CN101568851B - 用于捕获gps信号的方法及具有采样时间误差和频率偏移补偿的gps接收机 - Google Patents

用于捕获gps信号的方法及具有采样时间误差和频率偏移补偿的gps接收机 Download PDF

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Abstract

本发明一般性地描述了用于捕获GPS信号的方法和具有采样时间误差及频率偏移补偿的GPS接收机的实施例。本发明还描述和要求了其他实施例。在一些实施例中，针对多个预定频率偏移中的每一个，以多个采样率对GPS信号进行重采样，以对晶体振荡器的时间误差和频率偏移进行补偿。可以针对所述预定频率偏移中的每一个，对所述重采样后的GPS信号进行互相关。在一些实施例中，晶体振荡器的采样时间误差和频率偏移可以远大于GPS卫星上的参考时钟的时频漂移。

Description

用于捕获GPS信号的方法及具有采样时间误差和频率偏移补偿的GPS接收机
技术领域
本发明涉及扩频接收机。一些实施例涉及全球定位系统(GPS)接收机。一些实施例涉及对GPS信号的捕获。
背景技术
常规GPS接收机采用精确的本地振荡器(LO)信号(即，具有较少的频率偏移)和精确的采样时钟，来从GPS卫星捕获信号。因为GPS接收机工作在非常低的信号电平上，所以要对所接收的GPS符号进行长相干合并。相干时间通常受限于相对于GPS信号的LO频率漂移和采样时钟时间误差。在常规的GPS接收机中，用来生成这些精确的信号的晶体振荡器相对昂贵，并且其准确度通常大约在千万分之五(0.5ppm)之内。使用具有较大时间/频率漂移误差(例如，准确度等级达到+/-20ppm)的较不昂贵的晶体振荡器可以导致以不正确的采样次数对所接收的信号进行采样和/或在执行相关时频率偏移过大。这使得难以(甚至不可能)捕获GPS信号。
因此，普遍需要可以通过使用较不昂贵和/或较不准确的晶体振荡器来捕获GPS信号的GPS接收机。另外，还需要可以(特别是在信号捕获期间)对由较不昂贵和/或较不准确的晶体振荡器所导致的采样时间误差和频率偏移进行补偿的GPS接收机。
附图说明
图1是与本发明的一些实施例对应的GPS接收机的简化方框图；
图2A、2B和2C是与本发明的一些实施例对应的信号捕获电路的功能方框图。
具体实施方式
下文中的描述和附图充分地说明了本发明的具体实施例，以使得本领域的技术人员能够实践所述实施例。其他实施例可以包含结构变化、逻辑变化、电气变化、过程变化以及其他的变化。一些实例仅仅代表可能的变化。除非明确地要求，单个组件和功能都是可选的，并且操作的顺序也可以改变。一些实施例的部分和特征可以包括在其他实施例的部分和特征中，或者可以被其他实施例的部分和特征替代。在权利要求中阐述的本发明的实施例涵盖这些权利要求的所有可得到的等价物。本发明的实施例可以在本文中被单独地称为或统称为术语“发明”，这仅仅是为了方便，而不是在实际上公开了一个以上的发明或发明概念时，将本申请的范围限制在任何单个的发明或发明概念。
图1是与本发明的一些实施例对应的GPS接收机的简化方框图。GPS接收机100通过天线101接收GPS信号。所述信号可以由低噪声放大器(LNA)102进行放大，并由带通滤波器104进行滤波，该带通滤波器104可以是声表面波(SAW)滤波器。混频器106可以使用LO信号127将所述信号下变频到基带正交信号(比如I(同相)和Q(正交相位)信号)。在进一步滤波和放大后，可以根据采样时钟信号125，由模/数变换器(ADC)108将所述I和Q信号变换为I和Q采样109。I和Q采样109可以由信号捕获电路120使用，以从GPS卫星捕获信号。在信号捕获后，I和Q采样109还可以由GPS接收机100的其他部分(未示出)使用，以进行数据解调和跟踪。
