专利名称：带有同步任务再分配的低功率射频接收机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有同步任务再分配的低功率射频(RF)接收机。低功率RF接收机包括一个特殊的天线，用于接收来自卫星的无线频率信号，一个对天线提供的无线信号进行接收和整形的级，由几个信道所形成的相关级，每个信道包括一个相关器，所述的相关级接收由接收级整形的中间信号，一个连接到相关级的微处理器，并且在相关性之后，试图从卫星发射的无线频率信号中计算X，Y和Z的位置数据，计算作为被提取数据的函数的速度和时间数据。尤其是在一个GPS接收机的情况下，从GPS信号中提取的数据是GPS信息和伪范围。
现有技术描述当前，在地球表面的6个轨道面上有24颗卫星位于接近20200公里距离的轨道中，每个轨道面相对于赤道偏移55°。卫星沿轨道旋转一圈并返回到地球之上相同的地点所花费的时间近似为12小时。通过轨道中卫星的分配可以让一个陆地GPS接收机接收由至少四个可见卫星发射的信号，以便确定它们的方位，以及例如它们的速度和本地时间。
为了发射无线频率信号，每个卫星在10.23MHz的频率上包括一个原子钟装置，以便把精确的时间数据提供给陆地GPS接收机。如果需要的话，陆地控制台允许校正某个卫星数据，例如关于它的时间数据和轨道数据。
这些卫星中的每个卫星发射的无线频率信号由1.57542GHz的第一载波频率L1和1.2276GHz的第二载波频率L2组成，在第一载波频率L1的10.23MHz上调制有P-码，并且限于在50Hz上带有GPS信息的每个卫星，在1.023MHz上调制C/A PRN码，GPS信息包含特别用于计算方位的星历和年历数据，在第二载波频率L2的10.23MHz上调制P-码，在50Hz上带有GPS信息。在民用设备中，为了根据GPS的信息计算X，Y和Z的位置，速度和时间，陆地接收机仅仅使用带有C/A码的载波频率L1。
每个卫星的C/A PRN码(伪随机噪声)也称作金码(Gold code)，它是用于每个卫星的唯一的伪随机码，以便在接收机内能够区分诸卫星发射的信号。所有的金码具有正交的特性，即，通过在它们彼此之间进行相关性处理，给出的相关结果是一个接近于0的值。这个特性允许在同一GPS接收机的几个信道中独立的和同时的处理来自若干个卫星的多个原始的无线频率信号。
该C/A码是一种数字信号，它由每毫秒重复的1023个码片(chips)组成。此外，该重复周期由金码的期限所限定。值得注意的是，对于1比特一个码片的值是1或0。然而，一个码片(GPS技术中的术语)与一比特是不同的，它用于定义一个信息单元。
为了32个卫星识别码需要限定金码，对于将放入轨道面上一个轨道中的卫星来说，始终保留一个自由选择的属于各自卫星的具体代码。
在GPS接收机中的相关级，通过1023个不同码片的序列，一个C/A码生成器生成一个众所周知的一个C/A卫星码的复制码，用于捕获一个卫星的每个相位的调整。码片码在一个移位寄存器中按时间被偏移，这是通过对控制所述移位寄存器的时钟进行定位而实现的。
在若干个活动区域中，使用便携的或集成在大尺寸设备中的GPS接收机能够给用户提供易于进行定位的数据，特别是，可以获得方向定位和得知他们的位置。列举一个特殊的例子，使用的GPS接收机的数据一起表示在运输车辆的仪表盘中，并且结合储存的图表数据可以把路线表示给所述车辆的驾驶员。
需要减少GPS接收机的尺寸是一个共同的目标，这可以让一个人便于携带，此人希望在任意位置以一种相对精确的方式知道他的位置和速度。使用减少了尺寸的这些接收机，电源是通过电池提供的，所述这些接收机的设计构造必须保证具有一定的节省能量消耗的结构，因此，需要制造低功率接收机。
当然，消耗指标应基于供电电池的容量，该电池在接收的无线频率信号被处理时向GPS接收机供电。电池越小时，就更加需要使用于GPS接收机所设计的集成电路电子元件越小。另一方面，在所述电路中对来自每个捕获到的卫星的信号进行处理以便提取GPS信息和伪范围，这种处理必须以一种最优的方式进行。
如同蜂窝电话或手表一样，由于以便携为目标装配的GPS接收机备受关注，因此在设计集成电路时功耗不能太大，以避免频繁地更换对象的电池或者频繁地对一个能量蓄电池进行充电。
在集成在一个手表中的情况下，被迫减少尺寸的不仅是用于处理接收信号的装有集成电路的电路板，而且天线和蓄电池也要尽可能地减小尺寸。通过减去制造相关器的集成电路的技术可以达到减少功耗，并用微处理器进行计算。例如，可以使用0.5μm的CMOS技术，或者在最近，可以使用0.18μm的CMOS技术，并同时可以保证在高频进行合理的运算。而且，在相关器中优化微处理器实现的GPS信号的处理算法可以进一步实现减少接收机的功耗。
