CN100427965C - Gps接收机中频率偏移的自调整 - Google Patents

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Abstract

一种全球定位系统(GPS)接收机(102)，具有参考振荡器(114)，用于合成信号，从而通过GPS下变频器(110)接收和获取GPS卫星信号。制造接收机(204)时，测试接收机并确定振荡器的工厂频率偏移(206)。发现在用于连接接收机部件的回流焊中使用的热导致振荡器设备，诸如晶体的工作频率显著漂移。此外，在制造接收机之后的短时间内，振荡器的频率又漂移回其原始的工作频率，因此用于搜索GPS载波的窄搜索窗是不充分的，很可能使得接收机不能定位所需的载波信号。本发明采用，在制造之后一段时间，当振荡器频率固定下来，以及单元第一次开机时，主动通过宽搜索窗来使用接收机(212)，以确定工作频率偏移。然后，对于后续定位操作，使用窄搜索窗(222)。

Description

GPS接收机中频率偏移的自调整
技术领域
本发明一般涉及使用卫星信号的位置确定设备，更具体涉及卫星定位接收机，其具有在接收机制造期间引入的频率误差，而且其中这样的误差在制造接收机之后的一段时间里发生了变化。
背景技术
卫星定位接收机已经使用了很多年，现在已经通过集成电路的形式实现，使其相对于许多年前的尺寸和花费来说小型和低廉。因此，卫星定位接收机正用于比过去更多的应用中。例如，现在相对来说很普遍地在汽车中使用卫星定位接收机，与映射和导航设备一同使用。
当前，在其最普遍的形式中，卫星定位接收机提供为集成电路形式，并且需要额外的某些外围电路，诸如参考振荡器。当然，可以向参考振荡器提供稳定和精确的振荡器电路。通常，热稳定性和精确度是跟花销紧密相关的。也就是说，想要振荡器电路越稳定和精确，通常就得花越多的钱。但是，在对花销敏感的消费电子设备中，希望使用不那么昂贵的电路。
在较低廉的实现振荡器的方法中，对于这样的花销，晶体振荡器相对比较稳定和精确。尽管也还存在其他的低廉和简单的振荡器方法，晶体振荡器是电子设备中使用最为广泛的电路之一。对于大多数消费电子产品来说，晶体振荡器足够稳定和精确，并且通常不需要校正。但是，通常对于晶体振荡器以及其他类型的振荡器来说，需要指定以若干部分每百万形式(in parts per million)测量的频率精确度。例如，正常工作频率为10兆赫兹(MHz)的晶体振荡器，其误差为±5部分每百万(5ppm)，其具有的频率误差为±50Hz。尽管与额定频率相比很小，但在对频率敏感的应用中这是不可接受的误差，诸如在通信应用中，信道都是由频率指定的。50Hz的误差可以轻易地导致通信信号漂移到所需信道旁边的信道。
存在许多技术用于校正频率误差。这些技术不是排他的，所以它们的校正效果综合起来用于建立精确的参考振荡器。例如，可获得更精确的振荡器，因此不用使用5.0ppm的振荡器设备，设计者可以选择使用具有0.5ppm精确度的更低容差零件。一种普遍的技术是使用自动频率校正(AFC)。AFC可以由各种技术实现。通信设备中的许多普遍技术中的一种是，设备接收精确载波信号，并将其内部振荡器频率与接收的精确载波进行比较，以确定频率误差或偏移。偏移用于校正参考振荡器频率，例如，通过频率合成器或者设备内的其他与频率相关的操作。
