CN101655548B - 信号捕获系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种信号捕获系统及方法，其包括由计数器在多个时间点上提供多个计数值；根据多个被捕获的信号获取每个时间点上的时间值；由系统模块根据所述多个计数值和每个时间点上的时间值计算多个参数；以及根据所述多个参数和来自所述计数器的当前计数值确定时间估算值。采用本发明的信号捕获系统以及方法，能够在被断电一段时间后重新被上电时，比较快速地确定接收到的信号的数据位边界，以重新捕获该接收到的信号。

Description

信号捕获系统及方法

技术领域

本发明主要涉及无线电通信，特别涉及无线电通信中的信号捕获系统及方法。

背景技术

全球定位系统(Global positioning system，简称为GPS)是一种可以确定目标物体在地球上空或地球表面的位置的先进技术。在现有技术的GPS系统中，设置于目标物体上的GPS接收机被贴附在目标物体上以跟踪GPS信号，并且将GPS信号解调成GPS导航电文。其中，GPS导航电文中包括卫星钟差、星历表、天星群中每颗卫星的历书以及协调世界时等信息。GPS接收机根据解调所得的导航电文确定所述目标物体的位置。此外，GPS接收机还根据解调所得的导航电文计算GPS接收机接收到所述GPS信号的GPS时刻。通常，在跟踪及解调GPS信号之前，GPS接收机需要捕获GPS信号。因此，GPS接收机需要先确定GPS信号导航数据位的边界(例如：现有技术中长度为20ms的导航数据位)，然后基于同相积分过程捕获GPS信号。

当GPS接收机被断电时，可以利用实时时钟提供GPS接收机的本地时间。然而，当GPS接收机被断电一段时间后重新被上电时，该实时时钟所提供的本地时间的准确性可能不足以用于确定GPS信号导航数据位的边界。因此，GPS接收机需要执行传统的GPS位同步处理以确定导航数据位的边界。传统的GPS位同步处理所需时间相对比较长。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供信号捕获系统以及捕获方法，其能够在断电一段时间后重新被上电时快速地确定接收到的信号的数据位边界，从而重新捕获信号。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种信号捕获系统，其至少包括时钟模块，用于在多个时间点上提供多个计数值；以及连接至所述时钟模块的系统模块，用于根据来自信号源的多个信号获取每个时间点上的时间值，根据所述多个计数值和所述每个时间点上的时间值计算多个参数，并且根据所述多个参数和来自所述时钟模块的当前计数值确定时间估算值。

本发明还提供了一种信号捕获方法，用于捕获当前信号，其至少包括由计数器在多个时间点上提供多个计数值；根据多个被捕获的信号获取每个时间点上的时间值；由系统模块根据所述多个计数值和所述每个时间点上的时间值计算多个参数；以及根据所述多个参数和来自所述计数器的当前计数值确定时间估算值。

本发明还提供了一种信号捕获系统，其至少包括信号接收器，用于接收多个信号；连接至所述信号接收器的系统模块，用于根据所述多个信号获取多个时间值，根据所述多个时间值和多个计数值计算多个参数，并且根据所述多个参数和当前计数值捕获由所述信号接收器接收到的当前信号；以及连接至所述系统模块的计数器，用于提供所述多个计数值和所述当前计数值。

与现有技术相比，本发明的信号捕获系统及方法利用计数器提供计数值，确定计数值与GPS时间的关系，然后根据此关系以及当前计数值估算当前的GPS时间，再根据估算所得的GPS的时间确定GPS信号的导航数据位边界，从而无需进行传统的GPS位同步处理。

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的特性和优点更为明显。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的信号捕获系统的示例性方框图；

图2为根据本发明的一个实施例的信号捕获系统的示例性方框图；

图3为根据本发明的一个实施例的信号捕获系统的示例性方框图；以及

图4为根据本发明的一个实施例的信号捕获系统的示例性方法流程图。

具体实施方式

以下将对本发明的实施例给出详细的说明。虽然本发明将结合实施例进行阐述，但应理解这并非意指将本发明限定于这些实施例。相反，本发明意在涵盖由所附权利要求项所界定的本发明精神和范围内所定义的各种可选项、可修改项和等同项。