在接收机的整个工作过程中尽可能地节省能量消耗已经成为有关低功率接收机的多个专利实施例中主要的目的。可以列举的有，Trimble NavigationLimited公司的美国专利No.5,650,785，涉及一种低功率GPS接收机。特别之处在于，该接收机包括一个使用频分的RF部分和用于相关级的GPS信号的量化，以及一个控制供电电压调制器的微处理器设备。该供电电压调制器用于在一个时间周期停止RF部分的工作，此时间周期小于处理GPS信号相关性所需的时间，由于RF部分的功耗是很大的，所以这就尽可能地减少了RF部分的功耗，同时也没有停止相关级的运算。
在相关器和微处理器之间必须存在给定的有效数据转换，以便提高信号处理速度同时节省能量，目前倾向于给接收机提供一个32-位的微处理器。然而，使用这样的微处理器来提高接收机的能力具有一个缺点，即在所述微处理器和解调器和相关器之间进行有效数据的交换存在问题，而且交换出现在超过1kHz的频率上。
为了解决当前低功率GPS接收机能量消耗数量级的问题，TrimbleNavigation Limited的称为ACEIII的GPS接收机可以作为一个例子。该接收机具有8信道体系结构，该结构对于节省能量是最好的并能够保证较好的可靠性。带有元件的电路板的尺寸是8.26cm×4.65cm×1.15cm。在不考虑天线放大器功耗的情况下，功耗少于0.5W。该GPS接收机设备用于定位，跟踪(定位)，收集数据或其他的应用，其中该设备由电池供电。该接收机包括32个相关器。
第一集成电路是打算把整形数据发送到相关级的RF/IF频率转换器，其中有一个到中间频率的通道，以便在不降低接收信号的质量的情况下，减少其它条件中的功率损耗。对中间信号进行接收的第二集成电路是GPS DSP，它的微处理器是32-位类型的接收机的功率消耗是电压不超过3.5V的0.5W功率级。即使对于这样相当低的消耗，如果把接收机装到例如一个带有低功率蓄电池或电池的手表或一个便携电话中时，也是几乎不可能的。
如果期望实时计算，需要进行有效功率的计算，这仅能够通过大型的微处理器装置才能实现，特别是使用32-位微处理器。
本发明的一个目的是提供一种区别于现有技术GPS接收机设备的尽可能减少功率消耗的低功率RF接收机，以便所述对象的蓄电池不会很快被耗尽。
本发明的另一个目的是能够把RF接收机的所有元件集成在一个手表中以便通过一个能量蓄电池或一个电池供电。
发明概述除其他条件外，实现上述这些目的的低功率接收机的特征在于，在每个信道中，具有包括一个数字信号处理算法的与相关器相联系的一个控制器，当该信道开始捕获和跟踪一个卫星的操作时，允许控制器独立的执行所有同步任务，和在相关级和微处理器的接口之间至少有一组输入和输出寄存器，用于接收由微处理器发送到相关级的数据和接收从相关级提供的数据，所述经过寄存器组的数据由低于或等于信息信号频率的信号所组成，以便在不干涉任何同步和相关任务的情况下，微处理器能够执行位置，速度和时间的计算任务。
此外，除其他条件外，也可通过包括这样一种RF接收机的手表来实现这些目的，特征在于，RF接收机被放在表壳中，通过为钟表功能电子元件供电的一个能量蓄电池或一个电池来供电。
RF接收机，特别是GPS接收机，它的优点在于具有一个称为DSP算法的数字信号处理算法的有效部分，利用专用材料把它放在相关级中。这就可以对那些先前在所述相关级中指派给一个或多个32-位微处理器的软件任务进行再分配。因此，根据从接收无线频率信号中提取的至少四个卫星的GSP信息，微处理器仅用于执行计算任务。本发明甚至建议在位于相关级的一个控制器中完成整个算法。在硬布线逻辑中实现同步以便微处理器的外部用于最终计算。在每个信道中提供一个位并行体系结构，每个信道带有控制环中相关级。
由于在相关器和微处理器之间不会再有许多的有效数据转换以及该转换不会很快速的发生，则可以仅使用一个8-位微处理器。该微处理器仅用于对50Hz-2Hz之间的低频数字信号进行定位计算，因此节省了能量。当然，相关器必须包括存储器单元，一个运算单元，一个相关器控制单元和一个数据位同步单元，以便执行不同于目前的同步和相关步骤。
以前，在微处理器和相关器之间通信的软件任务一直是存在于1kHz的频率级上。这样，每次数据的转换必须发生在该频率上。现在，由于作用于相关器控制逻辑上的算法以硬布线逻辑的形式在12个信道的每个信道中转换，在相关级中执行的所有同步计算时在位于大于1kHz的频率上进行的。经过相关级和主微处理器之间接口上的缓冲器寄存器，仅在50Hz上进行转换数据，这就可以节省大量的能量。
使用这种新的软件任务再分配，大大减少了接收机的功率消耗，从而能够把它集成在一个手表中。通过比较，本发明提供的RF接收机的功率消耗是供电电压低于或等于3V的100mV功率级，而且近期将可以达到50mV的功率级。这种RF接收机，当把所有自身元件放在印刷电路板上时，它所占用的空间接近8cm3。
