专利名称：Gnss接收器中搜寻多普勒频率的方法与相关器的制作方法
技术领域：
本发明是有关于GNSS信号的获取(acquisition)/追踪(tracking),更
具体的，是有关于GNSS接收器内多普勒频率的搜寻方法及应用上述
方法的相关器(correlator)。
背景技术：
对于GNSS系统(Global Navigation Satellite System;例如GPS， GLONASS, GALILEO等等)中的信号获取，有三个搜寻范围可见卫 星ID(visible satellite ID),多普勒频率(Doppler frequency),以及码相 位(code phase)。 一个包含特定卫星ID,特定多普勒频率以及特定码相 位的组合(combination)被称作"假设，，(hypothesis)。对于特定卫星，如 果有M个可能的多普勒频率与N个码相位，则总共有MxN个假设要 被尝试。对一个GPS(Global Positioning System)信号来说，伪随机码 (pseudo隱random)的码片率(chipping rate)是1.023MHz。也就是一 毫秒、有 1023个码片。若一个槽(bin)在码相位范围内的码片空间占用1/2码片， 则对于一个C/A的码接收器而言，在码相位范围内会有1023x2=2046 个槽。 一般来说，在没有预先得到时间、卫星与用户位置等精准信息 的情况下，很难减少槽的数量或缩小需搜寻的码相位的范围。
如上所述，对于特定的卫星，在信号获取过程中，仍存在需要搜 寻的多普勒频率。卫星相对于用户的移动造成了实际多普勒频移(real Doppler frequency shift)。举例来i兌，对于固定的用户，最大的多普勒 频移大致是士5kHz。所以该搜寻范围是10kHz。但是，除了实际多普勒 频移(real Doppler frequency shift),别的因素也可能造成搜寻范围的扩 大。举例来说，接收的IF信号的载波频率(carrier frequency)可能^L本 地频率(local clock)偏置(biased)。 GNSS接收器用温度补偿晶体振荡器 TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)或其它种类的才展荡 器来提供精准的本地频率信号，但本地频率信号会有未知的偏置 (unknown bias)及特定的漂移范围(drift range)。这样的频率偏置及漂移会影响GNSS基频信号的载波频率并产生相应的多普勒频移。
另外一个会导致更多多普勒频率搜寻槽的因素是在获取中的长时 间相干积分(long coherent integration time)。长时间相干积分一般用于 弱信号获取中以改善信号噪声比(SNR),进而改善侦测可能性 (detection probability)。长时间相干积分可改善信号侦测效率， <旦是造 成需要搜寻更多的多普勒频率槽。随着相干积分时间的延长，可允许 多普勒频率误差(allowable Doppler frequency error)将降低。举例来说， 对于1ms的相干积分时间来说，可允许多普勒频率误差小于1kHz,而 对于20ms的相干积分时间来说，可允许多普勒频率错误小于50Hz。 在AGPS(Assisted GPS或Aided GPS)系统中，其中用于辅助(aid)已知 数据位序列(known data bit sequence)之后的相干积分时间非常长时， 例如2秒或更长，即使搜寻范围是一样或减少的，多普勒频率搜寻槽 也会大幅增加。如前所述，影响多普勒频率.搜寻范围与搜寻槽的因素 很多。因此，不同情况下，多普勒频率搜寻槽的数量应可动态 (dynamically)变化。因此，我们需要一个灵活(flexible)的多普勒搜寻相 关器。
尽快搜寻到所有卫星的多普勒频率以降低首次定位时间(Time To FirstFix， TTFF)是重要的，首次定位时间是卫星通讯接收器的 一个主 要效能指标(performance metric)。并且，获取的第一批少数卫星的多 普勒频率可以用来调整与减少剩余卫星的多普勒频率搜寻范围。接着， 同样数量的相关器可用更长的相干积分时间来搜寻缩小后的多普勒范 围以取得更佳的信号获取表现。
