每个点积的采样编号以7来递增，这暗示了具有公差(radio)7并且首项为7的等差数列。
当以小频率差来解调多个载波时，在数据缓冲器的固定长度上的解调长度的计算如下定义r是等差数列公差。
N是以固定长度间隔的采样的数量。
a1是在所述数列中的首项。
an是在所述数列中的最后一项，n小于或等于N。
n是解调间隔的数量。
x是每个采样位移的周波的数量。
nlo是剩余的采样的数量。
r＝Nspcx-1对于正多普勒r＝Nspcx+1对于负多普勒很可能，解调将不在数据缓冲器中的最后采样位置结束，并且剩余一些采样。剩余的采样加上来自下一个数据缓冲器的多个采样——以便使采样的总数是8——将构成在下一个时间间隔中的第一个点积。
解调长度被计算为对于正多普勒n′=Floor[N+nlo-rr+1]]]>n=Floor[N+nlo+nNspc]]]>nlo＝[N+nlo+n]％Nspc并且n′=Floor[N+nlo-rr+1]]]>n=Floor[N+nlo-nNspc]]]>nlo＝[N+nlo-n]％Nspc其中，Floor算子求取下方值(flooring)，％是模运算。
图6中图解了线程处理的更具体示例。再一次，输入信息被提供在缓冲器30中，并且被馈送(feed)到独立的频移器32。频移的数据随后乘以分别来自50和52的余弦和正弦表的值。然后，分别在54和56积分所述结果。通过在乘法器62和64将积分结果乘以来自PN表60的值而将所述信息与PN序列相关。所述结果在66和68求和，并且分别提供Q数据和I数据输出。然后，结果在70和72求平方，在74求和，并且被提供给搜索和跟踪步骤76。在Elliot D.Kaplan的“Understanding GPS Principles and Applications”，Artech House Inc.(1996)(Elliot D.Kaplan，理解GPS原理和应用，Artech House公司(1996))中描述了搜索和跟踪方法。来自70和72的独立分支的输出也分别被加减，并且被提供到锁相环38。
控制器20将确定在所接收的信号中的发送器的数量。这被称为“天际搜索(sky search)”，并且在现有技术中是公知的。一旦识别了在所接收的信号中的发送器的数量和它们的独特的PN序列，则建立并行线程的编号(number)。然后，相应的线程跟随那个发送器，并且当发送器相对于接收器移动时调整所接收的频率。
虽然已经详细说明和图解了本发明，但是应当清楚地明白，这仅仅是说明性的和示例性的，而不应当被当作限定。本发明的范围仅仅被所附的权利要求的项目限定。
权利要求
1.一种通信接收器，包括天线，用于从相对于接收器而移动的发送器接收输入信号；A/D转换器，连接到天线，用于提供来自输入信号的被采样的数字信号；以及控制器，用于接收和解调来自模数转换器的被采样的数字信号，并且所述控制器在解调之前频移所述被采样的数字信号，以补偿在输入信号中的多普勒效应。
2.按照权利要求1的接收器，其中，所述控制器通过频移被采样的数字信号以便每n个采样跳过一个采样周期来补偿多普勒提高的频率。
3.按照权利要求2的接收器，其中，所述输入信号具有m个采样的周波，并且n等于或大于m。
4.按照权利要求1的接收器，其中，所述控制器通过每n个采样将被采样的数字信号向前频移一个采样周期来补偿多普勒提高的频率。
5.按照权利要求1的接收器，其中，所述控制器通过每n个采样将m个采样的一个周波减少一个采样周期来补偿多普勒提高的频率。
6.按照权利要求1的接收器，其中，所述控制器通过将被采样的数字信号频移以便每n个采样增加一个采样周期来补偿多普勒降低的频率。
7.按照权利要求6的接收器，其中，所述输入信号具有m个采样的周波，并且n等于或大于m。
8.按照权利要求1的接收器，其中，所述控制器通过每n个采样重复一个采样以频移被采样的数字信号而补偿多普勒降低的频率。