在接收机中的时钟频率适于作为接收的无线频率信号的频率的函数，以便若干的时钟部分处于相同时钟速率，这也可以减少电子元件的数量，特别是减少相关级中的电子元件，从而减少接收机的功率消耗。而且，可以通过频率变换达到减少功率消耗，或者压缩前往相关级去的无线频率信号。
当至少三或四个卫星被检测到时，可以使用微处理器，以便减少任何不必要的功率消耗，给定的相关级的每个信道能够以一种自律的方式对检测到的卫星进行搜索坐标和跟踪操作。
通过结合附图描述列举的实施例，上述这些目的，以及在相关级中使用软件任务再分配的接收机的优点和特点将变得更为显而易见，其中附图描述
图1显示按照本发明构成RF接收机的元件示意图；图2显示按照本发明一个信道的相关器，适用于C/A码的复制和RF接收机载波频率的复制；图3显示用于捕获和跟踪可见卫星的载波频率和信道C/A码的匹配增量的二维平面图；图4显示按照本发明RF接收机的搜索和跟踪卫星操作的一个流程图；和图5显示按照本发明装配有一个RF接收机的手表。
优选实施方式在接下来的描述中，所描述的RF接收机比如是一个GPS接收机。GPS接收机的许多元件对于本领域的普通技术人员来说是熟知的，因此仅简单介绍。把重点放在有关软件任务的再分配上，特别是相关级中的同步任务。在现有技术中，这些任务是在微处理器中被执行的。
低功率GPS接收机最好是用于装配在手表上，以便满足为一个戴手表的人提供位置，速度和本地时间数据的需要。由于手表具有一个较小的蓄电池或电池，因此在GPS接收机工作时必须尽可能地降低功率的消耗。出于这些原因，下面将详细描述在相关级中分配涉及捕获和跟踪卫星的实际的同步任务的过程，而不是在微处理器中。
当然，GPS可以装在其他的小尺寸的便携物体中，这些物体具有如上述手表一样的一个能量蓄电池或一个电池，例如，一个便携电话。
在把GPS接收机装进一个手表的情况下，还必须考虑天线所占用的尺寸。应该注意减少天线的尺寸，而且如果安装水平极化天线的话，由于损失了信噪比(SNR)，将降低增益图。注重于提高信号捕获和跟踪算法多种努力将补偿所述接收机的信噪比损失。
整个相关处理过程中，微处理器不会再出现数据转换。仅仅是把相关级的每个信道的相关结果传送给微处理器，特别是在50Hz频率上的GPS信息。因此，如先前所提到的，在整个捕获和跟踪阶段，在高于1kHz频率上出现的微处理器和相关级之间的数据或参数的交换所引起的高功率消耗将会被大大减少。
图1中显示了低功率GPS接收机1的示意图。它包括一个天线2，用于接收来自几个卫星的无线频率信号，一个接收和整形级3，用于对天线2提供的无线频率信号进行接收和整形，一个相关级7，用于从整形级3在400kHz的频率级上以复数形式接收中频信号IF，所述相关级由12个信道7’所组成，一个数据转换总线10把每个信道分别连接到缓冲寄存器11，以及最终的一个数据总线13把每个缓冲寄存器连接到一个微处理器12。
每个信道的寄存器11能够接收来自微处理器的数据，或者能够配置来自与相关信道7’相联系的一个存储器的参数，并且在锁定一个特定的卫星后，能够发送有关的GPS信息，PRN码的状态，相关多普勒效应(Doppler)的频率增量，伪范围和其他的数据。
缓冲寄存器11由若干种寄存器组成，例如命令和状态寄存器，用于信道的NCO(数控振荡器)振荡器的寄存器，伪范围寄存器，能量寄存器，载波和代码的偏移寄存器和增量寄存器，以及测试寄存器。值得注意的是，在整个相关阶段这些寄存器应可以积累数据，以便在整个卫星的捕获和跟踪过程中使用这些积累的数据，而不必自动地传送给微处理器。
在一个可替换的实施例中，寄存器11的一个单一单元能够注视观察相关级的全部信道7’，给出的放在寄存器单元的某些数据是每个信道所共用的。
在接收级3中，第一电子电路4把无线频率信号从频率1.57542GHz转换到179MHz，并且第二电子IF电路5继续进行一个双重频率变换，先把GPS信号变成4.8MHz的频率接着最后通过进行4.4MHz的采样把它变成400kHz的频率，以便能够提供一个在相关级被采样和被量化的中频复合IF信号。因此，该中频复合IF信号是由一个同相信号I和一个正交相位信号Q组成的。
由第二电路5提供的信号给出这些异奇偶性(+1和-1)信号的二分之一。在接收机中对GPS信号进行解调操作时必须考虑该奇偶性。
在低功率GPS接收机的情况下，建议产生带有1比特量化载波频率的中频IF信号，即使这种量化可以产生额外的3dB量级的信噪比(SNR)损失。
