DE102004032376A1

DE102004032376A1 - GPS-Empfänger und zugehöriges Signalverarbeitungsverfahren

Info

Publication number: DE102004032376A1
Application number: DE102004032376A
Authority: DE
Inventors: Dong-Sik Cho
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2005-02-10
Also published as: TWI329205B; DE102004032363A1; CN1576805A; TWI329206B; CN100501441C; US20050008106A1; US7315569B2; US20050010362A1; CN1576879A; US7317752B2; TW200508641A; DE102004032363B4; CN100562762C; TW200506407A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen GPS-Empfänger mit einer Wandlerschaltung, welche empfangene GPS-Signale in phasengleiche Digitalsignale (I) und Quadraturphasen-Digitalsignale (Q) wandelt, einer Korrelatorschaltung (13), welche erwartete Codesignale erzeugt und die Digitalsignale (I, Q) mit dem erwarteten Codesignalen korreliert, um abgetastete I-Werte und abgetastete Q-Werte für einen Abgriff auszugeben, und auf ein zugehöriges Signalverarbeitungsverfahren. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind eine Filterschaltung (30), welche die abgetasteten I-Werte und die abgetasteten Q-Werte in modifizierte I-Werte und modifizierte Q-Werte filtert, jeden modifizierten I-Wert zum korrespondierenden modifizierten Q-Wert des Abgriffs addiert und ein Zählereignis für eine positive Summe ausgibt, ein Zähler (28), welcher den Zählerstand auf jedes Zählereignis hin inkrementiert, und eine Komparatorschaltung (29) vorgesehen, welche den Zählerstand nach Abschluss der Messwertermittlung des Abgriffes mit einem Schwellwert vergleicht, um ein Auftreten eines Spitzenwertes zu bestimmen. DOLLAR A Verwendung zur GPS-Positionsbestimmung.

Description

Die Erfindung betrifft einen GPS-Empfänger und ein zugehöriges Signalverarbeitungsverfahren für GPS-Signale zur Positionsbestimmung.
Ein Empfänger eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) bestimmt seine Position durch Berechnung von Abständen und relativen Signalankunftszeiten von gleichzeitig von einer Anzahl von GPS-Satelliten ausgesandten Signalen. Diese Satelliten übertragen als Teil ihrer Nachricht sowohl Satellitenpositionsdaten einschließlich eines pseudozufälligen Codes als auch Daten über Taktungsverhältnisse.

Durch Benutzen des empfangenen pseudozufälligen Codes kann der GPS-Empfänger Pseudobereiche von verschiedenen GPS-Satelliten bestimmen und die Position des Empfängers durch Verwenden dieser Pseudobereiche und Satellitentaktzeiten und der Daten über Taktungsverhältnisse berechnen. Die Pseudobereiche sind Zeitverzögerungswerte, welche zwischen empfangenen Signalen von jedem Satelliten und einem lokalen Taktsignal gemessen werden. Gewöhnlich werden GPS-Signale von vier oder mehr Satelliten empfangen. Die Satellitendaten über die Taktungsverhältnisse und Signaturdaten werden aus den GPS-Signalen extrahiert, wenn ein Satellit aufgespürt ist und verfolgt wird. Das Aufspüren von GPS-Signalen kann bis zu mehreren Sekunden dauern und muss mit einem ausreichend stark empfangenen Signal durchgeführt werden, um niedrige Fehlerraten zu erreichen.

Die GPS-Signale umfassen eine hohe Rate von sich wiederholenden Signalen, die als pseudozufällige (PN-)Codes bezeichnet werden. Die für zivile Anwendungen verfügbaren Codes werden C/A-Codes (Groberfassungs-Codes) genannt und haben eine binäre Phasenumkehrrate oder eine Fragmentierungsrate („Chippingrate") von 1,023MHz und eine Wiederholrate von 1023 Fragmenten für eine Codeperiode von einer Millisekunde. Die Codesequenzen gehören zu einer Familie, die als Goldcodes bekannt sind, und jeder GPS-Satellit strahlt ein Signal mit einem charakteristischen Goldcode aus.

Die meisten GPS-Empfänger benutzen Korrelationsverfahren, um die Pseudobereiche zu berechnen. Ein Korrelator multipliziert das empfangene Signal mit einer im lokalen Speicher gespeicherten Nachbildung des zugehörigen Goldcodes und integriert dann das Produkt, um einen Korrelations- oder Abtastwert zu erhalten, der als Anzeige des Vorhandenseins des Satellitensignals benutzt werden kann. Durch sequentielles Einstellen der relativen Zeitbeziehungen der gespeicherten Nachbildung relativ zum empfangenen Signal und durch Beobachten der Korrelationsausgabe kann der Empfänger die Zeitverzögerung zwischen dem empfangenen Signal und einem lokalen Taktsignal bestimmen. Die anfängliche Bestimmung der Anwesenheit eines solchen Ausgabesignals wird als „Aufspürung" bezeichnet. Nach der Aufspürung gelangt der Prozess in die Verfolgungsphase, in welcher die Zeitbeziehungen der lokalen Referenz in kleinen Werten eingestellt werden, um eine hohe Korrelationsausgabe aufrechtzuerhalten.

Globale satellitengestützte Positionsbestimmungssysteme benutzen eine Vielzahl von Satelliten (Konstellation), um gleichzeitig Signale zu einem Empfänger zu übertragen, die eine Positionsbestimmung des Empfängers durch Messung von Zeitdifferenzen zwischen den Ankunftszeiten dieser Vielzahl von Signalen ermöglichen. Allgemein beeinflussen sich Signale der verschiedenen Satelliten nicht wesentlich untereinander, da sie verschiedene pseudozufällig verteilte Codes benutzen, die nahezu senkrecht zueinander sind. Diese niedrigen Beeinflussungsbedingungen sind von ähnlichen Leistungspegeln (Amplituden) der empfangenen Signale abhängig.

