CN101414001B - 用于不同调制信号的相关方法与相关装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于不同调制信号的相关装置，包含：第一信号路径，用来接收接收信号；第二信号路径，用来接收接收信号，并将接收信号转换为具有特别调制方案形式的转换信号；以及相关单元，耦接至第一信号路径以及第二信号路径，用来选择第一信号路径以及第二信号路径其中之一的输出，以执行信号相关操作。本发明提供了一种用于不同调制信号的相关方法与相关装置，可以灵活有效的处理不同的调制信号。

Description

用于不同调制信号的相关方法与相关装置
【技术领域】
本发明是关于用于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)接收器中的相关装置，尤指能够处理双相偏置载频(Binary Offset Carrier，BOC)调制信号及双相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制信号的相关装置。 
【背景技术】
目前，有多个全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)可供使用。在不久的将来，一个GNSS接收器将需要处理由多种调制方案，尤其是双相偏置载频(Binary Offset Carrier，BOC)及双相移键控(Binary Phase ShiftKeying，BPSK)调制的各种卫星信号。 
GPS是美国导航卫星系统，其是连续传送高频无线信号的卫星网络。该信号载有可以被GPS接收器接收的时间及距离的信息，使用者可以据此查出其在地球上的所在位置。Galileo是新兴起的欧洲卫星导航系统，其提供更高的信号能量和更强健的调制，因此，在恶劣的环境中，使用者也能够接收到微弱的信号。若GPS与Galileo组合在一起，便组成了所谓的“超级星群”(superconstellation)，GPS与Galileo提供的卫星资源将相当于目前可用卫星资源的两倍。这将会带来很多的优点，如多重资源以及为使用者带来的更大的可用性。而且，定位的精确性及完整性也能够得到改善。不同载波的多个卫星信号可以用于解决载波相位模糊(phase ambiguity)问题。因为有很多频带可以使用，所以可以在大量频带中选出清晰的一个，以用来达到抗干扰(anti-jamming)的目的。而且，接收器自主完整性监视(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)也会得到改善。 
GPS与Galileo系统共享一些信号频带，而这些信号采用不同的调制方案(如BPSK与BOC)。在即将到来的新一代GPS中，也将出现采用不同调制方案(BPSK 与BOC)却使用同一频带的不同信号。表1及表2分别列出了GPS信号及Galileo信号的特点。 
<表1> 
    信号      载波(MHz)     调制   码片率(Mcps)
    L1C/A     1575.42     BPSK-R(1)   1.023
    L1P(Y)     1575.42     BPSK-R(10)   10.23
    L2P(Y)     1227.6     BPSK-R(10)   10.23
    L2C     1227.6     BPSK-R(1)   1.023
    L5     1176.45     BPSK-R(10)   10.23
    L1M     1575.42     BOC(10，5)   5.115
    L2M     1227.6     BOC(10，5)   5.115
    L1C     1575.42     BOC(1，1)   1.023
<表2> 
Figure S2008100811491D00021
   L1F pilot     BOC(1，1)   1.023
正如所见，例如，信号L1 C/A与信号L1C在GPS系统中具有相同的频带，并且具有相同的载波频率及码片率(chip rate)，但却由不同的调制方案调制，即BPSK-R(1)及BOC(1，1)。另外，GPS中的信号L1C/A与Galileo中的信号L1F也具有相同的载波频率及相同的码片率，但却分别由不同的调制方案调制，即BPSK-R(1)及BOC(1，1)。若接收器被要求处理这些不同的信号，则其必须具有不同的相关单元组(groups ofcorrelation units)。例如，GNSS接收器必须具有处理BPSK调制信号的相关单元组及处理BOC调制信号的相关单元组。当处理BPSK调制信号时，处理BOC调制信号的相关单元组处于闲置状态。这样一种闲置浪费是不希望出现的，因此，需要一种更加有效及灵活的解决方案。 