当多普勒频率的搜寻范围变宽或者多普勒搜寻槽变窄的时候，多 普勒频率的搜寻操作复杂度会增加。也就是说，需要搜寻的多普勒频 率槽越多，操作就越复杂。多普勒频率搜寻的操作复杂度需要大容量 内存与高功率消耗。
图1显示了一般GNSS接收器的相关器。卫星信号被接收并被放 大，接着被降频至中频段(Intermediate Frequency stage)。在这个阶4爻， 接收的信号是模拟形式。然后，模拟数字转换器模拟数字转换器 (Analog-to-Digital Converter) 108将接收的信号转换为数字信号。自模 拟数字转换器108出来的数字信号经由载波数字控制振荡器(Numerically Controlled Oscillator ， NCO)112 ， 移相器(phase shifter)114、 116及混频器(mixer)121 、 122等装置降频转换。混频后的 结果是具有同相(in-phase)与正交(quadrature)成分的复合信号。同相与 正交成分根据E/P/L伪随机码(Early/Prompt/Late PRN code)产生器120 所产生的PRN码;故送到乘法器141 146进行乘法操作。E/P/L PRN码 产生器120是受码数字控制振荡器(code NCO)123控制。乘积值分别 由累加器131 136累加以产生相关结果IE， IP, IL与QE, QP, QL。 积分信号送至接收器处理器110。接收器处理器IIO对这些值进行处 理。需要一个相关器来搜寻一个多普勒频率槽。
图2是概略显示另 一个采用后相关(post correlation)快速傅里叶转 换(Fast Fourier Transform, FFT)的相关器架构的示意图。由天线201 接收的信号被降频至中频段，接着被RF接收器203从模拟到数字域 采样。然后多普勒及中频信号中的中心频率被载波移除单元205移除。 复合信号成分，同相I与正交Q成分，接着被码解展频单元(code despreading unit )207处理并4皮积分与转储(Integration And Dump, IAD)单元209相干积分。同相I与正交Q成分的相干积分结果在緩冲 器(buffer)211中进行累加。IAD 209的相干积分时间范围是1ms至 5ms， 一般使用lms。当数个I与Q成分的1ms积分值连续被收集时， 举例而言，就有20个IAD值送至FFT引擎213来执行频域分析。通 过检查FFT输出值可同时搜寻20个多普勒频率槽，其中上述多个FFT 输出值可利用相干采样RAM 215，非相干采样RAM221，量值计算单 元(magnitude computation unit)217以及IAD单元219以进4亍凄史个20ms 相干或非相干积分。在这个架构里，额外的数据緩冲器单元211需要 在多普勒频率搜寻(即FFT操作)之前储存上述多个相关采样 (correlation samples)(即积分结果)。若用平4亍相关器库(parallel correlator bank)同时来搜寻宽广范围的卫星、码及多普勒方向，緩冲器 尺寸就会很大。緩冲器的大尺寸会造成高成本以及因对数据緩冲器的 读写操作而导致的高功耗。除了高功耗的问题，后相关(post correlation)FFT相关器架构有 一 个缺点，就是平行多普勒频率假设 (paralle Doppler frequency hypotheses)是固定的。即，这才羊一个4目关器 只能计算在固定的离散频率(fixed discrete frequencies)的相关性。要搜寻的多普勒频率间的间隔是不变的。因此，多普勒频率假设是有限的
并且不灵活。
发明内容
为了克服现有技术在多普勒频率搜寻中的不灵活而造成资源浪费 等技术问题，本发明提供一种搜寻多普勒频率的方法及对应相关器， 可以更灵活地搜寻多普勒频率。
本发明提供一种用于GNSS接收器中搜寻多普勒频率的方法，包 含步骤将接收的信号转换为具有第一采样率的数字信号；将数字信 号降采样以输出具有第二采样率的降采样后信号；以及搜寻上述降采 样后信号的多普勒频率槽。
