CN1590961A - 组合导航卫星接收机和通信设备 - Google Patents

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Abstract

导航卫星接收机和通信设备的组合在该导航卫星接收机和通信设备之间交换精确合成的频率和时钟。在一个实施例中，将TCXO晶体用作导航卫星接收机的基准并且将其锁定到卫星传输，由此允许非常精确的频率合成并由它来为通信设备产生时钟。在另一个实施例中，主要隶属于通信设备的VCO充当导航卫星接收机的基本基准，并且随后将其锁定到卫星传输，由此再次允许非常精确的频率合成并为通信设备产生时钟。在另一个实施例中，主要隶属于通信设备的VCO在锁定到通信设备标准之后，用作导航卫星接收机的基本基准。因此，导航卫星接收机减小了时钟不确定性并且可以比其它情况快得多地初始化和跟踪卫星。

Description

组合导航卫星接收机和通信设备
技术领域
本发明涉及导航卫星接收机和通信设备的组合，并且更具体而言，本发明涉及在GPS接收机与蜂窝手机之间共享晶体振荡器。
背景技术
大多数消费类电子设备都是大批量生产的，其销售极大依赖于它们的价格。一种提供更好价格的方法是降低制造成本，例如所用劳动力和元件成本。目前，导航接收机与通信设备的组合是可以实现的，许多传统的商业产品都为导航卫星接收机部分提供了一组晶体和晶体振荡器，并且为通信设备提供单独的一组。
最近，作为本发明的发明人之一的Paul McBurney与其它某些人提交了几个涉及GPS接收机的美国专利申请。在表II中汇总了这些申请。所有这些专利申请都转让给了同一受让人，并且在此引入这些申请以作为参考。
表II
案卷号 标题 发明人 USPTO提交 USPTO序号 美国专利
734-01 Navigation satellitereceiver and Method of P.McBurney，A.Woo 2000年10月11日 09/687,044 6,437,73408-20-02
734-02 Infrastructure-Aiding for SatelliteNavigation satellitereceiver and Method P.McBurney，A.Woo 2001年2月28日 09/797,521 6,473,030B110-29-02
734-03 High sensitivity GPSReceiver andReception P.McBurney，A.Woo 2002年2月19日 10/079,245
734-04 Total CorrectionStrategy Stephen J，Edwards，P.McBurney 2002年2月19日 10/079,217
734-05 Method and System forPosition Calculationfrom Calculated Time S.Edwards，P.McBurney 2002年2月19日 10/079,244
734-06 Computing NetworkPath Delays soAccurate Absolute H.Matsushita，P.McBureny 2002年2月19日 10/079,251
Time can be Forwardedfrom a server to aclient
734-07 No Preamble Frame Sync Akira Kimura，P.Mcburney 2002年2月19日 10/079,250
734-08 Thin Client P.McBurney，C.Rasmussen，F.Vaucher，K.Victa 2002年2月19日 10/079,249 6,584,4046-24-03
734-09 Software CrystalOscillator H.Matsushita，P.McBureny 2002年2月19日 10/079,248 6,509,870B101-21-03