GPS接收机100还可以包括合成器126，该合成器可以使用晶体振荡器124作为参考来同时生成LO信号127和采样时钟信号125。晶体振荡器124可以是压控晶体振荡器(VCXO)，其输出频率可以根据校正电压123改变，以对LO信号127的频率漂移和采样时钟信号125的时间偏移进行补偿。在一些实施例中，GPS接收机100可以包括校正数/模变换器(DAC)122，以将晶体校正信号121从数字信号变换为模拟信号。下面将更为详细地讨论晶体校正信号121的生成。
根据本发明的实施例，信号捕获电路120可以通过针对多个预定频率偏移中的每一个，以多个采样率对GPS信号进行重采样(resampling)来捕获GPS信号，以对晶体振荡器124的采样时间误差和频率偏移进行补偿。信号捕获电路还可以针对所述多个预定频率偏移中的每一个，对所述重采样后的采样进行互相关，以对晶体振荡器124的采样时间误差和频率偏移进行补偿。在这些实施例中，晶体振荡器124的采样时间误差和频率偏移可以远大于GPS卫星上的参考时钟的时频漂移(例如，+/-20ppm较之于2.5ppm)，其中，所述GPS卫星上的参考时钟的时频漂移可能主要是由卫星的运动造成的，但是本发明的范围并不限于此。
在这些实施例中，所述预定频率偏移可以包括晶体振荡器124所生成的参考频率(即，LO信号127)和GPS卫星的参考时钟的参考频率之间的所有可能的频率偏移。在这些实施例中，捕获电路120所使用的采样109可以包括由ADC 108根据所接收的信号生成的复数值的I和Q采样。
在这些实施例中，所述重采样可以在采样109内的不同位置(即，不同的采样时间偏移)处执行，并且所述互相关可以针对不同的频率偏移来执行。这包括由于卫星速率而导致的多普勒频移以及由于晶体振荡器124导致的任何其他频率偏移。在一些实施例中，可以针对所述多个采样率中的每一个，并行地执行所述重采样，但是本发明的范围并不限于此。
尽管GPS接收机100被示例为具有若干不同的功能元件，但是可以对所述功能元件中的一个或多个进行组合，并可以通过由软件配置的元件的组合来实现，其中，所述由软件配置的元件例如是包括数字信号处理器(DSP)在内的处理元件和/或其他硬件元件。举例而言，一些元件可以包括一个或多个微处理器、DSP、专用集成电路(ASIC)和用于执行至少本文所描述的功能的各种硬件和逻辑电路的组合。在一些实施例中，GPS接收机100的功能元件可以指在一个或多个处理元件上运行的一个或多个处理过程。
尽管将GPS接收机100描述为用于接收和捕获GPS信号的接收机，但是本发明的范围并不限于此，并且本发明可以适用于捕获任何采用码序列(例如伪随机噪声(PN)码)调制的扩频信号。尽管GPS接收机100使用直接下变频接收机(即，零中频(IF))，但是本发明的范围并不限于此，因为其他类型的接收机结构(例如超外差式接收机和低IF接收机)也是适用的。
在一些实施例中，晶体振荡器124可以为通信系统内的若干子系统所共用。在这些实施例中，可以根据使用晶体频率的所述子系统中的一个子系统将该晶体频率与一个特定的偏移对准。例如，在一些实施例中，当在双向通信系统(例如蜂窝系统)内使用晶体振荡器124时，可以对晶体振荡器124进行对准以满足信号传输的偏移要求。因此，如本文所述，GPS接收机100内使用晶体振荡器124的电路可以对晶体误差进行补偿。
图2A、2B和2C是与本发明的一些实施例对应的信号捕获电路的功能方框图。信号捕获电路230(图2A)、信号捕获电路240(图2B)和/或信号捕获电路250(图2C)可以适合于信号捕获电路120(图1)。
参见图2A，信号捕获电路230可以包括I/Q缓存器202、重采样电路204和互相关器206，其中，所述I/Q缓存器用于缓存复数值的I和Q采样109(图1)，所述重采样电路用于以多个采样率233对所缓存的采样203进行重采样，所述互相关器用于针对多个预定频率偏移235中的每一个，对所述重采样后的信号进行互相关。由重采样电路204以多个采样率执行的重采样操作和由互相关器206针对所述预定频率偏移执行的互相关操作可以对GPS接收机内的晶体振荡器124(图1)的采样时间误差和频率偏移进行补偿。