为了这些频率转换运算，无线频率信号的接收和整形级3包括一个在17.6MHz的频率级上进行校准的石英振荡器6。该振荡器的频率被增值近似1.4GHz并与GPS的1.57542GHz信号相乘以便在第一RF电路4中提供转换的179MHz频率信号。提供到第二IF电路的振荡器时钟信号能够先把GPS信号变成4.8MHz的频率，然后再把它变成400kHz的频率。接着在该第二电路5中出现一个时钟分频以便对GPS信号进行4.4MHz频率级的采样，该采样频率通常等于打算用于相关级的时钟频率CLK。然而，应该注意本申请已经使GPS接收机带有一个在接收级中也被16相除的4.36MHz的时钟频率CLK，，例如，相关级的某些部分使用给定的272.5kHz的频率CLK16，但通过近似的描述，频率CLK被限定为等于4.4MHz。
应该注意的是4.36MHz的频率可以更小，因为有两个准则定义该值。第一个准则涉及复合抽样算法，它的逆重叠滤波器的带宽可以把时钟频率限制在最小3MHz。第二个准则是，时钟频率必须与那些PRN码(1.023MHz)以及载波(400kHz)保持同步。作为RF/IF级确定标准的一个函数，所述时钟频率被设定在4.36MHz。
本发明中，微处理器12优选瑞士EM Microelectronic-Marin SA的8比特微处理器CoolRISC-816。这种微处理器由从接收和整形级3的分频器6’所提供的8.8MHz信号中提取的4.4MHz时钟信号计时。
单独的半导体衬底可以包含带寄存器的整个相关级和微处理器。
假定由总线10传送到寄存器11的数据为频率50Hz的信号，这一数据的处理，特别是解调的GPS信号，可以通过小尺寸的微处理器获得，因为所述微处理器12主要仅用于计算位置X、Y和Z，速率及时间。应该指出这些计算不需要实时实施，这就是为什么可能使用8比特微处理器同时节省接收机的能耗，由于在比1KHz更高频率捕获和跟踪卫星的同步任务在相关级7的至少四信道7’中由专用材料自主实施。
相关级7的每个信道7’包括相关器8和控制器9以特别通过专用材料进行由信道检测的捕获卫星信号和跟踪卫星的信号处理运算。
每个信道的控制器9包括，在其它部分之中，存储单元，算术单元，数据比特同步单元，相关器控制单元和图1中未见的中断单元。存储单元特别由用于存储瞬时数据的RAM存储器构成。RAM存储器以非规则或规则结构分区。算术单元执行加、减、乘、累积和转移操作。
检测卫星的所有捕获和跟踪任务由此在比特并行结构的相关级的每一各自信道中自主实施，其中若干比特的计算在一个时钟脉冲之中。当信道锁定在卫星上，电路同步于用于后来计算的GPS数据流。
如前所述，起始于几个卫星的几个射频信号被天线接收。由于它们的C/A码正交，信道能同时工作而每个锁定在各自卫星上。
应该指出卫星在空中的位置是已知的，意味着可以正视保持所有信息，关于所述卫星、它们的Gold码以及那些在被设定时刻陆地GPS接收机能看到的信息，在接收机的存储器中。
提供给相关级的中频IF信号包括比有用信号高15dB的噪声，即是为什么有必要知道接收机不得不解调的信号外形。这用于保证IF信号的相关和用于微处理器的GPS信息的解调，一旦信道具有每一锁定其上的各自可见的卫星。
在GPS应用中，DSP算法在不同频率被实施。在较低频率实施的算法，直到1KHz，基本上由以下功能组成控制预检测带宽、捕获信号、跟踪信号、检测阻塞、同步比特、解调数据、奇偶校验和计算测量。在较高频率实施的任务，即高于1KHz，为预相关扩大控制、预相关信号滤波、采样和量化、消除多普勒效应、由NCO产生载频、PRN码产生及相关步骤。
在第一卫星搜索阶段，建立频率参数并装载PRN码以致信道能够开始搜索。如图3所示，它以一块码片的分辨率检查单个载频中所有可能的相位。当卫星被找到时，电路锁定在单个上同时内部产生的载波和码频率被适应。只要单个电源足够，信道继续同步比特且取出GPS信息。
为确定伪范围，PRN码发生器的状态被同时变换到用于每个信道，及用于NCO码的当前相位。这允许关于从卫星分开接收机的距离的信息以低于微秒的分辨率被恢复。
除了通过故意中断到信号接收和整形级3的RF部分的供电一段时间，以相关级中软件任务的分配记录的功耗的减少以外，额外的消耗能被得到同时保特码复制品产生处于激活。
在从缓存寄存器级11向微处理器的输出端，一个单独比特GPS信息在50Hz频率，其允许节省许多能量。从以同步任务再分配所得到的增益的角度看，在每个相关信道和微处理器间数据的转移达到比现有技术的GPS接收机低3阶数量级，因为不再需要转移用于每个恒定时间的能量和数控振荡器(NCO)增量。
PRN码发生器的状态和NCO相位的状态，特别是在相关末端，被置于缓存寄存器11以能够确定伪范围，因而微处理器能用至少四个卫星从中提取位置、速率和时间。
在参考图1所描述的结构中，应该指出相关器8和控制器9被第一时钟信号CLK(4.36MHz)和用于相关级大多数的第二时钟信号CLK16(272.5KHz)计时。用于校正载波频率参数和C/A码相位的控制环以1KHz数字信号操作。在1KHz的相关级7的这个部分在允许由控制器于较低频率自主处理所述环路信号的比特并行结构中被得到。在相关链路末端于频率1.57542GHz接收的GPS信号被逐步减少，为了产生相应于能被微处理器直接利用的GPS信息的频率50Hz的信号。
