DE112008003937T5

DE112008003937T5 - Digitales Frontend für einen Satellitennavigationsempfänger

Info

Publication number: DE112008003937T5
Application number: DE112008003937T
Authority: DE
Inventors: Qinfang Calif. Sun
Original assignee: Atheros Communications Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2011-07-07
Also published as: GB2474186B; US20100013706A1; WO2010008369A1; GB2474186A; GB201101461D0; TWI409492B; US8334805B2; TW201003106A

Abstract

Satellitennavigationsempfänger umfassend: einen analogen Abschnitt zum Empfangen, Verstärken und Filtern eines Satellitennavigationssignals; ein digitales Frontend, das mit dem analogen Abschnitt gekoppelt ist und an dem Satellitennavigationssignal digitale Signalverarbeitung durchführt; eine Erfassungsmaschine, die mit dem digitalen Frontend gekoppelt ist und das Satellitennavigationssignal erfasst; eine Verfolgermaschine, die mit dem digitalen Frontend gekoppelt ist und ein erfasstes Satellitennavigationssignal verfolgt; einen Prozessor, der mit der Erfassungsmaschine und der Verfolgermaschine gekoppelt ist und Positionsinformation bereitstellt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Ausführungen der vorliegenden Erfindung beziehen sich allgemein auf Satellitennavigationsempfänger, und insbesondere auf GPS-Empfänger mit einem digitalen Frontend (Vorrechner).
Beschreibung der verwandten Technik
Satellitennavigationssysteme sind aus mehreren besonders gestalteten Satelliten aufgebaut, welche die Erde umkreisen. Diese Satelliten senden fortdauernd präzise spezifische Funkfrequenz(HF)-Signale, die dazu benutzt werden, Positionsinformation zu liefern. Ein weithin verwendetes Satellitennavigationssystem wird als Global Positioning System (GPS) bezeichnet. Durch Verarbeitung der HF-Signale von vier oder mehr GPS-Satelliten kann ein GPS-Empfänger seine gegenwärtige Position (geographische Länge, Breite und Höhe) ziemlich schnell und mit einem guten Genauigkeitsgrad bestimmen.
1 zeigt die allgemeinen Abschnitte eines herkömmlichen GPS-Empfängers. Eine Antenne 101 empfängt die HF-Signale von den GPS-Satelliten. Die HF-Signale werden dann durch den analogen Abschnitt 102 heruntergewandelt, gefiltert und in ein digitales Signal umgewandelt. Insbesondere verstärkt ein rauscharmer Verstärker 103 die schwachen HF-Signale. Ein Mischer 104 und ein lokaler Oszillator 105 wandeln die verstärkten HF-Signale hinunter zu einem niedrigerem Intermediärfrequenz(IF)-Signal. Ein Bandpassfilter 106 wird dazu benutzt, Interferenzen herauszufiltern. Das gefilterte IF-Signal wird dann mittels eines 1 oder 2-Bit-Analogdigitalwandlers (ADC) 107 in ein äquivalentes digitales IF-Signal umgewandelt. Das digitale IF-Signal wird dann in einen digitalen Abschnitt 108 eingegeben. Die Erfassungsmaschine 109 und Verfolger-(Tracking)-Maschine 110 des digitalen Abschnitts 108 bearbeiten das digitale IF-Signal zum Erzeugen von Erfassungs- und Verfolger-(Tracking)-Daten, die dann mittels eines Registers 111 in den Prozessabschnitt 112 eingegeben werden. Die zentrale Prozessoreinheit (CPU) 113 analysiert die Erfassungs- und Verfolgerdaten gemäß im Speicher 114 gespeicherten Programmanweisungen und erzeugt die letztendliche Positionsinformation.
Diese herkömmliche GPS-Empfängerarchitektur verlässt sich weitgehend auf die Leistungsfähigkeit des analogen Abschnitts. Dies ist teilweise so, weil die GPS-Satellitensendeleistung sehr niedrig sein kann, z. B. angenähert 22 Watt, und das Signal über 12.000 Meilen durch das All und die Erdatmosphäre läuft. Wenn dann das GPS-Signal den GPS-Empfänger erreicht, ist es extrem schwach und schlechter geworden. Typischerweise ist die Empfangsleistung eines GPS-Signals –130 dBm oder darunter. Im Ergebnis muss der analoge Abschnitt 102 das schwache gedämpfte analoge GPS-Signal verstärken, filtern und daran eine signifikante Signalverarbeitung durchführen, bevor es durch den ADC 107 in ein digitales Signal umgewandelt werden kann.