在这些实施例中，可以在GPS信号采样内的不同时间位置(即，不同的采样时间偏移)处执行所述重采样，以涵盖采样时钟信号125(图1)的任何时间偏移。可以针对不同的频率偏移来执行所述互相关操作，所述不同的频率偏移包括由于卫星速率而导致的多普勒频移以及由晶体振荡器124(图1)产生的LO信号127(图1)的任何频率偏移。晶体振荡器124的采样时间误差和频率偏移可以远大于GPS卫星上的参考时钟的任何时间漂移和频率漂移。在一些实施例中，预定频率偏移235可以包括晶体振荡器124(图1)所生成的参考频率和GPS卫星的参考时钟的参考频率之间的所有可能的频率偏移。
在一些实施例中，可以针对所述多个采样率233中的每一个，并行地执行所述重采样，但是本发明的范围并不限于此。在一些实施例中，可以按照串行的方式来完成所述重采样。所缓存的采样203可以包括根据所接收的信号生成的复数值的I和Q采样。
在一些实施例中，由互相关器206执行的搜索不需要基于网格。在这些实施例中，一旦以对特定时间漂移和频率偏移的合理的确定性检测到GPS卫星，则重采样控制器234可以使得所述搜索在上述特定时间漂移和频率偏移附近继续进行，直到实现捕获为止，但是本发明的范围并不限于此。
在一些实施例中，可以在一个GPS符号周期内执行相干合并，以检测GPS卫星的时频偏移。在一些实施例中，可以针对采样率233使用比GPS符号周期更长的周期，并且可以尝试各种比特序列，但是本发明的范围并不限于此。在一些实施例中，可以使用许多或所有可能的比特序列，以便增加相干长度。例如，如果单个序列被表示为S1，则该序列可以与+1或-1相乘，并可以用来搜索新的序列+S1、+S1和+S1、-S1，但是本发明的范围并不限于此。
参见图1，在一些实施例中，可以针对每次相关操作，存储关于采样时间误差(晶体偏移)、时间偏移的假设和(例如，来自所述相关操作的)可靠性度量。在这些实施例中，最可靠的度量可以被用于对(例如，采样时钟信号125的)采样率进行校正，以使接收机100能按照常规的方式接收GPS信号。
一旦在捕获期间确定了所述频率偏移，则可以将其作为晶体校正信号121来使用，以对在随后的数据解调和跟踪操作中使用的晶体振荡器124的频率进行校正。
在图2A中示出的实施例中，重采样电路204可以包括重采样器232，用于以多个采样率233对来自I&Q缓存器202的所缓存的采样203进行重采样。复乘法器236可以采用所述预定频率偏移中的每一个对来自重采样器232的重采样后的采样进行频移(frequency shift)，以生成经过频移后的采样237。在这些实施例中，互相关器206可以针对重采样器232所执行的每次重采样操作，对所述经过频移后的采样237和在GPS只读存储器(ROM)208中存储的已知的GPS符号209执行互相关操作，以生成相关输出207。
在图2A中示出的一些实施例中，重采样电路204可以包括重采样控制器234，用于生成供所述复乘法器236使用的预定频率偏移235中的每一个。重采样控制器234可以针对所述重采样器232执行的每次重采样操作，单独地向复乘法器236提供所述预定频率偏移235。在图2A中示出的其他一些实施例中，重采样控制器234可以根据表格210来提供所述预定频率偏移235中的每一个。