此外，在以下对本发明的详细描述中，为了提供一个针对本发明的完全的理解，阐明了大量的具体细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外的一些实例中，对于大家熟知的方案、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

本发明提供了一种信号捕获系统，所述信号捕获系统可以是但不限于从人造卫星捕获GPS信号的GPS接收机。所述GPS接收机包括用于提供多个计数值的计数器以及根据所述多个计数值计算时间估算值(或纠正值)的系统模块。

当所述GPS接收机正在运行时，GPS信号的捕获过程与GPS时间的计算过程可以相辅相成地进行。举例说明，在GPS接收器从一个或多个人造卫星捕获到GPS信号后，GPS接收器根据从被捕获的GPS信号解调出的导航电文计算当前GPS时间。导航电文中包括卫星钟差、星历表、天星群中每颗卫星的历书以及协调世界时等信息。反过来，基于计算所得的当前GPS时间，GPS接收器确定当前接收到的GPS信号的导航数据位边界，再从人造卫星继续捕获GPS信号。

有利的是，当GPS接收机被断电时，所述计数器继续产生计数值。当GPS接收机重新上电时，所述系统模块根据所述计数器提供的当前计数值计算时间估算值。系统模块基于所述时间估算值确定导航数据位的边界，以捕获和跟踪GPS信号。由此，减少GPS接收机的首次定位时间(the time to first fix，简称为TTFF，即GPS接收机从被上电到所述GPS接收机确定当前位置所需的时间)。

图1为根据本发明的一个实施例的信号捕获系统的示例性方框图。信号捕获系统可以是但不限于GPS接收机100。GPS接收机100包括时钟模块104、系统模块102以及信号接收器134。

如图1所示，信号接收器134包括天线106，用于接收来自信号源(例如：未显示在图1实施例中的一个或多个人造卫星)的GPS信号。信号接收器134还包括射频前端122，用于将天线106接收到的输入信号130放大至适当的幅度，并且将输入信号130的频率转换成满足要求的输出频率。输出信号132从射频前端122被传输到系统模块102。时钟模块104包括：计数器116，用于提供计数值C；以及时钟信号发生器114(例如：晶体振荡器)，用于提供驱动计数器116的时钟信号136。举例说明，计数器116的计数值C响应于时钟信号136的每个时钟脉冲而自动加1。连接至系统模块102的时钟模块104能够根据计数值C计算时间估算值(或纠正值)T’。因此，如果GPS接收机100被断电一段时间后重新上电时，系统模块102可以根据该时间估算值T’确定当前接收到的GPS信号的导航数据位边界，从而重新捕获GPS信号。

具体地说，在一个实施例中，系统模块102包括GPS信号处理引擎124、连接至GPS信号处理引擎124的微控制单元(或者中央处理器)120以及连接至微控制单元120的存储器126。

在操作中，当GPS接收机100由主电源108供电时，GPS信号处理引擎124捕获GPS信号，并且将GPS信号解调成导航电文。微控制单元120根据所述导航电文计算GPS时间值T，并且根据该GPS时间值T确定随后接收到的GPS信号的导航数据位边界。因此，GPS信号处理引擎124可以持续地捕获、跟踪并且解调GPS信号。同时，时钟模块104响应于时钟信号136的每个时钟脉冲而将计数值C加1。在某个时间点上的GPS时间值T与在该时间点上产生的计数值C之间的关系是可被确定的。有利的是，当GPS接收机100被断电时，时钟模块104由电池110供电，计时器116继续运行。当GPS接收机100被断电一段时间后重新上电时，GPS接收机100需要重新捕获并且重新跟踪来自人造卫星的GPS信号。基于所述被确定的GPS时间值T与计数值C之间的关系，微控制单元120根据计数器116提供的当前计数值C计算时间估算值T’。GPS接收机100根据该时间估算值T’确定GPS信号的导航数据位边界。因此，GPS接收机100可以捕获、跟踪并且解调GPS信号。

