CN101078758B - 一种gps接收机的多普勒频率补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GPS接收机的多普勒频率补偿方法，该方法将接收到来自捕获模块数据中的包括多普勒的I输入信号和Q输入信号的数据输出存储在多普勒模块相位旋转器中的乘法器中；将多普勒相位参数和多普勒频率参数输入到多普勒模块数控振荡器的加法器中；用加法器将多普勒载波频率和载波相位相加，输出值输入到载波相位输出缓冲器，产生当前的载波相位值，再由载波相位输出缓冲器输出到一个正弦/余弦查找表中，从查找表中找出相应的正弦/余弦值，并与包括多普勒的I输入信号和Q输入信号一起输入到相位旋转器中的乘法器，旋转输入信号的相位；最后将旋转后的值进行量化，得到多普勒频率补偿的信号输出到相关器，与本地产生码进行相关运算。

Description

一种GPS接收机的多普勒频率补偿方法

技术领域

本发明涉及一种GPS接收机中的多普勒频率补偿方法。

背景技术

全球定位系统(GPS)由安排在6个轨道平面的24颗地球轨道卫星组成。GPS是通过测量卫星信号到达用户位置的时间(TOA)测距以确定用户位置的。一个GPS接收机连接到至少4颗卫星，对其做出响应，然后就可以得到它的精确定位。

由于卫星和地球间存在着相对运动，所以从卫星发送到地面接收机的信号频率会产生平移。此外，比特频率和芯片频率也会因此而平移。这种频率上的改变称为多普勒频移。这种由于卫星发射的信号，它的载波频率和比特频率的频谱受到了多普勒的影响，为了能够解调这种信号，就要在地面接收机处对多普勒平移进行补偿。如果卫星和接收机是沿卫星到接收机视线相对运动方向运动，则多普勒频移为正，反之，若是相反方向，则为负。当GPS卫星处于接收机天顶时，多普勒频移为0。多普勒频移会改变卫星发送信号的已知码相位。因此，在GPS接收机通过校正分析以确定卫星码相位之前，必须先校正卫星发送信号的多普勒频移。目前有一种技术是用匹配滤波器来校正多普勒频移。在这种技术中，多普勒发生器会产生一个复数相移值(由实部和虚部组成)，在用匹配滤波相关器将其与PN码关联之前，将这一相移值与一个引入的复数数据采样结合起来，这样就可以最小化多普勒误差了。即使这样做在一定程度上是有用的，但系统还是会有多普勒误差。因此，需要有一种方法能更好的通过多普勒频移补偿来进一步改进校正分析。

发明内容

相对于现有技术的不足，本发明提供了一种可快速、准确的进行多普勒频率补偿的方法。该方法可提高补偿精度，改善接收机定位的准确性；减少处理信号的时间，提高GPS接收机的效率。

为了达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种GPS接收机的多普勒频率补偿方法，其特征在于，包括下述步骤：

将接收到来自捕获模块数据中的包括多普勒的I输入信号和Q输入信号的数据输出，存储在多普勒模块相位旋转器中的乘法器中；将多普勒相位参数输入到载波相位输出缓冲器，将多普勒频率参数输入到载波相位寄存器，再从载波相位寄存器和载波相位输出缓冲器输入到多普勒模块数控振荡器的加法器；用该加法器将来自多普勒相位参数和多普勒频率参数的载波频率和载波相位相加，加法器的输出值输入到载波相位输出缓冲器，在载波相位输出缓冲器里得到当前的载波相位值，再由载波相位输出缓冲器输出，将载波相位值中的四个最高有效位MSB输入到一个正弦/余弦查找表中，从查找表中找出相应的正弦/余弦值；将正弦/余弦值与包括多普勒的I输入信号和Q输入信号一起输入到相位旋转器中的乘法器，旋转输入信号的相位；最后将旋转后的值进行量化，得到多普勒频率补偿的信号输出到相关器，与本地产生码进行相关运算。

上述方案中，所述将加法器的值输入到载波相位输出缓冲器后，载波相位输出缓冲器的输出还包括一个支路返回到加法器，作为加法器多普勒相位参数的输入。

所述的正弦/余弦值分别由一个1位的Sign位和一个3位的Mag位表示，其中，Sign位表示正弦/余弦值的符号，Mag位为正弦/余弦值的大小。

所述的多普勒相位旋转是指将输入信号I和Q与正弦/余弦值的Sign位和Mag位输入相位旋转器中的乘法器分别相乘，将乘法器的值按照下列公式进行相加：

IOut＝I*COS(θ)-Q*SIN(θ)

QOut＝I*SIN(θ)+Q*COS(θ)

式中；Qout与Iout分别为进行相位旋转后的Q信号与I信号，I和Q为接收到的来自捕获模块的信号，SIN(θ)及COS(θ)为由查找表得出的正弦/余弦值，θ为相位误差。