734-10 High SensitivityInfrequent Use ofSensors H.McBurney，K.Victa 2002年2月19日 10/079,247 6,559,7955-6-03
734-11 Real Time Clock(RTC) P.McBurney 2002年2月19日 10/079,253
734-12 Shared ReferenceStation C.Rypinski，M.Junkar 2002年2月19日 10/079,252
734-13 Client-Aided DopplerEstimation P.McBurney，W.J.Morrison 2002年8月7日 10/215,138
734-15 Synthetic Nav-DataFor A High-Sensitivity SatellitePositioning SystemReceiver P.McBurney，W.J.Morrison 还未提交
目前需要以较低的生产成本来组合导航接收机与通信设备。
发明内容
简单的说，本发明将导航卫星接收机与通信设备相结合的实施例在导航卫星接收机与通信设备之间交换精确合成的频率和时钟。在一个实施例中，TCXO晶体充当导航卫星接收机的一个基准，而其锁定于卫星传输则提供了非常精确的频率合成并且由它产生了用于通信设备的时钟。在另一个实施例中，主要附属于通信设备的VCO充当导航卫星接收机的基本基准，而其随后锁定于卫星传输则再次提供了非常精确的频率合成并且为通信设备产生了时钟。在另一个实施例中，在将主要隶属于通信设备的VCO锁定于通信系统标准之后，所述VCO被用作导航卫星接收机的基本基准。因此，导航卫星接收机降低了时钟不确定性并且能比其它情况更快地初始化和跟踪卫星。
本发明的一个优点在于为导航接收机提供一种利用任何特定GPS卫星的少于一个完整的天文历来进行精确操作的系统和方法。
毫无疑问，在阅读了以下关于附图所示的优选SPS接收机的详细描述之后，本领域技术人员可以清楚了解本发明的这些和其它目的及优点。
附图说明
图1是一个关于本发明实施例中组合GPS卫星导航接收机部分与通信设备系统的示意图，其中通信设备的VCO向GPS部分提供了基准频率辅助；
图2是一个关于本发明实施例中组合GPS卫星导航接收机与通信设备系统的示意图，其中通信VCO设备向GPS部分提供基准频率辅助并由此去除了GPS晶体振荡器；以及
图3是在本发明实施例的组合GPS导航接收机与通信设备系统中多次重用频率的示意图。
具体实施方式
图1描述的是本发明的卫星导航接收机与通信设备系统的基本的集成组合的实施例，由概况的参考数字100表示。系统100具有两个部分，其中包括采取全球定位系统(GPS)接收机102形式的导航接收机以及采取为GPS部分102提供参考频率辅助的蜂窝电话104的形式的通信设备。GPS部分102是独立的定位模型，也可以是具有在一个主CPU上执行的定位码的测量模型。
大体上，本发明提供了通过共享振荡器来减少所述实现方式中需要的晶体或晶体振荡器的数量，例如以便节省制造成本。在一个大规模生产市场中，进行很小的价格降低常常会带来提高很多的销售量。
在系统100中，GPS部分102包括GPS接线天线106、GPS振荡器108、GPS RF接收机110以及GPS数字信号处理器112。GPS部分102可以只获取测量值并将这些测量值转发到主CPU，从而进行定位解答处理，但是GPS部分102本身也可以处理定位解答。而与蜂窝部分104共享一个高能力主CPU则提供了一种降低整体成本的方法。
蜂窝电话部分104包括蜂窝电话天线114、通信收发信机116、蜂窝电话数字信号处理器(DSP)118、为压控振荡器(VCO)122馈送信号的第一振荡器(osc1)120、第二振荡器(osc2)124、第三振荡器(osc3)126和时钟选择器128。主CPU 130为GPS部分102和蜂窝电话部分104提供高级功能。