更具体地说，当GPS接收机100正在运行时(例如：当GPS接收机100对GPS信号进行正常地捕获、跟踪并且解调时)，计数器116在多个时间点T₁，T₂，T₃，...T_m上提供多个计数值C₁，C₂，C₃，...C_m(其中，m为有限正整数)。微控制单元120根据多个被捕获的GPS信号获取(或计算)每个时间点T₁-T_m上的时间值。每个计数值C_i分别对应于GPS时间点T_i上的时间值(i＝1，2，...m)。存储器126存储数据对(T_i，C_i)(i＝1，2，...m)。

在一个实施例中，每个GPS时间点T₁-T_m上的时间值T(C)与对应的计数值C₁-C_m之间的关系可由如下多项式等式(1)描述：

$T\left(C\right)=\underset{k=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k\×C^k.---\left(1\right)$

其中，参数(或系数)A_k(k＝0，1，2...)可通过数学方法(例如：多项式拟合法、最小二乘法等等)获得。根据等式(1)，如果整数n足够大的话，时间值T(C)约等于

举例说明，等式(1)可改写成：

$T\left(C\right)\≈\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k\×C^k=A_0+A_1\×C+A_2\×C^2\·\·\·+A_n\×C^n.---\left(2\right)$

微控制单元120从存储器126内选择n+1对数据(T_i，C_i)，例如：计数值C₁-C_n+1以及时间点T₁-T_n+1上的时间值，由此可获得n+1个等式：

T₁＝A₀+A₁×C₁+A₂×C₁ ²…+A_n×C₁ ⁿ；(2_1)

T₂＝A₀+A₁×C₂+A₂×C₂ ²…+A_n×C₂ ⁿ；(2_2)

…

T_n+1＝A₀+A₁×C_n+1+A₂×C_n+1 ²…+A_n×C_n+1 ⁿ。(2_n+1)

由此，微控制单元120根据计数值C₁-C_n+1以及每个时间点T₁-T_n+1上的时间值计算参数A₀-A_n。参数A₀-A_n可以确定每个时间点T₁-T_n+1上的时间值与计数值C₁-C_n+1中对应的计数值之间的关系函数，例如：多项式方程 $T\left(C\right)\≈\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k\×C^k.$ 因此，微控制单元120根据参数A₀-A_n和计数器116提供的当前计数值C’确定(或计算)时间估算值T’，例如： $T^{\′}=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k\×C^{\′k}.$

在一个实施例中，GPS接收机100在即将被断电时计算出参数A₀-A_n，并且在断电之前将参数A₀-A_n存储到存储器126中。当GPS接收机100被断电时，计数器116继续运行并且产生计数值C_m+1，C_m+2，...C_p。有利的是，当GPS接收机100被重新上电时，微控制单元120访问存储器126内所存储的参数A₀-A_n，且基于如下等式(3)，根据当前计数值C′(C′＝C_p+1，or C_p+2，...)计算时间估算值T’。

$T^{\′}=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k\×C^{\′k}=A_0+A_1\×C^{\′}+A_2\×C^{\′2}\·\·\·+A_n\×C^{\′n}.---\left(3\right)$

在另一个实施例中，GPS接收机100在重新被上电后的初始化过程中计算参数A₀-A_n。举例说明，当GPS接收机100被重新被上电时，微控制单元120访问存储器126所存储的数据对(T_i，C_i)，并且根据数据对(T_i，C_i)计算参数A₀-A_n，然后根据参数A₀-A_n和当前计数值C′(C′＝C_p+1，or C_p+2，...)计算时间估算值T’。

如果整数n足够大，时间估算值T’的误差可以小于预设时间长度(例如：0.5ms，即一个GPS L1C/A码的码周期的一半)。因此，微控制单元120可根据时间估算值T’确定当前GPS信号的导航数据位的边界。换句话说，当GPS接收机100被重新上电时，系统模块102根据参数A₀-A_n和当前计数值C’捕获由信号接收器134接收到的当前GPS信号。

通过对时间估算值T’的计算，GPS接收机100无需运行耗时的传统的GPS位同步处理，就能够确定GPS信号的导航数据位边界。从而，减少了GPS接收机100的首次定位时间。此外，可利用低成本的晶体振荡器(例如：a 32.768K晶体)实现时钟信号发生器114，以减少GPS接收机100的成本。