Um die Aufspür- bzw. Erfassungszeit zu verkleinern, benutzt ein GPS-Empfänger mehrere Kanäle, um Signale zu verarbeiten, die von mehreren Satelliten kommen können. Jeder Kanal umfasst Mehrfachkorrelationsabgriffe zur Nutzung bei den Korrelationsvorgängen. Typischerweise werden die von jedem Korrelationsabgriff empfangenen Daten in einem Speicher gespeichert. Die gespeicherten Daten werden verarbeitet und korreliert. Die Speichergröße ist proportional zur Anzahl der Kanäle und Abgriffe. Um die Erfassungszeit zu verkleinern, sind Speicher mit ausreichender Kapazität und Geschwindigkeit erforderlich. Mit der Zunahme eines Speicherkomponentenverhältnisses im GPS-Empfänger wird es jedoch schwieriger, den GPS-Empfänger zu verkleinern.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines herkömmlichen GPS-Empfängers mit einer Antenne 1, einem Abwärtswandler 2, einem lokalen Oszillator 3, einem A/D-Wandler 4, Empfangskanälen 5, einem Empfangsprozessor 6, einem Navigationsprozessor 7 und einer Benutzerschnittstelle 8. Im Betrieb empfängt die Antenne 1 drahtlos von einer Satellitenkonstellation übertragene Signale. Der Abwärtswandler 2 wandelt die von der Antenne 1 empfangenen Hochfrequenzsignale durch Mischen der Signale mit einem lokalen Oszillatorsignal, das vom lokalen Oszillator 3 erzeugt wird, in Signale mit niedrigerer Zwischenfrequenz (IF) um. Der A/D-Wandler 4 wandelt das analoge IF-Signal in digitale Signale um, die durch die Empfangskanäle 5 verarbeitet werden. Die von den Empfangskanälen 5 empfangenen IF-Signale werden von den Empfangskanälen 5, dem Empfangsprozessor 6 und dem Navigationsprozessor 7 verarbeitet. Die Empfangskanäle 5 umfassen eine Anzahl N von Kanälen, die vom Hersteller festgelegt werden können. Die Hauptfunktionen des Empfangsprozessors 6 umfassen das Erzeugen einer Mehrzahl von Pseudobereichen für jeden Satelliten und Durchführen des Korrelationsvorgangs mit den phasengleichen Daten I und den quadraturphasenverschobenen Daten Q eines jeden Kanals. Der Navigationsprozessor 7 setzt einen Positionswert durch Benutzen von verschiedenen Pseudobereichen für verschiedene Satelliten. Die Benutzerschnittstelle 8 wird zur Darstellung der Positionsdaten benutzt.

2 zeigt ein Blockschaltbild eines der N Kanäle der Empfangskanäle 5 aus 1. Das digitale IF-Signal, das vom A/D-Wandler 4 aus 1 empfangen wird, wird in Gleichphasen-/Quadraturphasenmultiplizierer 10 eingegeben, wobei die IF-Signale mit Signalen multipliziert werden, die durch eine phasengleiche Sinusabbildung 11 und eine Quadraturphasen-Cosinusabbildung 12 oder eine Quadraturphasen-Sinusabbildung 11 und eine phasengleiche Cosinusabbildung 12 erzeugt werden, die ihrerseits von einem numerischen Codeoszillator (NCO) 19 erzeugt werden, speziell einem Träger-NCO. Die Ausgaben der Gleichphasen-/Quadraturphasenmultiplizierer 10 sind phasengleiche IF-Signale, die mit der Phase der Sinusabbildung 11 korrespondieren, und Quadraturphasen-IF-Signale, die mit der Phase der Cosinusabbildung 12 korrespondieren, oder die Ausgaben der Gleichphasen-/Quadraturphasenmultiplizierer 10 sind Quadraturphasen-IF-Signale, die mit der Phase der Sinusabbildung 11 korrespondieren, und phasengleiche IF-Signale, die mit der Phase der Cosinusabbildung 12 korrespondieren. Der Empfangsprozessor 6 erzeugt den numerischen Code zum Steuern des NCO 19 zur Erzeugung einer Dopplerfrequenz. Der Empfangsprozessor 6 erzeugt zudem eine Taktsteuersignaleingabe für einen Code-NCO 18 zum koppelnden Einbinden eines PN-Codegenerators 16. Der PN-Codegenerator 16 erzeugt pseudozufällige (PN-)Codes, welche den Satelliten zugeordnet sind. Die PN-Codes werden durch Codeschieber 17 verschoben und an eine Mehrzahl von Korrelatorschaltungen 13 ausgegeben. Die Korrelatorschaltungen 13 führen eine Korrelation durch, welche die phasenverschobenen PN-Codes mit I- und Q-Daten vergleichen, die sie von den Gleichphasen-/Quadraturphasenmultiplizierer 10 empfangen. Die korrelierten I- und Q-Daten von den Korrelatorschaltungen 13 werden an einen Integrierer 14 ausgegeben, in dem die korrelierten I- und Q-Werte integriert werden. Die integrierten Werte, die auch als Abtastwerte bezeichnet werden, werden in einem Speicher 15 gespeichert. Typischerweise speichert jeder der N Kanäle der Empfangskanäle 5 alle vom Integrierer 14 abgetasteten Werte für eine vorgegebene Zeitspanne im Speicher 15, beispielsweise eine Millisekunde für jeden Abgriff. Nach dem Sammeln einer vorbestimmten Anzahl von Abtastwerten, werden die abgetasteten Werte an eine FFT-Einheit 20 übertragen, welche eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) durchführt, um zu bestimmen, ob für diesen Abgriff ein Spitzenwert (Korrelation) vorliegt. Wird ein Spitzenwert gefunden, dann extrahiert der Empfangsprozessor die Frequenz- und Codewertinformation vom Abgriff, um die Pseudobereiche für Erfassung zu berechnen.

