CN101369011A - 可降低耗电量的内含多个振荡器的装置与其相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可降低耗电量的内含多个振荡器的装置，其包含第一振荡器、第一计数器、第二振荡器、第二计数器以及处理器。第一计数器耦合于第一振荡器，用来计数第一振荡器所产生的信号的周期以产生第一振荡器的周期数；第二计数器耦合于第二振荡器，用来计数第二振荡器所产生的信号的周期以产生第二振荡器的周期数；以及处理器耦合于第一计数器和第二计数器，用来依据第二振荡器的周期数确定方程式以模型化第一振荡器的周期数，并利用方程式和第二振荡器的目前周期数来获得第一振荡器的预期目前周期数。本发明所提供的装置可降低功率消耗，延长电池寿命，并大幅降低第一振荡器的时间不确定因素，提升了接收器的接收性能。

Description

可降低耗电量的内含多个振荡器的装置与其相关方法
技术领域
本发明是关于导航卫星系统，尤其是关于一种具有较低耗电量的内含多个振荡器的装置与其相关方法。
背景技术
卫星技术的快速发展也带动了全球导航卫星系统(Global Navigation SatelliteSystem，GNSS)，例如全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、伽利略导航卫星系统(Galileo Satellite Navigation System)等的兴起。上述的导航卫星系统与环绕地球运行的卫星有关，其中卫星会发射无线信号至地球表面以让接收器判断出他们的位置、速度和时间的相关信息。全球导航卫星系统接收器通过量测卫星之间的无线信号的发射与接收的时间差，来实时地计算出全球导航卫星系统接收器本身的位置，其中无线信号是以已知的速度来传递，因此，只要能找出至少四颗卫星的位置和他们与全球导航卫星系统接收器之间的距离，就可以计算出全球导航卫星系统接收器的位置。近年来，全球导航卫星系统的用途和其相关的装置已被广泛地被应用在各个领域中。
基本上，导航卫星系统一般是使用具有两个频率系统的硬件配置，如图1所示。图1所示是现有的全球导航卫星系统接收器100的硬件架构示意图。全球导航卫星系统接收器100具有第一时钟110、第二时钟120、射频信号接收器(RF receiver)130、基带模块140以及处理器150。第一时钟110通常是由高精确度且具有数十兆赫兹(MHz)的振荡器来产生的，且第一时钟110是用来准确地同步(Synchronize)及接收卫星信号。此外，第一时钟110也可用于降频转换、伪距离量测(Pseudo Range Measurement)、信号获取(Signal Acquisition)以及信号追踪(Tracking)等工作上。在导航定位后，第一时钟110的时钟模型(Clock Model)，或时钟模型与世界标准时间(Universal Time Coordinate，UTC)之间的关系，可以从导航定位后的时间信息来求出。时钟模型通常可以用一个二阶的方程式来加以表示，并在导航连续的定位过程中提供高精确度的时钟。此外，第一时钟110及其时钟模型通常可用于产生1PPS的输出(one pulse per second output)以及在卫星信号阻断后，改善接收器重新获取信号的能力。然而，由于第一时钟110的自身特性与用途，其在工作时也具有耗电量较高的缺点。第二时钟120是导航系统的另一实时时钟(或辅助时钟)，其通常仅具有32.768KHz的频率，用来作为处理器150的时间参考信息，如导航卫星系统接收器上的日历表和年历表，因此在实用中第二时钟120通常会具有比第一时钟110较便宜和较低精确度的特性。
第一时钟110的时钟模型通常设置在处理器150内部并由处理器150内的程序来运算和维护。在现有的全球导航卫星系统接收器上，并不会为第二时钟120再设置另一个时钟模型，即便在可导航定位的条件下也不会去计算精确的第二时钟模型，通常只是在第二时钟误差过大(如超过一秒)的情况下做校正。一旦全球导航卫星系统接收器100(或第一时钟110)关闭，第一时钟110的时钟模型就无法继续维持，而当全球导航卫星系统接收器100(或第一时钟110)重新启动时，全球导航卫星系统接收器100仅能依赖第二时钟120所提供的粗估的时间信息以及所存储的辅助信息，如日历表、年历表和大约的位置信息(也就是存储在处理器150内的非易失性内存中的信息或从辅助网络上取得的信息)来进行操作。从现有技术可以得知，全球导航卫星系统接收器100重新启动的性能(在导航卫星系统上，其性能通常是指其敏感度和达成首次定位的时间(Time to FirstFix，TTFF))会受限于上述的粗估时间信息。