在本发明的实施例中，若干晶体重用和频率共享的方案是可能的。例如，GPS部分可以设置成为电话部分提供基准晶体频率，以便重用一个晶体，从而例如消除对于通信设备中VCO晶体振荡器的需要。GPS还能够为通信设备提供精确的频率，从而改善其对通信VCO的捕获和跟踪；或/和在额定或高功耗环境中提供电话处理器时钟；或/和被用于从一个频率合成器获得频率，以便在其生成范围内提供任何一个连续频率；或/和为主CPU 130提供作为精确的GPS时间事件的时间事件；或/和能够经由与GPS系统时间的偏移而在主CPU时间帧中提供时间事件；或/和能够向主CPU提供实时时钟能力。
这里涉及的振荡器包括为GPS RF和数字处理产生所有频率的OscGPS 108(图1)。Osc1 120为通信VCO产生一个基准并且合成通信设备所需要的全部RF频率，例如一个高RF频率和一个中间IF频率。Osc2 124产生“Fproc”，以此作为用于通信CPU的标准操作频率，并且Osc3 126产生用于空闲、备用或不工作时间的低功率频率“FprocLP”。
图2描述的是本发明的卫星导航接收机与通信设备系统的另一个集成组合的实施例，由概括的参考数字200表示。系统200具有一个全球定位系统(GPS)接收机部分102和一个蜂窝电话部分204，其中蜂窝电话部分204提供一个基准频率，该基准频率良好到足以消除对于GPS部分202中单独GPS晶体振荡器的需要。
在系统200中，GPS部分202包括GPS接线天线206、GP频率合成器208、GPS RF接收机210和GPS数字信号处理器212。GPS合成器208对直接来自VCO频率(Fvco)的GPS基准频率(Fgps)进行合成，从而消除对于例如GPS振荡器108这类GPS晶体振荡器的需要。当通信系统基准标准锁定Fvco时，所述频率是非常准确和可靠的。
蜂窝电话部分204包括蜂窝天线214、通信收发信机216、蜂窝电话数字信号处理器(DSP)218、为压控振荡器(VCO)222馈送信号的第一振荡器(osc1)220、第二振荡器(osc2)224、第三振荡器(osc3)226以及时钟选择器228。主CPU 230则为GPS部分202和蜂窝电话部分204提供高级功能。第一振荡器(osc1)220通常是一个温度补偿晶体振荡器(TCXO)。第三振荡器(osc3)226则通常是一个能够基于一个表面晶体(watch crystal)的32KHz实时时钟(RTC)。
GPS的一个优点在于：即使依赖于低成本晶体振荡器的基准频率源，也能够获得高精确度的定位。但是在从一个通信VCO导出GPS基准频率时则会产生问题。举例来说，由于不同基站发射机频率的偏移以及相对各个塔架的速度矢量有可能差别很大，因此在通信VCO在不同小区塔架之间转移时，频率跃变有可能会对GPS基准频率产生不良影响。由此产生的德尔塔-多普勒频移可能会很大。在通信设备的自动频率补偿(AFC)频率回路中还可能存在剩余的未补偿频率误差。与GPS接收机可以忍受的数据速率相比，通信设备可以容忍更大的频率误差。而降低AFC回路所更新的频率则可用于将数据处理和CPU负载减至最小。在开环中进行频率控制并且没有校正漂移的情况下，当通信设备进入备用模式时，残留的频率误差将会增加。
频率稳定性在通信系统中是非常重要的，但是数据速率则会比典型频率误差高出很多，因此仍然能够对其进行正确的解调。而数据则是在一个比低频VCO失步误差高出很多的带宽上得到检测的。与GPS部分不同的是，只要能够正确解调数据，就不需要进行精确的载波跟踪。在接收到频率更新时，这些频率更新是频带受限的，以便减少进入VCO的跃变输入。但是，在开环操作中，信号停止和塔架改变都会引入频率误差，这会对GPS操作产生不良影响。
对GPS来说，基准频率中的高频变化将会影响搜索，而不是GPS定位解答的最终准确度。使用从VCO导出的GPS基准频率则会伴随出现一些问题。如果在20毫秒的时段中的频率跃变大于半周期的数据比特，则会出现NavData采集误差并且不会正确解码数据。如果VCO误差是由塔架频率误差、通信速度或回路误差所激励的，则会出现频率辅助误差。在设法与通信设备频率交叉校准，例如使用本发明的频率辅助方法的实施例时，GPS接收机将遇到错误。