Wird festgestellt, dass kein Spitzenwert im abgetasteten Abgriff existiert, dann wird die Abtastung, die Korrelation und der FFT-Vorgang für jeden Abgriff wiederholt, bis der Abgriff mit dem Spitzenwert lokalisiert ist.

Aus dieser Vorgehensweise wird deutlich, dass eine große Datenmenge im Empfangsspeicher 15 gespeichert werden muss. Daher ist ein Speicher mit einer ausreichenden Kapazität erforderlich. Zudem ist wegen der Notwendigkeit, zur Verarbeitung auf Speicherdaten zugreifen zu müssen, die Speicherzugriffszeit ein wichtiger Faktor, der die Erfas sungsgeschwindigkeit und damit die Leistung des Empfängers beeinflusst.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen GPS-Empfänger zur Verfügung zu stellen, welcher die genannten Schwierigkeiten wenigstens teilweise vermeidet, und ein zugehöriges Signalverarbeitungsverfahren für GPS-Signale zur Positionsbestimmung anzugeben.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen GPS-Empfänger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Signalverarbeitungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 und durch einen Programmspeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 22.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Vorteilhafte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sowie das zu deren besserem Verständnis oben erläuterte, herkömmliche Ausführungsbeispiel sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen GPS-Empfängers,
2 ein Blockschaltbild eines von N Kanälen in Empfangskanälen aus 1,
3 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen GPS-Empfängers,
4 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Filters aus 3,
5 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Filters aus 3,
6 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels des Filters aus 3,
7 eine grafische Darstellung von 16 Sätzen abgetasteter I-Werte und Q-Werte aus einer Tabelle I,
8 eine grafische Darstellung von 16 Sätzen abgetasteter I-Werte und Q-Werte aus einer Tabelle II,
9 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsverfahrens für GPS-Signale,
10 ein Flussdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsverfahrens für GPS-Signale,
11 ein Flussdiagramm eines anderen erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsverfahrens für GPS-Signale und
12 eine grafische Darstellung von Bruchteils-Variationswerten aus Tabellen I bis III für einen Abgriff ohne Spitzenwert (Tabelle I) und einen Abgriff mit Spitzenwert (Tabelle III).
3 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen GPS-Empfängers, wobei gleiche oder funktionell entsprechende Elemente in den verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und wiederholte Erläuterungen derselben unterbleiben können. Die Komponenten des Empfängers aus 3 führen bis auf einen Filter 30 die gleichen Funktionen wie die im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Komponenten aus. Der Fitter 30 ist so ausgeführt, dass er die abgetasteten I-Werte und Q-Werte empfängt, die vom Integrierer 14 ausgegeben werden. Gemäß wenigstens einer Ausführungsform der Erfindung modifiziert der Filter 30 die abgetasteten Werte I und Q so, dass ein reduzierter Datensatz aus den abgetasteten Werten zum Speichern im Speicher 15 ausgewählt wird. Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung extrahiert der Filter 30 die Korrelationscharakteristiken der abgetasteten Werte I und Q und speichert selektiv die Werte I und Q oder modifizierten Werte I und Q basierend auf einem Screeningverfahren. Die abgetasteten I-Werte und Q-Werte eines Abgriffs, von dem festgestellt wurde, dass er keinen Spitzenwert hat, werden verworfen und nicht im Speicher gespeichert. Die Verarbeitung der gespeicherten Daten durch die FFT-Einheit 20, um das Vorliegen eines Abgriffs mit Spitzenwert zu bestimmen, ist wegen des reduzierten Datensatzes effizienter und die Kapazitätsanforderungen des Speichers 15 sind ebenfalls reduziert, wodurch der Energieverbrauch und die Abmessungen des Speichers 15 reduziert werden.