由于便携式导航卫星产品的电池供电量有限，因此，为了节省耗电量，延长产品连续定位的时间，在定位工作达成后将第一时钟110暂停以节省能源，并在二次定位需求前，快速地恢复导航能力的做法就成为此领域的一项挑战。因此，本发明中揭露了一种在导航定位状态下建立第二时钟120的第二时钟模型的方法和装置，通过第二时钟模型来提升重新启动的性能，以符合上述的省电趋势。
发明内容
因此，本发明的目的之一在于提供一种可降低耗电量的内含多个振荡器的装置与其相关方法，以解决上述全球导航卫星系统接收器重新启动时性能受限与耗电量高的技术问题。
依据本发明的实施例，其揭露一种可降低耗电量的内含多个振荡器的装置。装置包含第一振荡器、第一计数器、第二振荡器、第二计数器以及处理器。第一计数器耦合于第一振荡器，用来计数第一振荡器所产生的信号的周期以产生第一振荡器的周期数；第二计数器耦合于第二振荡器，用来计数第二振荡器所产生的信号的周期以产生第二振荡器的周期数；以及处理器耦合于第一计数器和第二计数器，用来依据第二振荡器的周期数确定方程式以模型化(model)第一振荡器的周期数，并利用方程式和第二振荡器的目前周期数来获得第一振荡器的预期的目前周期数。
依据本发明的另一实施例，其另揭露一种应用于具有第一振荡器和第二振荡器的装置内的方法。包含有下列步骤:计数第一振荡器所产生的信号的周期以产生第一振荡器的周期数；计数第二振荡器所产生的信号的周期以产生第二振荡器的周期数；依据第二振荡器的周期数确定方程式以模型化第一振荡器的周期数；以及利用方程式和第二振荡器的目前周期数来获得第一振荡器的预期的目前周期数。
本发明的装置及方法与现有技术相比较，其有益效果包括:通过暂时关闭第一振荡器，可降低功率消耗，延长电池寿命；通过参考第二振荡器以及方程式，第一振荡器所中断的周期数仍然可以正确地计算出来，当重新启动第一振荡器时，大幅降低第一振荡器的时间不确定因素，以提升接收器的接收性能。
附图说明
图1是现有的全球导航卫星系统接收器的硬件架构示意图。
图2是依据本发明实施例的可减少电源消耗的装置的示意图。
图3是依据本发明另一实施例应用于具有第一、第二振荡器的装置内的方法的流程图。
具体实施方式
在本说明书以及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件，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并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区分的准则，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“包含有但不限定于”，此外，“耦合”一词在此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合于第二装置，则代表第一装置可以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至第二装置。
阅读了下文对于附图所示优选实施例的详细描述之后，本发明对所属技术领域的技术人员而言将显而易见。
为了改善系统重新启动时的性能以及减少具有多个振荡器的系统的耗电量，本发明提供了一种较好的具有多个振荡器的系统与其相关方法。如图1所示，现有的全球导航卫星系统接收器中的第一时钟110一直保持开启的状态，且同时消耗大量的电流来提拱持续的导航服务。举例来说，若产生第一时钟110的是一个温度补偿的石英振荡器(Temperature Compensated Crystal Oscillator，TCXO)，则此振荡器就可能消耗1.5mA至2mA的电流。虽然使用者也希望可能将第一时钟110关闭，使其进入待机模式(Standby Mode)来达到节省功率消耗的目的，但是这是非常难以实现的，主要是因为如此做的话就不会有一个有效的时钟模型来确保系统快速重新启动的性能。因此，本发明就提供了一种装置和其相关方法，允许暂时关闭第一时钟，以降低暂时停止接收后快速重新启动的系统设计的复杂度，如此一来，就可以大幅度地减少耗电量并提供应用上更大的弹性。