本发明另提供一种相关器，包含模拟数字转换器，用于将接收 信号转换为具有第一采样率的数字信号；降采样单元，耦接于模拟数 字转换器，用于接收数字信号以及输出具有第二采样率的降采样信号； 以及多普勒频率搜寻装置，耦接于降釆样单元，用于搜寻降采样信号 的多普勒频率槽。本发明另提供一种用于GNSS接收器中搜寻多普勒频率的方法， 包含将接收的信号转换为数字信号；对数字信号执行码移除操作来 产生码移除信号；以及在多个级中搜寻多个多普勒槽，其中信号的多 普勒频率被划分为在各自级中将被移除的多个部分。
本发明另提供一种相关器，包含模拟数字转换器，用于将接收 的信号转换为数字信号；以及多普勒频率搜寻装置，包含串联连接的 多个级，每一级包令至少一个多普勒移除器，用于移除信号的多普勒 频率的一部分。
利用本发明依据分级降采样的方法及相关器，可以实现动态改变 多普勒频率搜寻并减少了系统功耗。
图1是现有技术的相关器架构的原理方框图。
图2是现有技术的后相关FFT相关器架构的原理方框图。-
图3是根据本发明的第一实施方式的相关器架构的原理方框图。图4是根据本发明的相关方法的流程图。
图5是根据本发明的第二实施方式的相关器架构的原理方框图。
图6是显示一个两级多普勒频率移除方案的原理图。
图7是根据本发明第三实施方式的相关器架构的原理方框图。
图8是根据本发明第三实施方式的数字结果示意图。
具体实施例方式
在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来称呼特定的元件。 本领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼 同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元 件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说 明书及权利要求书当中所提及的"包含"是开放式的用语，故应解释 成"包含但不限定于"。此外，"耦接" 一词在此是包含任何直接及 间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置， 则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接 手段间接地电气连接到第二装置。
图3是根据本发明的第一实施方式的相关器大致架构的方框图。 图4是显示本发明相关方法的大致流程图。请一并参考图3与图4。 在此架构中，先接收一个信号(步骤S10),其中上述信号已被降频至中 频带，接着模拟数字转换器(ADC)310将上述信号从模拟格式转换成数 字格式，模拟数字转换器310具有高采样率，例如为16.368MHz(步骤 S20)。然后，中频移除单元(载波移除单元)320将从模拟数字转换器310 输出的数字信号进一步降频至基频(步骤S30)。中频移除单元320可利 用载波数字控制振荡器(未图示)，移相器(phase shifter)(未图示)以及混 频器(未图标)的组合来作为现有技术的相关器。然后移除了中频(载波) 的信号通过码移除单元330处理以除去(wipe-off)信号的码(S40)。码移 除单元330可通过码产生器(未图示)以及混频器(未图标)的组合而实 现现有技术的相关器。根据本发明，上述已被移除中频及码的信号， 被传至由积分及转储(Integration And Dump, IAD)单元构成的降采样 单元(DSU， Down-Sampling Unit)340以进行降采样操作(步骤S50)。在 不同的实施方式中，降采样单元可釆用其它执行降采样操作的架构。举例来说，降采样单元340将数字信号每四个样本进行一次积分及转 储动作。如此，降采样单元340输出信号的采样率即降低为4.092MHz。 降采样单元340通过对一些信号样本进行积分及转储其积分值来完成 降采样操作。
本实施方式中，多普勒频率搜寻范围分为两个阶段。即，如图3 中所示的多普勒频率搜寻装置300，包含两级装置。每一级都包含一 个或多个多普勒频率移除单元。在此例中，第一级的多普勒频率移除 单元350具有三个多普勒频率移除器352，每一个都包含IAD单元355, 多普勒频率提供器356以及混频器357。需要在多普勒移除器352内 移除的多普勒频率由多普勒频率提供器356提供的载波决定。通过改 变载波，多普勒频率移除器352的多普勒频率可被调整。IAD单元355 对信号进行降采样以更进一步将采样率降低，例如降至33kHz。 IAD 单元的降采样操作是可调整的。如果搜寻到6kHz的多普勒频率搜寻 范围，第一级多普勒频率移除单元350的三个多普勒频率移除器352 的每一个负责的搜寻范围是，例如，2kHz(步骤S60)。然而，也可能 有不同的分配，比如3kHz, 2kHz和lkHz等。根据需要通过控制多普 勒频率提供器356来调整分配。