4 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Filters 30 aus 3. Die abgetasteten Werte I und Q, die vom Integrierer 14 ausgegeben werden, werden in ein Verzögerungselementpaar 23, 24 und in Vorzeichenbitkomparatoren 25, 26 eingegeben. Zur beispielhaften Darstellung der Erfindung sind für die abgetasteten Werte I und Q eine Größe von 16 Bit, für die Abtastdauer eine Millisekunde und für jeden Abtastrahmen 16 Abtastwerte gewählt. Es kann aber auch eine andere Bitanzahl, eine andere Abtastdauer und ein anderer Abtastrahmen im Sinne der Erfindung gewählt werden. Wie aus 4 ersichtlich ist, werden jeweils 16 Datenbits, welche die abgetasteten Werte I und Q repräsentieren plus ein Vorzeichenbit in einen der n Abgriffe des Filters 30 eingegeben. Die Schaltung von Abgriff 0 ist in 4 dargestellt. Das Vorzeichenbit wird in das Verzögerungselement 23 eingegeben, welches das Vorzeichenbit um eine Taktsignalperiode verzögert, bevor es in den Vorzeichenbitkomparator 25 eingegeben wird. Der Vorzeichenbitkompa rator 25 erleichtert den Vergleich der Vorzeichenwerte der vorher abgetasteten I-Daten mit den aktuell abgetasteten I-Daten. Er gibt einen logischen Wert „0" aus, was eine positive Zahl bedeutet, wenn das aktuelle Vorzeichenbit sich vom vorherigen Vorzeichenbit unterscheidet. Das Verzögerungselement 24 und der Vorzeichenbitkomparator 26 führen die oben beschriebenen Funktionen für die abgetasteten Q-Daten durch. Dadurch werden die abgetasteten I-Daten und Q-Daten in ihrem Vorzeichen bzw. ihrer Richtung in Abhängigkeit von der Zeitrichtung der abgetasteten Daten modifiziert. Die modifizierten I-Daten und Q-Daten werden in einen Akkumulator 27 eingegeben, welcher die modifizierten I-Daten und Q-Daten einschließlich ihrer Vorzeichenbits addiert. Die akkumulierten Daten sind „Variationsdaten".
Gemäß der Erfindung werden die 16 Variationsdaten, die aus den modifizierten I-Werten und Q-Werten akkumuliert werden, zum Speichern in den Speicher 15 ausgegeben. Die gespeicherten Daten werden dann durch die FFT-Einheit 20 zur Durchführung einer Fouriertransformation benutzt, um zu bestimmen, ob in diesem Abgriff ein aktueller Spitzenwert existiert. Die Vorzeichenbitkomparatoren 25 und 26 werden vorzugsweise durch Benutzung einer Exklusiv-NOR-Funktion (XNOR-Funktion) implementiert. Die Vorzeichenbitkomparatoren können auch als Exklusiv-ODER-Funktion (XOR-Funktion) implementiert werden, wobei in einer solchen Ausführungsform das Vergleichsergebnis in einem negativen Wert resultiert, d.h. in einem logischen Wert „1". Wenn bei Verwendung der XNOR-Funktion der aktuelle Abtastwert und der vorherige Abtastwert das gleiche Vorzeichen haben oder bei Verwendung der XOR-Funktion der aktuelle Abtastwert und der vorherige Abtastwert unterschiedliche Vorzeichen haben, dann wird die Anzahl der logischen Werte „1" gezählt. Bildet sich für diesen Abgriff kein Spitzenwert, dann wird der oben beschriebene Prozess für den nächsten Abgriff durchgeführt.
5 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Filters 30 aus 3. Wie aus 5 ersichtlich ist, wird immer dann, wenn ein negativer Wert aus der Akkumulation der modifizierten Werte I und Q im Akkumulator 27 entsteht, ein logisches Signal mit dem Wert „1" an einen Zähler 28 ausgegeben, der den Zählerstand für diesen Abgriff erhöht. Der Zähler 28 wird zu Beginn des Datenabtastvorgangs für jeden Abgriff auf null zurückgesetzt. Nach Abschluss eines Abtastrahmens, z.B. nach 16 Abtastwerten, wird der letzte Zählerstand in einer Logikschaltung 29 mit einem eingestellten Schwellwert verglichen. Übersteigt der Zählerstand den eingestellten Schwellwert, beispielsweise 12 von 16, dann werden die Daten aus dem Abgriff 0 als potentieller Spitzenwert betrachtet. In einem solchen Fall werden die abgetasteten Werte I und Q des betroffenen Abgriffs über einen Multiplexer 32 im Speicher 15 gespeichert. Die gespeicherten Daten werden dann von der FFT-Einheit 20 und dem Empfangsprozessor 6 verarbeitet, um zu bestimmen, ob in diesem Abgriff ein Spitzenwert vorliegt. Übersteigt der Zählerstand keines der Abgriffe den eingestellten Schwellwert, dann werden die abgetasteten Werte I und Q, die modifizierten Daten I und Q und die Variationsdaten nicht im Speicher 15 gespeichert. Diese Daten können verworfen werden.
6 zeigt ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels des Filters 30 aus 3. Wie aus 6 ersichtlich ist, werden bei der Anzeige eines Zählerstandes, welcher den eingestellten Schwellwert übersteigt, was durch die Logikschaltung 29 bestimmt wird, die vom Akkumulator 27 ausgegebenen Variationsdaten über den Multiplexer 32 zum Speichern an den Speicher 15 statt der abgetasteten Werte I und Q ausgegeben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden die Variationsdaten des Abgriffs mit dem potentiellen Spitzenwert gespeichert und durch die FFT-Einheit 20 und den Empfangsprozessor 6 weiterverarbeitet. Dadurch ist der im Speicher 15 gespeicherte Datensatz weiter reduziert im Vergleich zu dem Datensatz der abgetasteten Werte I und Q, die vom Integrierer 14 ausgegeben werden.
Tabelle I listet beispielhaft Daten, die von einem Abgriff empfangen und vom Filter 30 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weiterverarbeitet werden
Tabelle I: Tabelle zur Erzeugung von Variationswerten für den Fall, dass kein Spitzenwert im Abgriff existiert.
