CN101918856B - 全球导航接收器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于GNSS数字信号的信号处理系统和方法，其中根据由代码NCO确定的可变速率来对载波剥离GNSS信号取样，且包括定时电路，所述定时电路经布置以产生时戳代码，所述时戳代码确定缓冲存储器中的样本中的至少一者的取样时间。通过以此方式获得代码样本，可异步地将所述样本传送到用于执行搜索任务的单独的处理器，例如在相同硅中以硬件实施的异步并行相关器或在相同装置或单独的物理装置中实施的例如图形加速器等媒体处理器。

Description

全球导航接收器

技术领域

本发明的实施例涉及一种用于无线电定位信号的接收器，明确地说，涉及一种用于获取和跟踪例如GNSS(全球导航卫星系统)、GPS、GLONASS或伽利略(Galileo)信号等卫星定位信号的接收器。本发明还涉及在此类接收器中使用的软件。

背景技术

图1示意性展示GNSS接收器的一般实现。所说明的接收器包含用以进行RF降频转换和数字化的第一模块101和第二相关模块102，所述第二相关模块102通常建构在通用处理器或数字信号处理器109周围且运行用以执行相关和跟踪程序的程序。导航计算由外部处理器111(如图所示)或由相同的信号处理器109实行。图1中的实例的划分通常对应于在单独芯片或集成电路中的实施方案。然而，还已建议单芯片解决方案。

在GNSS系统中，源是绕轨道运行的GNSS空间飞行器(SV)。GPS的情况可容易地延伸到其它无线电定位系统，且下文将使用此作为基础来论述特定实施例，应理解，本发明不必限于此特定导航系统。在GPS中，每一空间飞行器发射两种微波载波信号。处于1575.42MHz的信号L1携载导航消息。处于1227.60MHz的信号L2尤其用以测量电离层延迟。以三个二进制代码调制L1和/或L2信号：

C/A代码(粗略获取)调制L1载波信号的相位。C/A代码是处于1.023MHz的伪随机噪声(PNR)，其每1023个位(1毫秒)重复。每一SV使用不同的C/A代码。此类噪声代码在1MHz带宽上扩展经调制信号的频谱，以改进对噪声的抗扰性。

导航消息还调制L1-C/A代码信号。其是由描述GPS卫星轨道、时钟校正和其它系统参数的数据位组成的50Hz信号。

P代码(精确)调制L1和L2信号两者，且仅供有密码密钥的授权用户使用。

GPS接收器的任务是检索从可在给定瞬间看到的各种空间飞行器接收的信号。为此，图1的电路包含天线104，其输出信号在第一RF处理器101中由低噪声放大器105放大且在转换单元106中降频转换到中频信号(IF信号)。IF信号通常包含一个同相(I)分量和一个正交相(Q)分量，所述两个分量由模/数转换器108转换为数字信号(I、Q)，所述数字信号传递到相关器模块102以供进一步处理。

相关块(102)的功能是首先从由RF接口(101)传递的信号移除任何显著残余载波，且接着对源自各种SV的所得I、Q信号进行解扩展。为此，相关级最初使用数字NCO(107)移除IF，所述数字NCO(107)在时间上将传入信号与每一现存或可能的SV的PRN信号的局部产生的复本对准。为了减少计算开销和获取时间，通常在时域中通过使用专用硬件相关器来执行对准，但还可在频域中通过组合传入信号I、Q的FFT变换与表征每一SV的PRN信号的FFT变换来执行对准。

存在由不同制造商使用的用于在时域或频域中实行此相关的各种算法。然而，归因于相关和解扩展过程往往会需要大量处理能力的事实。举例来说，频域中的相关需要大量处理能力用于FFT的计算、与CA代码的FFT变换的复共扼的相乘和对快速时间到频率转换所需要的结果的逆FFT，所以需要大计算资源来执行搜索过程，所述搜索过程在跟踪阶段期间通常为冗余的。需要相当量的(如果不是较高的话)计算能力来在时域中实行等效操作，且通常由专用硬件相关引擎执行计算能力。除了处理要求以外，此过程还需要大量存储空间用于数据和结果。

