CN101447822B - 从卫星接收第一信道与第二信道的方法及接收器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种从卫星接收第一信道与第二信道的方法及接收器。特别是应用于全球导航卫星系统的自适应性时分多工接收器及相应方法，第一信道包含至少一已知参数、不同于第二信道的至少一相异参数以及与第二信道共同的至少一共同参数，参数的组合构成假设，包含：设置假设分配以指示对第一信道与第二信道的假设执行的相关性运算，假设是依据参数而分配；以及依据假设分配来对每一假设执行相关性运算。本发明将同一卫星的导频信道与数据信道视为两个不同的卫星而处理。其中大部分的相关性资源是分配用来接入并跟踪导频信道，以取得大量有关卫星的码相位及多普勒频率信息，进而大大提高系统效能。

Description

从卫星接收第一信道与第二信道的方法及接收器

【技术领域】

本发明涉及一种卫星信号接收器，特别是关于一种应用于全球导航卫星系统的自适应性时分多工接收器及相应方法，其中全球导航卫星系统是以导频信道与数据信道定位卫星。

【背景技术】

对于检测扩频信号所承载的数据的接收器来说，需要考虑三个参数：可见卫星识别码，多普勒频率及码相位，其中承载数据的扩频信号通过全球导航卫星系统(例如：全球定位系统，全球导航卫星系统及伽利略系统等)传送。在冷启动状态时，即最初接收器刚开始运作时，可见卫星识别码，多普勒频率及码相位等参数均未知。因此有必要对每一通过以上三个参数所可能的形成的组合进行尝试。其中特定卫星识别码，特定的多普勒频率及特定的码相位所形成的组合称为假设(hypothesis)。对卫星SVx而言，如图1所示，倘若以M个可能多普勒频率DF0，DF1，DF2，...DFm-1，以及N个码相位CP0，CP1，CP2，...CPn-1为例，则存在M×N种假设。以此可推导倘若存在X个卫星SV0，SV1，...，SVx-1，则存在的假设数目为X×M×N，即如图2所示。最不理想的情形下，需进行X×M×N次相关性运算才能获取某一特定GPS信号。通常应用情况下，需要大约1/2或1/4的码间距来达到较高跟踪命中率。因此，引入另外一个外部因子(extrafactor)P，若码间距为半个码元时，P＝2；若码间距为1/4码元时，P＝4；依此类推，则上述假设的数目为X×M×N×P。

倘若一个接收器中只有一个相关器，则只能逐一验证所有可能出现的假设，但若此接收器中存在两个相关器，则表示接收器可在同一时间同时处理两种假设，显然处理速度是上述情况的两倍。如需提升速度，可通过增加相关器的数目来实现，但如此将导致成本增加以及硬件复杂度的升高。

对GNSS信号而言，虚拟(pseudo)随机码的码率为1.023MHz，即在1毫秒时间内共1023个码元。若相关器的时钟频率为1kHz，则此相关器需包含1023对乘法器与加法器以对所接收到的信号进行相关性运算。搜寻频率为每一假设需一毫秒。另外，这种具有1023对乘法器与加法器的相关器，本身实现就很复杂。另外，将时钟频率设定为1kHz，也不便于实现。反之，本例中也可通过增加时钟频率的大小来减少相关器的数量，以达到同样的功效。例如，使用33kHz的时钟频率，则仅仅需31对乘法器与加法器便能实现同样的功效。

如上所述，硬件的复杂度问题可通过增加时钟频率来解决，但是对假设的搜寻频率仍然是每一毫秒搜寻一个假设。对于特定卫星与特定的多普勒频率而言，在码相位中存在1023个假设，倘若时钟频率进一步提升至33kHz×1023＝33.759MHz，则所有的码相位假设均可在1毫秒时间中完成。另外在某些应用中，会要求较高的精准度，因此有必要采用1/2的码间距。那么，对于特定卫星与特定的多普勒频率而言，码相位中存在2046个假设需要处理，此时时钟频率进一步提升至33.759MHz×2＝67.518MHz，以及所有的码相位假设均可在1毫秒时间中完成。随着时钟频率的增加，储存器容量也需对应增加。不过，与乘法器及加法器相比，储存器的成本较低。进一步增加时钟频率可适当地为各个参数安排多路搜索能力，以适应不同的应用需求。

在某些GNSS系统中，如欧洲使用的伽利略系统，定义两种信道，即导频(pilot)信道与数据信道，导频信道中无任何关于数据本身的信息，即导频信道中没有承载用于导航的数据信息。导航数据承载于数据信道中。通过导频信道传输的信号被称为导频信号，其可被接收器识别。通过将导频信号作为辅助信息，将获得长达数秒的相干积分时间以达到更高的跟踪精度。