请参考图2，图2所示是本发明用来减少电源消耗的装置200的示意图。装置200包含有第一振荡器210、第一计数器230、第二振荡器220、第二计数器240以及处理器250。第一计数器230耦合于第一振荡器210，用来计数第一振荡器210所产生的信号的周期以产生第一振荡器210的周期数。第二计数器240耦合于第二振荡器220，用来计数第二振荡器220所产生的信号的周期以产生第二振荡器220的周期数。处理器250耦合于第一计数器230和第二计数器240。此外，在本发明的另一实施例中，更包含电源管理装置260，其耦合于第一振荡器210和处理器250之间。
装置200中的第一计数器230和第二计数器240作为定时器(例如准确至毫秒(millisecond)的定时器)，其会依据处理器250的处理工作而计数不同的时间。在导航定位状态时，处理器250所执行的应用软件(或者通过硬件的方式)可以计算出第一计数器230和世界标准时间(Universal Time Coordinate，UTC)之间的第一时钟模型，第一时钟模型可用来协助接收器在卫星信号暂时阻断后的搜寻能力。换句话说，在第一振荡器210处于暂时关闭状态下维持第一时钟模型有助于加速重新启动时与卫星的联系。如在现有技术中所描述的，第一振荡器210必须一直维持启动的状态，但是一旦第一振荡器210停止运作，处理器250内的第一时钟模型就会自动消失。另一方面，将振荡器维持在振荡状态也可以持续地锁住正确的追踪时间，因此，准确的计数值就成为缩小重新获取卫星信号的搜寻范围的必要条件，这也是现有技术中需要维持振荡器一直开启的原因。在以下段落中将更详细描述本发明装置200如何暂停第一振荡器210的运作以节省耗电量的操作。
在正常的操作中，装置200内所有的元件均处于工作状态，此时处理器250会依据第二振荡器220的周期数确定一个方程式，以便根据第二振荡器220的周期数来模型化(model)第一振荡器210的周期数。如此一来，第一计数器230就可以利用第二计数器240对第二振荡器220所计数的周期数来计数出第一振荡器210的预测周期数。一旦计数出预测周期数之后，处理器250就可以依照使用者的特定应用来关闭第一振荡器210，例如停止第一振荡器210的操作或暂时调整第一振荡器210进入待机模式以节省电源。然而，在第一振荡器210处于待机模式时，第二振荡器220和第二计数器240仍然维持启动状态，也就是说，第二计数器240会持续正常地计数第二振荡器220的周期数。依据本发明所揭露的一个实施例，当第一振荡器210需要重新启动时(例如要接收来自卫星系统的卫星信号时)，处理器250就会依据方程式和第二振荡器220的目前的周期数来加载第一计数器230，接着再启动第一振荡器210，如此一来，第一计数器230就会从处理器250所加载的数值开始，恢复计数第一振荡器210的周期数。由于第一计数器230所载入的数值是根据方程式以及第二振荡器220的目前的周期数所预测出来的周期数，因此预测的周期数理论上与第一振荡器210没有受到中断的计数值会是接近的，换句话说，由于本发明实施例中装置200在需要重新运作时就会更新第一计数器230的计数值，因此就可以在适当的时机关闭和开启第一振荡器210的运作，并保持较小的卫星信号搜寻范围。
当加载第一计数器230并启动第一振荡器210时，第一振荡器210的周期数的准确度由方程式、第一振荡器210的上一次停止的时间点以及第二振荡器220的精确度(或第二计数器240的精确度)决定。请注意，熟悉此项技术者应可了解，在实作上第一计数器230也许会有一些误差，然而若与完全不利用参考时间的现有技术相比较，这些误差显然是可以忽略的。因此，通过将方程式适当模型化后，就可以减少系统的不确定性以及改善系统在重新启动时信号搜寻的性能。另一方面，其它的误差，例如同步误差(Synchronization Error)、短时间时钟抖动(Short Term Clock Jitter)与来自实时时钟的长时间抖动(long term jitter)等也会对第一计数器230造成整体性的计数误差，因此，在选择一个适当的方程式时，上述问题都必须要考虑到才能将潜在的误差降低到最小。
在本发明的一个实施例中，当第一振荡器210启动时，方程式利用一个二阶的多项式(Polynomial)来加以模型化。二阶多项式可用如下方程式(1)来表示:
F1＝aF2 2+bF2+c，          (1)