图2为根据本发明的另一个实施例的信号捕获系统200的示例性方框图。在图2与图1中标记相同的元件具有相似的功能，在此不复赘述。在图2所示的实施例中，时钟模块104还包括连接至微控制单元120的实时时钟212。实时时钟212提供本地时间信息，包括年、月、日、时、分、秒。在一个实施例中，实时时钟212由时钟信号发生器114驱动。连接在时钟信号发生器114和实时时钟212之间的频率分频器218可用于将时钟信号136分频，使得实时时钟212由适当频率的脉冲信号236驱动。在另一个实施例中，实时时钟212由独立的时钟信号发生器(未显示在图2中)驱动。

在一个实施例中，GPS时间信息被写入实时时钟212的内存中。实时时钟212连接至用于显示本地时间给用户的显示系统(未显示在图2)。此外，实时时钟212可用于确定计数值是否正确。举例说明，实时时钟212在预设时间周期内进行计数。如果在该预设时间周期内，计数值的增量大于一个满足要求的(或预设的)范围，则代表该计数值可能出错或者该计数值超过了最大计数值。此外，当GPS接收机100被断电一段时间后重新被上电时，由实时时钟212产生的本地时间可用于卫星捕获，例如：推测哪些卫星在GPS接收机100的可视范围内。

图3为根据本发明的一个实施例的信号捕获系统300的示例性方框图。图3与图1标记相同的元件具有相似的功能，在此不复赘述。在图3所示的实施例中，系统电源308直接连接至时钟模块104，并且经由开关302连接至系统模块102。当开关302被导通时，整个GPS接收机100由系统电源308供电；当开关302被断开时，系统模块102被断电，同时时钟模块104由系统电源308供电并且继续运行。在本实施例中，可省略图1中所示的电池110。

图4为根据本发明的一个实施例的信号捕获系统的示例性方法流程图400。以下将结合图1、图2和图3对图4进行描述。

在步骤402中，计数器116在多个时间点T₁-T_n+1上提供多个计数值C₁-C_n+1。

在步骤404中，系统模块102根据多个被捕获的信号(例如：由信号接收器134接收到的GPS信号)获得每个时间点T₁-T_n+1上的时间值。举例说明，GPS信号处理引擎124将被捕获的信号解调成导航电文，因此微处理单元120根据所述导航电文计算时间点T₁-T_n+1上的时间值。

在步骤406中，微处理单元120还根据计数值C₁-C_n+1和每个时间点T₁-T_n+1上的时间值计算多个参数A₀-A_n。

在步骤408中，当GPS接收机被断电一段时间后重新被上电时，系统模块102根据参数A₀-A_n和计数器116提供的当前计数值确定时间估算值T’。由此，微处理单元120可基于时间估算值T’重新捕获GPS信号。

因此，本发明提供了一种应用计数器的信号捕获系统(例如：GPS接收机)。所述计数器提供多个计数值，用于计算时间估算值。GPS接收机可以根据所述时间估算值捕获、跟踪并且解调GPS信号。本发明还提供了确定GPS时间与计数值之间关系的典型方法，并通过GPS时间与计数值之间关系获得时间估算值。本发明的信号捕获系统可应用在许多方面，例如：GPS接收机、便携式导航设备、移动电话等等。

虽然之前的说明和附图描述了本发明的实施例，应当理解在不脱离所附权利要求书所界定的本发明原理的精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露的实施例仅用于说明而非限制，本发明的范围由所附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前的描述。

Claims (22)

1.一种信号捕获系统，其特征在于，所述信号捕获系统至少包括：

时钟模块，用于在多个时间点上提供多个计数值；以及

连接至所述时钟模块的系统模块，用于根据来自信号源的多个信号获取每个时间点上的时间值，根据所述多个计数值和所述每个时间点上的时间值计算多个参数，并且根据所述多个参数和来自所述时钟模块的当前计数值确定时间估算值。

