CN1890900B - 用于测试设备的高精度同步的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

为了确定真实GPS时间与一CDMA信号的到达时间之间的延迟，一GPS接收机产生一锁定至真实的GPS时间的第一参考信号，并将该信号施加至一CDMA基站测试设备。所述CDMA基站测试设备接收所述CDMA信号并产生一第二参考信号，所述第二参考信号具有与一用于对所述第一参考信号进行采样的内部同步时钟的跃迁基本同时发生的跃迁。所述CDMA基站测试设备提供所述第二参考信号与所述CDMA信号之间的延迟。一频率/时间计数器提供所述第一参考信号与所述第二参考信号之间的延迟。由所述CDMA基站测试设备及所述频率/时间计数器所提供的延迟的和代表真实GPS时间与所述CDMA信号之间的延迟。

Description

用于测试设备的高精度同步的方法和装置
对相关申请案的交叉参考
本申请案主张2003年12月8日提出申请且名称为“测试设备的高精度同步(HIGHACCURACY SYNCHRONIZATION OF TEST EQUIPMENT)”的第60/527,989号美国临时申请案的权利。
技术领域
本发明涉及测量两个信号之间的时间延迟，且更具体而言涉及使用常规测试设备测量真实的GPS时间与一CDMA信号的到达时间之间的延迟。
背景技术
对移动无线装置(例如蜂窝式电话)的位置进行定位的需求日益增长。例如，联邦通信委员会(FCC)的命令就要求在接收到911呼叫时以400英尺的精度来识别在其蜂窝式电话上拨打911呼叫的呼叫者的位置。一种广为人知的用于确定一移动无线装置的位置的方法是使用从全球定位系统(GPS)所获得的信息。
GPS是一种基于卫星的导航系统，其由一广播在一载波频带上调制的伪随机噪声(PRN)码的卫星网络构成。GPS卫星传送信号，移动GPS接收机可根据所述信号估算出其位置。每一GPS卫星均使用两个载波信号来传送信号。第一载波信号是使用两个PRN码来调制：即一粗采集(C/A)码及一精确(P)码。每一GPS卫星均使用不同的PRN码，以使其与GPS的其他卫星区分开来。
为了确定一GPS接收机的位置，需要采集及跟踪至少四个卫星信号。GPS信号采集通常涉及到在不同相位偏移量及经多普勒频移的频移下计算所接收的GPS信号与相关卫星的C/A码之间的相关性。在采集信号后，一信号跟踪过程对以所述相位偏移量及经多普勒频移的频率来自所识别卫星的信号进行解码。在信号跟踪阶段期间，从所识别卫星接收导航数据。在由GPS卫星传送的导航数据中嵌有与卫星定位相关的数据以及时钟定时(即时间戳)-通常称作天文历数据，据以探测GPS接收机的位置。已开发出诸多种用于采集及跟踪GPS信号和读取天文历数据以探测GPS接收机位置的技术。
然而，基于GPS的位置探测系统具有多种缺点。一种这样的缺点在于，GPS接收机必须具有一对至少四颗GPS卫星的清晰、不受阻挡的视野才能使其位置得到精确探测。因此，如果GPS接收机的用户(例如)位于森林区或包含高层结构的市区，则所述用户可能不具备一对为探测其位置所需的卫星数量的不受阻挡的视野。如果所述用户处于室内，则问题可能进一步复杂化。
为了在存在不够四颗卫星的清晰视野时探测无线接收机的位置，已开发出使用由地面基站所传送的CDMA信号的算法。通常通过下述两个链路建立一无线装置与一基站之间的通信：一前向链路，通过其从基站向无线装置传送信号；及一反向链路，由基站通过其从无线装置接收所传送的信号。一种已知的开发用于使用地面基站来探测一移动无线装置的位置的算法被称作高级前向链路三边测量(AFLT)。为了使用AFLT来探测一移动无线装置的位置，需要得知无线网络中所部署的基站的位置、信号从基站传送的时间以及信号到达移动无线装置的时间。
基站中的前端处理延迟往往不同于GPS卫星发射机中的前端处理延迟。因此，如果使用CDMA及GPS信号二者一起来探测移动无线装置的位置，则需要虑及对应CDMA与GPS信号的到达时间之差。基站所传送的CDMA信号通常需要同步至其对应GPS信号的10微秒以内。
