CN101449478B - 在cdma接收器中使用硬件和软件获取、跟踪以及主控的方法 - Google Patents

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Abstract

一种方法，包括：将专用电路以及可编程处理器系统两者用于通信信道的获取；并且将专用电路用于跟踪所获取的通信信道，而将可编程处理器系统用于主控使用依赖于数据的信息的应用，该数据依赖于所获取的通信信道。

Description

在CDMA接收器中使用硬件和软件获取、跟踪以及主控的方法
技术领域
本发明的实施方式涉及资源的有效使用。它们涉及对专用电路(硬件)和可编程处理器系统(软件)改进的使用，并且尤其涉及在无线接收器中对它们的选择性使用。
背景技术
总是希望能够尽可能便宜地实现系统并且尽可能有效地使用资源。
在无线接收器的实现中，存在于专用电路中执行的特定功能以及可以在专用电路中或使用可编程处理器执行的其他功能。如果无线接收器是主机的一部分，何种接收器功能应该使用主机本身的处理资源执行以及何种功能应该使用专用接收器电路执行是不明显的。
多址(MA)表示支持多个通信信道使用频带的协议。
码分多址(CDMA)是通过使用正交码片将数据扩频到全频带来支持多个通信信道共享单个频带。码片也称作伪随机噪声码。CDMA在诸如IS-95、cdma-2000、UMTS等某些移动蜂窝电话系统中使用以及还在其他通信系统中使用。例如，诸如全球定位系统(GPS)和提出的欧洲系统伽利略之类的某些全球导航卫星(GNSS)系统使用CDMA。将不同的码片分配给每个卫星通信信道，但是所有卫星通信信道共享同一频带。
另一个全球导航卫星系统GLONASS使用频分多址。对每个卫星通信信道分配不同的频带，但是所有卫星通信信道共享相同的码片。
出于简化的原因，现在将参考GNSS接收器，然而，应该理解本发明的实施方式在其他类型无线接收器中的应用。
GNSS接收器是复杂的系统。其通常包括用于解调RF信号的RF引擎、用于获取卫星通信信道、用于跟踪该卫星通信信道并且用于恢复从每个该卫星通信信道传输的数据的测量引擎，以及用于使用恢复的数据解析时间和几何未知量的定位引擎。
获取是复杂的过程。通信信道参数是未知的，因此需要“处理”以发现那些参数。对于使用CDMA的GPS系统，通信信道的未知参数是码片、码片的相位和准确的载波频率，其被例如多普勒频移所修改。
跟踪是不太复杂的过程。通信参数是已知的，但需要维护。相比于获取，需要少得多的“处理”。
通常，引擎已经在专用接收器电路中实现，该专用接收器电路解调RF信号、获取并且跟踪通信信道、恢复来自每个通信信道的传输数据以及使用恢复的数据解析时间和几何未知量以定位接收器。
最近，已经设计了“软件”接收器。专用RF电路用作RF引擎以解调存储在存储器中的RF信号。经编程的处理器用作测量引擎和定位引擎。其读取存储器、获取并且跟踪通信信道、恢复来自每个通信信道的传输数据以及使用恢复的数据解析时间和几何未知量以定位接收器。
软件接收器提供显著的灵活性，这是因为使用可编程处理器中的软件实现测量和定位算法。获取、跟踪、数据恢复和定位算法可以根据正在使用的导航系统而改变。如果是诸如伽利略、GLONASS之类的未来GNSS系统的开发和现有GPS系统的更新改造程序，这成为比固定在专用电路方案更有吸引力的方案。
然而，软件接收器计算上密集并且需要相当多的RAM用于获取和跟踪。
这可能使软件接收器昂贵。还使其不适于与主机集成，其中软件接收器与应用共享主机资源，因为要么软件接收器需要的资源将干扰应用的适当操作，要么将需要较高特定性并且更昂贵的主机。
定义
用于名词的形容词“专用的”描述了该名词是针对一个或者多个特定功能的性能而配置、修改或优化的。“专用的”包括“永久性地专用”以及“临时性地专用”。用于名词的形容词“永久性地专用”描述该名词是针对一个或者多个特定功能的性能而永久性地配置、修改或优化。用于名词的形容词“临时性地专用”描述该名词针对特定功能的性能在一段时间而不是所有时间内配置、修改或优化。“临时性地专用”包括“可变地专用”，其针对名词用作形容词以描述该名词在不同的时间针对不同的特定功能的性能而配置、修改或优化。
