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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine PSK (Phase Shift Keying, Phasenumtastung) modulierte Navigationsdatenverarbeitung in einem globalen Satellitennavigationssystem (GNSS, Global Navigation Satellite System) und im Besonderen auf ein Verfahren, um eine Phasenumkehr eines Datensignals mit PSK modulierten Navigationsdaten zu korrigieren, und auf einen Empfänger, um eine solche Methode umzusetzen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Für ein PSK(Phasenumtastungs-)Kommunikationssystem wird die Trägerphase durch die übermittelten Daten moduliert. Nimmt man BPSK (binäres PSK) als Beispiel an, wird die Trägerphase umgekehrt (Addition von 180 Grad), wenn ein Datensymbol 0 übertragen wird. Andererseits wird die Trägerphase nicht geändert, wenn ein Datensymbol 1 übertragen wird. Im Allgemeinen wird die Trägerphase in Übereinstimmung mit dem übertragenen Datensymbol geändert. Für eine MPSK(multiple PSK, mehrstufige PSK)Modulation, wobei M gleich 2 (BPSK), 4 (QPSK) und so fort ist, wird die Trägerphase in einem von M Zuständen bleiben:
0, 360 / M, 360 × 2 / M, ..., 360 ×(M – 1) / M Grad, wenn das Datensymbol übertragen wird.
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Die empfangene Trägerphase wird auch auf Grund von Bewegung des Benutzers, Uhrendrift und so weiter geändert. Deshalb muss der Empfänger einen Synchronisierungsvorgang ablaufen lassen, um die Trägerphase zu verfolgen, bevor er ein übertragenes Datensymbol erkennen kann. Beispielsweise offenbart die
US 2008/0031 281 ein Gerät zur Demodulation von per Funk übertragenen Satelliten-Navigationssignalen. Dieses Gerät weist eine Delay-Locked Loop und eine Frequenznachlaufschleife auf. Mit Hilfe der Frequenznachlaufschleife kann gemäß der
US 2008/0031 281 ein Pilotsignal nachverfolgt werden. Bei dem Synchronisierungsvorgang muss der Empfänger die Auswirkung der Phasenänderung in Folge des Datensymbol- oder Bit-Übergangs eliminieren. Zum Beispiel wird ein Quadrierungsverfahren (squaring method) oder Costas PLL (Phase-locked Loop, Phasenregelschleife) Verfahren in einer BPSK-Trägernachlaufschleife (Carrier-Tracking Loop) normalerweise dazu benutzt, um die Trägerphase zu verfolgen, das den Datenbit-Übergang in seinem Phasenfehler-Diskriminator entfernt. Wenn die Trägernachlaufschleife eines MPSK-Empfängers seinen stationären Zustand erreicht (d. h. Einrasten des Signals), gibt es eine Phasenambiguität. Das heißt, er kann die Trägerphase verfolgen, aber mit einem möglichen Fehler von
360 / M, 360 × 2 / M, ..., 360 ×(M – 1) / M Grad.
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Nimmt man zum Beispiel BPSK PLL an, kann die verfolgte Trägerphase exakt sein oder eine Phasenumkehr mit einem Fehler von 180 Grad aufweisen. Nachdem die PLL eingerastet (locked) ist, kann das übertragene Datenbit durch Bestimmung des Phasenübergangs bestimmt werden. Dann wird der Strom der übertragenen Datenbits oder Symbole überprüft um die Phasenambiguität der PLL zu korrigieren. Im allgemeinen wird eine Präambel pro Datenrahmen benutzt, um die Rahmengrenze zu synchronisieren und um die Phase der Datensymbole auf Grund der Phasensynchronisierungsambiguität zu korrigieren. Die Präambel ist ein festes und bekanntes Muster von Datensymbolen, so dass der Empfänger die empfangene Phase durch Vergleich der empfangenen Präambel mit der definierten Präambel überprüfen kann. Wenn ein Phasensprung (Cycle Slip) während des Ablaufs der PLL auftritt, dann kann es einen Phasenambiguitätsfehler geben, nachdem die PLL das Signal erneut einrastet. Dann muss man den Inhalt der übertragenen Daten benutzen, um die Phasenambiguität zu korrigieren. Es ist anzumerken, dass der übertragene Datenrahmen fehlerhaft ist, wenn ein Phasenambiguitätsfehler (Phasenumkehr bei der BPSK) während der Übertragung eintritt. Deshalb kann das definierte Präambel-Muster immer benutzt werden, um den Phasenumkehrfehler zu korrigieren. Jedoch taucht die Präambel nur einmal in jedem Datenrahmen auf. Deshalb kann sie die Phasenumkehr nicht korrigieren, wenn die Signalstärke so schwach ist, dass die Präambellänge nicht ausreicht, um die Phasenumkehr zu erkennen. Überdies ist ein Datenrahmen dann fehlerhaft, wenn eine Phasenumkehr während seiner Übertragung stattfindet. Der folgende Datenrahmen wird durch Überprüfen der Präambel wiederhergestellt. Das bedeutet, dass es häufig nicht möglich ist, den Phasenumkehrfehler durch Benutzen der Präambel schnell zu korrigieren und daher ergeben sich fehlerhafte Datenrahmen. Daher wird es höchst erwünscht sein, wenn eine Technik zum Verbessern der Phasenumkehrkorrektur zur Verfügung gestellt werden kann.