对于使用CDMA及GPS信号二者的精确位置确定而言，必须知道CDMA与GPS信号传输之间的定时延迟。这种延迟是在一CDMA基站校准阶段期间使用传统的现有测试设备来测量。典型的现有测试设备通常使用具有介于大约10MHz至20MHz之间(即周期介于50纳秒至100纳秒之间)的频率的定时同步时钟。因此，由这些设备所实施的每一此种延迟测量均具有一大约50-100纳秒的分辨率且因此可导致位置确定测量的不精确。
因此，需要一种使用以大约10-20MHz的时钟来进行定时同步的常规现有测试设备并能以相对更高的精度来测量对应CDMA与GPS信号之间的延迟的技术。
发明内容
根据本发明的一实施例，为了确定真实GPS时间与一CDMA信号到达时间之间的延迟，一GPS接收机通过一天线接收GPS信号并产生一锁定至真实GPS时间的第一参考信号。将所述第一参考信号施加至CDMA基站测试设备，所述CDMA基站测试设备也通过一天线接收所述CDMA信号。响应于此，所述CDMA基站测试设备产生一第二参考信号，所述第二参考信号具有与一用于对所述第一参考信号进行采样的内部同步时钟的跃迁基本同时发生的跃迁。所述CDMA基站测试设备提供所述第二参考信号与所述CDMA信号之间的延迟。一频率/时间计数器接收所述第一参考信号及所述第二参考信号并提供这两个信号之间的延迟。所述第二参考信号与所述CDMA信号之间的延迟-其由所述CDMA基站测试设备提供-和所述第一参考信号与所述第二参考信号之间的延迟-其由所述时间/频率计数器提供一之和代表真实GPS时间与所述CDMA信号到达时间之间的延迟。
在一些实施例中，所述GPS接收机为一Symmetricom公司的58503B型GPS接收机，其可从位于2300 Orchard Parkway，San Jose，California 95131的Symmetricom公司购得。在这些实施例中，所述第一参考信号具有一2秒的周期并通常称作一偶秒信号。
在一些实施例中，所述CDMA基站测试设备为一Agilent公司的E6380A型CDMA基站测试设备，其可从位于395 Page Mill Road，Palo Alto，California 94303的Agilent公司购得。在这些实施例中，所述第二参考信号具有一1.2288MHz的频率且所述内部同步时钟具有一19.6608MHz的频率。
在一些实施例中，所述频率/时间计数器为一Hewlett-Packard公司的53131A/53132A型频率/时间计数器，其可从位于Hanover Street，Palo Alto，California94304-1185的Hewlett-Packard公司购得。在一些实施例中，所述频率/时间计数器包括一HP-IB接口，所述HP-IB接口可编程为求取所测量延迟之和并将此和显示在一监视器上。
附图说明
图1为一耦接至一基站发射机的GPS接收机的简化的高层次方块图以及影响前向链路校准的延迟。
图2为根据本发明一实施例，一适于确定对应CDMA与GPS信号之间的时间延迟的测试装置的高层次方块图。
图3显示一GPS接收天线、一CDMA接收天线及一基站发射天线在基站扇区校准阶段期间的相对位置。
图4显示根据本发明一实施例，与图2所示测试装置相关并用于确定对应CDMA与GPS信号到达时间之间的延迟的信号的定时图。
具体实施方式
根据本发明的一实施例，为了确定真实GPS时间与一CDMA信号到达时间之间的延迟，一GPS接收机通过一天线接收GPS信号并产生一锁定至真实GPS时间的第一参考信号。将第一参考信号施加至CDMA基站测试设备，所述CDMA基站测试设备也通过一天线接收所述CDMA信号。响应于此，所述CDMA基站测试设备产生一第二参考信号，所述第二参考信号具有与一用于对第一参考信号进行采样的内部同步时钟的跃迁基本同时发生的跃迁。CDMA基站测试设备提供第二参考信号与CDMA信号之间的延迟。一频率/时间计数器接收第一参考信号及第二参考信号并提供这两个信号之间的延迟。第二参考信号与CDMA信号之间的延迟一其由CDMA基站测试设备提供-和第一参考信号与第二参考信号之间的延迟-其由时间/频率计数器提供-之和代表真实GPS时间与CDMA信号到达时间之间的延迟。