所述的生成载波相位值的步骤是重复执行的，每次使用不同的多普勒频率参数，因此，每个正弦/余弦值是不同相移的偏移量。

本发明与现有技术相比，其优点是：由于多普勒模块采用了载波数控振荡器NCO和相位旋转器，从而可把频率的值累加到相位中，累加值的4位最高有效位用于查找表，再用相位旋转器来进行多普勒旋转，这样就可更准确的算出多普勒频移，提高GPS接收机的精度，正确定位。本发明多普勒频率补偿方法，提高了伪噪声码与已接收扩频信号的相关性，在时域中，该相关性补偿了信号内的多普勒频移误差。

附图说明

图1是本发明的一个GPS接收机上的基带整体功能模块图。图中，CCt为捕获模块；CaIO为捕获模块I输出；CaQO为捕获模块Q输出；GPSctl为GPS基带控制模块；Sync PL为同步脉冲信号；CaL为捕获模块使能载入控制信号；Sersftclk为串行移位时钟；DopL为多普勒使能载入控制信号；DopP为多普勒相位；CoL为相关使能载入控制信号；CodS为相关存储使能信号；DIOut为多普勒I输出；DQOut为多普勒Q输出；CoIO为相关I输出；CoQO为相关Q输出；CPU为中央处理器；Raml和S_Mem都是存储器；Dopp_N为当前多普勒的相位值；DopFP为多普勒频率参数；DopPP为多普勒相位参数。

图2是图1中的用于频率补偿的多普勒模块DPL结构框图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1、图2所示，一种GPS接收机的多普勒频率补偿方法，多普勒模块DPL接收到来自捕获模块CCt的数据输出，数据中有包括多普勒的I输入信号CIO和包括多普勒的Q输入信号CQO，存储在多普勒模块相位旋转器中的乘法器中。预测多普勒相位的特定卫星或来源，在载波数控振荡器NCO和正弦/余弦查找表处理后，也输入到该乘法器，叠加到同一颗卫星(或其他的来源)的CIO和CQO上，形成多普勒补偿后的I输出信号DIOut和Q输出信号DQOut。在本发明的多普勒模块DPL中，数据采样速率是2f₀(f₀＝1.023MHz)，对于每颗卫星信道，载波数控振荡器NCO也以2f₀的有效速率运行。

在CCt处理过之后，I和Q信号在12信道的多普勒模块DPL中旋转产生多普勒频移，分别用来补偿追踪到的卫星(SV)的多普勒频移。

CPU在存储器RAM1中为每一颗卫星存储预测的载波相位参数DopPP和预测的载波频率参数DopFP，在控制信号的控制下存储到存储器S_Mem中。在每个一毫秒内，存储器S_Mem将DopFP和DopPP分别传送到多普勒模块的载波相位寄存器和载波相位输出缓冲器。DopPP和DopFP是一个24比特数字化的值。在初捕模式下，载入使能控制信号DopL只载入一次DopPP和DopFP；在跟踪模式下，连续的载入DopPP和DopFP，周期为425.04ns。加法器A在count有效时将DopFP叠加到DopPP上。count是NCO的使能时钟，在初捕模式下，以连续的11个周期为一组，每个周期38.64ns，连续的两组间隔5100.48ns，即11个半码片halfchip的时间；在跟踪模式下与GPS时钟一样是连续的周期，周期与初捕模式的相同。然后将加法器A的值输入到载波相位输出缓冲器，在载波相位输出缓冲器里得到当前的载波相位值，用CarNCO表示。载波相位输出缓冲器的输出有两个支路：一个支路返回到加法器A，作为加法器A中多普勒相位参数DopPP的输入，继续与多普勒频率参数DopFP相加；另一路作为载波振荡器NCO的输出CarNCO送入到多普勒相位旋转器。CarNCO是相位在查找表中的代表。

将CarNCO的四个最高有效位MSB输入到正弦/余弦查找表中，产生正弦/余弦值，见表1。查找表包括24比特寄存器来存储其输出。查找表每隔一段时间，地址比特从0开始，随着反复将多普勒相位参数DopPP和多普勒频率参数DopFP相加而递增，最后返回0重新计算。随着地址位的改变，对应的正弦/余弦值也是不断变化的。通常，查找表是通过相位角和振幅的复指数量化来描述的。本发明中，载波相位寄存器的最高有效位(MSBs)有4个用来对查找表编址，那么每个多普勒周期有16个地址。正弦/余弦值分别由一个1位的Sign位和一个3位的Mag位表示。其中，Sign位表示正弦/余弦值的符号，即该值是正数还是负数；Mag位为正弦/余弦值的大小。

表1正弦/余弦查找表

 