【发明内容】
为了能够有效的处理不同调制信号，本发明提供了一种用于不同调制信号的相关方法与相关装置。 
一种用于不同调制信号的相关装置，包含：第一信号路径，用来接收接收信号；第二信号路径，用来接收接收信号，并将接收信号转换为具有特别调制方案形式的转换信号；以及相关单元，耦接至第一信号路径以及第二信号路径，用来选择第一信号路径以及第二信号路径其中之一的输出，以执行信号相关操作；其中该第二信号路径通过取得该接收信号的频谱的单边频带部分以将该接收信号转换为类双相移键控信号。 
一种用于不同调制信号的相关方法，包含：a)接收信号；b)利用第一调制形式将接收信号转换为转换信号；c)选择通过接收信号与转换信号中的一个；以及d)针对被选择的信号执行相关操作；其中该步骤b)中包含取得该接收信号的频谱的单边频带部分以将该接收信号转换为类双相移键控信号。 
本发明提供了一种用于不同调制信号的相关方法与相关装置，可以灵活有效的处理不同调制信号。 
【附图说明】
图1所示的为显示BOC(1，1)调制的时域波形的示意图。 
图2所示的为显示BOC(1，1)信号的功率谱密度的示意图。 
图3所示的为显示依据本发明第一实施例的相关装置的示意方块图。 
图4所示的为显示依据本发明第二实施例的相关装置的示意方块图。 
图5所示的为显示依据本发明第三实施例的相关装置的示意方块图。 
图6所示的为显示依据本发明的相关方法的流程图。 
【具体实施方式】
BOC调制是通过伪随机噪声(Pseudo-Random Noise，PRN)扩频编码的BPSK信号与方波子载波(subcarrier，SC)相乘得到。其中，子载波的频率为PRN扩频码(spreading code)编码率(code rate)的倍数。图1所示为BOC调制的时域波形图。BOC正弦波(以下简称为BOC)是通过SC正弦子载波与BPSK信号混合而产生。BOC信号的特性取决于扩频码码片率(chip rate)、子载波频率以及在一个PRN子码中子载波的定相。在GNSS领域中通常用符号BOC(fs，fc)表示BOC调制信号，其中，fc表示编码的码片率，fs表示子载波频率。通常将fc及fs表示为参考频率1.023MHz的倍数的形式，因此，BOC信号也可以表示为BOC(m，n)的形式。其中n为PRN码的码片率fc相对于1.023MHz的倍数；m为子载波频率fs相对于1.023MHz的倍数。BPSK调制方案可以表示为如下形式： 
s(t)＝A·C(t)·cos[w0t]   (1) 
BOC调制方案可以表示为： 
s(t)＝A·C(t)·cos[w0t]·sgn[sin(wst](2) 
BOC调制信号与BPSK调制信号之间的主要区别为BOC信号由子载波额外进行了调制。 
图2所示为BOC(1，1)信号的功率谱密度(power spectrum density)的示意图。如图所示，BOC信号具有对称分裂的频谱。频谱中存在两个主要突起，这是由于中心频率fc受子载波频率fs的影响转化而来。频谱的左半部分及频谱的右半部分大体上与BPSK信号的频谱相同。 
以GPS L1C/A信号及Galileo L1F信号为例，采用相同的射频前端(RF frontend)可以处理这两个信号。射频前端执行的操作范例包括：射频降频转换(RFdown-conversion)、滤波(filtering)、放大(amplification)、采样(sampling)操作。 正如由表1及表2中所见，GPS L1C/A信号及Galileo L1F信号具有相同的频带及码片率。相关单元对BOC信号及BPSK信号执行一些必要的处理功能。这些必要的处理功能包括：多普勒频率移除(Doppler frequency removal)、编码解扩频(code despreading)以及同相/非同相累积(coherent/incoherent accumulation)。即对BOC信号及BPSK信号的主要处理功能相同。但是，正如上文所述，BOC信号通过专门的子载波额外进行了调制。因此，BOC信号需要进行额外的信号处理以便将BOC信号转换成类BPSK信号(BPSK-like signal)。此后，经由BOC信号转换而得的类BPSK信号便可以完全如BPSK信号一样进行处理。 