发明内容
根据本发明的一个实施方式提供一种方法，包括：将专用电路和可编程处理器系统两者用于获取通信信道；以及将该专用电路用于跟踪所获取的通信信道，而将可编程处理器系统用于主控使用依赖于数据的信息的应用，该数据依赖于所获取的通信信道。
该方法可以进一步包括在获取通信信道时将部分解码的数据从专用电路传送到处理器系统，并且在跟踪通信信道时将依赖于完全解码的数据的信息从专用电路传送到处理器系统。
根据本发明的另一个实施方式提供一种系统，包括：专用电路和可编程处理器系统，其一起操作以获取通信信道，以及独立操作以分别跟踪所获取的通信信道并且主控使用来自于获取的通信信道的信息的应用。
根据本发明的另一个实施方式提供一种电路，用于支持对编码数据进行解码，该电路包括接口，其在第一信道获取模式中输出部分解码的数据，并且在第一信道获取模式之后的第二信道维持模式中输出依赖于解码的数据的信息。
根据本发明的另一个实施方式提供一种方法，包括：将专用电路和处理器系统的资源用于通信信道获取；以及在获取之后，释放处理器系统的资源以便由应用使用并且将专用电路而不是处理器系统用于通信信道跟踪。
根据本发明的另一个实施方式提供一种方法，包括：在第一信号处理阶段期间，将专用电路和处理器系统的资源用于信号处理；以及在第一信号处理阶段之后，释放处理器系统的资源以便由应用使用并且同时在第二信号处理阶段期间，将专用电路而不是处理器系统用于信号处理，其中第一阶段比第二阶段在计算上更密集。
在一个示例中，在GNSS操作期间“专用”电路专用于GNSS功能。如果没有执行GNSS操作，那么该“专用”电路可能可以重用于其他功能。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在仅通过示例的方式对附图进行参考，附图中：
图1示意性地示出了用于从GNSS卫星获得定位的GNSS接收器系统；
图2A示意性地示出了信道获取期间的GNSS接收器系统；
图2B示意性地示出了数据恢复和跟踪期间的GNSS接收器系统；以及
图3示出了信道获取以及跟踪的方法。
具体实施方式
本发明的实施方式可以在第一信号处理阶段期间将专用电路2和处理器系统4的资源用于信号处理(图2A)。在第一阶段之后，处理器系统4的资源释放以便应用22使用。同时，将专用电路2而不是处理器系统4用于第二信号处理阶段期间的信号处理(图2B)，该第二信号处理阶段在计算上不如第一阶段密集。该应用可以使用第二信号处理阶段确定的数据。
第一信号处理阶中需要的信号处理可能是获取通信信道所必须的并且第二信号处理阶段中需要的信号处理可能是跟踪获取的通信信道所必须的。
在第一阶段期间，部分处理的数据45A可以从专用电路2传送到处理器系统(图2A)，而在第二阶段期间，完全处理的数据45B、21可以从专用电路2传送到处理器系统4(图2B)。
由专用电路2执行的例如相关44的至少某些基带功能在第一和第二阶段之间是共有的。
尽管以下描述特别参考了GNSS接收器系统10，但是应该认识到本发明具有更广泛的应用并且可以用在任何合适的无线接收器系统中，并且尤其可用在与一个或者多个扩频码相关的那些无线接收器系统中。
图1示意性地示出了用于从GNSS卫星获得定位的GNSS接收器系统10。
GNSS卫星通信信道通过码片和频率的唯一组合与相同GNSS的其他卫星通信信道分离开来。在GPS中，每个卫星共享相同的频带，但是具有不同的码片，然而，在GLONASS中，每个卫星使用相同的码片但是具有不同的频带。由于每个信道与相对于接收器具有不同速率的不同卫星相关联，由于多普勒效应，每个通信信道在标称载波频带内具有其自己未知的频率。因此，通信信道可以由参数定义：码片、码片相位以及由多普勒频移影响的频率。
码片相位给出了从接收器系统10飞到卫星的时间的初始指示，并且其称作伪距离。在其表示真实距离之前，必须相比较于卫星时钟修正至少一个接收器时钟误差。还可以修正卫星时钟和轨道误差以及RF信号传输误差。
定位引擎解析具有四个未知量的至少四个等式以确定固定的三维位置。四个未知量是接收器位置(x，y，z)中的三个自由度和根据“真实”卫星时间参考的接收器时间。GNSS接收器系统10因此必须获取四个独立的通信信道。