图2以PRN码控制环的一部分和载频控制环的另一部分示出相关器8。为了涉及这种相关器不同元件的更多细节，读者可以参考Philip Ward和编辑者Elliott D.Kaplan(Artech House Publishers，USA1996)的书《理解GPS原理及应用》(Understanding GPS Principles and Applications)第五章，版本代码为ISBN0-89006-793-7，并且特别是图5.8和5.13以本发明图2所有元件宽轮廓表示。
在本发明中，为节约能量，准时成分被从码控制环中取消了，但需注意有阶数为2.5dB的信噪比损耗。
参考图2，中频信号IF，以图中被定义2比特的斜线分割的粗体线代表，是一个由1比特同相信号I和1比特正交相位信号Q组成的合成信号(I+iQ)。所述中频信号IF被采样和量化，且首先通过载波乘法器级20。乘法器21将信号IF乘以余弦减去i倍正弦内部产生载波的复制品为了从合成信号中提取同相信号I，同时乘法器22将信号IF乘以负正弦减去i倍余弦内部产生载波的复制品为了从合成信号中提取正交相位信号Q。
在这一操作之后，将被捕获的卫星的信号C/A码等价物在信道上的转换中以在相应于所需卫星的所述信道中产生的C/A码被找到。为此，同相信号和正交相位信号通过第二乘法器级23以将信号I与Q和关于C/A码在先的复制品与在后的复制品相关从而得到四个相关信号。在相关级的每个信道中，只有在先复制品与在后的复制品未考虑准时复制品而被保持。这就允许相关元件的数量被最小化。
乘法器24从2比特寄存器36接收信号I和在先复制品信号E并提供相关的在先同相信号。乘法器25从寄存器36接收信号I和在后的复制品信号L并提供相关的在后同相信号。乘法器26接收正交相位信号Q和在先信号E，并提供相关的在先正交相位信号。最后，乘法器27接收信号Q和在后复制品L，并提供相关的在后正交相位信号。在本发明实施例中在先复制品E和在后复制品L间的漂移为1/2码片，其意味着中心准时成分P之间的漂移为1/4码片。乘法器例如能够使用XOR逻辑门简单制成。
被1/2码片分开的在先和在后信号用于在卫星捕获期间拾取检测的能量点，其利用准时信号冗余，目的在于避免低功率GPS接收机中任何不必要的功率消耗。但是，这些在先和在后成分的使用对于卫星捕获是足够的。
四个相关信号每个进入积分计数器28、29、30、31中的一个，它们是预检测元件，它们的输出值IES、ILS、QES和QLS由超过10比特表示，其意味着需要C/A码的完全循环以寻找所述值。一整套值IES、ILS、QES和QLS被得到每一毫秒或每一恒定时间。所有跟随这些积分器的环中的操作以1KHz频率信号出现在比特并行结构之中。为了消除将被解调的有用信号的噪声部分，只有8个最高有效位被用于数字处理链路的剩余。
信号值IES、ILS、QES和QLS以图中被定义2比特的斜线分割的粗体线代表，被通入代码环鉴相器32和代码环滤波器33。代码环鉴相器执行计算信号IES、ILS、QES和QLS能量的操作。鉴相器是非相干延迟锁定回路(DLL)类型的。它特别由8比特乘法器和20比特累加器组成。在这一鉴相器上，校正被做到载波环，因为当信号由卫星发送时，不仅载频上而且被载频调制的C/A码上都有多普勒效应。代码环鉴相器中的载波附加通过1540相应于载波偏移增量的分割。
依靠被滤波的鉴相器结果，相位增量由PRN码发生器35上的28比特NCO负担以致它从C/A PRN码发送比特系列到寄存器36从而进行新的相关。这一28比特NCO的频率分辨率为16MHz阶数(用于4.4MHz时钟频率)。
环路的各种结果通过控制器进行以调整捕获和跟踪操作。一旦所期望的卫星上有了同步和锁定，值IES和ILS被引入解调元件50，能够提供1比特50Hz数据信息通过数据输入及输出寄存器到微处理器。除了该信息外，微处理器能够获得关于被引入缓存寄存器的伪范围的信息以计算X、Y和Z位置、速率和精确的本地时间。
在控制环中，未示出的修正的多重静态检测器插入每一信道以保证同步时间的减少从而减少接收机的功耗。但积分器的预定时间保持1ms不变。这一检测器中，在第一检测的末端，能量门限在能量检测器的输出端被减去。如果这一减法的结果小于0，则意味着能量缺乏。反之。第二检测能够开始。能量门限再次被从新的能量检测器输出端减去，其被加到先前操作的结果。这些操作重复N次直到信号被宣告为当前的。从这一瞬间，跟踪过程能够开始。这一检测器于是允许卫星信号捕获被加速。
以上说明的所有元件将被更详细地描述，假定它们形成本技术领域中那些现有技术的通用知识的部分。