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Bei einem GNSS wird die Navigationsdaten-Nachricht für gewöhnlich durch BPSK oder DPSK(differentielle PSK)Modulation übertragen. Für das GPS (globales Positionierungssystem), in dem BPSK zur Übertragung der Navigationsdaten-Nachrichten benutzt wird, besteht ein Datenrahmen aus zehn Wörtern. Ein Wort ist 30 Bits lang und durch einen Paritätsprüfungs-Code geschützt. Jedes Bit entspricht 20 ms. Die BPSK-Phasenambiguität wird in dem Paritätsprüfungsalgorithmus aufgelöst. Unterdessen gibt es eine Präambel (ein festes Bitmuster) in dem ersten Wort (TLM-Wort) eines Rahmens. Diese Präambel kann zur Synchronisierung der Rahmengrenze benutzt werden und kann auch benutzt werden, um die BPSK-Phasenumkehr zu korrigieren. Um ein Wort ohne Korrumpierung erfolgreich zu empfangen, kann es keine Phasenumkehr während der Übertragung des Datenworts geben, die 600 ms dauert. Das SBAS (Satellite Based Augmentation System, satellitengestützte Ergänzungssystem) benutzt ebenfalls BPSK. Ein SBAS-Datenrahmen besteht aus 500 Symbolen mit 2 ms für jedes Symbol. Der Datenrahmen ist durch Faltungskodierung geschützt und eine Präambel pro Rahmen wird ebenfalls zur Korrektur der Phasenumkehr benutzt. Dementsprechend wird gefordert, dass keine Phasenumkehr während der Übertragung eines Datenrahmens eintritt, der eine Sekunde dauert. Für ein Galileo E1B-Signal besteht ein BPSK-Datenrahmen aus 250 Symbolen, wobei jedes Symbol 4 ms entspricht. Es gibt ein Präambelmuster pro Rahmen, um die Phasenumkehr zu korrigieren. Deshalb ist es erforderlich, dass die Datenphase während einer Sekunde stabil ist. Wie man sieht, erfordert die Benutzung der Präambel zur Korrektur der Phasenumkehr, dass kein Phasenumkehrfehler in einem Datenrahmen auftritt, der in einem GNSS-Signal eine lange Zeit braucht. Dies könnte ein Problem bei einer hohen Dynamik und bei einem schwachen Signal sein. Daher könnten wir eine weitere Technik zur Korrektur des Phasenfehlers gebrauchen.
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Ein GNSS-Empfänger muss die Abstände zu den Satelliten messen, um seine Position zu bestimmen. Der Abstand zwischen einem Empfänger und einem Satelliten wird mit PR (Pseudo-Range, Pseudo-Abstand) bezeichnet und wird durch Messung der TOA (Time of Arrival, Ankunftszeit) des durch den Satelliten übertragenen Signals bestimmt. Die Satellitennavigationsdaten-Broadcastnachricht enthält die Systemzeit (TOW, Time of Week, Wochenzeit), die benötigt wird, um die TOA zu bestimmen. Überdies ist es nötig, die Satellitenposition zu berechnen. Daher müssen die Daten korrekt übertragen werden, so dass der Empfänger die Position des Benutzen, Geschwindigkeit und die Systemzeit (PVT) bestimmen kann. Jedoch muss die Trägerfrequenz und die Phase stabil verfolgt werden, bevor ein Empfänger das Datenbit detektieren kann, das die Trägerphase moduliert. Wenn eine PLL benutzt wird, sind sowohl die Frequenz als auch die Phase des Trägers eingerastet. Der Empfänger kann das BPSK-Datenbit durch Überprüfen der eingerasteten Trägerphase erkennen. Andererseits ist in einer FLL nur die Trägerfrequenz eingerastet und man muss eine DD(Differential Detection, differentielle Erkennungs-)Technik benutzen, um das Datenbit zu erkennen. Das heißt, wenn es einen Trägerphasenübergang gibt, wird ein von dem letzten Datenbit verschiedenes Datenbit übertragen. Man beachte, dass mögliche Phasenumkehrfehler sowohl in PLL als auch in FLL basierter Datenerkennung auftreten. Theoretisch ist die Datenerkennungsleistung, wie beispielsweise die Bitfehlerrate, für PLL besser als für FLL. Jedoch ist die Verfolgungs-Robustheit der PLL schwächer als bei der FLL. Zum Beispiel kann FLL den Träger bei schwächeren Signalen und höherer Benutzer-Dynamik einrasten. Daher wird vorzugsweise die FLL und die DD-Technik zur Erkennung der BPSK-Daten benutzt, so dass der Empfänger bei schwächeren Signalen und höherer Dynamik arbeiten kann.
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Wie oben erwähnt, können wir die DD-Technik in einer FLL benutzen, um das BPSK Datenbit zu erkennen. Das DD-Verfahren bedeutet Überprüfung, ob es einen Phasenübergang zwischen zwei benachbarten Trägerphasen gibt, die von der FLL geschätzt wurden. Ein aktuelles Datensymbol wird auf Grundlage des Phasenübergangs und der vorherigen Symbol-Phase bestimmt. Jedoch wird sich ein DD-Fehler fortpflanzen und Phasenumkehrfehler bei allen empfangenen Symbolen erzeugen. Dies ist gleichbedeutend mit einem Burst-Fehler von Datensymbolen. Zum Beispiel wenn ein DD-Fehler bei der Erkennung des dritten SBAS-Datensymbols in einem Datenrahmen auftaucht, werden alle Phasen der folgenden 247 Datensymbole desselben Datenrahmens umgekehrt. Im allgemeinen ist es schwierig, einen langen Burst-Fehler durch Benutzung eines Fehlererkennungs- oder Korrektur-Codes, wie etwa einem Faltungscode, der im SBAS-Datenrahmen benutzt wird, aufzulösen. Eine geringe DD-Fehlerrate führt zu einer schwerwiegenden Datenrahmen-(oder Bit-)Fehlerrate, besonders für einen Datenrahmen der aus vielen Bits besteht, wie etwa ein SBAS-Datenrahmen. Daher mögen das FLL- und das DD-Verfahren gut für GPS sein, aber sie sind nicht geeignet für SBAS und Galileo, da die beiden letztgenannten Systeme eine Trägerphase erfordern, die während einer langen Zeitdauer eines Datenrahmens stabil ist, die 1 Sekunde beträgt. Daher wird die FLL wegen ihrer Robustheit bevorzugt, aber es ist wünschenswert, eine Technik zur Verfügung zu stellen, die den Burst-Fehler des Datensymbols auf Grund des DD-Fehlers der FLL korrigiert.