图3所示为依据本发明第一实施例的相关装置10的示意方块图。相关装置10包含至少一射频前端，在本实施例中，以两个射频前端为例进行说明。射频前端100包含：射频处理单元101，用来执行射频降频转换、滤波及放大接收到的具有专门频带的卫星信号的功能等操作；模数转换器(analog-to-digitalconverter，ADC)102，用来对处理的信号采样，从而将信号降频为低中频(lowIF)甚至基带(baseband)数字信号。射频前端100’包括：射频处理单元103及模数转换器104，用来处理接收到的另一频带的信号。虽然本实施例所揭示的相关装置10仅具有射频前端100以及射频前端100’，但是由本实施例可以容易地推论出在处理不同频带信号时，相关装置可以包括更多的射频前端或仅包括一个射频前端。 
若接收到的信号为BPSK信号，则该信号被降频转换至低中频信号(如4.092MHz)。然后，该信号通过混频器121利用载波而进一步降频为基带信号(例如零中频，zero IF)，其中，该载波是由载波发生器(carrier generator)123提供。在此请注意，若信号在模数转换器输出之后已经被降频为基带信号(零中频)，则混频器121及载波发生器123可以忽略。在不进行转换操作(transfer operation)的情况下，下采样单元151以及缓冲器152被直接设置在信号路径上。此处，转换操作表示将BOC信号转换为类BPSK信号的操作。通过使用下采样单元151，降低了信号采样率，从而节省了相关的功率。之后，基带BPSK信号被传输至相关单元组(correlation unit bank)200。在本实施例中，相关单元组包括两个相关单元，即相关单元210以及相关单元220。相关单元210以及相关单元220相同，并且可以并行操作。为了简单以及清楚叙述起见，此处仅对相关单元 210做描述。被下采样处理后的BPSK信号先由PRN编码相关单元(PRN codecorrelation unit)214处理以去掉相应编码，接着由多普勒旋转单元(Dopplerrotation unit)216处理以去掉多普勒频率。处理过的信号接下来被累积至同相样本随机存取存储器(coherent sample RAM)231以及非同相样本随机存取存储器(incoherent sample RAM)233。 
如果接收到BOC信号，则射频前端100以及射频前端100’中适合的一个将对接收到的信号进行处理。之后该信号在进入相关单元组(correlation unit bank)200前，可以被转换为类BPSK信号。在本实施例中，BOC信号可以经过混频器121和子载波移除器140，或是直接经过混频器131而转换为类BPSK信号。用来将BOC信号转换为类BPSK信号的两个信号路径中的任何一个都可以被选择。 
在其中一个转换信号路径中，BOC信号(其已经通过射频前端被降频至低中频)进一步通过混频器121以及载波发生器123降频至基带。类似于上面描述的情况，如果BOC信号通过射频前端被降频至基带，则混频器121以及载波发生器123可以被忽略。接着，基带的BOC信号由子载波移除器(subcarrierremover)140处理。子载波移除器140用于通过任意的适当方法将BOC信号的子载波移除。例如，子载波移除器140可以产生一个子载波，将此子载波与BOC信号混合在一起以移除BOC信号中的子载波成分。在子载波成分移除之后，BOC信号被转换为类BPSK信号，接下来就可以按照处理上面提到的处理BPSK信号的方法处理该信号了。在本实施例中，信号路径上具有一组下采样单元153以及缓冲器154。 
在另一转换信号路径上，使用了单边频带(single side band，SSB)方案。图2所示为BOC(1，1)信号的功率谱密度的示意图。如图2所示，BOC信号的功率谱密度具有两个主突起(lobs)。对于BOC(1，1)信号而言，两个主突起为从中心频率fc处向两边以±1.023MHz的幅度偏移。在单边频带方案中，BOC信号频谱中的任何一半都可以被选择。如果频谱中较低频率处的突起被选择，则载波发生器133就产生一个频率为fc-1.023MHz的载波，BOC信号通过混频器131与此子载波混频在一起。若fc为4.092MHz，则载波发生器133提供的载波频率就为3.069MHz。如果频谱中较高频率处的突起被选择，载波的频率 就为5.115MHz。如果中心频率为零(即基带)，则载波频率为±1.023MHz。一组下采样单元155以及缓冲器156被设置于此信号路径。 