In Tabelle 1 sind 16 Abtastwerte der abgetasteten Werte I und Q, die vom Integrierer 14 ausgegeben und vom Filter 30 empfangen werden, in den Spalten I und Q dargestellt. Die modifizierten Werte I und Q sind jeweils in den Spalten I' und Q' dargestellt. Wie daraus ersichtlich ist, wird das Vorzeichen von jedem Abtastwert einem positiven Wert zugeordnet, wenn ein Wechsel im Vorzeichen zwischen einem aktuellen Abtastwert und einem vorherigen Abtastwert für I und Q vorliegt. Die Werte I und Q werden durch das Verzögerungselement 23 und den Vorzeichenkomparator 25 für die abgetasteten I-Werte und durch das Verzögerungselement 24 und den Vorzeichenkomparator 26 für die abgetasteten Q-Werte modifiziert. Die modifizierten Werte I' und Q' werden vom Akkumulator 27 zur Ausgabe der Variationswerte addiert. Die Summe ist in Tabelle I als Spalte I' + Q' bezeichnet. Der Summiervorgang im Akkumulator 27 addiert die Werte I' und Q' unter Berücksichtigung der Vorzeichenwerte von I' und Q'. Für jedes Auftreten eines negativen Ausgabewertes vom Akkumulator 27 wird ein Übergang zum Zähler 28 übertragen, welcher den Zählerstand erhöht. Wie aus der Zählerstandsspalte aus Tabelle I ersichtlich ist, ist der Zählerstand für die Daten dieses Abgriffs gleich sieben aus einem Rahmen mit sechzehn Abtastwerten. Dies bedeutet, dass sieben negative Werte für die Summierung der modifizierten Werte I' und Q' vorhanden sind. Tabelle I zeigt Daten für einen Abgriff ohne Spitzenwert.
Ein Fachmann erkennt, dass für die Existenz eines Spitzenwertes in einem Abgriff die abgetasteten Werte I und Q in zwei Anhäufungen erscheinen, eine für die abgetasteten I-Werte und eine für die abgetasteten Q-Werte. 7 zeigt sowohl abgetastete I-Werte als auch abgetastete Q-Werte, die in unterschiedliche Richtungen um die Null-Achse schwingen. Der Fachmann, der die Darstellung aus 7 betrachtet, erkennt, dass der betreffende Abgriff keinen Spitzenwert hat.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung und wie aus Tabelle I ersichtlich ist, ist der Zählerstand ein Maß für die Anzahl von Richtungsänderungen der abgetasteten Werte I und Q bezüglich der Nullachse. Daher kann aus dem Zählerstand von sieben aus sechzehn, ein Datensatz konstruiert werden, der Datenpunkte aufweist, die in unterschiedliche Richtungen um die Nullachse schwingen und keine Häufung entfernt von der Nullachse bilden. Aus dem Zählerstand sieben aus sechzehn kann der Abgriff als einer ohne Spitzenwert verworfen werden.
Tabelle II
Tabelle II zeigt abgetastete Werte I und Q von einem Abgriff mit einem Spitzenwert. Wie aus Tabelle II ersichtlich ist, häufen sich abgetastete Werte I und Q größtenteils in der gleichen Richtung über die 16 Abtastwerte. Es ist ebenfalls ersichtlich, dass die modifizierten abgetasteten Werte I' und Q', die vom Filter z.B. aus 4 modifiziert werden, im Wesentlichen negatives Vorzeichen über alle sechzehn Abtastwerte hinweg haben, was eine kleine oder geringe Richtungsänderung der Abtastwerte I und Q anzeigt. Deshalb resultiert die Ausgabe (I' + Q') des Akkumulators 27 in einem größeren negativen Wert, der deutlich über der Nullachse angehäuft ist. Da jeder Variationswert (I' + Q') negativ ist, zählt der Zähler sechzehn Mal, was in einem Zählerstand von sechzehn resultiert. Dies wird als Abgriff mit einem Spitzenwert erkannt. 8 zeigt eine Darstellung der in Tabelle II gelisteten Abtastwerte I und Q. Wie aus 8 ersichtlich ist, ergeben sich zwei Anhäufungen von Daten, eine für die Abtastwerte I und eine für die Abtastwerte Q.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden zur Bestimmung, ob ein Spitzenwert in einem bestimmten Abgriff vorliegt, die Variationswerte (I' + Q') im Speicher 15 gespeichert und die gespeicherten Variationswerte in der FFT-Einheit 20 verarbeitet, um nach einem existierenden Spitzenwert zu suchen. Die Existenz eines Spitzenwertes kann aus den von der FFT-Einheit 20 transformierten Variationswerten bestimmt werden, die mit einem vorbestimmten Wert verglichen werden, der die Existenz eines Spitzenwertes definiert. Wird ein Spitzenwert für den aktuellen Abgriff bestimmt, dann werden die Frequenz, die Codewerte und Phasenoffsets von den Abtastwerten I und Q extrahiert und Pseudobereiche berechnet.
Um alternativ den Datensatz weiter zu reduzieren, werden die Abtastdaten I und Q vor der Filterung und der Verarbeitung durch den Filter 30 und die FFT-Einheit 20 durch eine Multiplikation mit einem Bruchteil, wie beispielsweise ½, ¼ usw., weiter reduziert. Der zugehörige, nicht darge stellte Multiplizierer kann als Teil des Filters 30 ausgeführt oder zwischen dem Integrierer 14 und dem Filter 30 eingeschleift sein.