相关器102输出数字处理数据，其被馈送到获取和导航处理器111以用于计算和显示位置相关数据，包括(例如)接收器的位置。由相关器输出的数据的性质可根据接收器的架构而变化；一些模块已经传递位置坐标，而其它模块仅传递例如绕轨道运行的SV的伪范围等中间值。

在现有技术中，相关器102通常建构在专用信号处理引擎109周围，所述专用信号处理引擎109存取其自身的数据和指令存储器110。已知相关器的实例包括由本申请人生产的NJ1030、NJ2020和NJ3030基带处理器。

还已知使用FPGA或专用ASIC作为相关器来计算FFT和由模块102执行的各种其它计算。

然而，处理器、Asic和FPGA是昂贵的、消耗功率和空间的，因此相关和跟踪程序所需要的硬件资源102对整个接收器的价格、体积和功率消耗具有显著影响。另外，这些资源通常专用于GPS算法，且无法用于其它目的，即使当GPS功能不再需要所述资源时也是如此。

还已建议在系统中使用通用CPU 111来进行相关所需要的FFT的计算。虽然通用CPU为快速的，但总系统处理量通常不够快速且将需要缩放以专门满足GPS搜索过程的要求。此外，此解决方案未有效利用可用的存储器带宽且对CPU产生高负荷，因此阻挡其进行其它任务。

在高敏感性GNSS接收器中，通常有必要在大代码相位窗上执行长期积分以便在进入跟踪模式之前最初检测和定位信号。已知通过使用整体并行相关方法来解决此问题，其中首先对数据进行取样和载波剥离且接着将其在寄存器中缓冲，使得其可使用多个物理相关器通道来处理，所述相关器通道以高时钟速度与取样时钟异步地操作。然而，在此解决方案中，样本未精确地与调制代码对准，且因此需要较复杂的硬件来在相关级中执行残余载波剥离和样本重新对准。

因此，本发明的目标是与现有技术相比以较便宜、功率消耗较少且空间消耗较少的方式且以有效共享资源以使得所述资源还可在导航功能不需要时用于其它系统功能的方式提供无线电定位信号接收器所需要的数字处理能力。

本发明的目标还是提供具有改进的整体并行相关器的高敏感性GNSS接收器，其与这种类型的已知架构相比是较简单的结构且较节约。

发明内容

根据本发明，这些目标借助于独立权利要求的标的来实现。其它任选特征和实施例是附属权利要求的标的。

明确地说，这些目标由一种用于GNSS数字信号的信号处理系统来实现，所述GNSS数字信号包含从无线电定位卫星接收的扩频无线电定位信号，每一卫星发射由已知调制代码调制的无线电定位信号，所述已知调制代码具有多普勒移位和代码相移，所述信号处理器包含：至少一个取样级，其读取载波剥离GNSS信号，所述取样级包含：可编程振荡器，其经编程以依照既定获取的卫星的调制代码的一个预定特征产生参考时钟；由所述可编程振荡器驱动的累加装置，其用于产生可编程持续时间的若干样本，所述可编程持续时间由所述参考时钟确定；以及一个缓冲存储器，其经布置以存储由所述取样级产生的一连串样本，所述信号处理系统的特征在于定时电路，其经布置以产生确定所述缓冲存储器中的所述样本中的至少一者的取样时间的时戳。