尽管使用了更精确的振荡器设备，人们发现，作为制造过程的结果，振荡器设备的频率可能比其规定的容差变化得更大。例如，0.5ppm可以在很短时间内相对温度而应用，但是晶体可以由于老化和/或机械震动而在更长时间周期内经历更大的改变。具体地说，例如，当晶体振荡器设备暴露于强热时，诸如在电路板回流焊期间，具有0.5ppm指定容差的晶体可以改变十倍之多，即5.0ppm。而且，暴露于高热下之后一段时间，晶体频率将继续改变回其额定频率。这个时间周期典型地可持续约2天，然后晶体频率将固定下来，此后频率变化相对较小，只要设备不暴露在任何高温下。这个频率变化将导致问题，因为在设备制造之后通常要测试和调谐。如果在制造后很短时间内就测试和调谐设备的话，调谐将会无效，因为到用户准备使用该设备时，振荡器的工作频率将已经从刚制造后的频率变化了。通常期望改变频率，在接收信号的设备中，有着设备搜索以获取载波信号的频率范围，然后设备将校正其频率偏移，如果需要。但是，人们发现，在某些情况下，在设备初始测试时和端用户第一次使用时之间，频率改变如此大，以至于搜索窗不够宽到定位想要的载波信号。可以使用更宽的搜索窗，但是更宽的搜索窗增加了设备搜索想要的载波信号的时间量。因此，需要一种方法，通过这种方法，可调整适应设备制造之后的振荡器频率变化，而不会在正常工作期间影响搜索时间。
附图说明
图1显示了根据本发明的全球定位卫星(GPS)接收机的示意框图；和
图2显示了根据本发明，自校正GPS接收机中频率偏移的方法的流程图。
具体实施方式
尽管本发明是以权利要求书限定本发明的具有新颖性的技术特征的，但是发明人相信，通过考虑下面的具体说明并结合附图，将更好地理解发明，在附图中相似的参考标号可用于多页。
本发明通过使用两个不同的搜索窗频率范围来解决问题。通过使用在制造接收机之后接收机测试期间确定的频率误差设定，最初结合工厂设定频率误差或偏移使用宽搜索窗。一旦获取了所需的载波，确定新的频率偏移，在此后使用窄频率搜索窗。在本发明一个实施例中，在设备在工厂测试之后的第一次开机时采取该步骤。在本发明另一实施例中，如果接收机没有使用宽频率搜索窗检测到或获取所需的载波，显示消息给接收机的用户，假设用户在室内或者有障碍的位置的话，就移动接收机到面向天空的开阔位置。
现在参考图1，根据本发明，显示了全球定位卫星(GPS)接收机102的示意框图100。GPS接收机具有前端，包括天线104、滤波器106和放大器108。调谐前端部件以接收和放大在卫星112广播的所需频带中接收的信号。应该注意到，尽管这里讨论的示例实施例属于GPS系统，但是，本发明将同等地适用于其他接收机应用，包括其他卫星定位系统。放大器108提供滤波和放大后的信号给GPS下变频器110。下变频器包括频率合成器和下混频器，使用来自参考振荡器114的参考信号合成GPS频带内的频率。尽管GPS卫星都在相同频率广播，它们当前的位置和相对接收机的移动方向会导致接收信号中的多普勒(Doppler)漂移，如本领域所公知。实际上，多普勒误差的确定用于接收机位置的计算中。合成的信号与从前端接收的信号混频以产生基带信号，将基带信号同下变频器所使用的与当前多普勒误差相关的信息一起馈送到GPS基带处理器116。基带处理器进行校正，以确定GPS信号是否正在当前由GPS下变频器合成的频率接收。考虑参考振荡器的偏移误差，它是由控制器118从存储器120中提取偏移误差而提供的。但是，当获取了足够数量的卫星信号时，GPS基带处理器可以确定当前偏移是否正确。如果不正确，将新偏移传递到控制器，控制器将新偏移存储在存储器中。控制器还将搜索窗参数传递到GPS基带处理器，确定基带处理器所搜索的频率范围。
在优选实施例中，参考振荡器114是晶体振荡器，诸如温度补偿晶体振荡器。在可替换的接收机设计中，控制器可以通过通信接口122监控振荡器，并通过数模转换器(DAC)124调整振荡器的频率。控制器提供数字值给DAC，DAC将数字值转换成控制电压。以本领域公知的方法将控制电压施加到振荡器上，以调整参考振荡器。