【发明内容】

因此，为有效解决以上所述的影响系统效能技术问题，本发明提供了一种从卫星接收第一信道与第二信道的方法及接收器。

本发明揭示一种接收器，用于从卫星接收第一信道与第二信道，所述第一信道包含至少一已知参数、不同于所述第二信道的至少一相异参数以及与所述第二信道共同的至少一共同参数，所述参数的特定组合构成假设，所述接收器包含：相关器，用以执行相关性运算；时钟控制器，控制所述相关器的时钟频率；以及控制单元，将在特定时期可尝试的全部假设数目提供至所述时钟控制器，使得所述时钟控制器依据所述全部假设数目控制所述相关器的所述时钟频率，以及所述控制单元设置假设分配来指示在所述特定时期中所述相关器对所述卫星的所述第一信道与所述第二信道的所述假设执行相关性运算；所述全部假设数目是依据所述参数而分配。

本发明同样揭示一种从卫星接收第一信道与第二信道的方法，所述第一信道包含至少一已知参数、不同于所述第二信道的至少一相异参数以及与所述第二信道共同的至少一共同参数，所述参数的组合构成假设，所述方法包含：设置假设分配以指示对所述第一信道与所述第二信道的所述假设执行的相关性运算，所述假设是依据所述参数而分配；以及依据所述假设分配来对每一所述假设执行相关性运算。

依据本发明提供的接收器及相应方法，将同一卫星的导频信道与数据信道视为两个不同的卫星而处理。其中大部分的相关性资源是分配用来接入并跟踪导频信道，以取得卫星的码相位及多普勒频率信息，利用这些信息便可解调承载于所述卫星数据信道上的数据，进而大大提高系统效能。

【附图说明】

图1是显示特定卫星的码相位域和多普勒频率域所构成假设的示意图。

图2是显示关于可用卫星的码相位域与多普勒频率域形成假设示意图。

图3是显示依据本发明实施例利用时分多工分配多个假设的示意图。

图4是显示依据本发明提供GNSS接收器的结构示意图。

图5是显示本发明基于时分多工来处理全球导航卫星系统中导频信道或数据信道的方法流程图。

【具体实施方式】

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出优选实施例，并配合说明书附图，作详细说明如下：

如上述，时分多工接收器需进行相关性运算的次数为X×M×N×P。假设时钟频率是硬件多工频率的K倍(例如：具有31对乘法器与加法器的相关器的频率为33kHz)。关于多工传输的方程式如下：

K＞＝X×M×N×P    (1)

其中M是指在多普勒频率范围内所要尝试的假设数目，N是指在码相位范围内所要尝试的假设数目。P是指需满足的精度，如上所述，P＝2表示码间距为1/2码元大小，P＝4表示码间距为1/4码元大小。X表示需尝试的卫星数目。K表示在一毫秒时间可尝试的假设数目。

在K为固定值的情形下，时分多工接收器依据固定时钟频率适应性安排所要尝试的假设。举例说明，若K＝2046，即表明在一毫秒时间尝试2046个假设数目。则乘积组合的K可表示为：1×1×1023×2。即表明在一毫秒时间中，关于特定卫星与特定的多普勒频率的1023个码相位假设是以具有1/2码间距的精准度来进行尝试。在某些情形下，码相位范围是已知的，因此没有必要在码相位范围内尝试所有的假设。例如，乘积组合K可表示为：1×3×341×2。即表明在一毫秒时间中，基于三种多普勒频率下对682个码相位以具有1/2码间距的精准度来进行尝试。

在搜索到卫星信号后，搜索进程继续对卫星信号进行跟踪，此时码相位已锁定，并无需搜寻如此多的码相位假设。则乘积组合K可表示为：11×3×15×4。即表明在一毫秒时间内，11个卫星被搜寻，对每一个卫星而言，以具有1/4码间距的精准度对基于三种不同多普勒频率，及供选择的15码相位的假设进行尝试。如上所述，适当地分配乘积组合以适应在固定时钟频率的运作模式下。所述方法被称为固定速率自适应域(fix-rate-adaptive-domain)。

然而，在实践中，时常没有必要在码相位范围内搜索15个假设，也没有必要在3个不同的多普勒频率上进行搜索。另外，有时并不需要搜索如此多颗卫星。如果可以省略这种不必要的进程，则可明显减轻接收器的功耗。

