专利名称：一种GPS/Galileo双模接收机中的捕获引擎结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及全球定位系统技术领域，尤其涉及一种GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构。
背景技术：
GPS全球定位系统全称为“授时与测距导航系统/全球定位系统”(Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System, NAVSTAR GPS)，是美国国防部为军事目的而建立的，旨在彻底解决海上、空中和陆地运载工具的导航和定位的一套卫星定位系统。GPS的空间卫星星座由M颗卫星组成，这些卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面上有4颗卫星。每颗卫星每天约有5小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。每一颗GPS卫星所发送的GPS信号都是直接序列扩频信号。商业上使用的信号与标准定位服务(SPQ有关，称为粗码(C/A码) 的直接序列二相扩频信号，在1575. 42MHz的载波下，具有每秒1. 023兆码片的速率。伪随机噪声(PN)序列长度是1023个码片，对应于1毫秒的时间周期。每一颗卫星发射不同的 PN码(Gold码)，使得信号能够从几颗卫星同时发送，并由一接收机同时接收，相互间几乎无干扰。1999年欧盟公布了 Galileo计划，Galileo系统由30颗卫星构成所谓的沃克 (Walker)星座，分布于额定倾角为56度的三个轨道面上。每个轨道面均勻布设9颗工作卫星，间隔40度，另设1颗备份卫星，用以替代失效的工作卫星。第一颗Galileo测试卫星 GIOVE-A在2005年12月发射，第二颗(ialileo测试卫星GIOVE-B在2008年4月发射。为减小对GPS信号的干扰，Galileo信号采用裂谱调制方式，也就是二进制偏移载波调制方式 (Binary Offset Carrier,B0C) 其中 Galileo E1B/E1C 信号采用 CB0C(6，1，1/11)调制方式，包含两种子载波频率，其中B0C(1，1)信号的功率占总功率的10/11，而B0C(6，1)信号的功率占总功率的1/11。feilileoElB/EIC信号的扩频码长度为4092，码速率为1. 023MHz，码周期为細S。Galileo和GPS星座系统的联合定位能提供更好的定位精度，在可用性、连续性和完好性方面的保障也将远比单一 GPS好。比如，Galileo与GPS配合使用可大幅提高导航卫星的可用性，例如在30°截止高度角的城市环境下，GPS接收机的可用性是80% (3颗卫星可视)，而(ialileo/GPS兼容接收机的可用性可以达到95% (7颗卫星可视)。可以预测在Galileo星座完善之后，双模接收机接收机将会占据市场主流。为了改善捕获灵敏度以及接收机的启动时间，大部分卫星导航接收机芯片内部都含有强大的捕获引擎，而捕获引擎一般都会占据整个芯片面积的1/4以上。对于GPS/ Galileo双模接收机，若设计两个捕获引擎，一个捕获GPS信号，一个捕获(ialileo信号，显然会造成芯片成本的显著提升，因此设计兼容GPS/felileo信号的双模捕获引擎是更为合理的选择。如何选择兼容GPS/felileo信号的捕获算法以及保证硬件规模在可以接受的范围内是GPS/felileo双模接收机的一个核心技术。本发明下文中如无特指，GPS信号即表示 GPS L1C/A 信号，Galileo 信号即表示 Galileo E1B/E1C 信号。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，以对不同强度的GPS L1C/A信号和(ialileo E1B/E1C信号的捕获。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，该捕获引擎结构包括带通滤波器101、抽样电路102、带通滤波器系数寄存器103、载波剥离电路104、匹配滤波器105、RAM106、捕获门限计算与判决电路107、扩频码周期计数器 108、载波NCO寄存器109、码NCO寄存器110、码装载器111、码初相寄存器112、选择器113、 C/A码发生器114、内存115和载波发生器116，其中，该捕获引擎结构利用GPS Ll波段C/A 码长度与(Galileo E1B/E1C扩频码长度都是1023的整数倍，实现对不同强度的GPS L1C/A 信号和(Galileo E1B/E1C信号的捕获。上述方案中，所述带通滤波器101用于接收外部输入的数字中频信号，并对接收的数字中频信号进行带通滤波处理，得到GPS或者Galileo信号，然后将得到的GPS或 Galileo信号输出给抽样电路102。上述方案中，所述抽样电路102用于对带通滤波器101输入的GPS或(ialileo信号进行半码片采样，并向载波剥离电路104输出速率为2. 046MHz的信号。上述方案中，所述带通滤波器系数寄存器103用于配置带通滤波器101的带宽和中心频率，其中，配置的捕获GPS的滤波器系数与捕获(ialileo信号的滤波器系数是不同的。上述方案中，所述载波剥离电路104用于对抽样电路102输入的信号进行载波剥离，分成I、Q两路，输出给移位寄存器。上述方案中，所述匹配滤波器105用于对移位寄存器存储的数据进行解扩频和累加，并将累加结果存于RAM106中。