另外，这些目标由一种对应于以上系统且由以上系统执行的处理方法(即，一种处理GNSS无线电定位信号的方法)来获得，所述方法包含以下步骤：产生或接收包含从无线电定位卫星接收的扩频无线电定位信号的载波剥离GNSS信号，每一卫星发射由已知代码调制的无线电定位信号，所述已知代码具有多普勒移位和代码相移；引导可编程振荡器依照既定获取的卫星的调制代码的一个预定特征产生参考时钟信号；在由参考时钟确定的取样时间处对所述载波剥离GNSS信号取样并任选地累加，且将如此获得的所述样本存储在一个存储器中，所述方法的特征在于以下步骤：产生一个或若干时戳代码，其确定所述缓冲存储器中的所述样本中的至少一者的取样时间；基于所述时戳代码而定位所述缓冲存储器中的所述样本的取样时间；使所述缓冲存储器中的所述样本与所述调制代码的局部复本相关以产生多个相关值。

附图说明

将借助于以实例方式给出且由图说明的实施例的描述来较好地理解本发明，在图中：

图1以简化图解形式展示已知GNSS接收器。

图2示意性说明根据本发明的一个方面的取样电路的结构。

图3和图4的框图展示根据本发明的GNSS接收器的结构。

具体实施方式

图2示意性展示用于本发明的GNSS接收器的取样单元的可能实施方案。在其输入处，载波擦除区段205通常接收标量IF或复合低IF数字信号203，且产生复合载波剥离信号，尽管为了简化图式并未对此进行表示。如此项技术中已知，控制载波NCO 210以便遵循所接收系统中的载波的变化形式且提供没有载波分量或具有非常小的载波分量的信号。

样本累加器240以由代码NCO 260所提供的参考定时信号确定的速率来对载波剥离信号取样。控制代码NCO 260以依照既定获取的卫星的调制代码的一个预定特征产生定时信号，例如与针对时钟漂移和多普勒移位(Doppler shift)的效应经补偿的调制代码的码片速率同步的定时信号。样本累加器240以速率n·k产生载波剥离信号的一系列样本，所述速率n·k为经多普勒移位的码片速率k的确切倍数，例如每码片长度4个样本。由于取样由代码NCO 260监管的事实，样本自动地与既定获取的代码的码片对准，且此对准将保留无限期的周期。

样本控制器250控制样本缓冲器280中的样本的累加及其对准，所述样本从样本缓冲器280存储在样本RAM 290中。样本RAM 290中的样本系列由样本控制器250布置成(例如)环形缓冲或另一格式，且通过合适接口285使得所述样本系列可由GNSS系统的其它部分得到。

计数器275和寄存器270连接到代码NCO 260以产生时戳代码，所述时戳代码确定缓冲存储器中的样本中的至少一者的取样时间。时戳代码是获得样本时代码相位的度量，且可用以在相关操作中将样本与搜索到的代码对准。

为了促进此对准，有必要使待处理的块中的样本的确切取样时间与所关注信号的已知特征(在此情况下为代码相位)相关。这要求用于每一数据块的时戳参考可用，且此时戳可容易与代码相位要求相关。

由于正与NCO 260用以控制取样速率以维持对准的代码同步地对数据取样，所以此NCO优选经扩展以计数经过取样速率且为代码码片(理想地以代码长度为模)和完整代码历元的数目计数。

通过针对数据使用此时戳，可简单地且无误地计算正确的代码相位关系。由于样本通常以循环缓冲存储在RAM 290中，所以将不需要针对每一样本产生并存储时戳代码。然而，由于与代码NCO 260同步地获得数据样本，所以这并不是严格必要的，且在一个连续块中针对一个样本保持时戳足以理解所述块中的所有样本与代码相位之间的关系。如稍后将描述，这足以允许使所收集的样本异步并行相关。

在所说明的实例中，对数据取样并将其缓冲在样本缓冲器280中，且接着以短传送写入到实施循环缓冲的RAM 290中，在此情况下，一种解决方案是保持最新近写入到RAM中的样本的时戳，根据此时戳，通过简单地减去恒定值来确定最老样本的时戳。