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Wie diskutiert, gibt es ein Phasenambiguitätsproblem sowohl in PLL als auch in FLL, und der Empfänger kann die Präambel (oder das Synchronisierungswort) überprüfen, um es zu korrigieren. Das heißt, die Phasenumkehr kann durch Überprüfen einer bekannten Sequenz eines Rahmens korrigiert werden, zum Beispiel ein SW (Synchronisierungswort) im Dateikopf bzw. Header eines Datenrahmens.
1 zeigt schematisch, wie eine Phasenumkehr einen Datenrahmen korrumpiert und den Zeitablauf der Phasenkorrektur im Stand der Technik. Wie gezeigt, tritt in der Abbildung ein Phasenumkehrfehler während des ersten Rahmens auf. Daher ist dieser Rahmen ein schlechter Rahmen und muss verworfen werden, da dem Empfänger das Wissen fehlt, wann der Phasenumkehrfehler in diesem Rahmen auftritt. Der Empfänger kann das Auftreten der Phasenumkehr nicht mitbekommen, bis das SW des nächsten Rahmens empfangen und überprüft ist. Um das SW von 40 ms zu überprüfen (d. h. 10 ms Symbole) wird in Galileo E1B beispielsweise ein Gesamtkorrelationswert des empfangenen SW und der bekannten SW-Sequenz (d. h. Akkumulierung der Korrelationsergebnisse der empfangenen SW Symbole mit entsprechenden Symbolen einer bekannten SW-Sequenz), der hier als metricSW bezeichnet wird, wird wie folgt berechnet:
worin SW(i) ein Symbol des empfangenen SW ist und symB(i) ist ein entsprechendes Symbol der bekannten SW-Sequenz.
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Wenn es keine Phasenumkehr gibt, sollte der Wert von metricSW im Fall des Galileo E1B in der besten Situation, wenn eine harte Entscheidung von symB(i) benutzt wird, gleich 10 sein, d. h. symB(i) = 1 oder –1. Wenn das CNR (Träger-Rausch-Verhältnis) niedrig ist, kann der Wert von metricSW kleiner als 10 sein, da einige Fehler von symB auftreten. Wenn es eine Phasenumkehr gab, bevor das SW empfangen wird, dann sollte der Wert von metricSW negativ sein. 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen metricSW-Wert und CNR zeigt. Wie aus dieser Zeichnung ersichtlich ist, tritt leicht ein falscher Alarm der Phasenumkehrkorrektur auf, wenn das CNR niedrig ist. Das heißt, der Empfänger kann die Phasenumkehrkorrektur nicht bestimmen, wenn das Signal schwach ist.
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Wie oben diskutiert, wird es höchst erwünscht sein, wenn eine Technik zur Verbesserung der Empfindlichkeit und der Schnelligkeit der Phasenumkehrkorrektur zur Verfügung gestellt werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst eine Phasenumkehrkorrektur eines Datensignals ein Empfangen eines Pilot- und eines Datensignals von einer Signalquelle; Verarbeiten des Pilotsignals und des Datensignals; Bestimmen, ob während der Verarbeitung des Pilotsignals eine Phasenumkehr auftritt; und Korrektur der Phase des Datensignals wenn eine Phasenumkehr in dem Pilotsignal auftritt. Das Datensignal und das Pilotsignal haben eine feste Phasenbeziehung. Die Bestimmung der Phasenumkehr wird durch Berechnung einer Akkumulierung von Korrelationswerten ausgeführt, die durch Korrelation einer vorbestimmten Anzahl von Symbolen des empfangenen Pilotsignals mit entsprechenden Symbolen einer bekannten Pilotsymbol-Sequenz des Satelliten erhalten wurden und, auf Grundlage der Akkumulierung, Bestimmen ob es eine Phasenumkehr gibt.
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Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein System zur Phasenumkehrkorrektur eines Datensignals zur Verfügung. Das System umfasst ein Empfangsmodul zum Empfang eines Pilotsignals und eines Datensignals von einer Signalquelle; ein Verarbeitungsmodul zur Verarbeitung des Pilotsignals und des Datensignals; und eine Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung zur Überprüfung des Pilotsignals, um gemäß eines Verarbeitungsresultats für das Pilotsignal zu bestimmen, ob eine Phasenumkehr im Pilotsignal auftritt.