在方程式(1)中，F1代表第一振荡器210的周期数，F2代表第二振荡器220的周期数，而a、b及c都是通过取样决定出来的常数值。举例来说，当装置200在正常操作时，取样出三组周期数:(F1，1＝1499511，F2，1＝375)，(F1，2＝1999022，F2，2＝1375)，(F1，3＝2498534，F2，3＝2375)。接着，从方程式(1)可以得到上述的a、b及c的数值，即a＝0.0000005，b＝499.510125，以及c＝1312194.6328125。最后，将a、b及c的值代入方程式(1)之后，就可以输入一个已知的F2值而得到F1的数值。因此，在第一振荡器210进入待机模式时，如果想要得到在一个时间点下对应于第一振荡器210的计数值，假若此时F2，4＝32768，则处理器250就会依据方程式(1)来载入F1(即F1，4＝1073741824)至第一计数器230，也就是说，当第二振荡器220目前的周期数为F2，4＝32768时，第一振荡器210目前的周期数为F1，4＝1073741824。
换句话说，在方程式的确定上，可以在任何三个不同的时间点上同时对第一振荡器210的周期数以及第二振荡器220的相应周期数进行取样以取得三对周期数，而这三对周期数就可以用来适当地计算出方程式。因此，通过这三对周期数得出的方程式就会满足依据第二振荡器220的周期数来取得第一振荡器210的周期数的条件。另一方面，上述三个取样点之间的时间差可以决定模型化后的精确度。请注意，依据本发明的精神所在，若要以更高或更低阶数的多项式的方程式来模型化，可以相对应的增加或减少取样的周期对的数目。
在本发明的其它实施例中，也可以对装置200加入各种不同的功能，也就是说，处理器250可以在预定的条件下才启动第一振荡器210，其中预定条件可以是一个特定的启动时间(wakeup time)，其可与一个需要使用第一振荡器210的特定功能同步。第一振荡器210可以用一个温度补偿的石英振荡器(Temperature Compensated Crystal Oscillator，TCXO)来实现，或者依照实际应用的不同而改用别种振荡器。第二振荡器220用作装置200内的实时时钟。
此外，电源管理装置260耦合于处理器250和第一振荡器210之间，其中处理器250会使用电源管理装置260来开启或关闭第一振荡器210。另一方面，为了让装置200在处于待机状态时仍然具有基本的电源供应，也将电池(未显示)耦合于第二振荡器220和第二计数器240，以在装置200的系统电源关闭时，提供备用电源给第二振荡器220和第二计数器240，如此一来，处理器250就可以直接关闭装置200的系统电源来关闭第一振荡器210。
请注意，虽然上述所揭露的发明可以应用在所有的内含两个振荡器的系统中，然而本发明其中之一优选实施例是应用在导航卫星系统中，也就是说，装置200可视为全球导航卫星系统接收器。如现有技术所述，全球导航卫星系统接收器为双振荡器的设计，其中第一振荡器为了接收来自卫星的信号而必须一直保持启动状态。如今，在导航卫星系统中使用本发明实施例的装置200之后，第一振荡器就可以暂时地关闭(在省电模式下)以节省耗电量。在本实施例中，处理器250会提前开启第一振荡器210以便成功地接收到来自卫星的信号。另一方面，处理器250也可以计算出上述两计数器之间最新的方程式并将方程式的参数存储到非易失性内存RAM内，以及接收来自使用者的指令来关闭全球导航卫星系统接收器(除了第二振荡器220和第二计数器240之外)，然后再依据第二振荡器220的目前周期数以及所存储的方程式来精确地重新开启全球导航卫星系统接收器。除此之外，在本发明的另一实施例中，处理器250也可以在进行卫星导航时判定出方程式、关闭第一振荡器210以进入省电模式、启动第一振荡器210以返回正常操作模式以及通过处理器250中软件程序的执行来补偿第一计数器230的计数值的不连续性(即偏移量(Offset))。
请参考图3，图3所示是依据本发明的实施例，应用于具有第一、第二振荡器的装置内的方法300的流程图。请注意，为了更清楚描述本发明的精神所在，本实施例结合上述实施例的装置200来加以描述。另一方面，若可以得到大致相同的结果，本发明提供的方法300的步骤不一定要完全照以下的次序执行，也不一定要是连续的，换句话说，当中还可插入其它的步骤。方法300包含有下列步骤:
步骤310:计数第一振荡器210的周期以产生第一振荡器210的周期数；
步骤320:计数第二振荡器220的周期以产生第二振荡器220的周期数；
步骤330:依据步骤310及320的周期数集合确定一个方程式以模型化第一振荡器210的周期数；以及
步骤340:利用方程式和第二振荡器220的目前周期数来获得第一振荡器210的目前周期数。
请注意，上述所揭露的方法300也可以用来减少内含第一、第二振荡器的装置的耗电量，主要是因为可以在省电模式或停止服务模式时关闭第一振荡器。