DSP控制单元310产生允许存储器存取所需要的控制信号，对时戳代码取样，且将其存储在样本RAM 290中，或使得其可由其它组件得到。

RAM 290中的样本可异步地传送到用于待执行的搜索和获取任务的单独的处理器或搜索引擎。单独的处理器可为(例如)异步并行相关器，其在与图2的取样器电路相同的硅芯片中或在单独的硅裸片上或在单独的物理装置上实施且能够通过合适的互连总线存取存储在样本RAM 290中的样本。

图3表示根据本发明的一个方面的GNSS接收器的简化结构。取样器200将数据连同时戳一起存储到样本RAM 290中，所述时戳允许将每一样本指派到明确的时间或代码相位。搜索引擎400包含一个或若干快速相关器，其经布置以使缓冲存储器中的样本与调制代码的局部复本相关以产生多个相关值。相关器优选以高时钟速度与取样速度异步地操作，且可因此通过已知的时间多路复用技术提供非常大量的相关值或“接进”多普勒移位/代码相位搜索空间。相关可在频域(FFT相关)或时域中执行。

根据所选择的设计，搜索引擎440中实施的搜索策略可相当精细，包括(例如)第一搜索级或“撇渣器”(skimmer)，其在大搜索空间中(包括在大量分接头上)执行第一搜索，随后是较精确的搜索级或“蒸馏器”(distiller)，其以较精细的分辨率和敏感性在已在第一级中产生高相关值的那些分接头上操作。然而，本发明还适用于不同搜索引擎。重要的是，时戳代码允许搜索引擎400识别相关中所考虑的每一样本的代码相位，其与相关发生的时间无关。这允许搜索引擎400的完全异步操作。

一旦搜索引擎已识别到潜在含有真正卫星信号的合适数目的分接头，CPU 360便将这些分接头移交到跟踪模块380，所述跟踪模块380负责确认且接着在频率和相位中跟随卫星信号。如此项技术中已知，所述卫星信号用以获得位置和导航信息。这需要在单独的独立引擎之间传送代码相位的知识，而且信号的检测将具有与其相关联的处理等待时间，这需要某种方式来预测下一跟踪或搜索确认通道的相位与用于先前搜索过程的数据样本之间的关系。

通过实施某种种类的参考时间信号(例如毫秒刻点脉冲)且使用此信号来测量这两个引擎在此过程变得可能的时间点处的相位，可计算SV PRN代码与此时间参考的相对相位且用其来初始化新通道。

举例来说，通过使用规则毫秒脉冲，可在1毫秒处对数据样本计数器的相位取样，在相对于所取样数据已知所检测信号的相位的间隔的情况下，其于是成为相对于此事件的任何发生推断代码在将来毫秒刻点处的确切相位的平常任务，这可接着用以在已知事件下初始化跟踪引擎的代码产生器，使得其精确地集中于所关注的代码相位。

在搜索引擎400处于单独装置中的情况下，优选的通信信道将为高速串行总线，例如高速USB、USB 3.0或火线接口50，如图4中所示。在此情况下，搜索引擎包括单独的CPU 440、串行接口401(对应于总线链路50的另一侧上的兼容接口402)、服务RAM405和向量处理器430(其用以高速且有效地计算相关和/或傅立叶变换)。为了在使用例如经由串行总线连接的图形处理器等外部处理器时实现此，有必要使发送到处理器的每一数据样本集的确切时戳相关联，为此建议使用将每一数据块连同时戳一起传送的包格式。如果此类包在包的开始处包括时戳，那么有可能预见DMA输送机制，其利用此信息来确定例如应存储所述数据以供有效处理的确切位置。

在优选实施例中，从例如用于具有所需计算能力的通用计算机的图形/声音处理器等媒体处理器导出向量处理器。或者，从例如经设计以处置视频游戏的物理学引擎中的计算的物理学处理器等视频游戏加速器导出向量处理器。这可适用于其中搜索模块为单独的情况(如在图4中)，且还可适用于图3的先前实施例，其中搜索引擎400集成在与GNSS接收器系统的其它组件相同的装置中。