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In einer Ausführungsform korrigiert die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung eine Phase eines Datensignals, wenn ein Phasenumkehrfehler in dem Pilotsignal auftritt. Das Verarbeitungsmodul des Systems umfasst weiterhin einen Doppler-Entferner um die Dopplerfrequenzkomponenten der Daten- und Pilotsignale zu entfernen, und einen Navigationsprozessor für weitere Signalverarbeitung. In anderen Ausführungsformen korrigiert der Doppler-Entferner eine Phase des Datensignals wenn eine Phasenumkehr in dem Pilotsignal auftritt. Alternativ dazu wird die Phase des Datensignals im Navigationsprozessor korrigiert, der durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) implementiert wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die vorliegende Erfindung wird im Zusammenhang mit den angefügten Zeichnungen im Einzelnen beschrieben, in denen
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1 eine schematische Abbildung ist, die zeigt, wie eine Phasenumkehr einen Rahmen korrumpiert, und den Zeitablauf einer Phasenkorrektur im Stand der Technik,
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2 ein Diagramm ist, das eine Beziehung zwischen einem metricSW Wert und einer CNR zeigt,
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3 Datenstrukturen eines Datensignals und eines Pilotsignals von Galileo E1 zeigt, das eine Art von GNSS ist,
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4 Strukturen eines Datensignals und eines Pilotsignals von GPS L1C zeigt, das eine weitere Art von GNSS ist,
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5 Datenstrukturen eines Datensignals und eines Pilotsignals von GPS L5 zeigt, das eine weitere Art von GNSS ist,
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6 eine schematische Abbildung ist, die einen Vergleich zwischen der konventionellen Technik und einer der Ausführungsformen allgemein zeigt,
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7 ein Blockdiagramm ist, das eine Phasenumkehrkorrektur eines Datensignals in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform allgemein zeigt,
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8 ein Blockdiagramm ist, das einen GNSS Empfänger zeigt, der das System zur Korrektur der Phasenumkehr eines Datensignals in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform implementiert,
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9 ein Flussdiagramm ist, das eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Phasenumkehrkorrektur eines Datensignals in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt,
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10 ein Flussdiagramm ist, das den Ablauf von 9 im Einzelnen zeigt,
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11 ein Flussdiagramm ist, das eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens zur Phasenumkehrkorrektur eines Datensignals in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt, und
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12 ein Flussdiagramm ist, das eine dritte Ausführungsform eines Verfahrens zur Phasenumkehrkorrektur eines Datensignals in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Für ein globales Satellitennavigationssystem (GNSS), in dem jeder Satellit ein Datensignal und ein Pilotsignal übermittelt, ist die Beziehung zwischen den Trägerphasen des Datensignals und des Pilotensignals fest. Zum Beispiel sind die Daten- und die Pilotsignale zeitlich in Phase oder in Quadratur. Das Datensignal besteht aus einem Strom von Datenrahmen. Das Pilotsignal wird durch eine bekannte periodische sekundäre Codesequenz moduliert oder ist datenlos. Für einen Empfänger muss eine Synchronisierung von Daten- und Pilotsignal ausgeführt werden, bevor die Daten- und Pilotsignals benutzt werden können, um die übertragenen Daten zu dekodieren, respektive um die Verfolgungs-Empfindlichkeit zu erhöhen. Die Daten- und Pilotsignale haben verschiedene Signalformate aber die zeitliche Beziehung zwischen ihnen ist fest. Daher ist es für BPSK modulierte Daten- und Pilotsignale im Falle einer Phasenumkehr eines Datensignals vertretbar, darauf zu schließen, dass das Pilotsignal auch eine Phasenumkehr zur selben Zeit hat. Das heißt, eine gemeinsame BPSK Phasenumkehr tritt sowohl für das Daten- als auch für das Pilotsignal auf.
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3 zeigt Datenstrukturen des Datensignals und des Pilotsignals von Galileo E1, das eine Art von GNSS ist. Bei Galileo E1 übermittelt jeder einzelne Satellit das Datensignal E1B und das Pilotsignal E1C. Der obere Teil der Abbildung zeigt einen Symbolstrom des Datensignals E1B, während der untere Teil einen Symbolstrom des Pilotsignals E1C zeigt. Das Datensignal E1B wird durch Rahmen übertragen, und das Pilotsignal E1C wird als wiederholte sekundäre Codesequenzen übertragen. Jeder Rahmen des Datensignals E1B enthält 120 Datenbits, und die Datenbits werden durch ein Faltungskodierschema in 240 Datensymbole kodiert. Zusätzlich werden Synchronisierungsworte (SW) aus 10 Datensymbolen zum Dateikopf jedes Datenrahmens hinzugefügt. Somit besteht der Rahmen aus 250 Symbolen pro Sekunde. Die Symbolperiode ist 4 ms. Das Pilotsignal wird durch eine periodische sekundäre Codesequenz moduliert. Jede Codesequenz enthält 25 Symbole. Dann ist die Periode des sekundären Codes 4 × 25 = 100 ms.
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Wie gezeigt, enthält jeder Rahmen des Datensignals E1B ein SW aus 10 Symbolen und einen Nutzdatenbereich aus 240 Symbolen. Der Nutzdatenbereich enthält unbekannte Navigationsdaten-Nachrichten. Während der Rahmenperiode von 1 Sekunde wiederholt das Pilotsignal E1C die sekundäre Codesequenz von 25 Symbolen zehnmal.
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4 zeigt Datenstrukturen eines Datensignals und Pilotsignals von GPS L1C, das eine andere Art von GNSS ist. Der obere Teil der Abbildung zeigt einen Symbolstrom des Datensignals L1CD, während der untere Teil einen Symbolstrom des Pilotsignals L1CP zeigt. Jeder Datenrahmen des Datensignals hat ein 9 Bit langes ”Time of Interval” (TOI) Wort. Das 9-Bit TOI wird mit 52 Symbolen unter Benutzung von Bose, Chaudhuri, Hocquenghem (BCH) Kodierung kodiert. Das TOI-Wort kann als SW des Galileo E1 angesehen werden. Zusätzlich zu dem TOI-Wort enthält jeder Datenrahmen weiterhin Navigationsdaten aus 1748 Symbolen. Die Symbolperiode ist 10 ms. Das heißt, die Symbolrate ist 100 Symbole pro Sekunde. Das Pilotsignal L1CP benutzt dieselbe Symbolrate. L1CP wird mit einer sekundären Codesequenz aus 1800 Symbolen kodiert, die mit ”Overlay-Code” bezeichnet wird. Für jeden L1CD Rahmen erscheint die Codesequenz des Pilotsignals L1CP einmal. Die Rahmen-Synchronisierung für L1CD bedeutet, dass das Startsymbol des TOI-Worts gefunden wird und Pilotsynchronisierung für L1CP bedeutet, dass das Startsymbol der sekundären Codesequenz gefunden wird. Wie ersichtlich ist, wird die führende Kante des L1CD TOI-Worts mit der führenden Kante des L1CP Overlay-Codes synchronisiert.