9 zeigt ein Flussdiagramm für Daten, die von einem Abgriff empfangen werden, um einen Spitzenwert zu bestimmen, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie aus 9 ersichtlich ist, empfängt der erfindungsgemäße Empfänger im Schritt 71 Werte I und Q an einem Abgriff. Im Schritt 72 werden N Abtastwerte von integrierten Korrelationswerten, d.h. abgetastete Werte, an den Filter 30 ausgegeben. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist N gleich 16 und die Integrationsdauer beträgt 1 Millisekunde. Im Schritt 73 werden die abgetasteten Wert I und Q im Filter 30 empfangen. Die Abtastwerte I und Q werden im Schritt 74 modifiziert, um einen positiven Wert anzunehmen, wenn ein Vorzeichenwechsel zwischen dem vorherigen Abtastwert und dem aktuellen Abtastwert vorliegt, und einen negativen Wert, wenn kein Vorzeichenwechsel vorliegt. Im Schritt 75 werden die modifizierten Werte I und Q durch den Akkumulator 27 addiert. Nach Erreichen von N Abtastwerten im Schritt 76 für die Wertepaare I und Q werden die akkumulierten modifizierten Werte I und Q, d.h. die Variationswerte, im Schritt 77 im Speicher 15 gespeichert. Die gespeicherten Daten werden im Schritt 78 von der FFT-Einheit 20 verarbeitet und der FFT-transformierte Wert wird im Schritt 79 mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen, um zu bestimmen, ob der maximale Wert ein Spitzenwert ist. Dann werden im Schritt 80 die Werte I und Q gespeichert, wenn der Wert für den Phasenoffset des Code-NCO 18 maximal ist. Nach der Bestimmung im Schritt 81, dass ein Spitzenwert existiert, berechnet der Navigationsprozessor 7 im Schritt 83 Pseudobereiche, einen Phasenoffset usw. Existiert kein Spitzenwert im Schritt 81, dann kehrt der Prozess über den Schritt 82, in dem eine nächste Suchfrequenz und ein nächster Codeverzögerungswert bestimmt werden, zum Schritt 71 zurück.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden der Zählerstand des Zählers 28 aus 5 und die in den Tabelle I und II dargestellten Zählerstände benutzt, um die Existenz eines Spitzenwerts im korrespondierenden Abgriff zu bestimmen. Existiert am Abgriff ein Spitzenwert, dann ist der Zählerstand nahe an der Anzahl der Abtastwerte und der empfangenen abgetasteten Werte I und Q. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sollte der Zählerstand eines Abgriffs mit einem Spitzenwert nahe beim Wert sechzehn liegen. Daher kann beispielsweise ein Schwellwert von vierzehn gesetzt werden, und wenn der Zählerstand diesen Schwellwert von vierzehn erreicht oder übersteigt, kann darauf geschlossen werden, dass im aktuellen Abgriff ein Spitzenwert vorliegt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden die abgetasteten Werte I und Q zur Weiterverarbeitung im Speicher 15 gespeichert. Die abgetasteten Werte I und Q von Abgriffen, deren Zählerstände den Schwellwert nicht erreicht oder überschritten haben, werden dahingehend interpretiert, dass kein Spitzenwert vorliegt, und die korrespondierenden Abtastwerte I und Q werden nicht im Speicher 15 gespeichert. Diese Abtastwerte I und Q werden nicht für den Erfassungsvorgang benutzt, sondern verworfen.
10 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm für diese Ausführungsform. Wie aus 10 ersichtlich ist, empfängt der Empfänger im Schritt 91 Werte I und Q an einem Abgriff. Im Schritt 92 werden N Abtastwerte von integrierten Korrelationswerten, d.h. abgetastete Werte, an den Filter 30 ausgegeben. Im Schritt 93 werden die abgetastete Werte I und Q im Filter 30 empfangen. Die Abtastwerte I und Q werden im Schritt 94 modifiziert, um einen positiven Wert anzunehmen, wenn ein Vorzeichenwechsel zwischen dem vorherigen Abtastwert und dem aktuellen Abtastwert vorliegt, und einen negativen Wert anzunehmen, wenn dies nicht der Fall ist. Im Schritt 95 werden die modifizierten Werte I und Q durch den Akkumulator 27 addiert. Nach Erreichen von N Abtastwertepaaren I und Q im Schritt 96 wird der Zählerstand im Schritt 97 durch die Logikschaltung 29 mit einem eingestellten Schwellwert verglichen. Entspricht oder übersteigt der Zählerstand den eingestellten Schwellwert, dann wird der betreffende Abgriff als Abgriff mit einem potentiellen Spitzenwert betrachtet. In einem solchen Fall werden die abgetasteten Werte I und Q im Schritt 98 im Speicher 15 gespeichert. Die gespeicherten Daten werden im Schritt 99 von der FFT-Einheit 20 verarbeitet und die FFT-transformierten Werte werden im Schritt 100 mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen, um zu bestimmen, ob am Abgriff ein Spitzenwert vorliegt. Nach der Bestimmung im Schritt 110, dass ein Spitzenwert existiert, werden im Schritt 120 weitere Verarbeitungsprozesse durchgeführt und Pseudobereiche, ein Phasenoffset usw. berechnet. Existiert kein Spitzenwert im Schritt 110, dann kehrt der Prozess über den Schritt 130, in dem eine nächste Suchfrequenz und ein nächster Codeverzögerungswert bestimmt werden, zum Schritt 91 zurück.