上述方案中，所述RAM106用于存储匹配滤波器105输出的累加结果。上述方案中，所述捕获门限计算与判决电路107用于查找RAM106中的最大值，并根据RAM106中保存的所有码相位的累加值算出捕获门限，并将该最大值与该判决门限进行比较，最大值超过判决门限时，捕获成功；反之捕获失败。上述方案中，所述扩频码周期计数器108用于计算扩频码的周期，以控制抽样电路102工作与否，当捕获GPS卫星时，该抽样电路一直在工作；当捕获felileo卫星时，该扩频码周期计数器计数范围为0至3，在计数器计到1、2和3时抽样电路均不工作。上述方案中，所述载波NCO寄存器109用于接收DSP处理器配置的载波频率，以进行换频点操作。上述方案中，所述码NCO寄存器110用于接收DSP处理器配置的码频率，以进行换码频点操作。上述方案中，所述码装载器111用于接收并存储从选择器113输出的码，匹配滤波器105在解扩频过程中将会用到码装载器中111存储的码。
上述方案中，所述码初相寄存器112用于配置C/A码发生器114以生成对应的要捕获的卫星的PN码，经选择器113后输出给码装载器111。上述方案中，所述选择器113用于选择是GPS卫星的PN码还是Galileo卫星的 Memory Code码，捕获GPS卫星还是feilileo卫星是由DSP软件决定的。DSP软件根据具体情况分析，配置控制字控制选择器到底是选择GPS卫星的PN码还是foil i Ieo卫星的Memory Code 码。上述方案中，所述C/A码发生器114用于根据码初相寄存器112的输出结果生成对应GPS卫星的PN码。上述方案中，所述内存115用于保存DSP处理器配置的Galileo卫星的PN码。上述方案中，所述载波发生器116用于将载波NCO寄存器109的相位值进行正弦和余弦映射，其输出结果与抽样电路102的输出结果进行相乘。上述方案中，当该捕获引擎结构捕获GPS信号时，DSP处理器根据数字中频的载波频率和采样率计算带通滤波器101系数，然后配置带通滤波器系数寄存器103，使得带通滤波器101通带带宽为2MHz ；DSP处理器配置扩频码周期计数器108和码NCO寄存器110，使得抽样电路102按照2. 046MHz的速率进行下采样；信号经过载波剥离电路104分成I、Q两路，进入匹配滤波器105 ；载波发生器116的载波频率由载波NCO寄存器109控制；DSP处理器通过配置码初相寄存器112配置C/A码发生器114，通过选择器113选入码装载器111 ； 捕获的中间结构存入RAM106 ；捕获门限计算与判决电路107通过统计RAM保存的累加值计算出捕获门限并给出是否捕获到信号的判决。上述方案中，当该捕获引擎结构捕获Galileo信号时，DSP处理器根据数字中频的载波频率和采样率计算带通滤波器系数，然后配置带通滤波器系数寄存器103 ；DSP处理器配置扩频码周期计数器108和码NCO寄存器110，使得抽样电路102按照2. 046MHz的速率进行下采样，扩频码周期计数器108还能给出当前正在捕获是felileo信号的扩频码相位信息，并确保遍历完所有的(Galileo扩频码相位；信号经过载波剥离电路104分成I、Q两路，进入匹配滤波器105 ；载波发生器的载波频率由载波NCO寄存器109控制；由于(ialileo 扩频码没有提供码发生器，DSP处理器将(ialileo扩频码直接写入内存115，通过选择器113 选入码装载器111 ；捕获的中间结构存入RAM106 ；捕获门限计算与判决电路107通过统计 RAM保存的累加值计算出捕获门限并给出是否捕获到信号的判决。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、本发明提供的这种GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，可通过软件配置实现对不同强度的GPS L1C/A信号和(ialileo E1B/E1C信号的捕获。实验证明该捕获引擎可实现对低至-147daii的GPS L1C/A信号捕获和对33dBHz的(ialileo E1B/E1C信号(等效-138dBm的(ialileoElB/ElC信号功率)的并行捕获。2、本发明提供的这种GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，使用了可变系数带通滤波器。在捕获GPS信号时，配置带通滤波器中心频率为数字中频频率，带宽为 2MHz ；在捕获(Galileo信号时，配置带通滤波器中心频率为数字中频频率加1. 023MHz，使得滤波器对准Galileo信号的一个边带，带宽为2MHz。这使得在捕获GPS信号和Galileo信号时都能获得较好的滤波结果，以提升捕获性能。
3、本发明提供的这种GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，是基于匹配滤波器单元实现的，利用了 GPS Ll波段C/A码长度与(ialileoElB/ElC扩频码长度都是1023 的整数倍的特点，可实现GPS信号的码域并行捕获和Galileo信号码域的1/4并行捕获，避免了 FFT操作。4、本发明提供的这种GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，可利用匹配滤波器单元的非相干累加RAM统计噪声方差，与软件设置的门限系数相乘计算捕获门限，进而进行捕获判决，该门限可保证系统的恒虚警率。5、本发明提供的这种GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，所述的捕获引擎最小时钟频率仅为12MHz，在SMIC0. 18微米工艺下的综合面积为3. 5mm2，是一款低成本低功耗的双模捕获引擎。