第二级也可包含三个多普勒频率移除单元360, 370及380。每一 多普勒频率移除单元接收并处理来自第一级的多普勒移除单元350的 其中一个多普勒频率移除器的输出并执行进一步的多普勒频率移除操 作(步骤S70)。多普勒频率移除单元360， 370或380具有与多普勒频 率移除单元350同样的架构，因此详细的描述此处就不再赘述。每一 多普勒频率移除单元的搜寻操作可被看作是一个分支(branch)。即，在 每一级，分配的多普勒频率范围可用多个分支来搜寻。可以看出，第 二级的每一个多普勒频率移除单元可在更低频率下操作，因为要处理 的搜寻范围与第 一 级相比更狭窄(narrowed) 了。接着对来自第二级各个 多普勒频率移除单元的被移除了多普勒频率的信号进行处理以利用量 值计算单元391-395计算出量值(步骤S80),举例来说，每一量值计算 单元都计算出信号的绝对值，然后，上述多个计算的量值分别储存至 内存401~405(步骤S90)。内存401~405可以用如RAM等内存实施。
各级的各个多普勒频率移除器的用途可根据需要改变。举例来说，在本实施方式中，第一与第二级中的所有多普勒频率移除器在信号获 取过程中都是活动的，因为此过程中需要搜寻许多多普勒频率槽。但 是，在信号追踪过程不需要如此多的多普勒频率槽。因此，第一级的
多普勒频率移除单元350的第二与第三多普勒频率移除器以及第二级 的第二多普勒移除单元370与第三多普勒频率移除单元380在信号追 踪过程中可以是停止的。所以，功率消耗大量减少。多普勒频率搜寻 可以更灵活操作。另外，因为如前所述的各个IAD单元的降采样操作， 第一级多普勒频率移除与第二级多普勒频率移除都在低频操作，可进 一步减少功率消耗。当多普勒频率搜寻范围较大时， 一级的采样率(例 如，第一级)可被加速以移除信号中较大的多普勒频率成分。
要注意的是，中频移除单元320不是必须的。在中频移除单元被 省略的情况下，中频移除的动作可被组合进多普勒频率移除操作，因 为两者都是以频域操作为目的的移除操作。此外，码移除单元330也 可设置在多普勒频率移除级之后，如图5所示，图5是根据另一个实 施方式的相关器的示意图。这样，釆样率就必须保持足够高以支持码 移除单元330的码解展频操作。
图6显示两级多普勒频率移除机制的示意图。假定被测试的多普 勒频率为f，其可被划分为两个频段，fl与f2。即，f=fl+f2。在第一 级，信号被降釆样来获得采样率fsl。 fl与fsl之间的关系应满足下面
的不等式(l):
<formula>formula see original document page 11</formula>
具有采样率是fsl且用r[n]表示的降采样信号与第一级的载波频 率为exp(-j2 TT [fl/fsl]n)的载波混频，接着被累加。信号再被采样率fs2 来降采样。f2与fs2之间的关系应满足下面不等式(2):
<formula>formula see original document page 11</formula>
具有采样率fs2的降采样信号与第二级的载波频率为exp(-j2兀 [f2/fs2]n)的载波混频，接着被累加。通过使用两个采样率域，每一个 采样率域都具有低的采样率，功率消耗可大幅降低。要注意的是，更 多级也是可以的。但是，每一级都需要应用IAD单元。每一个IAD单 元包含緩沖器。多普勒频率移除级数越多，IAD单元数也越多。可以 看出，若有太多的多普勒频率移除级，相关器中就会用到许多緩冲器，这是技术人员所不希望的。