获取是在给定开始条件集合(或不确定)情况下GNSS接收器系统用来发现卫星通信信道的过程。这包括实现锁频和码相位对齐，以及通常充分地对数据解码以实现对每个伪距离的确定。如果使用辅助GPS操作的标准形式，则可以不必通过解码通信信道数据来确定伪距离。
随着时间流逝，接收器与每个卫星的相对速率可以改变，并且接收器时钟中的误差可以改变。出于这些原因，重要的是接收器能够独立地跟踪每个获取的通信信道，从而一旦被获取，其随后就不会丢失。
接收器系统10包括专用电路(硬件)2和处理器系统(软件平台)4。在一个示例中，在GNSS操作期间“专用”电路专用于GNSS功能。如果没有执行GNSS操作，那么该“专用”电路可以重用于其他功能。处理器系统至少包括处理器和存储器。接口30互连专用电路2和处理器系统4。该接口可以是两个独立设备之间的物理连接或其可以位于片上系统(SoC)设计的内部。
接收器系统包括用于解调RF信号的RF引擎12，用于获取卫星通信信道、用于跟踪卫星通信信道和用于恢复从每个卫星通信信道传输的数据的测量引擎14、16、18，并且还可能包括用于使用恢复的数据解析时间和几何未知量以确定接收器系统的位置的定位引擎20。该系统还包括使用接收器系统位置的应用22，诸如绘图或引导应用。
测量引擎使用专用电路2和处理器系统4两者。
定位引擎20通常位于专用电路2或处理器系统4内。
测量引擎包括用于获取卫星通信信道的信道获取块14、用于跟踪卫星通信信道的跟踪块18以及用于恢复从每个卫星通信信道传输的数据的数据恢复块16。
提供信号获取块14，其使用专用电路2和处理器系统4两者。跟踪块18和数据恢复块16仅通过专用电路2提供。
编码的数据1经由已经使用至少两个参数(通常为频率和码片)编码的通信信道接收。
通信信道的获取包括对定义该信道的至少两个参数的确定。这可以包括对GNSS数据流充分解码从而不仅支持CDMA码相关(给出纳秒时间)而且正确的GNSS数据比特对齐(其解析GNSS毫秒时间)以及GNSS数据帧(给出GNSS秒时间)，并且因此完成对每个伪距离的确定。然而，如果正在使用辅助GPS操作的标准形式，则可以不必通过解码通信信道(GNSS)数据以确定伪距离。如果向GPS接收器提供精确的GNSS时间(对于GPS，这<+/-0.5毫秒)，那么其仅需要确定CDMA码相关时间以完全确定每个伪距离。
通信信道的跟踪包括维持至少两个限定信道的参数并且当其随时间改变时(对于GPS为每2个小时)不时地更新卫星数据信息。
专用电路2确定至少一个参数并且相对于该一个或者多个参数解码已编码的数据以产生部分编码的数据45A。在下面给定的示例中，专用电路2确定用于通信信道的码片而不是频率。然而，在其他实现中，电路2可以确定频率而不是码片。
在信道获取模式中(图2A)，接口30输出部分编码的数据45A到处理器系统4。部分编码的数据是由至少一个参数编码的数据。在以下给出的示例中，对部分编码的数据进行编码的参数是未知频率，码片已经在专用电路2中确定。
在信道获取模式中(图2A)，处理器系统4接收部分编码的数据45A并且完全解码数据。在下面给出的示例中，处理器系统4确定对部分编码的数据45A进行编码的未知频率FO，并经由接口30将其返回给专用电路2。
在第一信道获取模式之后的第二信道维持模式中(图2B)，接口30向处理器系统4输出依赖于解码的数据的信息。该信息可以是伪距离45B或位置信息21。专用电路2还维持至少两个参数并且相对于维持的参数解码已编码的数据。在以下给出的示例中，跟踪块18维持频率和/或码相位偏移，并且数据恢复块16生成伪距离45A。
图2A示意性地示出了信道获取期间的GNSS接收器系统10。
编码的数据1经由天线接收并且由RF引擎12进行转换，然后，其在频率控制器42的控制下通过混频器40从中间频率IF频移到基带频率。基带信号由相关器块44相关以生成部分编码的信号45A。
在该示例中，GNSS接收器系统10是GPS接收器，并且使用卫星专用码片以及由卫星专用多普勒频移引起的共同频带偏移对已编码的数据进行编码。