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5 zeigt Datenstrukturen des Datensignals und des Pilotsignals von GPS L5, das eine weitere Art von GNSS ist. Die oberen drei Zeilen dieser Abbildung zeigen einen Symbolstrom des Datensignals I5, während die unterste Zeile einen Symbolstrom des Pilotsignals Q5 zeigt. Jeder I5-Rahmen enthält 8 Bits Präambel- und 292 Bits Navigationsdaten. Der 300-Bit Rahmen wird mit Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) in 600 Datensymbole kodiert. Dann wird jedes Datensymbol (die Datensymbolperiode ist 10 ms) durch eine Neumann-Hoffman (NH) Sequenz moduliert, und jede Sequenz hat 10 Code-Symbole (die Codesymbolperiode ist 1 ms). Die Symbolzeiteinteilung beträgt 1000 Symbole pro Sekunde. Das Pilotsignal Q5 hat eine 20 Symbol lange sekundäre NH-Sequenz, die mit derselben Symbolrate von 1000 Symbolen pro Sekunde wiederholt wird. Um die I5 Rahmen-Synchronisierung auszuführen, sollte ein Startbit der Präambel, die gleichbedeutend mit dem SW von Galileo E1 ist, gefunden werden. Um das Startbit der Präambel zu finden, muss zuerst die 15 Datensymbol-Synchronisierung erreicht werden. Um die Q5 Pilot-Synchronisierung auszuführen, muss ein Startsymbol der sekundären Codesequenz (d. h. der 20 Symbol langen NH-Sequenz) gefunden werden. Obwohl die intermediäre Konvertierung des I5-Rahmens kompliziert ist, wird das Startbit der Präambel indirekt zum Startsymbol eines der sekundären Q5-Codesequenzen ausgerichtet.
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Galileo als Beispiel verwendend ist 6 ein schematisches Diagramm, das allgemein ein Konzept der Ausführungsformen zeigt. Wie gezeigt, tritt in dieser Abbildung eine Phasenumkehr (oder ein DD-Fehler, der einen Burst-Fehler bewirken wird) während des ersten Datenrahmens auf. Jede Pfeillinie an dem Pilotsignal zeigt eine Phasenumkehr-Prüfung an. Durch häufiges Überprüfen des Pilotsignals kann der Phasenumkehrfehler (oder DD-Fehler) viel früher gefunden und korrigiert werden als im Stand der Technik. Im Stand der Technik kann die Phasenumkehr (der DD-Fehler) erst gefunden und korrigiert werden, bis das SW des nächsten Rahmens überprüft worden ist. Es wird angemerkt, dass die Länge des Burst-Fehlers nach Korrektur des Phasenumkehrfehlers reduziert ist. Daher kann die Fehlerkorrekturtechnik, wie etwa ein Verschachteler und ein Entschachteler, der im Galileo E1B/C Signal verwendet wird, benutzt werden um diesen kurzen Burst-Fehler zu korrigieren.
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7 ist ein Blockdiagramm, das allgemein ein System 100 zur Phasenumkehrkorrektur eines Datensignals in Übereinstimmung mit einer der Ausführungsformen zeigt. Das System umfasst die folgenden Elemente. Ein Empfangsmodul 120 wird zum Empfang eines Datensignals und eines Pilotsignals von einer Signalquelle (nicht abgebildet), wie etwa einem Satelliten, verwendet. Ein Verarbeitungsmodul 130 wird zur Verarbeitung des Datensignals und des Pilotsignals verwendet. Eine Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 140 wird benutzt, um zu bestimmen, ob gemäß des Verarbeitungsergebnisses des Pilotsignals ein Phasenfehler (z. B. eine Phasenumkehr) in dem Pilotsignal auftritt. Wenn es eine Phasenumkehr im Pilotsignal gibt, wird gefolgert, dass das Datensignal auch eine Phasenumkehr hat. Und ein Korrekturmodul 150 ist verantwortlich für die Korrektur der Phasenumkehr des Datensignals.
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In dem System 100 führt das Empfangsmodul 120 die RF(Radiofrequenz)Verarbeitung für die Signale und gibt Basisbanddaten und Pilotsignale aus. Das Verarbeitungsmodul 130 führt eine Doppler-Entfernung, Code-Korrelierung, Rahmensynchronisierung, Pilotsynchronisierung und dergleichen an den Basisbanddaten und den Pilotsignalen durch. Die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 140 benutzt einige Verarbeitungsergebnisse um das Vorhandensein einer Phasenumkehr zu bestimmen und kann durch Hardware oder Software in einem digitalen Signalprozessor implementiert werden. Das Korrekturmodul 150 kann ebenso in dem digitalen Signalprozessor implementiert werden oder ein Doppler-Entferner in dem Verarbeitungsmodul 130. In der Praxis ist es möglich, dass das Korrekturmodul 150 in die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 140 integriert ist.