图7是根据本发明第二实施方式的相关器架构的示意方框图。在 本实施方式中，同时搜寻7个多普勒频率槽(7个多普勒频率假设)。第 一级与第二级的多普勒频率移除器的数目与第一实施方式不同。本实 施方式的相关器的架构中，如模拟数字转换器510, IF移除单元520, 码移除单元530以及DSU 540等组件都和第 一 实施方式中的相同。因 此，这些描述在此略去，不再赘述。本实施方式的多普勒频率搜寻装 置500具有两个多普勒频率移除级，每一级都包含多普勒频率移除单 元。如图所示，第一级的多普勒频率移除单元550仅有一个多普勒频 率移除器，其与第一实施方式中所述一样，因此不再赘述。
第二级包含第二级多普勒频率移除单元560。第二级多普勒频率 移除单元560包含7个多普勒频率移除器561 567。每一个多普勒频 率移除器都具有与第一实施方式相同的架构，因此不再赘述。对来自 第二级各个多普勒频率移除器561-567的已移除多普勒频率的信号进 行处理以利用量值计算单元591~597计算其相应的量值，再将计算出 的量值分别存入内存601~607。假定模拟数字转换器510的采样率为 16.368MHz，则中频中心频率为4.092MHz，总多普勒频率(total Doppler frequency)为2131.25Hz。中频移除单元520以频率为4.092MHz的载 波将信号降频。IAD单元540对移除了中频和码的信号进行降采样， 以将采样率从16.368MHz降至33kHz。即第一级多普勒频率移除是在 33kHz的低频下操作。第一级多普勒频率移除单元550利用33kHz的 采样率移除2000Hz的多普勒频率。
在第二级的多普勒频率移除操作，第二级多普勒频率移除单元 560工作在33kHz的采样率以分别通过多普勒频率移除器561 567移 除频率为0, 43.75， 87.5, 131.25， 175, 218.75及262.5Hz的多普勒 频率。可通过向多普勒频率移除器提供不同的载波以改变上述多.个多 普勒频率。在第一或第二实施方式中，各级的多普勒频率移除器都以 树状结构连接。每一个多普勒频率移除器中，IAD单元是用来将解展 频(已移除了码)后的信号与已移除多普勒频率的信号连贯地结合起 来。举例来说，可用16ms的相干积分时间。每一个内存601~607累 加IAD结果的量值，其中上述量值是由量值计算单元591~597其中一个所计算。也就是说，16ms的相干积分的量值(是复数)被累加及储存 在内存中。侦测到的多普勒频率通过检查储存在7个内存601-607中 的最大非相干积分结果(maximum incoherent integration result)来决 定。内存601~607内的数字结果如图8所示，图8显示根据本发明第 三实施方式的数字结果。从图中可见，本实施方式的数字结果符合未 使用多级与降采样的直接多普勒移除操作的理论结果。可以看出，多 普勒频率搜寻范围在第 一 级时被调整到中心不确定范围(center uncertainty range)。 来自第一级的输出的剩余多普勒频率(residual Doppler frequency)变得很小。因此，下一级使用的采样率可大幅降低。 通过这些操作，功率消耗可显著降低。
本发明虽用较佳实施方式说明如上，然而其并非用来限定本发明 的范围，任何本领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内， 做的任何更动与改变，都在本发明的保护范围内，具体以权利要求界 定的范围为准。
权利要求
1.一种用于GNSS接收器中搜寻多普勒频率的方法，包含将接收的信号转换为具有第一采样率的数字信号；将上述数字信号降采样以输出具有第二采样率的降采样后信号；以及搜寻上述降采样后信号的多普勒频率槽。
2. 如权利要求1所述的用于GNSS接收器中搜寻多普勒频率的方 法，其特征在于，上述降采样操作是通过将上述数字信号的预定数量 的数据样本积分并将上述数据样本的上述积分结果转储为样本值来完 成。
3. 如权利要求1所述的用于GNSS接收器中搜寻多普勒频率的方 法，其特征在于，上述多普勒频率槽是在多个级中搜寻，上述信号的 多普勒频率被划分为在各自级中将被移除的多个部分。
4. 如权利要求3所述的用于GNSS接收器中搜寻多普勒频率的方 法，其特征在于，上述信号的采样率在每一级被进一步降低。
5. 如权利要求3所述的用于GNSS接收器中搜寻多普勒频率的方 法，其特征在于，每一上述级都包含多个分支，以分享在上述级要被 移除的多普勒频率部分的范围。