相关器块44可以实现为如WO2005/104392A1的图3或图6所描述的群组相关器。
在群组相关器中，以每码片一比特的速率将码片移位到大小为N的码移位寄存器中。同时，以每码片一比特的速率将基带信号移位到大小为N的采样移位寄存器中。针对每N个码片，将码移位寄存器的内容传送到码寄存器。针对每个码片，将码寄存器的N个比特与采样移位寄存器的相应N个比特进行交叉相关。码寄存器可以串行级联，从而在任何一次，每个码寄存器都保存相同码片的不同个连续的N个比特部分。在该情况中，每个级联的码寄存器在每个码片周期中与采样移位寄存器进行交叉相关。
在并行群组相关器中，针对不同码片可以进行相同的过程。
码控制器46控制提供给各自的码移位寄存器的码和码部分。码控制器可以是可编程的，从而可以使用不同的码格式。
接收器时钟精确度引入了若干kHz的误差，如由多普勒频移造成的。如果在一个完整的CDMA码周期(对于GPS，1毫秒中为1023个码片，即码周期)上进行一个采样，那么可用的带宽将小于500Hz并且其在小于0.5kHz的频率箱(frequency bin)中，将采用很多相关以搜索多个kHz空间。
因为相关器块44对大小为N的码片的部分与N个连续采样进行相关，所以相关器块44具有N倍于码片率的有效采样率，并且因此能够搜索增加的频率带宽。事实上，其能够并行地针对每个码片搜索整个频率带宽。这使得相关器块能够针对接收的编码数据识别相关的码片并且无需首先确定它们各自的频率而估计它们各自的码片相位。
从相关器块44输出的部分编码的数据45A通过接口30提供给处理器系统4。处理器系统4使用诸如快速傅立叶变换的频率分析50解码部分编码的数据以识别经由接口30返回给专用电路2的通信信道的频率FO。因此解决了多普勒频移和接收器时钟误差引入的频率的不确定性。
处理系统4可以为FFT提供处理器和/或存储器。如果处理系统仅提供存储器，则处理可以发生在专用电路2处。
处理系统4可以根据GNSS系统不确定性提供所需的任何频率分析。因此，对于由于与GPS时间基准同步而具有小不确定性的CDMA网络，或由于它们的与GNSS系统的异步性质而具有的较大不确定性的WCDMA/GSM网络，处理系统4是可伸缩的。处理系统4是完全可伸缩的并且可以针对所需的获取提供或多或少的处理功率。
图2B示意性地示出了数据恢复和跟踪期间的GNSS接收器系统10。
当在专用电路2处接收频率FO时，将其传递到频率控制器42，频率控制器42调谐该频率以针对通信信道修正频率箱。然后，码控制器将用于通信信道的整个码片提供给相关器块，该相关器块将整个码片与修正频率箱处的基带信号进行交叉相关。
因此，相关器块44能够确定基带信号和码片之间的码片偏移。这根据接收器时钟参考而不是GNSS参考指示出接收器和与通信信道相关联的卫星之间的时间差。该时间差或伪距离45B提供给定位引擎20。定位引擎20可以位于专用电路2内或由运行在处理器系统4上的软件提供。
这样，伪距离45B或位置报告21经由接口30在跟踪期间传递到处理系统4。如果定位引擎30由处理系统4中的软件实现，则传递伪距离45B。如果定位引擎20在专用电路2中实现，则传递位置报告21。
专用电路能够在不具有来自于处理系统的附加资源的情况下跟踪通信信道。一旦确定修正的卫星频率和码片相位，则改变率是可预测的并且其处于跟踪控制环路的正常能力之内。唯一的不确定性是因为接收器的时钟稳定性和用户的移动(尤其是他们的加速度)。然而，通常，这可以在给定的特定带宽下由跟踪控制环路维持。如果频率以不希望的方式突然改变，则仅需要搜索相邻的频率箱。然而，应该不需要对于频率不确定性的初始kHz的任何重新搜索。
应该理解，诸如相关器44之类的专用电路的部分可以在获取阶段和跟踪阶段中重新使用。
应用22在跟踪过程期间使用位置报告21来向用户提供输出，诸如绘图或导航服务。因此，专用电路2用于跟踪获取的通信信道，而可编程处理器系统用于主控使用依赖于通过获取的信道接收的数据的信息的应用，该信息即通信信道中码片的相位。