在另一情形下，K是可变的，时钟频率随模式的调整而改变。例如，在卫星搜索模式下，接收器需要尽快获取卫星信号，因此，通常会使用更高的时钟频率。若在卫星追踪模式下，会使用较低的时钟频率以减少能量损耗。所述方法被称为自适应速率自适应域(adaptive-rate-adaptive-domain)。

如上所述，有些全球导航卫星系统，如伽利略系统，具有用于卫星通信的导频信道与数据信道，即每一卫星传输两种信号，导频信号和数据信号。对同样的卫星而言，导频信道和数据信道使用不同的识别码，例如不同的虚拟随机码。因此，在本发明中，提出的来自同一卫星的导频信道和数据信道可依据时分多工方法而被视为分别具有导频信道和数据信道的两个卫星。此方程可以表示为：

K＞＝(Xp+Xd)×M×N×P                     (2)

其中，Xp与Xd分别表示对导频信道与数据信道分配的各自对应的相关性运算时隙。

对同一卫星而言，尽管通过导频信道与数据信道分别进行传输的导频信号与数据信号均是以不同的虚拟随机码进行编码，但是导频信道与数据信道的其它诸如多普勒频移、码相位等参数是相同的，即除虚拟随机噪声码对应的参数外，关于卫星的导频信道与数据信道的其它参数，例如多普勒频率与码相位是相同的。因此如果将同一卫星的导频信道与数据信道视为不同卫星的信道则必然会导致相关性运算资源的浪费。

如上所述，导频信号是已知的，而接收并跟踪特定卫星的导频信道的导频信号是可行的，并通过利用诸如多普勒频移与码相位等从导频信道获取的信息，来跟踪数据信道所承载的数据。接收器的卫星跟踪回路可分配大多数相关性运算资源来对导频信道的导频信号进行相关性运算以接收并跟踪导频信道。当数据信道开始解扩频(dispreading)及解调数据比特时，卫星跟踪回路仅需跟踪同一卫星的数据信道。大部分的相关性资源是分配为用来接收并跟踪导频信道，而小部分的相关性资源被分配来解扩频及解调承载于同一卫星的数据信道上的数据。

图3是显示依据本发明实施例利用时分多工分配多个假设的示意图。在本实施例中，K＝2046，即表明时长为1毫秒，尝试2046个假设，是以时分多工方式对2046个假设进行尝试的。例如在一个时隙间对一个假设进行尝试，对假设的复用方式在卫星的各个域、多普勒频移、码相位以及码间距构成的乘积组合被设置为K＝11×3×31×2。即表明共有11个卫星的假设被尝试。对每一卫星而言，是以3种多普勒频率与31个码相位进行尝试，并且码间距为1/2码元。但31个码相位假设数目却太多。依据本发明，仅分配小部分码相位假设来处理数据以实现导航，而其余的假设被用于接收并跟踪导频信号。例如：对每一卫星而言，共需尝试3×31×2＝186个假设。在186个假设中(SV0～SV10)中，其中180个假设(HY1～HY 180，HY187～HY366，...，HY1861～HY2040)是用来对导频信号进行相关性计算的，而剩余的6个假设(HY181～HY186，HY367～HY372，...，HY2041～HY2046)是分配用来扩展数据信道承载的数据。图3中，一系列卫星名(SV0～SV10)的后缀字母”p”与”d”分别表示导频信道与数据信道。举例说明，是将用来处理数据的假设设置成码相位CP0来进行，但其它不同的设置也同样可实现，主要是依据实际情况对其进行设置。例如，同样可设置对应于码相位CP8的部分假设并发送以处理数据。

图4是显示依据本发明提供GNSS接收器的结构示意图，其包含位于后部分的基带端300。以下将结合图3进行说明，接收器包含用以处理射频信号的射频前端100，接收控制器200以及基带端300。射频前端100接收经扩频编码的GNSS信号(如：伽利略信号)，并将这些信号转换为中频(IF)信号，其中中频信号被传送至基带端300。以上信号包含关于每一个可接收卫星的导频信号与数据信号。以下将详细说明具体的操作流程。