在图2B中示出的一些实施例中，重采样电路214可以包括重采样器242，用于以多个采样率233对采样203进行重采样。复乘法器246通过应用预定频率偏移245中的每一个将频移施加到已知的GPS符号209，以生成经过频移后的参考序列247。在这些实施例中，互相关器206可以针对重采样器242执行的每次重采样操作，对来自重采样器242的重采样信号243和经过频移后的参考序列247执行互相关操作。在这些实施例中的一些实施例中，重采样控制器234可以生成供复乘法器236使用的所述预定频率偏移245中的每一个，并且可以针对所述重采样器232执行的每次重采样操作，单独地向所述复乘法器236提供预定频率偏移245。在图2B中示出的其他一些实施例中，重采样控制器234可以根据表格210来提供所述预定频率偏移245中的每一个，但是本发明的范围并不限于此。
在图2C中示出的一些实施例中，互相关器206可以针对重采样器232执行的每次重采样操作，对来自重采样电路224的重采样信号243和多个所述经过频移后的参考序列247中的一个参考序列执行互相关操作。在这些实施例中，表228可以存储所述多个经过频移后的参考序列247。在这些实施例中，根据所述晶体振荡器124(图1)的所有可能的频率偏移和GPS卫星的参考时钟的频率输出，来确定所述多个采样率233和所述多个经过频移后的参考序列247。
除非以其他方式特别说明，比如处理、计算、运算、确定、显示等的术语可以指一个或多个处理系统、计算系统或类似设备的动作和/或过程，所述一个或多个处理系统、计算系统或类似设备可以对处理系统的寄存器和存储器内代表物理量(或电子量)的数据进行操作，并可以将这些数据转换为所述处理系统的寄存器或存储器内类似地代表物理量的其他数据或其他此种信息存储、传输或显示设备内类似地代表物理量的其他数据。此外，如本文中所使用的，计算设备包括与计算机可读存储器耦合的一个或多个处理元件，所述计算机可读存储器可以是易失性存储器，也可以是非易失性存储器或两者的组合。
本发明提供了摘要以符合美国专利法实施细则37 C.F.R.的1.72(b)节中要求摘要的规定，该摘要将使得读者能够确定本技术公开的特征和要点。要提请理解的是，该摘要并不用来限制或解释权利要求的范围或含义。下述权利要求由此被并入在发明详述中，其中每个权利要求单独地作为一个独立的实施例。

Claims (20)

1.一种由全球定位系统(GPS)接收机执行以捕获在确定地理位置时使用的GPS信号的方法，所述方法包括：
以多个不同采样率中的每一个对GPS信号进行重采样，以对晶体振荡器的采样时间误差和频率偏移进行补偿；
针对多个预定频率偏移中的每一个，对所述重采样后的信号进行互相关；
其中，以不同采样率进行的所述重采样提供了在不同时间位置处的采样；
其中，所述预定频率偏移包括从所述晶体振荡器生成的参考频率和GPS卫星的参考时钟的参考频率之间的可能的频率偏移。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：针对所述预定频率偏移中的每一个，对所述重采样后的GPS信号进行互相关；
其中，所述晶体振荡器的采样时间误差和频率偏移大于GPS卫星上的参考时钟的时频漂移。
3.如权利要求2所述的方法，其中，针对所述多个采样率中的每一个，对采样并行地执行所述重采样；
其中，所述采样包括根据所述GPS信号生成的复数值的I和Q采样。
4.如权利要求2所述的方法，还包括：在所述重采样后，采用所述预定频率偏移中的每一个对所述重采样后的信号进行频移，以生成经过频移后的采样；
其中，所述进行互相关包括：针对每次重采样操作，对所述经过频移后的采样和已知的GPS符号执行互相关，以生成相关输出。
5.如权利要求2所述的方法，还包括：通过应用所述预定频率偏移中的每一个将频移施加到已知的GPS符号，以生成经过频移后的参考序列；
其中，所述进行互相关包括：针对每次重采样操作，对重采样后的信号和所述经过频移后的参考序列执行互相关。
6.如权利要求2所述的方法，其中，所述进行互相关包括：针对每次重采样操作，对来自所述重采样的重采样输出和多个经过频移后的参考序列中的一个参考序列执行互相关；
其中，所述多个经过频移后的参考序列被存储在表格中；