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8 ist ein Blockdiagramm, das einen GNSS Empfänger 700 zeigt, der das System zur Phasenumkehr-Korrektur eines Datensignals in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform implementiert. Der Empfänger enthält eine Antenne 701 zum Empfang von Satellitensignalen. Die Satellitensignale jedes Satelliten enthalten ein Datensignal und ein Pilotsignal. Ein RF Frontend 703 wird benutzt, um RF bezogene Vorgänge wie Abwärtsmischung und so weiter wie in diesem Gebiet allgemein bekannt durchzuführen. Die Antenne 701 und das RF Frontend 703, alternativ auch nur das Frontend 703, können als im Empfangsmodul 120 des Systems 100 in 7 enthalten aufgefasst werden. Ein Doppler-Entferner 714 wird benutzt, um die Dopplerfrequenzkomponenten der Signale zu entfernen. Wie allgemein bekannt, enthält der Doppler-Entferner 714 einen Träger-NCO (numerisch gesteuerten Oszillator, nicht gezeigt), Phasenschieber (nicht gezeigt) und Mischer (nicht gezeigt). Die Dopplerbereinigten Daten und Pilotsignale werden dann zu den aufeinanderfolgenden Teilbereichen weitergereicht. Es wird angemerkt, dass der Doppler-Entferner 714 auch die Trägerphase verfolgen kann. Der Empfänger 700 hat einen Datencode-Korrelator 725 zur Korrelierung des Datensignals von dem Doppler-Entferner 714 mit einem Ortungscode für das Datensignal zur Ausgabe eines Datensymbolstroms und einen Pilotcode-Korrelator 727 zur Korrelierung des Pilotsignals von dem Doppler-Entferner 714 mit einem Ortungscode für das Pilotsignal zur Ausgabe eine Pilotsymbolstroms. Nimmt man beispielsweise Galileo E1, so gibt der Datencode-Korrelator 725 einen Datensymbolstrom symB des Datensignals E1B aus, und der Pilotcode-Korrelator 727 gibt einen Pilotsymbolstrom symC des Pilotsignals E1C aus. Es ist möglich, den Datenkorrelator 725 und den Pilotcode-Korrelator 727 durch einen einzigen Korrelator mit einem Zeitmultiplex-Verhalten zu realisieren.
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Der Empfänger 700 hat eine Synchronisierungs-Erkennungsvorrichtung 730, das man der US-Patentanmeldung Nr. 12/138,644, bezeichnet mit ”SYNC DETECTION DEVICE AND METHOD FOR GNSS”, eingereicht am 13. Juni 2008 durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung, entnehmen kann. Die Synchronisierungs-Erkennungsvorrichtung 730 beinhaltet eine Rahmensynchronisierungs-Korrelierungseinheit 735 zur Korrelierung der Symbole des Symbolstroms symB mit den möglichen Hypothesen zur Ausgabe der Korrelationsergebnisse davon. Für Galileo E1B gibt es 250 zu korrelierende Hypothesen, wie oben erwähnt, falls es keine weitere unterstützende Information zur Reduzierung des Korrelationsbereichs gibt. Eine Pilotsynchronisierungs-Korrelierungseinheit 737 wird benutzt, um die Symbole des Pilotsymbolstroms symC mit den möglichen Hypothesen einer bekannten Sequenz des Pilotsignals (nachstehend auch als bekannte Pilotsequenz bezeichnet) zur Ausgabe der Korrelationsergebnisse davon zu korrelieren. Die Synchronisierungs-Erkennungsvorrichtung 730 umfasst ferner eine Synchronisierungs-Entscheidungseinheit (nicht gezeigt), die Korrelationsresultate der Rahmensynchronisierungs-Korrelierungseinheit 735 und der Pilotsynchronisierungs-Korrelierungseinheit 737 empfängt, um Rahmensynchronisierung und Pilotsynchronisierung durchzuführen. Dieser Teilbereich ist nicht der Gegenstand, der in der vorliegenden Erfindung diskutiert werden soll und wird daher hier ausgelassen. Die Einzelheiten können der oben erwähnten Anmeldung entnommen werden. Der Doppler-Entferner 714, Datenkorrelator 725, Pilotcode-Korrelator 727 und die Synchronisierungs-Erkennungsvorrichtung 730 können als in dem Verarbeitungsmodul 130 der 7 enthalten aufgefasst werden.
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Der Empfänger 700 hat eine Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740, die die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 140 der 7 realisiert. Die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740 empfängt Korrelationsergebnisse des empfangenen Pilotsignals mit der bekannten Pilotsequenz und periodisch bzw. in periodischen Abständen integriert sie und wirft Korrelationsresultate aus, um zu überprüfen, ob eine Phasenumkehr stattfindet. Es wird angenommen, dass eine Phasenumkehr in dem Pilotsignal stattgefunden hat, wenn zu einem Zeitpunkt gefolgert werden kann, dass das Datensignal ebenfalls eine Phasenumkehr zu diesem Zeitpunkt hat. Wenn bestimmt wird, dass eine Phasenumkehr vorliegt, kehrt die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740 zur Korrektur der Phasenumkehr die Phase des Datensymbolstroms um. In einem anderen Fall empfängt die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740 auch die Korrelationsergebnisse des SW des empfangenen Datensignals mit einer entsprechenden bekannten SW-Sequenz, um das Vorhandensein einer Phasenumkehr gegenzuprüqfen. Die Einzelheiten werden später weiter beschrieben. Nachdem die Phasenumkehr korrigiert wurde, wird der Datensymbolstrom symB zu einem Navigationsprozessor 750 zur weiteren Signalverarbeitung weitergereicht, welches kein Gegenstand ist, der in der vorliegenden Erfindung diskutiert werden soll. Der Navigationsprozessor 750, der beispielsweise durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) implementiert wird, kann als in dem Verarbeitungsmodul 130 der 7 enthalten aufgefasst werden.