依据本发明，当第一振荡器210在省电模式或停止服务模式结束后启动时，或在预定条件下启动时，本发明的装置与方法就会重新对方程式的参数进行模型化，例如计算出前述的方程式(1)的a、b以及c值。请注意，方程式的参数是与方程式的阶数(order)有关的，因此，本发明的装置与方法在第一振荡器210启动时会更新方程式。
由以上描述可以得知，本发明所揭露的装置和方法可以降低具有多个振荡器的系统的耗电量，也就是说，通过暂时关闭具有多个振荡器的系统中的第一振荡器，功率消耗便可随之减少，如此一来，就可以延长具有多个振荡器的系统的电池寿命。另一方面，通过参考第二振荡器以及方程式，第一振荡器的中断的周期数仍然可以正确地计算出来，也就是说，当系统需要启动第一振荡器时，第一振荡器的输出所代表的时间不确定性可有效降低。
所属技术领域的技术人员可轻易完成的均等改变或润饰均属于本发明所主张的范围，本发明的权利范围应以权利要求书所限定的范围为准。

Claims (12)

1.一种可降低耗电量的内含多个振荡器的装置，包含：
第一振荡器；
第一计数器，耦合于该第一振荡器，用来计数该第一振荡器所产生的信号的周期以产生该第一振荡器的周期数；
第二振荡器；
第二计数器，耦合于该第二振荡器，用来计数该第二振荡器所产生的信号的周期以产生该第二振荡器的周期数；以及
处理器，耦合于该第一计数器和该第二计数器，用来依据该第二振荡器的该周期数确定方程式以模型化该第一振荡器的该周期数，并利用该方程式和该第二振荡器的目前周期数来获得该第一振荡器的预期目前周期数。
2.如权利要求1所述的可降低耗电量的内含多个振荡器的装置，其特征在于，该处理器更同时对该第一振荡器的该周期数和在同一时间点下的该第二振荡器的该周期数进行取样以产生一对周期数，并在多个不同的时间点下重复地进行取样以取得多对周期数，以及依据该多对周期数确定该方程式以模型化该第一振荡器的该周期数。
3.如权利要求1所述的可降低耗电量的内含多个振荡器的装置，其特征在于，该第一振荡器在预定时间内是关闭的，以及当启动该第一振荡器时，该处理器会利用该方程式来获得该第一振荡器的该预期目前周期数。
4.如权利要求1所述的可降低耗电量的内含多个振荡器的装置，其特征在于，该第一振荡器是应用在信号处理领域中的石英振荡器。
5.如权利要求1所述的可降低耗电量的内含多个振荡器的装置，其特征在于，该第二振荡器是用来作为时间参考的石英振荡器。
6.如权利要求1所述的可降低耗电量的内含多个振荡器的装置，其特征在于，更包含有电源管理装置，耦合于该处理器和该第一振荡器，其中该处理器更通过该电源管理装置来关闭或启动该第一振荡器。
7.如权利要求1所述的可降低耗电量的内含多个振荡器的装置，其特征在于，该装置为导航卫星系统。
8.如权利要求7所述的可降低耗电量的内含多个振荡器的装置，其特征在于，该处理器在进行卫星导航时确定该方程式，接着关闭该第一振荡器以使该第一振荡器进入省电模式或停止服务模式，并在预定条件下依据该方程式以及该第二振荡器的该目前周期数来加载该第一计数器，以及启动该第一振荡器来重新进行卫星导航。
9.一种应用于具有第一振荡器和第二振荡器的装置内的方法，包含有：
计数该第一振荡器所产生的信号的周期以产生该第一振荡器的周期数；
计数该第二振荡器所产生的信号的周期以产生该第二振荡器的周期数；
依据该第二振荡器的该周期数确定方程式以模型化该第一振荡器的该周期数；以及
利用该方程式和该第二振荡器的目前周期数来获得该第一振荡器的预期目前周期数。
10.如权利要求9所述的应用于具有第一振荡器和第二振荡器的装置内的方法，其特征在于，更包含：同时对该第一振荡器的该周期数和在同一时间点下的该第二振荡器的该周期数进行取样以产生一对周期数，并在多个不同的时间点下重复地进行取样以取得多对周期数，以及依据该多对周期数确定该方程式以模型化该第一振荡器的该周期数。
11.如权利要求9所述的应用于具有第一振荡器和第二振荡器的装置内的方法，其特征在于，更包含：在预定时间内关闭该第一振荡器，以及当启动该第一振荡器时，利用该方程式来获得该第一振荡器的该预期目前周期数。
12.如权利要求9所述的应用于具有第一振荡器和第二振荡器的装置内的方法，其特征在于，更包含：在进行卫星导航信号处理时确定该方程式，接着关闭该第一振荡器以使该第一振荡器进入省电模式或停止服务模式，并在预定条件下依据该方程式以及该第二振荡器的该目前周期数计算出该第一振荡器的该目前周期数，以及启动该第一振荡器来继续计数以重新进行卫星导航信号处理。
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