2.根据权利要求1所述的信号捕获系统，其特征在于，所述信号源包括至少一颗人造卫星。

3.根据权利要求1所述的信号捕获系统，其特征在于，所述多个信号包括全球定位系统信号。

4.根据权利要求1所述的信号捕获系统，其特征在于，所述系统模块包括控制单元，所述控制单元用于根据导航电文计算所述每个时间点上的时间值。

5.根据权利要求4所述的信号捕获系统，其特征在于，所述系统模块还包括信号处理引擎，所述信号处理引擎用于将所述多个信号解调成所述导航电文。

6.根据权利要求1所述的信号捕获系统，其特征在于，所述多个参数决定所述每个时间点上的时间值与所述多个计数值中对应的计数值之间的关系函数。

7.根据权利要求6所述的信号捕获系统，其特征在于，所述关系函数是多项式等式

其中C代表在被选时间点上由所述时钟模块提供的计数值，T(C)代表所述被选时间点上的时间值，A_K代表所述多个参数之一，n代表有限正整数。

8.根据权利要求1所述的信号捕获系统，其特征在于，所述系统模块包括控制单元，所述控制单元用于根据所述时间估算值确定当前信号的数据位边界。

9.一种信号捕获方法，用于捕获当前信号，其特征在于，所述信号捕获方法至少包括：

由计数器在多个时间点上提供多个计数值；

根据多个被捕获的信号获取每个时间点上的时间值；

由系统模块根据所述多个计数值和所述每个时间点上的时间值计算多个参数；以及

根据所述多个参数和来自所述计数器的当前计数值确定时间估算值。

10.根据权利要求9所述的信号捕获方法，其特征在于，所述信号捕获方法还包括：

从至少一颗人造卫星接收所述被捕获的信号。

11.根据权利要求9所述的信号捕获方法，其特征在于，所述信号捕获方法还包括：

将所述多个被捕获的信号解调成导航电文；以及

根据所述导航电文计算所述每个时间点上的时间值。

12.根据权利要求9所述的信号捕获方法，其特征在于，所述信号捕获方法还包括：

由所述多个参数决定所述每个时间点上的时间值与所述多个计数值中对应的计数值之间的关系函数。

13.根据权利要求9所述的信号捕获方法，其特征在于，所述多个被捕获的信号包括GPS信号。

14.根据权利要求9所述的信号捕获方法，其特征在于，所述信号捕获方法还包括：

根据所述时间估算值确定所述当前信号的数据位边界。

15.一种信号捕获系统，其特征在于，所述信号捕获系统至少包括：

信号接收器，用于接收多个信号；

连接至所述信号接收器的系统模块，用于根据所述多个信号获取每个时间点上的时间值，根据所述每个时间点上的时间值和多个计数值计算多个参数，并且根据所述多个参数和当前计数值捕获由所述信号接收器接收到的当前信号；以及

连接至所述系统模块的计数器，用于提供所述多个计数值和所述当前计数值。

16.根据权利要求15所述的信号捕获系统，其特征在于，所述系统模块包括控制单元，所述控制单元用于根据导航电文计算所述每个时间点上的时间值。

17.根据权利要求16所述的信号捕获系统，其特征在于，所述系统模块还包括信号处理引擎，所述信号处理引擎用于将所述多个信号解调成所述导航电文。

18.根据权利要求15所述的信号捕获系统，其特征在于，所述多个参数决定所述每个时间点上的时间值与所述多个计数值中对应的计数值之间的关系函数。

19.根据权利要求18所述的信号捕获系统，其特征在于，所述关系函数是多项式等式

其中C代表在被选时间点上由时钟模块提供的计数值，T(C)代表所述被选时间点上的时间值，A_K代表所述多个参数之一，n代表有限正整数。

20.根据权利要求15所述的信号捕获系统，其特征在于，所述当前信号是GPS信号。

21.根据权利要求15所述的信号捕获系统，其特征在于，所述系统模块包括控制单元，所述控制单元用于根据所述多个参数和所述当前计数值计算时间估算值。

22.根据权利要求21所述的信号捕获系统，其特征在于，所述系统模块根据所述时间估算值确定所述当前信号的数据位边界。

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