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9 ist ein Flussdiagramm, das eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Phasenumkehrkorrektur eines Datensignals in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieses Verfahren wird im Wesentlichen in der Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung
740 der
8 ausgeführt. Der Ablauf dieses Verfahrens beginnt bei Schritt S810. In Schritt S820 empfangt die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung
740 den Datensymbolstrom symB. In Schritt S830 überprüft die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung
740 ein Flag phaseReversal, das anzeigt ob es eine Phasenumkehr gibt. Das Flag ist anfangs auf Falsch gesetzt. Zu dieser Zeit steht das Flag phaseReversal, da der Pilotsymbolstrom noch nicht überprüft wurde, auf Falsch. Unter einer solchen Bedingung geht der Ablauf zu Schritt S850. Im Schritt S850 berechnet die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung
740 einen metricPT Wert wie folgt:
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Worin symC(i) der Pilotsymbolstrom des empfangenen Pilotsignals ist, NH(i) die entsprechenden Symbole der bekannten Sequenz für das Pilotsignal (d. h. bekannten Pilotsequenz) ist, und metricPT ist eine Akkumulierung der Korrelationsergebnisse des empfangenen Pilotsymbolstroms. Die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740 kann den metricPT Wert von N Symbolen für alle m Symbole berechnen, wobei N ≦ m ist. Da jeder Korrelationswert von NH(i) und symC(i) von der Pilotsynchronisierungseinheit 737 der Synchronisierungs-Erkennungsvorrichtung 730 berechnet wurde, kann die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740 die Korrelationswerte von NH(i) und symC(i) für i = 0 bis N – 1 einfach empfangen und in die Auswurfs-Ergebnismetrik metricPT für die N Pilotsymbole akkumulieren.
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Im Schritt S860 bestimmt die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740, ob eine Phasenumkehr in dem Pilotsymbolstrom symC auftritt, um den Zustand des Flags phaseReversal auf Grundlage des metricPT-Werts zu bestimmen. Dann geht der Ablauf zurück zu Schritt S820. Die Schritte S820 und S860 werden wiederholt ausgeführt. Wenn bestimmt wird, dass es eine Phasenumkehr in Schritt S860 gibt, dann wird das Flag phaseReversal auf Wahr gesetzt. Dementsprechend überprüft die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740 im Schritt S830 das Flag und erhält das Ergebnis ”Wahr”. Unter dieser Bedingung kehrt die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740 die Phase des Datensymbolstroms um (d. h. symB = –symB), um die Phasenumkehr in Folge der Phasenumkehr zu korrigieren. Dies kann als Integration des Korrekturmoduls in die Phasenumkehrvorrichtung aufgefasst werden, wie vorher erwähnt. In einer weiteren Ausführungsform wird die geschätzte Phase der Trägernachlaufschleife umgekehrt und nicht der erkannte symB-Datensymbolstrom. Wie erwähnt, kann die Trägerphase im Doppler-Entferner 714 verfolgt werden. In diesem Fall zeigt die sogenannte Trägernachlaufschleife die Schleife des Doppler-Entferners 714 dem Navigationsprozessor 750 an. Das heißt, die Phasenumkehr kann auch im Dqoppler Entferner 714 des Navigationsprozessors 750 korrigiert werden.
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10 ist ein Flussdiagram, das den Ablauf der 9 weiter im Detail zeigt. In diesem Flussdiagram werden die Unterabläufe der Phasenkorrektur und der Phasenumkehr-Erkerinung spezieller und genauer dargestellt. Der Ablauf beginnt mit Schritt S910. Im Schritt S910 empfängt die Phasenumkehrvorrichtung 740 den Datensymbolstrom symB. Im Schritt S930 überprüft die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740 das phaseReversal-Flag. Zu dieser Zeit steht das Flag, da der Pilotsymbolstrom noch nicht überprüft wurde, auf ”Falsch”. Unter dieser Bedingung verzweigt der Ablauf zum Schritt S945. Im Schritt S945 wird der Pilotsymbolstrom symC empfangen. Im Schritt S950 wird die metricPT durch Errechnung und Akkumulierung eines Korrekturergebnisses des i-ten Symbols symC(i) des Pilotsymbolstroms und des entsprechenden Symbols NH(i) der bekannten Pilotsequenz (z. B. des entsprechenden zweiten Codesymbols) berechnet, wobei i = 0 bis N – 1 ist. Im Schritt S952 wird i auf i + 1 gesetzt. Im Schritt S954 wird überprüft, ob i den Wert N erreicht hat. Wenn nicht, geht der Ablauf zurück zum Schritt S920. Wenn i = N ist bedeutet das, dass die metricPT der aktuellen N Pilotsymbolen berechnet wurde. Dann geht der Ablauf zu Schritt S963, um zu bestimmen, ob eine Phasenumkehr vorliegt. Im Schritt S963 entscheidet die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung, ob der metricPT-Wert größer als Null ist. Wenn der metricPT-Wert ein negativer Wert ist (d. h. metricPT < 0), bedeutet das, dass es eine Phasenumkehr gibt, und das Flag phaseReversal wird auf Wahr gesetzt (Schritt S965). Wenn der metricPT-Wert ein positiver Wert ist (d. h. metricPT > 0) bedeutet das, dass es keine Phasenumkehr gibt und das Flag phaseReversal wird auf Falsch gesetzt (Schritt S967). Egal ob das Flag auf Wahr oder Falsch gesetzt wurde geht der Ablauf zum Schritt S970. Im Schritt S970 werden die Werte von metricPT und i beide auf Null zurückgesetzt und der Ablauf geht zurück zum Schritt S920, um die nächsten N Pilotsymbole zu überprüfen.