此外还有可能出现灵敏度损失。在高灵敏度GPS接收机中，窄带集成将会是优选的。VCO频率误差将会造成GPS测量中的误差。如果采用公共模式，则它会影响GPS漂移估计。这种频率估计中的误差则导致在哪里捕获卫星的频率预测中的误差。任何误差都会增加需要的搜索量，从而延迟定位。对高灵敏度所需要的长测量集成来说，在跟踪PS信号中出现的频率误差将会导致定位误差。在长的相关过程中，频率中的误差将会把能量扩展到许多伪距码相位中。因此丢失信号功率并且无法了解真实的峰值。
在PDC电话网中，典型的误差预算包括0.1PPM的基站稳定性，100mph＝44mls＝230Hz＝0.15PPM，回路预算则为0.2PPM，总共大约是0.45PPM。因此，将一个VCO用作GPS接收机的频率源是切实可行的。另一方面，如果使用软件建模，那么现代的低成本TCXO振荡器能够提供类似或更好的稳定性。
图3描述了在本发明的卫星导航接收机与通信设备系统的集成组合中进行的频率多次重用的实施例，由概括的参考数字300表示。系统300具有集成在同一便携式或手持设备中的GPS部分302和蜂窝电话部分304。GPS部分302包括GPS天线306、GPS RF接收机308、GPS数字处理器和频率发生器(芯片)310、GPS振荡器(oscGPS)312和低频振荡器(osc3)314。举例来说，时钟选择器316通过进行时钟频率选择而在标准和低功率操作之间进行选择。蜂窝电话部分304包括蜂窝天线318、通信收发信机320、数字信号处理器322、电话CPU功率控制时钟选择器324、驱动器325和压控振荡器(VCO)326。
在这里包含了驱动器325，以便提高施加到VCO 326的基准频率的相对稳定性和精确性。当蜂窝电话部分304在本地具有非常准确的基准时，它并不依赖于其为正确的CDMA操作提供良好基准频率的蜂窝电话基站。如果在一个基站区域中运作的所有移动电话都具有这种GPS被提供的基准信号，则没有必要为基站配备昂贵的原子钟。
通信设备通常需要自己拥有更快的处理器晶体，这是因为典型的VCO振荡器是在相对较低的10-13MHz范围中运作的。一些处理器需要能够切换到用于特殊通信功能的甚至更高的频率。在下变换处理中使用并在RF芯片中产生的中频(IF)可用于运行那些需要更多计算资源的应用。为低功率时间维持选择一个低频振荡器，并且所述低频振荡器通常是一个32KHz晶体。
在开启时，举例来说，GPS芯片310从非易失存储单元中加载用于电话CPU 324的缺省启动处理器时钟选择。主处理器的时钟频率是通过与用于输入到一个数字控制振荡器(NCO)的GPS时钟相乘而产生的。然后，可以对这种NCO进行数字编程，以便产生最高可达其输入频率一半的任何输出频率。GPS部分302将自己置于睡眠、低功率模式，并且让用户决定何时使用GPS。当主机系统的时钟稳定时，所述主机系统开始运作。然后，主机可以借助于主CPU 324与GPS数字芯片310之间所进行的通信来选择不同频率。电话部分304能够通过发送一个预期频率来请求一个常规频率数字。它可以控制何时将VCO转向将要使用的频率，例如用于日本PDC系统的12.6MHz的频率。如果GPS部分302正在跟踪GPS卫星并且正在求解其频率误差，则它能够利用已知的GPS晶体中的误差来补偿所请求的12.6MHz。因此，它可以为通信设备VCO 326提供一个更加稳定的频率。如果需要低功率模式，则通信设备304可以请求GPS部分302进入低功率模式。它与来自osc3 314的低频率晶体输入合拍。如果可以将GPS振荡器312变成低功率，则可以去除32kHz的晶体振荡器314。GPS部分302可以在时间-事件线上将中断发送到电话部分304，以便唤醒某些需要在常规但精确的间隔上出现的进程。