位置确定设备，诸如GPS接收机的一种所需的应用是，在移动通信设备中使用GPS接收机。能够GPS的移动通信设备在紧急情况下特别有用，此时用户可能不知道其位置或者不能够将其位置告诉紧急服务操作者。
典型的移动通信设备包括天线，用于发送和接收RF信号。天线连接到收发机128。收发机包括放大器、上混频器、下混频器、频率合成器、AFC、信号处理电路等等，如本领域所公知。收发机在控制器118的控制下工作，并结合音频处理器130一起工作。音频处理器通过扬声器132播放从收发机接收的语音信号，通过麦克风134接收移动通信设备用户发出的语音信号。用户接口136包括诸如显示器和键盘及其他按钮的一般组件，允许用户操作移动通信设备和GPS接收机。移动通信设备与基站138通信，基站138在基站附近建立服务小区或服务区域。由于在自主模式(没有帮助)获取定位的时间可以远远长于紧急情况中所希望的时间，希望通过发送信息经由移动通信设备与基站的链路到GPS接收机来帮助GPS接收机。帮助信息可以从本地GPS接收机140中获得，也可以从基站通过网络可访问的位置帮助服务器142获得。帮助信息包括例如，用于当前卫星的天文历信息、频率校正等等。但是，根据本发明，GPS接收机的参考振荡器114不是通过来自蜂窝基站的帮助而校正的，也不是通过其他与基站所连接的无线通信服务网络相关的方法校正的。
现在参看图2，根据本发明，显示了自校正GPS接收机中的频率偏移的方法的流程图200。在方法的开始202，接收机从部件开始组装，包括振荡器装置，诸如晶体振荡器。在接收机的制造(204)期间，接收机经历了强热，诸如回流焊，其导致振荡器设备的工作频率漂移。在制造接收机之后，接收机被充分冷却，进行测试和调谐。在工厂测试期间，向接收机馈送精确载波信号，使得可以确定其参考振荡器的频率偏移(206)。这个初始频率偏移被称为工厂频率偏移。该偏移是表示参考振荡器实际当前工作频率与额定频率之差的数值。一旦确定了工厂频率偏移，就将其储存在接收机的非易失性存储器中，或者，如果GPS接收机是安装在移动通信设备中的，就储存在移动通信设备的非易失性存储器中。
典型地，在制造之后，接收机暂时储存起来，然后运送(208)到商店或者可能直接运送给顾客。在制造和端顾客接收之间的时间周期如果不长的话，通常为大约几天。在这个不活动期间，人们已经发现，振荡器的工作频率将显著漂移，典型地将漂移超过其相对温度的额定频率容差。也就是说，即使振荡器设备可能额定为相对温度0.5ppm容差，在这个初始固定周期，其可能漂移多达5.0ppm。如果载波的典型搜索是以工厂频率偏移进行的，接收机可能不会检测到所想要的载波，因为参考振荡器的频率变化得太大，并且因为这样的搜索通常限制在某些预设窗或范围的频率范围内。如果接收机没有在频率窗内找到所想要的载波，就假定不存在载波。因此，根据本发明，接收机开始使用宽频率范围搜索窗212确定工作频率偏移(210)。宽搜索窗的宽度(频率范围)是根据特定设计而选取的。振荡器响应制造过程和制造之后紧接着时间内的后续频率漂移。在本发明优选实施例中，振荡器是温度补偿晶体振荡器，具有0.5ppm的容差，宽搜索窗具有5.0ppm的范围。一旦开始初始搜索来确定新频率偏移(称为工作频率偏移)，接收机必须获取GPS卫星信号214。接收机是通过使用工厂频率偏移开始搜索，搜索生成频率周围的频谱并且在宽搜索窗之内而做到这一点的。接收机可以提示接收机的用户(216)将接收机移动到晴空或者没有障碍的位置来帮助获取卫星信号。