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11 ist ein Flussdiagramm, das eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens zur Phasenumkehrkorrektur eines Datensignals in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Ablauf beginnt beim Schritt S1010. Im Schritt S1020 wird der Datensymbolstrom symB empfangen. Im Schritt S1025 wird die metricSW unter Verwendung von Gleichung 1 berechnet. Parallel dazu wird im Schritt S1040 der Pilotsymbolstrom symC empfangen und metricPT wird unter Verwendung von Gleichung 2 berechnet. Im Schritt S1060 bestimmt die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740 den Zustand des Flags phaseReversal (Wahr oder Falsch) auf Grundlage von metricSW als auch von metricPT. Weitere Zeitsteuerungsinformation wie etwa die zeitliche Übereinstimmungsbeziehung zwischen der berechneten metricPT und der metricSW kann ebenso Berücksichtigung finden. Wenn es eine Phasenumkehr gibt, wird das Flag phaseReversal auf Wahr gesetzt; ansonsten wird das Flag phaseReversal auf Falsch gesetzt. Im Schritt S1070 wird das Flag phaseReversal überprüft. Wenn das Flag auf Falsch steht, geht der Ablauf zurück zu Schritt S1020. Wenn das Flag auf Wahr steht, bedeutet dies, dass eine Phasenumkehr vorliegt und dann kehrt die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740 die Phase des Datensymbolstroms um, das heißt symB = –symB. In der vorliegenden Ausführungsform wird zusätzlich zur Überprüfung des Pilotsymbolstroms symC auch der Datensymbolstrom überprüft, um die Erkennung des Vorhandenseins einer Phasenumkehr zu unterstützen.
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12 ist ein Flussdiagramm, das eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zur Phasenumkehrkorrektur eines Datensignals gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Ablauf beginnt bei Schritt S1110. Im Schritt S1120 empfängt die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740 den Datensymbolstrom symB. Im Schritt S1130 überprüft die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740 das Flag phaseReversal um zu sehen, ob das Flag auf Wahr oder Falsch steht. Zu dieser Zeit steht das Flag phaseReversal, da der Pilotsymbolstrom noch nicht überprüft worden ist, auf Falsch. Unter dieser Bedingung geht der Ablauf zu Schritt S1145. Im Schritt S1145 wird der Pilotsymbolstrom symC empfangen. Im Schritt S1150 wird metricPT durch Berechnung und Akkumulierung eines Korrelationsergebnisses des i-ten Symbols des Pilotsymbolstroms mit dem entsprechenden Symbol NH(i) der bekannten Pilotsequenz (z. B. des entsprechenden zweiten Code-Symbols) errechnet, wobei i = 0 bis N – 1 ist. Im Schritt S1152 wird i auf i + 1 gesetzt. Im Schritt S1154 wird überprüft, ob i den Wert N erreicht hat. Falls nicht, geht der Ablauf zurück zum Schritt S1120. Wenn i = N ist bedeutet das, dass die metricPT der aktuellen N Pilotsymbole berechnet wurde, und dann geht der Ablauf zum Schritt S1163, um zu bestimmen, ob es eine Phasenumkehr gibt. Im Schritt S1163 bestimmt die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740, ob der metricPT-Wert größer als Null ist. Falls der metricPT-Wert eine negativer Wert ist bedeutet das, dass es eine Phasenumkehr gibt und das Flag phaseReversal ist auf Wahr gesetzt (Schritt S1165). Wenn der metricPT-Wert ein positiver Wert ist bedeutet das, dass keine Phasenumkehr vorliegt und das Flag phaseReversal wird auf Falsch gesetzt (Schritt S1167). Unabhängig davon, ob das Flag auf Wahr oder Falsch gesetzt ist, geht der Ablauf zum Schritt S1170. Im Schritt S1170 werden die Werte von metricPT und i beide auf Null zurückgesetzt. Der Ablauf geht zum Schritt S1180, in diesem Schritt wird N auf Grundlage von Referenzinformation wie etwa CNR-Schätzung erneut bestimmt oder angepasst. Zum Beispiel wenn das CNR niedrig ist, muss N größer sein. Dann geht der Prozess zurück zum Schritt S1120, um die nächsten N Pilotsymbole zu überprüfen. Wie beschrieben, wird N in der vorliegenden Ausführungsform gemäß praktischer Situationen dynamisch angepasst
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In den obigen Ausführungsformen wird die Phase des Datensymbolstroms symB korrigiert, wenn festgestellt wird, dass der Pilotdatensymbolstrom symC eine Phasenumkehr hat. Jedoch wird in einigen Fällen die Phase des Symbolstroms in der Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung nicht korrigiert. Die Phasenumkehr-Erkennungsvorrichtung 740 teilt dem Navigationsprozessor 750 lediglich mit, dass eine Phasenumkehr vorliegt, so dass der Navigationsprozessor 750 die Daten- und Pilotsymbolströme bei der nachfolgenden Verarbeitung angemessen behandeln kann.
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Wiewohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail illustriert und beschrieben wurden, können verschiedene Modifikationen und Abänderungen durch eine in diesem Fachgebiet bewanderte Person gemacht werden. Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist daher in einem illustrativen aber nicht in einem einschränkenden Sinn beschrieben. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen Ausbildungen, wie dargestellt, eingeschränkt sein sollte und dass alle Modifikationen und Abänderungen, die den Geist und den Bereich der vorliegenden Erfindung beibehalten, in dem Rahmen liegen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert wird.