如果搜索引擎400不能够针对所有分接头处理所有数据(例如间歇性地在带宽变得可用时操作的相关器)，或因为向量处理器以多路复用方式用于一系列不同任务，那么变得有必要对准样本以进行相关且例如用零填补丢失的样本。这通过加时戳的代码而成为可能，所述加时戳的代码允许重新构造代码与样本之间的相位关系。还存在使用专用DMA方案将非邻接数据样本传送到处理器且利用时戳信息来插入例如零等填补以在处理器存储器中维持连贯数据集的可能性。或者，DMA可将数据传送到缓冲器列表中，其中每一缓冲器的开始可对准到代码长度的倍数以简化软件算法且改进存储器效率。

Claims (8)

1.一种用于GNSS数字信号的信号处理系统，所述GNSS数字信号包含从无线电定位卫星接收的扩频无线电定位信号，每一卫星发射由已知调制代码调制的无线电定位信号，所述调制代码具有多普勒移位和代码相移，所述信号处理系统包含： 

至少一个取样级，其读取载波剥离GNSS信号，所述至少一个取样级包含：可编程振荡器(260)，其经编程以依照既定获取的卫星的所述调制代码的一个预定特征产生参考定时信号；由所述可编程振荡器(260)驱动的累加装置(240)，其用于产生可编程持续时间的若干样本，所述可编程持续时间由所述参考定时信号确定；以及一个样本缓冲器(280)和缓冲存储器(290)，其经布置以存储由所述取样级产生的所述一连串样本； 

定时电路(270、275)，其经布置以产生确定所述缓冲存储器(290)中的所述样本中的至少一者的取样时间的时戳代码，其中所述时戳代码是获得所述样本中的所述至少一者时代码相位的度量；以及 

至少一个相关器，所述相关器经布置以使所述缓冲存储器中的所述样本与所述调制代码的局部复本相关以产生多个相关值， 

其中所述至少一个相关器包含单独的处理器，所述处理器与所述取样级异步地操作且经布置以基于所述时戳代码而定位所述缓冲存储器中的所述样本的时间位置。 

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述定时电路响应于所述可编程振荡器，且/或所述可编程振荡器操作性地经布置以依照所述调制代码的码片速率或依照所述码片速率的某一倍数来振荡。 

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述定时电路操作性地经布置以依照用于补偿多普勒移位和时钟漂移的所述调制代码的码片速率来振荡或依照所述码片速率的某一倍数来振荡。 

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的系统，其进一步包含至少一个载波擦除单元，用以从所述GNSS数字信号移除载波分量且提供所述载波剥离GNSS信号。 

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述单独的处理器是向量处理器或图形加速器或媒体处理引擎或声音处理器或物理学处理器。 

6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括串行总线，所述串行总线经布置以将所述样本和/或时间信息传送到所述单独的处理器。 

7.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的系统，其中所述定时电路(270、275)包含计数器，所述计数器经布置以为所述可编程振荡器(260)的参考信号计数。 

8.一种用于GNSS数字信号的信号处理方法，所述GNSS数字信号包含从无线电定位卫星接收的扩频无线电定位信号，每一卫星发射由已知调制代码调制的无线电定位信号，所述调制代码具有多普勒移位和代码相移，所述方法包含： 

读取载波剥离GNSS信号； 

依照既定获取的卫星的所述调制代码的一个预定特征产生参考定时信号； 

产生可编程持续时间的若干样本，所述可编程持续时间由所述参考定时信号确定； 

存储由取样级产生的所述一连串样本； 

产生确定所存储的样本中的至少一者的取样时间的时戳代码，其中所述时戳代码是获得所述样本中的所述至少一者时代码相位的度量； 

使所存储的样本与所述调制代码的局部复本相关以产生多个相关值；以及 

基于所述时戳代码而定位缓冲存储器中的所述样本的时间位置。