参考图2，IF信号在乘法器21中被乘以余弦减去i倍内部产生载波复制品的正弦以及在乘法器22中被乘以负的正弦减去i倍内部产生载波复制品的余弦。这些信号(Cos—iSin)和(—Sin—iCos)分别发生于复制品信号列表的单元45和单元46。目的在于从运载GPS信息的信号中实际提取载频。
加法器37中的信号IES和ILS之和用于生成信号IPS并且加法器38中的信号QES和QLS之和用于生成信号QPS，两个都以10比特表示。这些值被以频率1KHz引入载波环鉴相器42(包络检测)以计算由载波环滤波器43跟随的信号能量。鉴相器特别由8比特乘法器和20比特累加器组成。它是频率和相位锁定回路类型。
平均操作在频率鉴相器上被执行以增加载波跟踪环路的坚固性和准确性。在鉴相器中被提供的累加持续16循环，其相应于16ms。
按照鉴相器的输出和通过滤波器之后，载波44的24比特NCO接收用于校正载频复制品的频率增量(bin)。这一24比特NCO具有阶数为260MHz的频率分辨率。
码和载波的两种控制或者束缚方法在跟踪期间被同步，尽管载波跟踪环路只在卫星信号出现确认之后被更新。
参考图2也应指出由NCO定义的数控振荡器应该足够宽以具有小的频率分辨率，但是这些宽的NCO中相位累加消耗了许多能量，其与低功率GPS接收机结构相反。几个NCO安排可以被提供来尽可能减少它们的功耗，由于它以积分器组成接收机功耗的重要部分。
图3示出建立二维信号复制品的方法图，该信号表示用于码和载波控制环中的相位和频率增量。这一方面允许C/A码相位，另一方面修正的载频通过多普勒效应去除这一频率的残余由在相关级输入端的相关被恢复。
应指出在通过卫星发送射频信号期间，多普勒效应影响载频和C/A码上的所述信号，其意味着码和载波控制环彼此连接以得到接收机接收的PRN码相位和载频的更好的校正精确度。
捕获和跟踪算法需要来自卫星载频的复制品用于解调。可以引起来自移动卫星射频信号的所有发送中固有的±4.5KHz间的频率错误的多普勒效应的去除可以通过适应接收机中进入信号的相位和频率被排除。
由于内部振荡器的不精确或者电离层效应的其它错误被加到单独由于多普勒的错误上。作为通用原则，能够依靠±7.5KHz间的频率偏移。这些错误在捕获和跟踪阶段中可以当然在码环路和载波环路中被校正。
在每个相关恒定时间，PRN码相位被以一步1码片延迟。这允许码被及时偏移以寻找卫星相位偏移。一旦卫星被找到，包括多普勒效应的载频被校正，其出现在载波控制环中。由于接收载频和发生载频间的差异被限制在多于或少于250Hz，几个在不同载频的搜索可以是必要的。在最坏的情况中，需要直到20个搜索来校正载波NCO中的频率。
建立码和载波控制环间的关系，由于在发送射频信号期间，多普勒效应作用于载频和C/A码之上，如前所述。
图4示出相关级中捕获和跟踪卫星信号的流程。这些算法构成了GPS接收机最重要的特征。这些算法被以布线逻辑结构注入控制器，其中当数据传输必须出现在存储单元和算术单元中时相关器控制单元产生一系列到相关器的控制信号。信息被从存储单元中提取，其用于算术单元的操作并且也在捕获和跟踪模式中存储环路链的计算结果或值。缓存寄存器存储在信道各种部分的束缚期间建立的值。
初始化参数被置于缓存寄存器中以使它们能由信道控制器被读出，其被选择来发射捕获和跟踪阶段。来自相关器或控制器的不同参数或信息也被置于这一寄存器中以使它们能被微处理器读出。
在控制环中被累加的信号值或参数的状态由控制器处理，其主要由时钟频率CLK16(272.5KHz)计时。
在1ms即1个恒定时间，积分器计数器提供值IES、ILS、QES和QLS，还有10比特值IPS和QPS，其相应于1ms的累加，假定C/A码由超过1ms时期的1023比特。
参考图4，在步骤100置零之后所有先前存储在控制器或相关器或缓存寄存器中的数据，给出一个开始指令101。环路102的增量抑制被实施并且作出装载PRN码数及建立频率参数的指令。信道可以通过要被搜索的卫星的捕获信号开始。频率或相位增量103被写入相应的NCO。
于是，算法进入休息模式等待预检测积分计数器的中断。中断相应于1ms时期中提供的码控制环中相关信号的第一系列累加值IES、ILS、QLS和QLS(ADO)，其被积分计数器104所提供。直到积分计数器完成计数，即只要ADO不等于1，它就继续其积分。
在这第一系列值之后，如图3所描述的，捕获卫星必须首先被完成。直到跟踪模式105中的一个，即只要跟踪指令不等于1，它进入捕获环路搜索C/A码相位。根据在先和在后相关信号的四个同相及正交相位的能量计算106被执行(能量检测器)。这一计算根据捕获和跟踪操作的状态机通过时钟信号CLK16使用控制器逐步实现。
因为射频信号可能由于故障被中断，执行中断检查107。如果在正常操作情况中中断指令为0，则进行能量电平108与门限值的比较。如果能量不够，C/A码的相位标识和循环数K被重置为1以能够通过中间信号进行产生的C/A码的新相关，为了找到通过中间信号传送的C/A码等价物。