专用电路2并非过于特别。极少有电路仅在资源密集获取过程中使用，而是相反。获取的部分而不是所有负担已经从专用电路2转移到处理器系统4，同时跟踪的负担还维持在专用电路2中。获取的负担由专用电路2和处理器系统4共享。专用电路2承受了跟踪的负担，并且在跟踪期间，处理器系统4上的负担大大小于获取期间置于其上的负担。这允许处理器系统4用于在跟踪期间运行资源集中的应用。
图3示出了在块60处开始信道获取的方法。然后，在获取期间，在块61处，使用专用电路和处理系统4资源两者。然后，信道获取阶段在块62处结束。接下来，在块63处，确定接收器位置。然后，在块64处，处理系统4资源释放，以便由例如处理器系统4主控的应用使用。接下来，在块65处，跟踪阶段开始，其中专用电路在块66处使用。
处理器系统4的资源用于通信信道获取，但是在获取之后被释放到主机应用。以有效的时间共享方式使用处理器系统资源。
专用电路2用于通信信道获取，但是在获取之后，其用于通信信道跟踪。公共专用电路可以用于跟踪和获取。也以有效的时间共享方式使用专用电路资源。
参考图1，专用电路2可以与处理系统4集成为片上系统(SoC)或模块或芯片组。例如，可以使用直接存储器访问(DMA)支持将在获取阶段发生在专用电路2和处理器系统4之间的快速数据传送。
SoC可以是蜂窝电话、PDA、导航系统、车载计算机等的一部分，其中将处理系统用于提供应用。
尽管已经在前述段落中参考各种示例描述了本发明的实施方式，但是应该理解可以在不脱离所要求保护的本发明的范围的情况下对给定的示例进行修改。
尽管力图在前述说明书中关注对于那些认为是特别重要的本发明特征，但是应该理解申请人要求在任何专利性特征或此前参考和/或在附图中示出的特征的组合方面的保护，而不论是否对其进行了特别的强调。

Claims (36)

1.一种用于通信的方法，包括：
将专用电路和分离的可编程处理器系统两者用于获取通信信道；以及
将所述专用电路而不是所述分离的可编程处理器系统用于跟踪所获取的通信信道，而将所述分离的可编程处理器系统用于主控使用依赖于数据的信息的应用，其中所述数据依赖于所述获取的通信信道。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在获取所述通信信道时将部分解码的数据从所述专用电路传送到所述处理器系统，并且在跟踪所述通信信道时将依赖于完全解码的数据的信息从所述专用电路传送到所述处理器系统。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述通信信道的获取包括确定定义所述通信信道的至少两个参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中定义所述通信信道的参数中的一个是扩频码。
5.根据权利要求3所述的方法，其中定义所述通信信道的参数中的一个是扩频码相位。
6.根据权利要求3所述的方法，其中定义所述通信信道的参数中的一个是频率。
7.根据权利要求3所述的方法，其中在所述专用电路中确定至少一个参数并且在所述可编程处理器系统中确定至少一个参数。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述专用电路识别扩频码并且确定扩频码相位。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述可编程处理器系统在频率的确定中使用。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述可编程处理器系统用于执行频率分析。
11.根据权利要求1所述的方法，其中跟踪所述通信信道包括维持定义所述通信信道的至少两个参数。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述维持的参数中的一个是扩频码相位。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述维持的参数中的一个是频率。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述跟踪和获取共享对相关器或匹配滤波器的使用。