11 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Wie aus 11 ersichtlich ist, empfängt der Empfänger in diesem Ausführungsbeispiel im Schritt 211 Werte I und Q an einem Abgriff. Im Schritt 212 werden N Abtastwerte von integrierten Korrelationswerten, d.h. abgetastete Werte, an den Filter 30 ausgegeben. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist N gleich 16 und die Integrationsdauer beträgt 1 Millisekunde. Im Schritt 213 werden die abgetasteten Werte I und Q im Filter 30 empfangen. Die Abtastwerte I und Q werden im Schritt 214 modifiziert, um einen positiven Wert anzunehmen, wenn ein Vorzeichenwechsel zwischen dem vorherigen Abtastwert und dem aktuellen Abtastwert vorliegt, und andernfalls einen negativen Wert anzunehmen. Im Schritt 215 werden die modifizierten Werte I und Q durch den Akkumulator 27 addiert. Nach Erreichen von N Abtastwerten im Schritt 216 für die Wertepaare I und Q wird der Zählerstand im Schritt 217 durch die Logikschaltung 29 mit einem eingestellten Schwellwert verglichen. Entspricht oder übersteigt der Zählerstand den eingestellten Schwellwert, dann wird der fragliche Abgriff als Abgriff mit einem potentiellen Spitzenwert betrachtet. In einem solchen Fall werden die abgetasteten Werte I und Q im Schritt 218 im Speicher 15 gespeichert. Die gespeicherten Daten werden im Schritt 219 von der FFT-Einheit 20 verarbeitet und die FFT-transformierten Werte werden im Schritt 220 mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen, um zu bestimmen, ob am Abgriff ein Spitzenwert vorliegt. Dann werden die Werte I und Q im Schritt 221 gespeichert, wenn der Wert des Phasenoffsets des Code-NCO 18 einen Maximalwert hat. Nach der Bestimmung im Schritt 222, dass ein Spitzenwert existiert, werden im Schritt 223 weitere Verarbeitungsprozesse durchgeführt und Pseudobereiche, ein Phasenoffset usw. berechnet. Existiert kein Spitzenwert im Schritt 222, dann kehrt der Prozess über den Schritt 224, in dem eine nächste Suchfrequenz und ein nächster Codeverzögerungswert bestimmt werden, zum Schritt 211 zurück.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung werden der Filter 30 und der Zähler 28 benutzt, wie oben beschrieben ist, und der Zählerstand wird benutzt, um die Existenz eines potentiellen Spitzenwertes am betreffenden Abgriff zu bestimmen. Nach der Bestimmung, dass der Abgriff einen potentiellen Spitzenwert aufweist, werden statt der abgetasteten Werte I und Q, wie bei der vorherigen Ausführungsform, die Variationswerte (I' + Q') im Speicher 15 gespeichert. Die gespeicherten Daten werden dann in der FFT-Einheit 20 verarbeitet, um zu bestimmen, ob ein Spitzenwert am Abgriff existiert. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden die abgetasteten Werte I und Q und die Variationswerte (I' + Q') der Abgriffe, zu denen kein Spitzenwert ermittelt wurde, nicht im Filter 15 gespeichert und nicht weiterverarbeitet. Der Speicher 15 ist z.B. ein Halbleiterspeicher, vorzugsweise ein SRAM- oder DRAM-Baustein.
Um den im Speicher 15 zu speichernden Datensatz weiter zu reduzieren, können die abgetasteten Werte I und Q mit einem Bruchteil, wie z.B. ½, ¼ usw., multipliziert werden, bevor sie vom Filter 30 verarbeitet werden. Die zugehörige, nicht dargestellte Multiplizier-/Verschiebeschaltung kann implementiert werden, bevor die Werte in den Akkumulator 27 aus 4 eingegeben werden. Tabelle III zeigt die abgetasteten Werte I und Q, die mit einem Bruchteil modifizierten Werte I'/2 und Q'/2, die Variationswerte (I'/2 + Q'/2) und die Zählerstände eines Abgriffs mit einem Spitzenwert.
Tabelle III
12 zeigt grafisch Kennlinien der Bruchteils-Variationswerte, die aus den Werten der Tabellen I bis III für einen Abgriff ohne Spitzenwert (Tabelle I) und einen Abgriff mit Spitzenwert (Tabelle III) extrahiert sind. Wie aus 12 ersichtlich ist, tendiert ein Abgriff mit Spitzenwert zu einer Anhäufung, die weit von der Nullachse entfernt ist, während der Abgriff ohne Spitzenwert zu Werten tendiert, die in unterschiedlichen Richtungen um die Nullachse schwingen.
Der Fachmann erkennt, dass der Filter, obwohl die Ausführungsbeispiele des Filters der Erfindung mit Schaltungsbauteilen dargestellt sind, auch als Software implementiert werden kann oder als Speicherbaustein mit Programmcodes, die von einem Prozessor abgearbeitet werden, wobei mit der Abarbeitung der Programmcodes die oben beschriebenen Filterfunktionen implementiert werden. Der Speicherbaustein ist vorzugsweise als Flash-Speicher oder als ROM-Baustein ausgeführt.