下面通过举例和并非作为限制的附图来描述本发明，图中相同的标号所表示的意义相同。图1是依照本发明实施例的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构的示意图；图2是依照本发明实施例的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构中捕获门限计算与判决电路的示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明给出了一种基于匹配滤波器单元(Matched Filter Unit, MFU)的GPS/ Galileo双模接收机中的捕获引擎结构，能够捕获双模GNSS信号，包括GPS L1C/A信号和 Galileo E1B/E1C信号。MFU在时域并行捕获扩频码相位，避免了 FFT操作。GPS L1C/A信号与(ialileo E1B/E1C信号的扩频码长度都是1023的整数倍，码相位的搜索精度通常是半码片。本发明设计的MFU以两组2046长度的移位寄存器为基本单元。MFU可直接用于捕获 GPS L1C/A信号，当捕获(ialileo E1B/E1C信号时，MFU被配置每次搜索1023个码相位，直至搜索完4092个码相位。假设接收机接收的一路GPS卫星信号为
r(t) = AD (t) c (t) cos (2 π fct) +η (t) (1)此处D(t)表示卫星电文数据，c(t)表示C/A码，f。表示中频载波频率，A表示信号幅度。假设接收机接收的一路(ialileo卫星信号为r (t) = AD (t) BOC (t) cos (2 π fct) +η (t) (2)此处BOC (t) = c (t) sign (sin (2 π fsct)) (3)这里c(t)表示扩频码，sign(.)表示符号函数，fs。表示子载波频率。把sign(.) 进行傅里叶展开可得到
权利要求
1.一种GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于，该捕获引擎结构包括带通滤波器(101)、抽样电路(102)、带通滤波器系数寄存器(103)、载波剥离电路(104)、 匹配滤波器(105)、RAM(106)、捕获门限计算与判决电路(107)、扩频码周期计数器(108)、 载波NCO寄存器(109)、码NCO寄存器(110)、码装载器(111)、码初相寄存器(112)、选择器 (113)、C/A码发生器(114)、内存(115)和载波发生器(116)，其中，该捕获引擎结构利用GPS Ll波段C/A码长度与(ialileoElB/ElC扩频码长度都是1023的整数倍，实现对不同强度的 GPS L1C/A信号和felliIeo E1B/E1C信号的捕获。
2.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于，所述带通滤波器(101)用于接收外部输入的数字中频信号，并对接收的数字中频信号进行带通滤波处理，得到GPS或者Galileo信号，然后将得到的GPS或Galileo信号输出给抽样电路(102)。
3.根据权利要求1所述的GPS/Galileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于，所述抽样电路(102)用于对带通滤波器(101)输入的GPS或(ialileo信号进行半码片采样， 并向载波剥离电路(104)输出速率为2. 046MHz的信号。
4.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于，所述带通滤波器系数寄存器(103)用于配置带通滤波器(101)的带宽和中心频率，其中，配置的捕获GPS的滤波器系数与捕获Galileo信号的滤波器系数是不同的。
5.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于，所述载波剥离电路(104)用于对抽样电路(102)输入的信号进行载波剥离，分成I、Q两路，输出给移位寄存器。
6.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于，所述匹配滤波器(105)用于对移位寄存器存储的数据进行解扩频和累加，并将累加结果存于 RAM (106)中。
7.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于，所述RAM(106)用于存储匹配滤波器(105)输出的累加结果。
8.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于，所述捕获门限计算与判决电路(107)用于查找RAM(106)中的最大值，并根据RAM(106)中保存的所有码相位的累加值算出捕获门限，并将该最大值与该判决门限进行比较，最大值超过判决门限时，捕获成功；反之捕获失败。
9.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于，所述扩频码周期计数器(108)用于计算扩频码的周期，以控制抽样电路(102)工作与否，当捕获GPS卫星时，该抽样电路一直在工作；当捕获(ialileo卫星时，该扩频码周期计数器计数范围为0至3，在计数器计到1、2和3时抽样电路均不工作。