15.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用所述获取的通信信道来确定位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述获取的通信信道是GNSS信道。
17.一种用于通信的系统，包括：
专用电路和分离的可编程处理器系统，其配置用于一起操作以获取通信信道，其中所述专用电路而不是所述分离的可编程处理器系统配置用于跟踪所获取的通信信道，并且所述分离的可编程处理器系统配置用于主控使用来自于所述获取的通信信道的信息的应用。
18.根据权利要求17所述的系统，进一步包括接口，其配置用于在信道获取期间将部分解码的数据从所述专用电路传送到所述处理器系统，并且其配置用于将依赖于完全解码的数据的信息从所述专用电路传送到所述处理器系统以便由所述被主控的应用使用。
19.根据权利要求17或18所述的系统，其配置用于使用所述获取的通信信道来确定位置。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述获取的通信信道是GNSS信道。
21.根据权利要求17所述的系统，其中所述专用电路配置用于支持对编码数据的解码，并且所述专用电路包括接口，其配置用于在第一信道获取模式中输出部分解码的数据，并且在所述第一信道获取模式之后的第二信道维持模式中输出依赖于所述解码的数据的信息。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述编码的数据是经由由至少两个参数编码的通信信道接收的数据。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述专用电路配置用于确定所述参数中的至少一个并且相对于该一个或者多个参数对所述编码的数据进行解码以产生部分编码的数据。
24.根据权利要求22或23所述的系统，其中所述部分编码的数据是由至少一个参数编码的数据。
25.根据权利要求22或23所述的系统，其中所述专用电路配置用于维持所述至少两个参数并且相对于所述维持的参数对所述编码的数据进行解码。
26.根据权利要求21所述的系统，配置用于使用所述获取的通信信道来确定位置。
27.根据权利要求26所述的系统，其中所述获取的通信信道是GNSS信道。
28.一种用于通信的方法，包括：
将专用电路和分离的处理器系统的资源二者用于通信信道获取；以及
在获取之后，释放所述处理器系统的所述资源以便由应用使用，并且将所述专用电路而不是所述处理器系统用于通信信道跟踪。
29.根据权利要求28所述的方法，进一步包括在获取所述通信信道时将部分解码的数据从所述专用电路传送到所述处理器系统，以及将依赖于完全解码的数据的信息从所述专用电路传送到所述处理器系统以便由所述应用使用。
30.根据权利要求28或29所述的方法，进一步包括使用所述获取的通信信道来确定位置。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述获取的通信信道是GNSS信道。
32.一种用于通信的方法，包括：
在第一信号处理阶段期间，将专用电路和分离的处理器系统的资源用于通信信道获取；以及
在所述第一信号处理阶段之后，释放所述处理器系统的所述资源以便由应用使用，并且同时在第二信号处理阶段期间，将所述专用电路而不是所述处理器系统用于通信信道跟踪，其中所述第一阶段比所述第二阶段在计算上更密集。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述应用使用来自于所述第二信号处理阶段的输出。
34.根据权利要求32或33所述的方法，进一步包括在所述第一信号处理阶段期间，将部分处理的数据从所述专用电路传送到所述处理器系统。
35.根据权利要求32所述的方法，进一步包括在所述第二信号处理阶段期间，将完全处理的数据从专用电路传送到所述处理器系统。
36.根据权利要求32、33或35所述的方法，其中由所述专用电路执行的至少某些功能在所述第一和第二信号处理阶段是共有的。
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