CarNCO	SIN	COS
			0	0	7
1	3	6
			2	5	5
3	6	3
			4	7	0
5	6	-3
			6	5	-5
7	3	-6
			8	0	-7
9	-3	-6
			A	-5	-5
B	-6	-3
			C	-7	0
D	-6	3
			E	-5	5
F	-3	6

将正弦/余弦查找表输出的正弦/余弦值输入到相位旋转器中的乘法器(Multiplier)中，将正弦/余弦值与输入的CaIO和CaQO分别相乘，得到iSin、iCos、qSin、和qCos的值，将乘法器的输出值分别输入到4-比特寄存器。把寄存器的值在相位旋转器的加法器ADDER中按照下列公式进行相加。

IOut＝I*COS(θ)-Q*SIN(θ)

QOut＝I*SIN(θ)+Q*COS(θ)

式中；Qout与Iout分别为进行相位旋转后的Q信号与I信号，I和Q为接收到的来自捕获模块CCt的信号，SIN(θ)及COS(θ)为由查找表得出的正弦/余弦值，θ为相位误差。

最后通过5-比特寄存器和一个量化器Quantizer将相加得到的值进行量化，来形成经过多普勒频率补偿的输出信号多普勒I输出DIOut和多普勒Q输出DQOut，DIOut和DQOut输入到图1的相关器Correlator，与本地产生码进行相关运算。

在每一个时间段，每一颗卫星的多普勒相位的开始值存储在存储器RAM1中，并被多普勒模块用于在这段时间内对卫星信号进行旋转。在每个时间段的结尾，多普勒相位的结束值存储在RAM1中，用来作为下一部份的开始值。在GPSctl模块控制下，在载波相位输出缓冲器中，当多普勒储存使能信号DopS有效时将特定的卫星每次旋转结束时存储的当前的多普勒相位值Dopp_N，输入到RAM1中，在控制信号的控制下存储到S_Mem中。在初捕模式下多普勒存储使能信号DopS一直无效，不保存多普勒相位值；而在跟踪模式下，dopSave的周期与DopL的周期相同。在随后时段该卫星的下一个片段的多普勒旋转期间，通过DPL模块取回加到数控振荡器上作为初始值，调节其输出频率。另外，多普勒还将输出CarNCO的四个最高有效位MSB，表示为ncoO，这个输出是为了以后的测试而产生的。

Claims (3)

1.一种GPS接收机的多普勒频率补偿方法，其特征在于，包括下述步骤：

将接收到来自捕获模块数据中的包括多普勒的I输入信号和包括多普勒的Q输入信号的数据输出，存储在多普勒模块相位旋转器中的乘法器中；将多普勒相位参数输入到载波相位输出缓冲器，将多普勒频率参数输入到载波相位寄存器，再从载波相位寄存器和载波相位输出缓冲器输入到多普勒模块数控振荡器的加法器；用该加法器将来自多普勒相位参数和多普勒频率参数的载波频率和载波相位相加，该加法器的输出值输入到载波相位输出缓冲器，在载波相位输出缓冲器里得到当前的载波相位值，再由载波相位输出缓冲器输出，将载波相位值中的四个最高有效位MSB输入到一个正弦/余弦查找表中，从查找表中找出相应的正弦/余弦值，所述正弦/余弦值分别由一个1位的Sign位和一个3位的Mag位表示，其中，Sign位表示正弦/余弦值的符号，Mag位为正弦/余弦值的大小；将正弦/余弦值与包括多普勒的I输入信号和包括多普勒的Q输入信号一起输入到相位旋转器中的乘法器，旋转输入信号的相位；即将输入信号I和Q与正弦/余弦值的Sign位和Mag位输入相位旋转器中的乘法器分别相乘，将乘法器的值按照下列公式进行相加：

IOut＝I*COS(θ)-Q*SIN(θ)

QOut＝I*SIN(θ)+Q*COS(θ)

式中；Qout与Iout分别为进行相位旋转后的Q信号与I信号，I和Q为接收到的来自捕获模块的信号，SIN(θ)及COS(θ)为由查找表得出的正弦/余弦值，θ为相位误差；

最后将旋转后的值进行量化，得到多普勒频率补偿的信号输出到相关器，与本地产生码进行相关运算。

2.根据权利要求1所述的GPS接收机的多普勒频率补偿方法，其特征在于，所述将加法器的值输入到载波相位输出缓冲器后，载波相位输出缓冲器的输出还包括一个支路返回到加法器，作为加法器中多普勒相位参数的输入。

3.根据权利要求1所述的GPS接收机的多普勒频率补偿方法，其特征在于，所述的生成载波相位值的步骤是重复执行的，每次使用不同的多普勒频率参数，因此，每个正弦/余弦值是不同相移的偏移量。

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