Claims

GPS-Empfänger mit – einer Wandlerschaltung, welche empfangene GPS-Signale in phasengleiche Digitalsignale (I) und Quadraturphasen-Digitalsignale (Q) wandelt, und – einer Korrelatorschaltung (13), welche erwartete Codesignale erzeugt und die Digitalsignale (I und Q) mit den erwarteten Codesignalen korreliert, um abgetastete I-Werte und abgetastete Q-Werte für einen jeweiligen Abgriff auszugeben, gekennzeichnet durch – eine Filterschaltung (30), welche die abgetasteten I-Werte und die abgetasteten Q-Werte in modifizierte I-Werte und modifizierte Q-Werte filtert, jeden modifizierten I-Wert zu jedem korrespondierenden modifizierten Q-Wert des Abgriffs addiert und ein Zählereignis für jede positive Summe ausgibt, – einen Zähler (28), welcher den Zählerstand auf jedes von der Filterschaltung empfangene Zählereignis hin inkrementiert, und – eine Komparatorschaltung (29), welche den Zählerstand nach Abschluss der Messwertermittlung des Abgriffes mit einem Schwellwert vergleicht, um ein Auftreten eines Spitzenwertes zu bestimmen.
GPS-Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetasteten I-Werte und die abgetasteten Q-Werte durch Zuordnung eines positiven Wertes zum abgetasteten I-Wert oder zum abgetasteten Q-Werte modifiziert werden, wenn ein aktuell abgetasteter I-Wert oder Q-Wert ein unterschiedliches Vorzeichen gegenüber dem direkt vorangegangenen abgetasteten I-Wert oder abgetasteten Q-Wert hat.
GPS-Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierten I-Werte und die modifizierten Q-Werte bruchteilsreduzierte Werte der entsprechenden abgetasteten I-Werte und Q-Werte sind, wobei die Bruchteile für die abgetasteten I-Werte und die abgetasteten Q-Werte gleich sind.
GPS-Empfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruchteil gleich der Hälfte ist.
GPS-Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Speicher (15), der die abgetasteten I-Werte und Q-Werte jedes Abgriffs speichert, der einen Zählerstand aufweist, der höher als der Schwellwert ist, wobei die abgetasteten I-Werte und Q-Werte der anderen Abgriffe nicht im Speicher (15) gespeichert werden.
GPS-Empfänger nach Anspruch 5, weiter gekennzeichnet durch einen Bereichstransformator (20), welcher mit im Speicher (15) gespeicherten Daten eine Bereichstransformation durchführt.
GPS-Empfänger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereichstransformator (20) eine schnelle Fourier-Transformation durchführt.
GPS-Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschaltung (30) ein Verzögerungselementpaar (23, 24) und ein Einzelbitkomparatorpaar (25, 26) umfasst, wobei die Verzögerungselemente (23, 24) ein Vorzeichenbit des abgetasteten I-Wertes und/oder des abgetasteten Q-Wertes verzögern, um einen vorherigen Vorzeichenwert auszugeben, und wobei die Einzelbitkomparatoren (25, 26) das Vorzeichen des aktuell abgetasteten I-Wertes und/oder Q-Wertes mit dem vorherigen Vorzeichenwert vergleichen, um eine positive Ausgabe zu liefern, wenn der aktuelle und der vorherige Vorzeichenwert verschieden sind.
GPS-Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschaltung (30) ein Verzögerungselementpaar (23, 24) und ein Einzelbitkomparatorpaar (25, 26) umfasst, wobei die Verzögerungselemente (23, 24) ein Vorzeichenbit des abgetasteten I-Wertes und/oder des abgetasteten Q-Wertes verzögern, um einen vorherigen Vorzeichenwert auszugeben, und wobei die Einzelbitkomparatoren (25, 26) das Vorzeichen des aktuell abgetasteten I-Wertes und/oder Q-Werts mit dem vorherigen Vorzeichenwert vergleichen, um eine negative Ausgabe zu liefern, wenn der aktuelle und der vorherige Vorzeichenwert verschieden sind.
GPS-Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Speicher (15), welcher die Summe von jedem modifizierten I-Wert und dem korrespondierenden Q-Wert eines Abgriffs speichert, dessen Zählerstand den Schwellwert übersteigt.
GPS-Empfänger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (15) die abgetasteten I-Werte und die abgetasteten Q-Werte jedes Abgriffs speichert, der einen Spitzenwert aufweist.
GPS-Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (15) ein SRAM-Baustein oder ein DRAM-Baustein ist.
Signalverarbeitungsverfahren für GPS-Signale zur Positionsbestimmung, bei dem – empfangene GPS-Signale in phasengleiche Digitalsignale (I) und Quadraturphasen-Digitalsignale (Q) gewandelt werden und – die Digitalsignale (I und Q) mit erwarteten Codesignalen korreliert werden, um abgetastete I-Werte und abgetastete Q-Werte für einen Abgriff auszugeben, gekennzeichnet durch die Schritte: – Filtern der abgetasteten I-Werte und der abgetasteten Q-Werte in modifizierte I-Werte und modifizierte Q-Werte, Addieren jedes modifizierten I-Wertes mit jedem korrespondierenden modifizierten Q-Wert des Abgriffs und Ausgeben eines Zählereignisses für jede positive Summe, – Inkrementieren eines Zählerstandes bei jedem von der Filterschaltung empfangenen Zählereignis und – Vergleichen des Zählerstandes mit einem Schwellwert nach Abschluss der Messwertermittlung des Abgriffes, um ein Auftreten eines Spitzenwertes zu bestimmen.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetasteten I-Werte und/oder die abgetasteten Q-Werte durch Zuordnung eines positiven Wertes zum abgetasteten I-Wert und/oder zum abgetasteten Q-Wert modifiziert werden, wenn ein aktuell abgetasteter I-Wert und/oder Q-Wert ein unterschiedliches Vorzeichen gegenüber dem direkt vorangegangenen abgetasteten I-Wert und/oder abgetasteten Q-Wert hat.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierten 1-Werte und Q-Werte Bruchteile der entsprechenden abgetasteten I-Werte und Q-Werte sind, wobei die Bruchteile für die abgetasteten I-Werte und die abgetasteten Q-Werte gleich sind.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruchteil gleich der Hälfte ist.
Signalverarbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetasteten I-Werte und Q-Werte jedes Abgriffs, für den ein Spitzenwert bestimmt wurde, in einem Speicher (15) gespeichert werden, wobei die abgetasteten I-Werte und Q-Werte der anderen Abgriffe nicht im Speicher (15) gespeichert werden.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 17, weiter dadurch gekennzeichnet, dass mit den im Speicher (15) gespeicherten Daten eine Bereichstransformation durchgeführt wird.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Bereichstransformation eine schnelle Fourier-Transformation durchgeführt wird.
Signalverarbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe von jedem modifizierten I-Wert und dem korrespondierenden Q-Wert eines Abgriffs gespeichert wird, dessen Zählerstand den Schwellwert übersteigt.
Signalverarbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (15) ein SRAM-Baustein oder ein DRAM-Baustein ist.
Programmspeicherbaustein mit gespeicherten Programmcodes, die von einem Prozessor zur Durchführung eines Signalverarbeitungsverfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 21 abgearbeitet werden.
Programmspeicherbaustein nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmspeicherbaustein als Flash-Speicher und/oder als ROM-Baustein ausgeführt ist.