前面描述的环路在电平103被重复直到能量值IES、ILS、QES和QLS大于参考能量门限108。在确定例中，卫星被找到或捕获并且不存在码110的相位标识。相反地，为了肯定卫星被找到且不存在由于控制环中噪声的简单错误，值IES、ILS、QFS和QLS的相关和积分循环必须被重复16遍。如果循环数K在步骤111不同于16，则环路必须通过步骤104、105、106、107、108、110和111被重复。1ms的16循环一出现并且观察到卫星在16存储值的平均值之后被捕获，捕获确认末端即被完成。
在捕获末端，跟踪指令112被置于1且循环计数值重置为1。
在步骤107期间，如果RF级中断被加上，即，如果中断指令等于1，在步骤113执行循环数的增加。循环数的检查出现在步骤114。只要循环数不等于16，步骤105、106、107、113就被重复。一旦循环数等于16，循环数计数115就被置于1并且在步骤116从值IES、ILS、QES和QLS计算的能量与能量门限进行比较。如果能量在参考门限以下，重复步骤104、105、106、107、113、114和115直到能量高于参考门限。在步骤117，中断指令被置为0并且跟踪指令被置为1。
当卫星出现被确认时，跟踪过程能够开始。
跟随步骤112或者117并在通过步骤104之后，由于跟踪指令105等于1，跟踪环路能被得到。本例中，在积分器输出端同相信号和正交相位信号值IPS和QPS的准时能量118的计算出现在载波环鉴相器(包络检测器)。按照捕获和跟踪操作的状态机使用控制器逐步进行计算。
环路119频率增量的确定由循环数K的计数循环增量在步骤120跟随执行。在步骤121，如果1ms的循环数不等于16，如前面码控制环定义的，重复出现在步骤104至步骤121直到在步骤122循环数等于16。这一瞬间以后，循环数K的计数被置于1，并且进行能量计算值IPS和QPS与参考能量门限123的比较。只要能量大于参考门限，从步骤103至123就被重复，每次伴随载波和码频率的校正，目的在于提供中间信号载频的复制品以通过参考图2所述乘法将其抵尝。
值IPS和QPS必须在参考门限以下以能够指示控制器载频特别是多普勒效应被找到。如果在步骤123能量小于能量门限，跟踪指令124被置于0。从这一瞬间，因为能量电平不够，GPS信息数据不再能被解调。
在步骤125，进行试验以找出是否卫星先前被检测。在确定例中，在海岸环路建立增量以努力找到丢失的卫星。相反地，如果卫星未被检测，环路127的增量被重置并且系统继续搜索卫星。从步骤125和步骤127，出现回到步骤103。
在捕获和跟踪阶段通过信道进行的状态机(FSM)的所有操作由控制器和相关器的协作以比特并行结构的控制环自主得到。状态机包括32计算和值存储位置以完成卫星捕获和跟踪期间的所有程序。
参考图5，低功率GPS接收机能够适于任何类型的手表60。所述手表60，本例中为带有模拟时间显示和数字时间显示的手表，包括中间部分62和前盖61组成的一个例子，其上置有石英63，刻度盘65，用于指示时间或方向的指针64，用于驱动指针向前的微型步进发动机66，PCBLCD模块67，至少一个按钮68和安装表带装置69。
GPS接收机装配在手表内。GPS接收机由天线组成，例如用于接收卫星射频信号的微型带状天线71，装配在印刷电路板70上，其中安装在所述接收机的对侧组件72上。组件72由遮板73保护并由位于中间部分62的印刷电路板70之下的锂离子蓄电池74供电。蓄电池75的充电线圈被置于中间部分的底部以能够被磁力耦合到外部设备，图5中未见，允许蓄电池被充电。
当然在本领域那些熟知技术的掌握之内低功率GPS接收机的其它实施例能够在不脱离由权利要求书定义的本发明范围的情况下被描述。大量信道可以被设想，只要它们每个由相关器和控制器组成，具有通过合适的数字信号处理算法以自主方式进行同步的可能性。这一信道被以专用材料设计用于捕获和跟踪特殊卫星。
中间信号象包括1比特同相信号和1比特正交相位信号的合成信号被描述，但是提供象带有若干比特的中间信号也可以被设想。
组成相关级的元件可以承受多重修正以减小接收机的功耗同时保持以每个信道中布线逻辑的形式的数字信号处理算法的注入。
权利要求