在接收机第一次试图获取GPS卫星信号时，提示可以是程序并且是自动的，或者可以在搜索了整个搜索窗而没有找到GPS卫星载波信号时提示。提示可以轻易地通过例如在接收机的显示器上或包含接收机的移动通信设备的显示器上显示消息来实现。另外，也可使用音频信号，或者与文本消息一同传递。一旦接收机获取了GPS卫星信号，就可以确定参考振荡器的当前频率偏移。此时确定的频率偏移变成了用于后续操作(220)的工作频率偏移，经过小的变化，并且储存在用于接收机的非易失性存储器中。期望这个频率偏移基本上不同于工厂频率偏移。而且，因为期望振荡器频率从此以后相对稳定，变化不超过指定的振荡器设备容差，对于后续定位操作应该使用更窄的搜索窗222。窄频率搜索窗不需要比振荡器设备的正常工作容差宽。在优选实施例中，使用0.5ppm温度补偿振荡器，窄搜索窗的频率范围不超过振荡器额定频率0.5ppm，或者其范围基本上等于在参考振荡器温度上指定的频率容差。在后续定位操作中，接收机可能使用某些帮助信息(224)，这些帮助信息例如从蜂窝移动通信网络中获得，如本领域所公知。在后续定位操作期间，如前所述，可改变频率偏移，其中，将储存新的频率偏移。如果在使用窄频率搜索范围时检测到了信号，但是该信号被认为是弱信号，则GPS接收机可以提示用户移动到不受阻碍的位置来增加信号的强度并且减少定位时间。而且，当使用窄频率范围搜索窗搜索时，如果没有找到信号，GPS接收机可以回复(225)到使用宽频率范围搜索窗。在本发明一个实施例中，GPS接收机集成到了移动通信设备中用于结合紧急服务定位。因为需要很长的时间来获得第一定位(fix)，所以考虑在移动通信设备第一次开机时进行第一定位。通过定位，意味着确定了设备的当前位置，因此确定了当前频率偏移误差。此外，可以为设备存储器中能够储存的偏移误差定下时间，如果自从GPS接收机上次使用过之后过去了一定时间，GPS接收机就可以开始使用宽频率范围窗进行搜索。
因此，本发明提供了一种在全球定位系统(GPS)接收机中进行频率偏移自调整的方法，用来校正在制造GPS接收机期间引入的频率误差，开始于确定GPS接收机的参考振荡器在制造GPS接收机时的工厂频率偏移。在确定工厂频率偏移之后，接收机开始使用工厂频率偏移和宽频率范围搜索窗搜索GPS卫星信号，用于获取GPS卫星信号。一旦获取了GPS信号，接收机开始确定GPS接收机的参考振荡器相对GPS卫星信号频率的工作频率偏移。对于随后的定位操作，接收机使用窄频率范围搜索窗来获取卫星信号。在本发明的优选实施例中，参考振荡器具有额定频率，确定工作频率偏移是以设定在至少3.0部分每百万的参考振荡器的额定工作频率的宽频率窗范围完成的。本发明特别适用于晶体振荡器，包括温度补偿晶体振荡器。本发明可包括，一旦开始搜索GPS信号，在GPS接收机的显示器(包括移动通信设备的显示器，因为GPS接收机可以集成在移动通信设备中)上显示消息，指示GPS接收机的用户将GPS接收机移动到不受阻碍的位置。显示消息可以自动完成，或者在搜索GPS卫星信号而在一段时间后没有找到GPS卫星信号之后完成。
尽管描述和说明的是本发明的优选实施例，应该明白，本发明并不仅限于此。本领域技术人员可以发现许多修改、变化、变形、替换和等价，而不会背离本发明如权利要求所限定的精神和范围。

Claims (13)

1.一种在GPS接收机中进行频率偏移的自调整的方法，用来校正GPS接收机的参考振荡器的频率误差，该方法包括：
制造GPS接收机时就确定GPS接收机的参考振荡器的工厂频率偏移；
在确定工厂频率偏移之后，使用工厂频率偏移和宽频率范围搜索窗来搜索GPS卫星信号；