在本实施例中，相关单元组包括相关单元(correlation unit)210以及相关单元220。有多种相关方法可以用来获取和追踪BOC信号。BOC-PRN相关是利用接收机端PRN编码(local PRN code)对接收到的BOC信号进行解扩频。类BPSK相关是利用接收机端PRN编码对接收到的BOC信号的一个单边频带进行解扩频。由于寻找时所使用的解析度要求降低了，因此可以较快地完成信号撷取(acquisition)，故类BPSK相关适于用来获取BOC信号。BOC-BOC相关是利用接收机端PRN编码以及BOC子载波对接收到的BOC信号进行解扩频。由于在追踪信号时，可以达到较小的追踪误差(tracking error)，故BOC-BOC相关适于追踪BOC信号。上述相关方法中的任意两种或全部也可组合在一起使用。 
下面说明一种将BOC-PRN相关及BOC-BOC相关组合在一起使用的例子。相关单元210用于执行BOC-PRN相关；相关单元220(包含PRN编码相关单元224以及多普勒旋转单元226)用于执行BOC-BOC相关。同相样本随机存取存储器232以及非同相样本随机存取存储器234用于累积相关单元220的相关结果。由非同相样本随机存取存储器233以及非同相样本随机存取存储器234获得的累积结果通过组合单元(combining unit)240进行组合，并传送至非同相样本随机存取存储器250进行存储。需注意的是，同相样本随机存取存储器231、232以及非同相样本随机存取存储器233、234、250在实际应用中可以共享同一物理存储器。该物理存储器可以被固定地或动态地分成若干个逻辑区域，这些逻辑区域可以分别作为同相样本随机存取存储器231、232以及非同相样本随机存取存储器233、234、250使用。 
在实际应用中，无论信号为何种类型，接收到的信号并行地通过每一相关单元的三个信号路径。相关单元210包含多工器212，多工器212由控制信号控制以选择哪一个信号路径通向后续部分，进而通过相应信号路径中的信号。亦即，多工器212被控制从缓冲器152、154、156的输出中选择出一个以进行后续操作及进一步处理，如编码移除及多普勒频率移除。控制信号可以由数字信号处理器(digital signal processor，DSP)产生并提供。类似的，相关单元220也包含一个多工器222。请参照图3，如果在上面的例子中，需要将接收到的BOC 信号进行BOC-PRN相关与BOC-BOC相关组合，则相关单元210的多工器212就会选择使缓冲器152的输出通过，而相关单元220的多工器222则会选择使缓冲器154的输出通过。 
图4所示的为显示依据本发明第二实施例的相关装置的示意方块图。图4中的相关装置20与图3中的相关装置10相类似，故在两图中，相同的数字标号代表相同的元器件。相关装置20与相关装置10之间的主要区别为在相关装置20中的每一个相关单元都设置了子载波移除器。如图4所示，相关单元组400中的相关单元410包含子载波移除器213。多工器212以及多工器215由控制信号控制，据以决定是否选择并使信号通过子载波移除器213。如果接收到的信号为BPSK信号，则接收到的信号通过一组RF前端被适当地处理，并且通过混频器121以及混频器131利用载波降频转换至基带，其中载波是由载波发生器123及载波发生器133提供。然后，针对基带信号通过下采样单元151以及缓冲器152进行下采样及缓冲(也通过下采样单元155以及缓冲器156进行同样操作)。在这种情况下，经由下采样单元155以及缓冲器156而被下采样以及缓冲后的信号从多工器212中输出。从多工器212中输出的信号被传送至子载波移除器213及多工器215。在此情况下，控制多工器215以使多工器212的输出(而非子载波移除器213的输出)被传送至PRN编码相关单元214。亦即，子载波移除器213被绕过了。操作相关单元420(其包含子载波移除器223)的情况与上面类似，为避免重复，相关描述在此处忽略。如果接收到的信号为BOC信号，则利用SSB方案。接收到的信号通过一组RF前端被适当的处理，并通过混频器131利用载波降频转换至基带(其中载波是由载波发生器133提供)，然后，信号将被多工器212所选择。载波发生器133提供频率为fc+1.023MHz或者fc-1.023MHz的载波。通过下采样单元155和缓冲器156对信号进行下采样及缓冲。然后，信号通过多工器212以及多工器215(多工器222以及多工器225)被传送到PRN编码相关单元214(PRN编码相关单元224)以及多普勒旋转单元216(多普勒旋转单元226)。在这种情况下，子载波移除器213(子载波移除器223)也被忽略。如果BOC信号通过子载波移除方案进行处理，则从子载波移除器213(子载波移除器223)输出的移除子载波成分的信号会被多工器215(多工器225)选择并传送到后续单元。多工器215(多工器225)的操作与前 面相似。子载波被移除的信号通过PRN编码相关单元214(PRN编码相关单元224)以及多普勒旋转单元216(多普勒旋转单元226)进行处理。本实施例中的相关装置20也包含组合单元240用来组合相关单元410以及相关单元420的相关结果。 