图1为一耦接至一CDMA基站发射机20的GPS接收机10的简化的高层次方块图。GPS接收机10通过GPS接收天线15接收GPS信号且CDMA基站发射机20通过CDMA发射天线25发射CDMA信号。为了在位置计算中使用CDMA信号的到达时间测量值，必须相对于GPS时间以相对高的精确度知道CDMA信号从发射天线25发射的时间。此时间称作前向链路校准值且为CDMA信号相对于GPS时间从基站20传送的定时的量度。
图1还显示各种影响前向链路校准值的时间延迟分量。通常，在前向链路校准期间，测量这些延迟(下文将进一步阐述)并将其记录在基站日历中。时间延迟T1代表与GPS接收天线15相关的电缆延迟。时间延迟T2代表施加至GPS接收机10的RF输入终端的信号的GPS时间与由GPS接收机10所产生的参考信号之间的差。时间延迟T2往往相对较小并可忽略不计且因此可以不必考虑在内。时间延迟T3代表与将GPS接收机10所产生的参考信号传递至基站发射机20的电缆相关的延迟。时间延迟T4代表施加至基站发射机20的参考输入信号与存在于基站发射机20的RF输出终端上的CDMA系统时间之间的差。时间延迟T5代表与CDMA接收天线25相关的电缆延迟。
如所属领域的技术人员所知，存在诸多种用于确定上述前向链路校准值的技术。根据某些技术，当可访问一基站设备时，可测量上文所述的会影响该值的各个延迟分量。根据其他技术，当不容易访问基站时，可进行一旨在测量前向链路校准值的单次测量。以下是对在基站发射机20的校准阶段期间进行的无需测量上述各个延迟分量的测量的说明。在此校准期间，测量CDMA信号相对于真实GPS时间的传送时间。
图2为根据本发明的一实施例，一测试装置50的高层次方块图，测试装置50用于以一高分辨率(例如10纳秒)测量真实GPS时间与一CDMA信号到达时间之间的延迟，以便相对于GPS时间校准CDMA信号的传送定时。在此实例性实施例中，将测试装置50显示成包括一GPS接收机60、CDMA基站测试设备70及一时间/频率计数器80。GPS接收机60、CDMA基站测试设备70及时间/频率计数器80中的每一者均可为常规的现有测试设备并可从许多商家购得。在一些实施例中，GPS接收机60可为一Symmetricom公司的58503B型GPS接收机，其可从位于2300 Orchard Parkway，San Jose，California 95131的Symmetricom公司购得。CDMA基站测试设备70可为一Agilent公司的E6380A型CDMA基站测试设备，其可从位于395Page Mill Road，PaloAlto，California 94303的Agilent公司购得。频率/时间计数器80可为一Hewlett-Packard公司的53131A/53132A型频率/时间计数器，其可从位于Hanover Street，Palo Alto，California 94304-1185的Hewlett-Packard公司购得。然而，应了解，根据本发明，可使用诸多其他市售测试设备以一相对高的分辨率(例如10纳秒)来测量真实GPS时间与CDMA信号到达时间之间的延迟。
GPS接收机60具有一适于接收GPS信号的GPS接收天线64。GPS接收机60在其第一输出端OUT1上产生一10MHz定时时钟信号CLK并在其第二输出终端OUT2上产生一通常称作一偶秒信号的参考信号REF。每两秒在信号REF上出现一次跃迁。信号REF被锁定至所接收的GPS信号且因此与其维持一固定的定时关系。将信号CLK及REF二者施加至CDMA站测试设备70的相应输入端IN1及IN2上。CDMA基站测试设备70具有一接收天线74，以通过其接收CDMA信号。CDMA基站测试设备70在其输出终端OUT1上部分地产生一参考信号REF2，该参考信号REF2被施加至时间/频率计数器80的输入端IN3。信号INT_CLK及REF分别施加至时间/频率计数器80的输入端IN1及IN2。CDMA基站测试设备接收机70及时间/频率计数器80也通过一GPIB接口彼此耦接。10MHz定时时钟信号CLK提供一用于所有测试设备的共用时钟。
在一校准阶段期间，GPS接收机60视需要以用户的已知位置编程并还编程为具有例如大约60分钟的稳定时间。可借助一通过一标准串行端口连接的计算机并使用卖主所提供的软件来对这些值进行编程。在这些实施例中，GPS接收机60还配置成在万一用户发现60分钟的稳定时间不方便时也输出信号REF与真实GPS时间之间的定时误差。