其中，所述多个采样率和所述多个经过频移后的参考序列是根据GPS接收机的晶体振荡器的频率输出和所述GPS卫星的参考时钟的频率输出之间的可能的频率偏移确定的。
7.如权利要求2所述的方法，还包括：在比GPS符号周期更长的周期内执行相干合并，以检测GPS卫星的时频偏移；
其中，所述进行互相关包括：使用多个参考序列来执行互相关，以增加相关长度。
8.一种GPS接收机，包括：
重采样电路，用于以多个不同采样率中的每一个对所接收的GPS信号进行重采样以提供在不同时间位置处的采样；
互相关器，用于针对多个预定频率偏移中的每一个，对所述重采样后的信号进行互相关；
其中，由所述重采样电路以所述多个采样率执行的重采样操作和由所述互相关器针对所述预定频率偏移执行的互相关操作，用于对所述GPS接收机内的晶体振荡器的采样时间误差和频率偏移进行补偿；
其中，所述预定频率偏移包括从所述晶体振荡器生成的参考频率和GPS卫星的参考时钟的参考频率之间的可能的频率偏移。
9.如权利要求8所述的GPS接收机，其中，所述晶体振荡器的采样时间误差和频率偏移大于GPS卫星上的参考时钟的时频漂移。
10.如权利要求9所述的GPS接收机，其中，针对所述多个采样率中的每一个，对采样并行地执行所述重采样；
其中，所述采样包括根据所接收的信号生成的复数值的I和Q采样。
11.如权利要求8所述的GPS接收机，其中，所述重采样电路包括：
重采样器，用于以所述多个采样率对所接收的GPS信号进行重采样；
复乘法器，用于采用所述预定频率偏移中的每一个对来自所述重采样器的所述重采样后的信号进行频移，以生成经过频移后的采样；
其中，所述互相关器针对由所述重采样器执行的每次重采样操作，对所述经过频移后的采样和已知的GPS符号执行互相关，以生成相关输出。
12.如权利要求8所述的GPS接收机，其中，所述重采样电路包括：
重采样器，用于以所述多个采样率对所接收的GPS信号进行重采样；
复乘法器，用于通过应用所述预定频率偏移中的每一个对已知的GPS符号施加频移，以生成经过频移后的参考序列；
其中，所述互相关器针对由所述重采样器执行的每次重采样操作，对来自所述重采样器的重采样后的信号和所述经过频移后的参考序列执行互相关。
13.如权利要求8所述的GPS接收机，其中，所述互相关器针对每次重采样操作，对来自所述重采样电路的重采样输出和多个经过频移后的参考序列中的一个参考序列执行互相关；
所述GPS接收机还包括表格，用于存储所述多个经过频移后的参考序列；
其中，所述多个采样率和所述多个经过频移后的参考序列是根据所述晶体振荡器的频率输出和GPS卫星的参考时钟的频率输出之间的可能的频率偏移确定的。
14.如权利要求8所述的GPS接收机，其中，所述晶体振荡器是压控晶体振荡器，合成器使用该压控晶体振荡器来生成LO频率和所述GPS接收机的采样时钟。
15.一种GPS接收机，包括：
重采样电路，用于以多个不同采样率中的每一个对所接收的GPS信号进行重采样以提供在不同时间位置处的采样；
互相关器，用于针对多个预定频率偏移中的每一个，对所述重采样后的信号进行互相关；
其中，由所述重采样电路以所述多个采样率执行的重采样操作和由所述互相关器针对所述预定频率偏移执行的互相关操作，用于对所述GPS接收机内的晶体振荡器的采样时间误差和频率偏移进行补偿；
其中，所述重采样电路包括：
重采样器，用于以所述多个采样率对所接收的GPS信号进行重采样；
复乘法器，用于采用所述预定频率偏移中的每一个对来自所述重采样器的所述重采样后的信号进行频移，以生成经过频移后的采样；
其中，所述互相关器针对由所述重采样器执行的每次重采样操作，对所述经过频移后的采样和已知的GPS符号执行互相关，以生成相关输出；
其中，所述GPS接收机还包括：重采样控制器，用于生成供所述复乘法器使用的所述预定频率偏移中的每一个或者用于根据表格来提供所述预定频率偏移中的每一个；
其中，所述重采样控制器针对由所述重采样器执行的每次重采样操作，单独地向所述复乘法器提供所述预定频率偏移。