10.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于， 所述载波NCO寄存器(109)用于接收DSP处理器配置的载波频率，以进行换频点操作。
11.根据权利要求1所述的GPS/Galileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于， 所述码NCO寄存器(110)用于接收DSP处理器配置的码频率，以进行换码频点操作。
12.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于， 所述码装载器(111)用于接收并存储从选择器(11 输出的码，匹配滤波器(10 在解扩频过程中将会用到码装载器中(111)存储的码。
13.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于， 所述码初相寄存器(112)用于配置C/A码发生器(114)以生成对应的要捕获的卫星的PN 码，经选择器(11 后输出给码装载器(111)。
14.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于， 所述选择器(11 用于选择是GPS卫星的PN码还是feilileo卫星的Memory Code码。
15.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于， 所述C/A码发生器(114)用于根据码初相寄存器(112)的输出结果生成对应GPS卫星的PN 码。
16.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于， 所述内存(115)用于保存DSP处理器配置的GaliIeo卫星的PN码。
17.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于， 所述载波发生器(116)用于将载波NCO寄存器(109)的相位值进行正弦和余弦映射，其输出结果与抽样电路(102)的输出结果进行相乘。
18.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于， 当该捕获引擎结构捕获GPS信号时，DSP处理器根据数字中频的载波频率和采样率计算带通滤波器(101)系数，然后配置带通滤波器系数寄存器(103)，使得带通滤波器(101)通带带宽为2MHz ；DSP处理器配置扩频码周期计数器(108)和码NCO寄存器(110)，使得抽样电路(102)按照2. 046MHz的速率进行下采样；信号经过载波剥离电路(104)分成I、Q两路， 进入匹配滤波器(105)；载波发生器(116)的载波频率由载波NCO寄存器(109)控制；DSP 处理器通过配置码初相寄存器(11 配置C/A码发生器(114)，通过选择器(11 选入码装载器(111)；捕获的中间结构存入RAM(106)；捕获门限计算与判决电路(107)通过统计RAM 保存的累加值计算出捕获门限并给出是否捕获到信号的判决。
19.根据权利要求1所述的GPS/felileo双模接收机中的捕获引擎结构，其特征在于， 当该捕获引擎结构捕获Galileo信号时，DSP处理器根据数字中频的载波频率和采样率计算带通滤波器系数，然后配置带通滤波器系数寄存器(10 ；DSP处理器配置扩频码周期计数器(108)和码NCO寄存器(110)，使得抽样电路(102)按照2. 046MHz的速率进行下采样， 扩频码周期计数器(108)还能给出当前正在捕获是felileo信号的扩频码相位信息，并确保遍历完所有的(Galileo扩频码相位；信号经过载波剥离电路(104)分成I、Q两路，进入匹配滤波器(105)；载波发生器的载波频率由载波NCO寄存器(109)控制；由于(Galileo扩频码没有提供码发生器，DSP处理器将(ialileo扩频码直接写入内存(115)，通过选择器(113) 选入码装载器(111)；捕获的中间结构存入RAM(106)；捕获门限计算与判决电路(107)通过统计RAM保存的累加值计算出捕获门限并给出是否捕获到信号的判决。
全文摘要
本发明公开了一种GPS/Galileo双模接收机中的捕获引擎结构，该捕获引擎结构包括带通滤波器、抽样电路、带通滤波器系数寄存器、载波剥离电路、匹配滤波器、RAM、捕获门限计算与判决电路、扩频码周期计数器、载波NCO寄存器、码NCO寄存器、码装载器、码初相寄存器、选择器、C/A码发生器、内存和载波发生器，其中，该捕获引擎结构利用GPSL1波段C/A码长度与Galileo E1B/E1C扩频码长度都是1023的整数倍，实现对不同强度的GPS L1C/A信号和Galileo E1B/E1C信号的捕获。该捕获引擎能捕获低至-146dBm的GPS信号和低至33dBHz的Galileo E1B/E1C信号(等效Galileo E1B或E1C信号功率为-138dBm)。捕获引擎在SMIC0.18微米工艺下面积为3.5mm2，捕获引擎最低工作频率仅需12MHz，可工作在12MHz～50MHz范围内任意工作频率。
文档编号G01S19/24GK102207550SQ20111008236
公开日2011年10月5日 申请日期2011年4月1日 优先权日2011年4月1日
发明者巴晓辉, 李健, 陈杰 申请人:中国科学院微电子研究所