为了接收已使来自由所述基站中与CDMA基站测试设备70进行通信的各个其他扇区所传送的信号的干扰最小化的CDMA信号，CDMA接收天线74视需要为一定向天线。定向天线74还使CDMA基站测试设备70能够接收到已使来自由其他基站所传送的信号的干扰最小化的CDMA信号及已使多路径干扰最小化的信号。CDMA天线电缆72视需要具有一使CDMA接收天线74能够在任一给定基站的每一扇区内在各个位置上移动而无需移动测试装置50的其余部分的长度。
CDMA基站测试设备70的某些实施例(例如Agilent E6380A)包括配置成控制并读取由时间/频率计数器80所产生的输出结果以及由基站测试设备70所产生的输出结果的软件。Agilent E6380A中的软件还提供基站校准测量，包括对时间偏置量及各种其他电缆延迟的补偿。该软件进一步配置成接收与GPS接收天线电缆62、CDMA接收天线电缆72及用于将GPS接收机60的输出端OUT2耦接至CDMA基站测试设备70的输入端IN2的电缆92相关的延迟作为输入。如果电缆94及96选择成具有相等的长度，则与这两根电缆相关的延迟可忽略不计。
图3显示在基站扇区校准阶段期间，GPS接收天线64、CDMA接收天线74及基站发射天线94的相对位置。GPS接收天线64设定成具有一在地平线以上从10至90度及相对于正北从0至360度的不受阻挡的天空视野。如果未得到一不受阻挡的天空视野，则将Symmetricom 58503B的10度的缺省仰角掩码变至一具有相对于正北从0度至360度的不受阻挡天空视野的仰角。可视需要从一差动GPS接收机获得GPS接收天线64的WGS-84椭球体以上的经度、纬度及高度。在校准阶段期间所需的GPS接收天线64的位置精度处于例如实际位置的一米以内。定向CDMA接收天线74被设定成具有一看到基站发射天线94的视线且推荐其处于扇区定向的30度内。
根据GPS接收天线64的位置及GPS接收天线64相对于基站发射天线94的方位角、仰角及距离获得基站发射天线94的WGS-84椭球体以上的经度、纬度及高度。在校准阶段期间获得的基站发射天线94的位置精度处于例如实际位置的一米以内。可使用激光瞄准器及罗盘来获得GPS接收天线64相对于基站发射天线94的方位角、仰角及距离。如上所述，可使用具有耦合的激光瞄准器/罗盘的市售差动GPS接收机来确定基站发射天线94的位置。所确定的CDMA接收天线74与基站发射天线94之间的距离的精度也是例如一米。
图4显示用于确定真实GPS时间与由图2所示测试装置50所产生CDMA信号的到达时间之间的延迟的信号的定时图。如上所述，信号REF具有一2秒的周期且锁定至真实GPS时间。如从图2中所见，信号REF由GPS接收机60产生且被施加至CDMA基站测试设备70。信号INT_CLK为CDMA基站测试设备内部的一参考时钟，其用于产生其他时钟(图中未显示)并使CDMA基站测试设备70同步至外部定时源。信号REF_IN产生于CDMA基站测试测试设备70内部。如图4中所示，当信号INT_CLK进行一低-高跃迁104时，在信号REF_IN上发生一跃迁106。因此，可通过将例如信号REF施加至一触发器(图中未显示)的数据输入端并将信号INT_CLK施加至所述触发器的时钟输入端而在内部产生信号REF_IN；信号REF_IN为这种触发器的输出信号。因此，不管信号REF的跃迁100在信号INT_CLK的跃迁102与104之间出现的时间如何，信号REF_IN的跃迁106与信号INT_CLK的跃迁104均同时出现。
CDMA基站测试设备70通过其CDMA接收天线74接收CDMA信号108。如图4中所示，CDMA信号的到达时间-由信号CDMA的跃迁108所代表-与真实GPS时间-由信号REF的跃迁100所代表-之间的延迟T8包括时间延迟T6(其为跃迁100与106之间的延迟)及时间延迟T7(其为跃迁106与108之间的延迟)。传统的现有CDMA基站测试设备(例如CDMA基站测试设备70)仅提供时间延迟T8的延迟分量T7。因此，其不将会根据真实GPS时间与信号INT_CLK之间的关系而变化的延迟分量T6考量在内。因信号INT_CLK具有一大约50纳秒或100纳秒的周期，故延迟分量T6可从0至50纳秒或从0至100纳秒不等。换句话说，真实GPS时间与由CDMA基站测试设备70所测量的CDMA信号到达时间之间的延迟可根据信号INT_CLK的频率而相差最多达50纳秒或100纳秒，从而导致基站校准及/或位置确定不可靠。