16.一种GPS接收机，包括：
重采样电路，用于以多个不同采样率中的每一个对所接收的GPS信号进行重采样以提供在不同时间位置处的采样；
互相关器，用于针对多个预定频率偏移中的每一个，对所述重采样后的信号进行互相关；
其中，由所述重采样电路以所述多个采样率执行的重采样操作和由所述互相关器针对所述预定频率偏移执行的互相关操作，用于对所述GPS接收机内的晶体振荡器的采样时间误差和频率偏移进行补偿；
其中，所述重采样电路包括：
重采样器，用于以所述多个采样率对所接收的GPS信号进行重采样；
复乘法器，用于通过应用所述预定频率偏移中的每一个对已知的GPS符号施加频移，以生成经过频移后的参考序列；
其中，所述互相关器针对由所述重采样器执行的每次重采样操作，对来自所述重采样器的重采样后的信号和所述经过频移后的参考序列执行互相关；
其中，所述GPS接收机还包括：重采样控制器，用于生成供所述复乘法器使用的所述预定频率偏移中的每一个或者用于根据表格来提供所述预定频率偏移中的每一个；
其中，所述重采样控制器针对由所述重采样器执行的每次重采样操作，单独地向所述复乘法器提供所述预定频率偏移。
17.一种扩频接收机，包括：
重采样电路，用于以多个不同采样率中的每一个对所接收的GPS信号进行重采样以提供在不同时间位置处的采样；
互相关器，用于针对多个预定频率偏移中的每一个，对所述重采样后的信号进行互相关；
其中，由所述重采样电路以所述多个采样率执行的重采样操作和由所述互相关器针对所述预定频率偏移执行的互相关操作，用于对所述接收机内的晶体振荡器的采样时间误差和频率偏移进行补偿；
其中，所述互相关器针对每次重采样操作，对来自所述重采样电路的重采样输出和多个经过频移后的参考序列中的一个参考序列执行互相关；
其中，所述多个采样率和所述多个经过频移后的参考序列是根据所述晶体振荡器的频率输出和系统参考时钟的频率输出之间的可能的频率偏移确定的。
18.如权利要求17所述的接收机，其中，所述重采样电路包括：
重采样器，用于以所述多个采样率对所接收的GPS信号进行重采样；
复乘法器，用于通过应用所述预定频率偏移中的每一个对已知的GPS符号施加频移，以生成经过频移后的参考序列；
其中，由所述互相关器执行的所述互相关进一步包括：针对由所述重采样器执行的每次重采样操作，对来自所述重采样器的重采样后的GPS信号和所述经过频移后的参考序列执行互相关。
19.如权利要求17所述的接收机，其中，所述互相关器针对由所述重采样电路执行的每次重采样操作，对来自所述重采样电路的重采样输出和多个经过频移后的参考序列中的一个参考序列执行互相关；
其中，所述接收机还包括用于存储所述多个经过频移后的参考序列的表格。
20.一种扩频接收机，包括：
重采样电路，用于以多个不同采样率中的每一个对所接收的GPS信号进行重采样以提供在不同时间位置处的采样；
互相关器，用于针对多个预定频率偏移中的每一个，对所述重采样后的信号进行互相关；
其中，由所述重采样电路以所述多个采样率执行的重采样操作和由所述互相关器针对所述预定频率偏移执行的互相关操作，用于对所述接收机内的晶体振荡器的采样时间误差和频率偏移进行补偿；
其中，所述重采样电路包括：
重采样器，用于以所述多个采样率对所接收的GPS信号进行重采样；
复乘法器，用于采用所述预定频率偏移中的每一个对来自所述重采样器的所接收的重采样后的GPS信号进行频移，以生成经过频移后的采样；
其中，所述互相关器针对由所述重采样器执行的每次重采样操作，对所述经过频移后的采样和已知的GPS符号执行互相关，以生成相关输出；
其中，所述多个采样率和所述多个预定频率偏移是根据所述晶体振荡器的频率输出和系统参考时钟的频率输出之间的可能的频率偏移确定的。
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