GPS部分302提供一个由GPS卫星时间标准校正的VCO频率，并且所述频率非常精确。此外举例来说，还可以从GPS部分302为频分多址(FDMA)系统中需要的频率阶跃操作提供一个可变VCO，其中所述VCO响应于来自电话部分304的请求。GPS部分302可以输出一个模拟正弦曲线电压，以便近似一个晶体输出。这可以使用一个来自加法器顶部的比特来请求，用于精确的相位。这个相位是使用具有更多用于正弦曲线而不是线性计数器值的代表性等级的表格来进行转换的。在一个数模转换器中，可以将表格值转换成模拟信号。加法器的溢出还可用于产生一个简单的1比特数字时钟频率。并且可以从osc3314与GPS接收机中GPS的秒和毫秒中断的组合中构建时间间隔中断。此外还可以使用偏移来把事件的定时定相到任何基准时间帧。
在本发明的一个方法实施例中，将导航接收机与蜂窝电话的集成组合中的源振荡器的数量减少为两个，其中这两个振荡器可以是例如一个大约27MHz的GPS晶体振荡器和一个大约32MHz的表面晶体振荡器。一个乘法器与GPS晶体振荡器相连，以便产生更高的频率。此外分别使用了两个数控振荡器(NCO1和NCO2)来产生VCO和主CPU的频率。时间事件逻辑则从GPS毫秒中断、GPS秒脉冲、数字偏移和表面晶体振荡器的组合中产生针对主CPU的时间事件。
总体上，本发明的实施例改善了制造成本和设备性能。例如，导航接收机为通信设备提供一个基准晶体频率，以便重用晶体，从而消除了对于第二晶体、通信VCO晶体的需要。并且当导航接收机将这种基准晶体频率提供给通信设备时，通信接收机灵敏度被提高，这是因为频率不确定性被大大减小，初始频率搜索空间可以被调整。由此，接收机能够使用更小的增量或步长来搜索频域中的信号，同时仍然能在一个合理时间内查找到初始锁定。
尽管根据目前优选的SPS接收机而对本发明进行了描述，但是应当理解，所述公开不应视为是限制性的。在阅读了上述公开内容之后，毫无疑问，对本领域技术人员来说，各种变更和修改都是显而易见的。因此，权利要求书应当解释为覆盖了落入本发明“真正”精神和范围以内的所有变化和修改。

Claims (11)

1.一种组合设备，包括
一个导航接收机；
一个与所述导航接收机相结合的通信设备；以及
一个单一的晶体振荡器，该振荡器为导航接收机与通信设备中的RF调谐、下变换以及信号解调提供一个基准频率；
其中所述导航接收机和通信设备不需要其它的单独的晶体振荡器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：
导航接收机为通信设备提供所述基准晶体频率，以便重用一个晶体，由此消除对于通信设备VCO晶体的需要。
3.根据权利要求1所述的设备，其中：
导航接收机为通信设备提供所述基准晶体频率，从而便避免使用一个独立的较不精确晶体，其中是通过降低频率不确定性和初始频率搜索空间来提高通信接收机灵敏度的。
4.根据权利要求1所述的设备，其中：
导航接收机为通信设备提供精确的频率信号，以便改善VCO的捕获和跟踪。
5.根据权利要求1所述的设备，其中：
导航接收机在额定和高功率环境中提供通信设备处理器时钟信号。
6.根据权利要求1所述的设备，其中：
导航接收机提供处于频率发生范围以内的连续频率信号。
7.根据权利要求1所述的设备，其中：
导航接收机为主CPU提供作为精确导航接收机时间事件信号的时间事件信号。
8.根据权利要求1所述的设备，其中：
导航接收机借助于一个与导航接收机时间的偏移而在主CPU时间帧中提供时间事件信号。
9.根据权利要求1所述的设备，其中：
导航接收机为主CPU提供实时时钟信号能力。
10.一种组合移动设备，包括：
一个移动导航接收机；
一个与所述导航接收机相结合的移动通信设备；
一个单一的晶体振荡器，该振荡器为导航接收机和通信设备中的RF调谐、下变换和信号解调提供一个基准频率，其中所述导航接收机和通信设备不需要其它的单独的晶体振荡器；以及
一个连接到所述导航接收机的分频器，为通信设备提供所述基准晶体频率的相对改善的派生频率，用于获得超过使用一个单独独立的通信VCO晶体的通信设备的增加的节约和提高的性能。
11.根据权利要求10所述的设备，其中通信设备不依赖于从蜂窝基站为所述通信设备的CDMA操作提供的基准频率。
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