9.按照权利要求1的接收器，其中，所述控制器通过每n个采样将m个采样的周波增加一个采样周期来补偿多普勒降低的频率。
10.按照权利要求1的接收器，其中，所述控制器频移被采样的数字信号，直到发送器的已知发送频率已经被修改以匹配输入信号的频率。
11.按照权利要求1的接收器，其中，所述控制器将被采样的数字信号的相位与输入信号的相位匹配。
12.按照权利要求11的接收器，其中，所述控制器包括用于匹配相位的锁相环。
13.按照权利要求12的接收器，其中，所述控制器包括用于频移和解调被采样的数字信号的软件和锁相环。
14.按照权利要求1的接收器，其中，所述控制器包括用于频移和解调被采样的数字信号的软件。
15.按照权利要求1的接收器，其中，所述控制器使用正弦-余弦表来将被解调的被采样的数字信号积分。
16.按照权利要求15的接收器，其中，所述控制器将所述被积分的数字信号与所存储的PN序列相关。
17.按照权利要求1的接收器，其中，所述控制器并行地识别在输入信号中有多少发送器的发送和并且对于每个被识别的发送器频移和解调所述被采样的数据。
18.按照权利要求17的接收器，其中，所述控制器是多线程处理器。
19.按照权利要求1的接收器，其中，在输入信号的每个周波中至少8次采样所述输入信号。
20.一种用于在通信接收器中补偿频率的多普勒改变的方法，包括将被接收的信号转换为被采样的数字信号；确定来自已知的发送频率的频率的多普勒改变；频移作为频率的多普勒改变的函数的被采样的数字信号；并且解调被频移的采样数字信号。
21.按照权利要求20的方法，其中，对于多普勒提高的频率，将被采样的数字信号频移以便每n个采样跳过一个采样周期。
22.按照权利要求21的方法，其中，所述输入信号具有m个采样的一个周波，并且n等于或大于m。
23.按照权利要求20的方法，其中，对于多普勒提高的频率，每n个采样将被采样的数字信号向前频移一个采样周期。
24.按照权利要求20的方法，其中，对于多普勒提高的频率，每n个采样将m个采样的周波减少一个采样周期。
25.按照权利要求20的方法，其中，对于多普勒降低的频率，将被采样的数字信号频移以便每n个采样增加一个采样周期。
26.按照权利要求25的方法，其中，所述输入信号具有m个采样的周波，并且n等于或大于m。
27.按照权利要求20的方法，其中，对于多普勒降低的频率，每n个采样重复一个采样以频移被采样的数字信号。
28.按照权利要求20的方法，其中，对于多普勒降低的频率，每n个采样将m个采样的周波增加一个采样周期。
29.按照权利要求20的方法，包括并行地识别在输入信号中有多少发送器的发送和对于每个被识别的发送器频移和解调被采样的数字信号。
30.按照权利要求29的方法，其中，在多线程处理器上执行所述方法。
31.按照权利要求1的方法，其中，在输入信号的每个周波中至少8次采样所述输入信号。
全文摘要
接收器包括控制器，用于接收A/D采样的输入信号，并且在解调之前频移被采样的数字信号，以补偿在输入信号中的多普勒效应。所述控制器通过频移被采样的数字信号以便每n个采样跳过一个采样周期来补偿多普勒提高的频率。其可以通过每n个采样将m个采样的一个周波减少一个采样周期来实现。所述控制器通过频移被采样的数字信号以便每n个采样增加一个采样周期而补偿多普勒降低的频率。其可以通过每n个采样重复一个采样以频移被采样的数字信号来实现。在多线程处理器上以软件来执行所述补偿。
文档编号G01S1/00GK1833177SQ200480022577
公开日2006年9月13日 申请日期2004年7月7日 优先权日2003年7月10日
发明者丹尼尔·伊恩卡, 约翰·C·格洛斯纳, 厄尔德姆·霍克尼克, 马扬·莫德吉尔, 维拉迪米尔·科特利亚尔 申请人:桑德布里奇技术公司