6. 如权利要求5所述的用于GNSS接收器中搜寻多普勒频率的方 法，其特征在于，在上述多个分支内使用不同的多普勒频率来搜寻上 述信号的真正多普勒频率。
7. 如杯利要求1所述的用于GNSS接收器中拔寻多普勒频率的方 法，其特征在于，更包含在上述转换步骤之后对上述数字信号执行 码移除操作以产生移除码信号。
8. 如权利要求1所述的用于GNSS接收器中搜寻多普勒频率的方 法，其特征在于，更包含在上述搜寻步骤之后对上述数字信号执行 码移除操作以产生移除码信号。
9. 一种相关器，包含模拟数字转换器，用于将接收信号转换为具有第一采样率的数字 信号；降采样单元，耦接于上述模拟数字转换器，用于接收上述数字信号以及输出具有第二采样率的降采样信号；以及多普勒频率搜寻装置，耦接于上述降采样单元，用于搜寻上述降 采样信号的多普勒频率槽。
10. 如权利要求9所述的相关器，其特征在于，上述降采样单元包 含积分及转储单元，用于将上述信号的预定数量的数据样本进行积分 并将上述数据样本的上述积分结果转储为样本值。
11. 如权利要求9所述的相关器，其特征在于，上述多普勒频率搜 寻装置包含多个串联连接的级，每一上述级包含至少一个多普勒频率 移除器，用于通过将上述信号与栽波混频来移除上述信号的多普勒频 率的一部分。
12. 如权利要求11所述的相关器，其特征在于，上述多普勒频率 移除器更包含积分及转储单元，用于对上述多普勒频率移除器的输出 进行积分并转储上述已移除多普勒频率的信号，上述已移除多普勒频 率的信号具有第三釆样率。
13. 如权利要求11所述的相关器，其特征在于，当要被搜寻的上 述多普勒频率范围较小时，至少一个上述多个多普勒频率移除器是停 止的。
14. 如权利要求9所述的相关器，其特征在于，更包含码移除单元， 用于接收上述数字信号以产生码移除信号，以及将上述码移除信号传 至上述降采样单元以将其降采样为上述降釆样信号。
15. 如权利要求9所述的相关器，其特征在于，更包含码移除单元， 用于接收上述多普勒频率搜寻装置的输出以产生码移除信号。
16. —种用于GNSS接收器中搜寻多普勒频率的方法，包含 将接收的信号转换为数字信号；对上述数字信号执行码移除操作以产生码移除信号；以及 在多个级中搜寻多个多普勒槽，其中上述信号的多普勒频率是被 划分为在各自级中将被移除的多个部分。
17. 如权利要求16所述的用于GNSS接收器中搜寻多普勒频'率的 方法，其特征在于，上述信号的采样率在每一级被降低。
18. 如权利要求16所述的用于GNSS接收器中搜寻多普勒频率的方法，其特征在于，每一级包含多个分支以分享在上述级中要被移除 的多普勒频率部分的范围。
19. 如权利要求18所述的用于GNSS接收器中搜寻多普勒频率的 方法，其特征在于，在上述多个分支中使用不同多普勒频率来搜寻上 述信号的真正多普勒频率。
20. —种相关器，包含模拟数字转换器，用于将接收的信号转换为数字信号；以及 多普勒频率搜寻装置，包含串联连接的多个级，每一级包含至少 一个多普勒移除器，用于移除上述信号的多普勒频率的一部分。
21. 如权利要求20所述的相关器，其特征在于，上述多普勒频率 移除器更包含积分及转储单元，以积分上述多普勒频率移除器的输出 以及转储上述已移除多普勒频率的信号。
22. 如权利要求20所述的相关器，其特征在于，上述多普勒频率 移除器通过将上述信号与载波混频以移除上述信号的多普勒频率的一 部分。
23. 如权利要求20所述的相关器，其特征在于，更包含码移除单 元，用于接收上述数字信号以产生码移除信号。
24. 如权利要求20所述的相关器，其特征在于，更包含码移除单 元，接收来自上述多普勒频率搜寻装置的输出以产生码移除信号。
全文摘要
本发明揭示了一种在GNSS接收器中搜寻多普勒频率的方法及相应的相关器。该方法包含步骤将接收的信号转换为具有第一采样率的数字信号；将数字信号降采样以输出具有第二采样率的降采样后信号；以及搜寻降采样后信号的多普勒频率槽。本发明更提供了一种相关器。利用本发明可以灵活地搜寻多普勒信号，比现有技术的方案节省时间。
文档编号G01S1/04GK101408604SQ20081008114
公开日2009年4月15日 申请日期2008年3月12日 优先权日2007年10月11日
发明者陈坤佐 申请人:联发科技股份有限公司