1.低功率射频接收机，包括一个天线(2)，用于接收来自卫星的无线频率信号，一个接收和整形级(3)，用于对天线提供的无线频率信号进行接收和整形，一个由多个信道(7’)组成的相关级(7)，每个信道包括一个相关器(8)，所述相关级(7)接收通过接收级(3)整形的中频信号(IF)，一个连接到相关级的微处理器(12)，并且在相关性之后，微处理器试图从卫星发射的无线频率信号中计算作为被提取数据的函数的X，Y和Z的位置，速度和时间数据，特征在于，在每个信道中，具有包括一个数字信号处理算法的与相关器(8)相联系的一个控制器(9)，当信道(7’)开始捕获和跟踪一个卫星的操作时，允许独立地执行所有同步任务，和在相关级(7)和微处理器(12)的接口之间至少有一组输入和输出寄存器(11)，用于接收由微处理器发送到相关级的数据和接收从相关级提供的数据，所述经过寄存器组的数据由低于或等于信息信号频率的信号所组成，以便在不干涉任何同步和相关任务的情况下，微处理器能够执行位置，速度和时间的计算任务。
2.按照权利要求1的射频接收机，特征在于，提供到相关级(7)的中频信号(IF)是一个已经在接收和整形级(3)中被采样和被量化的复合信号，这些复合信号是由一个1比特同相信号分量和一个1比特正交相位信号分量组成的。
3.按照权利要求1的射频接收机，特征在于，控制器以一个比特并行的体系结构作用于C/A码相位和载波频率的控制环。
4.按照权利要求1的射频接收机，特征在于，每个相关器(8)包括一个第一乘法器级(20)，一方面用于让中频信号(IF)与在相关级中数字化生成的复制的载波频率的(Cos-i)Sin相乘，和另一方面用于让中频信号(IF)与该载波频率复制的(-Sin-i)Cos相乘，以便在输出端提供一个第一同相信号(I)和一个第二正交相位信号(Q)，一个第二乘法器级(23)，一方面用于让第一信号(I)与在相关级中数字化生成的卫星C/A码的一个后期复制码进行相关，和另一方面用于让第一信号(I)与卫星C/A码的一个早期复制码进行相关，并且一方面让第二信号(Q)与卫星C/A码的一个后期复制码进行相关和另一方面让第二信号(Q)与卫星C/A码的一个早期复制码进行相关，从第二乘法器级离开的这四个信号的每个信号分别进入到积分计数器(28，29，30，31)，以便提供四个同相和正交相位码信号(IES，IIS，QES和QLS)，每个信号在C/A码相位校正环中至少分布8比特，而且，两个同相码信号(IES和ILS)之和以及两个正交相位码信号(QES和QLS)之和提供了两个载波信号(IPS和QPS)，每个载波信号在载波频率校正环中至少分布8比特。
5.按照权利要求4的射频接收机，特征在于，早期信号相对于后期信号具有半个码片的相位偏移。
6.按照权利要求4的射频接收机，特征在于，码校正环包括相连的一个代码环鉴相器(32)，一个代码环滤波器(33)，一个28比特NCO振荡器(34)，一个连接到2比特寄存器的C/A码生成器，该2比特寄存器把早期和后期的复制码提供给第二乘法器级(23)。
7.按照权利要求4的射频接收机，特征在于，载波频率校正环包括相连接的一个载波环鉴相器(42)，一个载波环滤波器(43)，一个24比特NCO振荡器(44)和两个单元(45和46)，该两个单元用于为第一乘法器级(20)提供由NCO振荡器校正的复制的载波频率的余弦和正弦。
8.按照权利要求1的射频接收机，特征在于，它包括12个信道，每个信道带有一个相关器(8)和一个控制器(9)。
9.按照权利要求1的射频接收机，特征在于，每个信道(7’)的相关器(8)和控制器(9)的第一部分由第一时钟信号(CLK)计时，通过装在接收和整形级(3)中的一个石英振荡器提供该第一时钟信号(CLK)，和相关器(8)和控制器(9)的第二部分由第二时钟信号(CLK16)计时，第一时钟信号的频率比第二时钟信号的频率大16倍。
10.按照权利要求1的射频接收机，特征在于，为每个信道提供一组寄存器(11)。
11.按照权利要求1或10的射频接收机，特征在于，相关级(7)，一组或多组寄存器(11)和微处理器(12)是由一个单一的半导体衬底制造的。
12.包括按照上述任一权利要求的射频接收机的手表，特征在于，射频接收机(1)被放在表壳中，并且通过为钟表功能的电子元件供电的一个能量蓄电池或一个电池来供电。
全文摘要
低功率射频接收机(1)包括天线(2),用于由天线提供的射频信号的接收和整形级(3),接收由接收级(3)整形的中间信号(IF)的12个信道相关级(7),连接到相关级的微处理器(12)用于计算X、Y和Z位置、速率及时间数据,作为射频信号提供的数据函数,象GPS信号,由卫星发送。每个信道包括与控制器(9)相关联的相关器(8),其也包括数字信号处理算法以允许捕获和跟踪卫星的所有同步任务被自主执行,当信道(7’)被设定为操作,并锁定在卫星上。缓存寄存器(11)被置于相关级(7)和微处理器(12)之间的界面用于交互传输数据。低功率射频接收机可以被装配于手表中并由所述手表的能量蓄电池或电池供电。
文档编号H04B1/707GK1331515SQ0112482
公开日2002年1月16日 申请日期2001年7月4日 优先权日2000年7月4日
发明者P·-A·法里纳, J·D·埃蒂恩尼, R·里姆-维斯, E·菲罗兹 申请人:阿苏拉布股份有限公司