根据本发明，如上所述，测量信号REF的跃迁100与信号REF_IN的跃迁106之间的延迟分量T6，以提高测量时间延迟T8的精度。传统的现有CDMA基站测试设备(例如Agilent E6380A)是在内部产生若干时钟信号。一个同步且相对于信号REF_IN及INT_CLK具有相对小的时间延迟的这种内部产生的时钟信号是一在图2及4中显示成信号REF2的1.2288MHz时钟信号。在图4中，信号REF2的跃迁110、信号REF_IN的跃迁106及信号INT_CLK的跃迁104在基本相同的时间同时发生。因此，跃迁100与106之间的延迟T6基本相同于跃迁100与110之间的延迟。
如从图2中所见，为了测量跃迁100与110之间的时间延迟，根据本发明，将信号REF及REF2施加至时间/频率计数器80。时间/频率计数器80-其如上所述可为一Hewlett-Packard 53131A/53132A型时间/频率计数器-经配置以测量时间延迟T6。
为了进一步简化对REF与CDMA信号之间的延迟的测量，可将一具有一HP-IB接口(图中未显示)的第四测试器耦接至CDMA基站测试设备70及时间/频率计数器80二者。该设备的HP接口使其能够对时间延迟T6与T7进行读取及求和并将所述和(即T8)显示在一监视器上。
在一些实施例中，CDMA基站测试设备70可修改成包含时间/频率80以及用于对时间延迟T6与T7进行求和并将所述和显示在一监视器上的硬件/软件模块。在其他实施例中，信号REF2可为一不同于内部所产生的1.2288MHz信号的信号。在又一些实施例中，GPS接收机及CDMA基站测试设备二者均可布置于同一机箱内并可由制造商或卖主作为一个单元出售。
本发明的上述实施例为例示性而非限定性实施例。本发明不受GPS接收机、CDMA基站测试器或时间/频率计数器的类型或制造商的限制。本发明并非仅限用于在不同设备之间进行通信的任一特定时钟频率或任一接口。本发明不受用于输入与校准相关的参数的硬件/软件模块类型的限制。可对本发明作出其他添加、减略、删除及修改，此并不背离在随附权利要求书中所述的本发明的范围。

Claims (23)

1.一种用于测量一GPS信号与一CDMA信号之间的一延迟的方法，所述方法包括：
产生多个时钟信号；
由GPS接收机产生一锁定至所述GPS信号的第一参考信号；
由CDMA基站测试设备使用所述第一参考信号及所述多个时钟信号中的一第一时钟信号来产生一第二参考信号；
测量所述第二参考信号与所述CDMA信号之间的一第二延迟；
识别所述多个时钟信号中一具有与所述第二参考信号的跃迁基本同时发生的跃迁的第二时钟信号；及
测量所述GPS信号与所述多个时钟信号中所识别出的所述第二时钟信号之间的一第三延迟，其中所述第二与所述第三延迟的和代表所述GPS信号与所述CDMA信号之间的所述延迟。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一参考信号具有一2秒的周期。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述多个时钟信号中的所述第一时钟信号具有一19.6608MHz的频率。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述第一参考信号是由一GPS接收机响应于对所述GPS信号的接收而产生。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述多个时钟信号中所识别出的所述第二时钟信号具有一1.2288MHz的频率。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述多个时钟信号中所识别出的第二时钟信号及所述第二参考信号是由一CDMA基站测试设备并响应于对所述CDMA信号及所述第一参考信号的接收而产生。