将每一中频信号传送至基带端300中的载波混频器/副载波移除器310，其中载波混频器/副载波移除器310的载波混频器部分将中频信号与由数字控制振荡器(Numerical Controlled Oscillator，NCO)产生的载波信号混频，以将中频信号转换为基频信号。另外，载波混频器/副载波移除器310的副载波移除器部分用以移除信号中的副载波。同样地，也可同时移除信号的载波与副载波，以上仅为举例说明，任何适用于移除载波与副载波的方法均可运用于本发明中。码产生器324利用通过编码数字控制振荡器322产生的码时钟(code clock)，以产生虚拟随机噪声码。为获取导频信号，相关性计算器利用来自各个卫星的导频信号的虚拟随机噪声码对所接收的信号进行相关性计算。时钟控制器306用以提供具有K时钟频率的时钟信号。相关器326依据时钟信号执行相关性计算，其中提供时钟频率K的操作也可以是接收器内部固有的操作。相关器326包含混码器(未图示)与累加器(未图示)，通过虚拟随机噪声码与基频信号来解扩频经扩频后的信号并对累加后结果求积分，即相关器326对基频信号执行相关性计算。在进行相关性计算之前，相关器326接收关于乘积组合K的指令，并依据所述指示进行相关性计算，所述通过控制单元204产生的指令是关于乘积组合K的指令，关于乘积组合K的说明详见说明书后续内容。可以将控制单元204内置于控制器200，也可以将控制单元204设置于外部其它硬件电路、固件或通过软件实现。

在本实施例中，控制单元204内置于控制器200中。将相关器326输出的积分结果储存于储存器350中，获取结果判决器330判断是否已取得相关器326输出的积分结果；若已取得，获取结果判决器330触发信号跟踪操作。因为在跟踪模式中不需要太大的搜寻速度，所以会适当降低时钟频率。另外，在跟踪模式下也可适当限缩码相位域的范围与多普勒频率域的范围。因此，通过改变乘积组合K可用以调整相关器326的时分多工方式。获取结果判决器330通过载波回路控制器318与编码回路控制器328将反馈信号分别发送至载波数字控制振荡器312与编码数字控制振荡器322，以此在码相位域与多普勒频率域内跟踪信号。数据抽取器340依据相关器326的输出，并从输入信号中抽取数据。

若从特定卫星获取导频信号，即已获得所述卫星的多普勒频率与码相位，同样地，也已获得卫星的数据信道，控制相关器326在所指定假设的时隙内对数据信道的数据进行相关性计算，以解扩频数据。在本实施例中，是将最后6个假设分配至每一信号用以处理数据。

如上所述，时钟控制器306提供具有K时钟频率的时钟信号。其中时钟频率为固定不变或为可变的。如果是可变的时钟频率，时钟控制器306接收一指令以控制时钟频率与相关器326的运作速度，其中所述指令是关于由控制单元204提供的乘积组合K。时钟控制器306包含计数器(未图示)，相关器326依据计数器所纪录的数目以执行相关性计算。

请一并参考图3，若所述计数器显示存在卫星SV0的从HY1到HY180的假设，则对导航信号执行相关性计算；而若所述计数器显示存在的假设是从HY181到HY186，相关器326则对数据信号执行相关性计算。

通过时分多工的原理来处理全球导航卫星系统(如：伽利略系统)的导频信道或数据信道的方法的流程如图5所示。在步骤S10，接收控制器200设置假设分配，其中包括确定在一个周期时间(如：1ms)内处理数据所需的假设，而剩余的假设则用以接收并跟踪导频信号。需注意，以上设置是随时可改变或进行调整的。如图3所示，最后从186个假设中剩余的6个假设被用以处理信号数据，而其它的180个假设则被用以接收/跟踪导频信号。在步骤S20，接收器接收信号并通过射频前端100来处理射频信号。需注意，此时继续保持接收信号，而此处流程的顺序仅为方便说明本发明，所示流程图中步骤的执行顺序并非是对本发明的限制。在步骤S30，接收器利用导频信号的虚拟随机噪声码来执行相关性计算，获取结果判决器330判断是否已取得导频信号(步骤S40)，若尚未接收导频信号，则保持相关性计算以接收导频信号；若已接收导频信号，则跟踪所述导频信号。除此之外，均已获得导频信号的多普勒频率与码相位。如上所述，对于特定卫星而言，导频信道与数据信道的多普勒频率与码相位均相同。当已知导频信道的多普勒频率与码相位时，即等同于获取了数据信道。在步骤S50，相关器326利用已获取的多普勒频率与码相位解扩频，并以所设置的假设分配中特定的假设解调数据信道中的数据。