图5所示为依据本发明第三实施例的相关装置的示意方块图。如图所示，图5中的相关装置30类似于图3中的相关装置10，故在两图中，相同的数字标号代表相同的元器件。本实施例当中的相关装置30仅包含一组相关单元610、同相样本随机存取存储器231以及非同相样本随机存取存储器233。单一的相关单元610可以采用分时多工(time division multiplex，TDM)方案操作。例如，在一个时隙(time slot)中，多工器212被控制以传送缓冲器152的输出至PRN编码相关单元214，在下一个时隙中，多工器212被控制以传送缓冲器154的输出至后续单元。不同时隙的相关结果可以在非同相样本随机存取存储器250中累积以获得组合结果。需注意的是，相同的TDM方案也可图4的实施例中应用。 
图6所示为依据本发明的相关方法的流程图。本发明的相关方法可以从上述几个实施例中总结并如图6的流程图所示。在步骤S10中接收信号。在步骤S20中，如果接收到的信号为BOC信号，则将其转换为特殊调制形式，如前面所述的BPSK形式。转换后的信号被传送至步骤S30。如果接收到的信号为BPSK信号，则直接传送至步骤S30。需注意的是，本发明的方法不包含判定接收到的信号为BPSK信号或是BOC信号的步骤。这是因为，如上述实施例所述，接收到的信号既被直接传送至多工器，也被并行的转换后传送至多工器。在步骤S30中，控制多工器以从转换后的信号及未转换的信号中选择一个传送至相关单元。在步骤S40中，执行相关操作以选择信号。步骤S10-步骤S40可以并行的或依照TDM方案重复循环多次，而且，每次循环的相关结果可以根据需要组合。 
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用来限定本发明，任何熟习此技艺者，于不脱离本发明的精神和范围内，当可做各种的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。 

Claims (10)

1.一种用于不同调制信号的相关装置，包含：
第一信号路径，用来接收接收信号；
第二信号路径，用来接收该接收信号，并将该接收信号转换为具有特别调制方案形式的转换信号；以及
相关单元，耦接至该第一信号路径以及该第二信号路径，用来选择该第一信号路径以及该第二信号路径其中之一的输出，以执行信号相关操作；
其中该第二信号路径通过取得该接收信号的频谱的单边频带部分以将该接收信号转换为类双相移键控信号。
2.如权利要求1所述的用于不同调制信号的相关装置，其特征在于，该特别调制方案为双相移键控调制，并且该第二信号路径将该接收信号由双相偏置载频形式转换为双相移键控调制形式。
3.如权利要求1所述的用于不同调制信号的相关装置，其特征在于，该第二信号路径包含载波发生器，用来提供载波；以及混频器，用来将该接收信号与该载波混频，藉此以取得该单边频带部分。
4.如权利要求1所述的用于不同调制信号的相关装置，其特征在于，该相关单元针对该第一信号路径以及该第二信号路径的输出采用分时调制方案操作。
5.如权利要求1所述的用于不同调制信号的相关装置，其特征在于，该相关单元包含多工器，用来选择该第一信号路径以及该第二信号路径其中之一的输出。
6.如权利要求1所述的用于不同调制信号的相关装置，更包括至少一附加的相关单元，所有的该相关单元针对不同信号路径的信号执行信号相关操作。
7.一种用于不同调制信号的相关方法，包含：
a)接收信号；
b)利用第一调制形式将该接收信号转换为转换信号；
c)选择通过该接收信号与该转换信号中的一个；以及
d)针对该被选择的信号执行相关操作；
其中该步骤b)中包含取得该接收信号的频谱的单边频带部分以将该接收信号转换为类双相移键控信号。
8.如权利要求7所述的用于不同调制信号的相关方法，更包含：
e)对该步骤(a)至该步骤(d)进行多次重复循环；以及
f)将该各次循环的相关结果组合。
9.如权利要求8所述的用于不同调制信号的相关方法，其特征在于，该各次循环是同时执行。
10.如权利要求8所述的用于不同调制信号的相关方法，其特征在于，该各次循环是采用分时多工方案操作。
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