在开始搜索GPS信号之后，获取GPS卫星信号；
一获取GPS信号，就确定GPS接收机的参考振荡器相对于GPS卫星信号的频率的工作频率偏移；和
一确定工作频率偏移，就在此后使用窄频率范围搜索窗来在随后获取GPS卫星信号。
2.如权利要求1所述的在GPS接收机中进行频率偏移的自调整的方法，其中，确定工作频率偏移是通过宽频率范围搜索窗而进行的，所述宽频率范围搜索窗设置得比参考振荡器相对温度的指定频率容差更宽。
3.如权利要求1所述的在GPS接收机中进行频率偏移的自调整的方法，其中，确定频率偏移是通过确定工厂频率偏移而进行的，确定工作频率偏移是通过确定参考晶体振荡器的频率偏移而进行的。
4.如权利要求3所述的在GPS接收机中进行频率偏移的自调整的方法，其中，确定频率偏移是通过确定工厂频率偏移而进行的，确定工作频率偏移是通过确定温度补偿参考晶体振荡器的频率偏移而进行的。
5.如权利要求1所述的在GPS接收机中进行频率偏移的自调整的方法，其中，一确定工作频率偏移，此后就使用等于参考振荡器相对温度的频率容差的频率范围搜索窗来在随后获取GPS卫星信号。
6.如权利要求1所述的在GPS接收机中进行频率偏移的自调整的方法，其中，一开始搜索GPS信号，就在GPS接收机的显示器上显示消息，指示GPS接收机的用户将GPS接收机移动到不受阻碍的位置。
7.如权利要求1所述的在GPS接收机中进行频率偏移的自调整的方法，进一步包括：
在搜索GPS卫星信号但在一段时间后未发现GPS卫星信号之后，在GPS接收机的显示器上显示消息，指示GPS接收机的用户将GPS接收机移动到不受阻碍的位置。
8.一种在具有GPS接收机的移动通信设备中进行频率偏移的自调整的方法，用来校正GPS接收机的参考振荡器的频率误差，该方法包括：
制造GPS接收机时就确定GPS接收机的参考振荡器的工厂频率偏移；
在确定工厂频率偏移之后，使用工厂频率偏移和宽频率范围搜索窗来搜索GPS卫星信号；
在开始搜索GPS信号之后，获取GPS卫星信号；
一获取GPS信号，就确定GPS接收机的参考振荡器相对于GPS卫星信号的频率的工作频率偏移；和
一确定工作频率偏移，就在此后使用窄频率范围搜索窗和从移动通信设备外的源接收的帮助信息来在随后获取GPS卫星信号。
9.如权利要求8所述的在具有GPS接收机的移动通信设备中进行频率偏移的自调整的方法，其中，确定工作频率偏移是通过宽频率窗范围搜索窗而进行的，所述宽频率窗范围搜索窗设置得比参考振荡器相对温度的指定频率容差更宽。
10.如权利要求8所述的在具有GPS接收机的移动通信设备中进行频率偏移的自调整的方法，其中，确定频率偏移是通过确定工厂频率偏移而进行的，确定工作频率偏移是通过确定参考晶体振荡器的频率偏移而进行的。
11.如权利要求8所述的在具有GPS接收机的移动通信设备中进行频率偏移的自调整的方法，其中，一开始搜索GPS信号，就在GPS接收机的显示器上显示消息，指示GPS接收机的用户将GPS接收机移动到户外位置。
12.如权利要求8所述的在具有GPS接收机的移动通信设备中进行频率偏移的自调整的方法，进一步包括：
在搜索GPS卫星信号但在一段时间后未发现GPS卫星信号之后，在GPS接收机的显示器上显示消息，指示GPS接收机的用户将GPS接收机移动到户外位置。
13.如权利要求8所述的在移动通信设备中进行频率偏移的自调整的方法，其中，一开始搜索GPS信号，就在GPS接收机的显示器上显示消息，指示GPS接收机的用户将GPS接收机移动到不受阻碍的位置。
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