在某些情况下，没有必要尝试如此多的假设。依据本发明，相关器326与其它部分元件在时分多工期间某些时隙时的状态为空闲。举例而言，时分多工包含的时隙数CPn＞2040，则接收控制器200产生失能信号TAP_MUTE，以使接收器的部分元件停止运作，进而减少能量损耗。目前市场上使用的接收器中，主要耗能元件包含相关器与储存器单元。因此，在本发明实施例中，失能信号TAP_MUTE被传送至时钟控制器306，并关闭相关器时钟；被传送至储存器350以下拉储存器的芯片致能信号、被传送至相关器326停止其中进行的逻辑通信。同样地，失能信号TAP_MUTE也可传送至其它元件，以停止其运行，以达到减少功耗。因此有关失能信号TAP_MUTE的传送途径可根据实际需要而灵活设置。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种接收器，用于从卫星接收第一信道与第二信道，所述第一信道包含至少一已知参数、不同于所述第二信道的至少一相异参数以及与所述第二信道共同的至少一共同参数，所述参数的特定组合构成假设，其特征在于，所述接收器包含：

相关器，用以执行相关性运算；

时钟控制器，控制所述相关器的时钟频率；以及

控制单元，将在特定时期可尝试的全部假设数目提供至所述时钟控制器，使得所述时钟控制器依据所述全部假设数目控制所述相关器的所述时钟频率，以及所述控制单元设置假设分配来指示在所述特定时期中所述相关器对所述卫星的所述第一信道与所述第二信道的所述假设执行相关性运算；所述全部假设数目是依据所述参数而分配。

2.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，所述第一信道为导频信道，所述第二信道为数据信道。

3.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，所述相异参数为识别码。

4.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，所述共同参数包含多普勒频率与码相位。

5.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，在设置所述假设分配的过程中，所述第一信道与所述第二信道被视为两个不同的卫星而处理。

6.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，所述控制单元通过利用所述已知参数来指示所述相关器对所述第一信道执行相关性运算。

7.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，当从特定卫星接收所述第一信道，并获得所述第一信道的所述参数时，所述控制单元通过利用所述第一与第二信道的所述共同参数分配所述假设的一部分以对所述特定卫星的所述第二信道执行相关性运算。

8.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，所述第一信道为导频信道，所述第二信道为数据信道；所述第一信道与所述第二信道的所述共同参数包含多普勒频率与码相位。

9.如权利要求8所述的接收器，其特征在于，所述控制单元为所述导频信道的特定码相位分配所述假设的一部分，以使所述相关器处理所述数据信道。

10.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，所述控制单元判断假设的时隙是否为空闲，且当所述时隙为空闲时，输出失能信号以在所述时隙期间失能所述相关器。

11.一种从卫星接收第一信道与第二信道的方法，所述第一信道包含至少一已知参数、不同于所述第二信道的至少一相异参数以及与所述第二信道共同的至少一共同参数，所述参数的组合构成假设，其特征在于，所述方法包含：

设置假设分配以指示对所述第一信道与所述第二信道的所述假设执行的相关性运算，所述假设是依据所述参数而分配；以及

依据所述假设分配来对每一所述假设执行相关性运算。

12.如权利要求11所述的从卫星接收所述第一信道与所述第二信道的方法，其特征在于，所述第一信道为导频信道，所述第二信道为数据信道。

13.如权利要求11所述的从卫星接收所述第一信道与所述第二信道的方法，其特征在于，所述相异参数为识别码。

14.如权利要求11所述的从卫星接收所述第一信道与所述第二信道的方法，其特征在于，所述共同参数包含多普勒频率与码相位。

15.如权利要求11所述的从卫星接收所述第一信道与所述第二信道的方法，其特征在于，在设置所述假设分配的过程中，将所述第一信道与所述第二信道视为两个不同的卫星来处理。

16.如权利要求11所述的从卫星接收所述第一信道与所述第二信道的方法，其特征在于，利用所述已知参数来对所述第一信道执行相关性运算。

17.如权利要求11所述的从卫星接收所述第一信道与所述第二信道的方法，其特征在于，当从特定卫星接收所述第一信道，并获得所述第一信道的所述参数时，利用所述第一信道与所述第二信道的所述共同参数来分配所述假设的一部分以对所述特定卫星的所述第二信道执行相关性运算。

18.如权利要求11所述的从卫星接收所述第一信道与所述第二信道的方法，其特征在于，所述第一信道为导频信道，所述第二信道为数据信道，所述第一与第二信道的所述共同参数包含多普勒频率与码相位。

19.如权利要求18所述的从卫星接收所述第一信道与所述第二信道的方法，其特征在于，将所述假设的一部分分配给所述导频信道的特定码相位，用以处理所述数据信道。

20.如权利要求11所述的从卫星接收所述第一信道与所述第二信道的方法，其特征在于，进一步包括判断假设的时隙是否为空闲，且当所述时隙被判断为空闲时输出失能信号并在所述时隙期间停止相关性运。

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