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述第二延迟是由所述CDMA基站测试设备测量。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述第三延迟是由所述CDMA基站测试设备测量。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述第三延迟是由一时间/频率计数器测量。
10.一种经配置以测量一GPS信号与一CDMA信号之间的一延迟的装置，所述装置包括：
用于产生多个时钟信号的装置；
用于由GPS接收机来产生一锁定至所述GPS信号的第一参考信号的装置；
用于由CDMA基站测试设备使用所述第一参考信号及所述多个时钟信号中的一第一时钟信号来产生一第二参考信号的装置；
用于测量所述第二参考信号与所述CDMA信号之间的一第二延迟的装置；及
用于测量所述GPS信号与所述多个时钟信号中一具有与所述第二参考信号的跃迁基本同时发生的跃迁的第二时钟信号之间的一第三延迟的装置，其中所述第二与所述第三延迟的和代表所述GPS信号与所述CDMA信号之间的所述延迟。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述第一参考信号具有一2秒的周期。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述多个时钟信号中的所述第一时钟信号具有一19.6608MHz的频率。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述用于产生所述第一参考信号的装置设置于一GPS接收机中且其中所述用于产生多个时钟信号中所述第一时钟信号的装置设置于一CDMA基站测试设备中。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述多个时钟信号中所识别出的所述第二时钟信号为一1.2288MHZ信号。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述用于产生所述第二参考信号及所述多个时钟信号中所述第二时钟信号的装置设置于所述CDMA基站测试设备中并响应于对所述CDMA信号及所述第一参考信号的接收。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述用于测量所述第二延迟的装置设置于所述CDMA基站测试设备中。
17.如权利要求16所述的装置，其中所述用于测量所述第三延迟的装置设置于所述CDMA基站测试设备中。
18.如权利要求17所述的装置，其中所述用于测量所述第三延迟的装置设置于一时间/频率计数器中。
19.一种可运行以测量一GPS信号与一CDMA信号之间的一时间延迟的装置，所述装置包括：
GPS接收机，其适于接收所述GPS信号并响应于接收所述GPS信号而产生一第一参考信号；
CDMA基站测试设备，其适于接收所述CDMA信号及所述第一参考信号并产生一第二参考信号及一具有与所述第二参考信号的跃迁基本同时发生的跃迁的时钟信号，所述CDMA基站测试设备进一步适于测量所述第二参考信号与所述CDMA信号之间的一时间延迟；及
时间/频率计数器，其适于接收所述第一参考信号及所述第二参考信号并适于测量所述第一参考信号与所述第二参考信号之间的一延迟。
20.如权利要求19所述的装置，其中所述第一参考信号具有一2秒的周期。
21.如权利要求20所述的装置，其中所述GPS接收机适于响应于对所述GPS信号的接收而产生所述第一参考信号。
22.如权利要求21所述的装置，其中所述时钟信号具有一1.2288MHz的频率。
23.如权利要求22所述的装置，其中所述CDMA基站测试设备适于接收所述CDMA信号及所述第一参考信号并产生所述第二参考信号及所述时钟信号。
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