Noch kompliziertes wird das, weil das GPS-Signal einer Vielzahl von Störungen und Interferenzen unterliegt. Leider fällt das GPS-Band in ein überfülltes Frequenzspektrum mit starken HF-Signalen, die nur wenige Zehntel MHz an jeder Seite des geschützten GPS-Bands haben. Zusätzlich kann HF-Leckage und Oberschwingungen des digitalen Takts in dem GPS-Empfänger sehr nahe an dem GPS-Band auftreten oder in dieses fallen. Und wenn Interferenzsignal(e) am Eingang zum ADC 107 vorhanden sind, dann wird ein Teil des Dynamikbereichs des ADC der Aufnahme dieser Interferenz zugewiesen, um ein starkes Ausblenden (Clipping) zu vermeiden. Infolgedessen ist das gewünschte GPS-Signal kleiner bemessen, wobei das Quantisierungsrauschen relativ zum thermischen Rauschen zunimmt, und die Gesamtleistung des GPS-Empfängers abnimmt. Im Hinblick auf diese und andere schädliche Faktoren muss die Konstruktion des analogen Abschnitts extremen stringenten und exakten Spezifikationen genügen. Demzufolge belegt der analoge Abschnitt eine relativ große Schaltkreisfläche, verbraucht eine große Energiemenge und ist teuer zu realisieren.
Daher wird der analoge Abschnitt rasch zu einem größeren Hindernis, kleinere, billigere, leichtere, genauere, dauerhaftere, tragbare batteriebetätigte GPS-Empfänger einzuführen, welche sich die Märkte und Verbraucher wünschen.
Zusammenfassung
Diese Zusammenfassung ist vorgesehen, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzuführen, die nachfolgend in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Zusammenfassung dient nicht dazu, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch soll sie den Umfang des beanspruchten Gegenstands einschränken.
Ausführungen der vorliegenden Offenbarung betreffen einen Satellitennavigationsempfänger mit einem digitalen Frontend. Der Satellitennavigationsempfänger enthält einen analogen Abschnitt zum Empfangen, Verstärken und Filtern eines Satellitennavigationssignals. Das digitale Frontend ist mit dem analogen Abschnitt gekoppelt und wird dazu benutzt, eine digitale Signalverarbeitung an dem Satellitennavigationssignal durchzuführen, bevor es zu den Erfassungs- und Verfolgermaschinen weitergeleitet wird. In einer Ausführung enthält das digitale Frontend ein Störungsschätz- und Löschmodul, ein DC-Schätz- und Löschmodul, einen Bandpassfilter und ein Skalierungs- und Trunkierungsmodul. Indem ein Teil der Funktionalität von dem analogen Abschnitt zum digitalen Frontend abgeladen wird, kann der analoge Abschnitt kleiner und billiger gemacht werden und verbraucht auch weniger Strom. Darüberhinaus können zusätzliche Funktionalitäten zu dem digitalen Frontend hinzugefügt werden, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Und weil das digitale Frontend aus digitaler Schaltung aufgebaut ist, werden mit Fortschritten in Halbleiterherstellungstechniken Größe, Kosten und Strom verringert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung aufgenommen sind und Teil derselben bilden, illustrieren Ausführungen der Erfindung und dienen, zusammen mit der Beschreibung, dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern:
1 ist ein Konzeptdiagramm eines GPS-Empfängers.
2 zeigt eine Ausführung eines Satellitennavigationsempfängers, der ein digitales Frontend aufweist.
3 zeigt eine Ausführung eines digitalen Frontends mit vier Modulen.
4 zeigt das detaillierte Schema einer Ausführung eines Störungsschätz- und Löschmoduls.
5 zeigt eine Ausführung eines DC-Schätz- und Löschmoduls.
6 zeigt eine Ausführung eines digitalen Bandpassfiltermoduls.
7 zeigt eine Ausführung eines Skalierungs- und Trunkationsmoduls.
8 zeigt ein Zeitdiagramm für den Betrieb der verschiedenen Module des digitalen Frontends.
9 zeigt den Prozess für eine Ausführung eines intelligenten Störungsdetektors und -Löschers.
Detaillierte Beschreibung
Nun wird auf verschiedene Ausführungen im Detail Bezug genommen. Während der Gegenstand in Verbindung mit den alternativen Ausführungen beschrieben wird, versteht es sich, dass sie den beanspruchten Gegenstand nicht auf diese Ausführungen beschränken sollen. Im Gegenteil soll der beanspruchte Gegenstand Alternativen, Modifikationen, Äquivalente abdecken, die im Geist und Umfang des beanspruchten Gegenstands enthalten sein können, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
Ferner werden in der folgenden detaillierten Beschreibung zahlreiche spezifische Details aufgeführt, um ein gründliches Verständnis des beanspruchten Gegenstands zu bekommen. Jedoch wird ein Fachkundiger erkennen, dass Ausführungen auch ohne diese spezifischen Details oder mit Äquivalenten davon in die Praxis umgesetzt werden können. In anderen Fällen sind gut bekannte Methoden, Prozeduren und Komponenten und Schaltkreise nicht im Detail beschrieben worden, um Aspekte und Merkmale des Gegenstands nicht unnötig zu verschleiern.
2 zeigt eine Ausführung eines Satellitennavigationsempfängers, der ein digitales Frontend 203 hat. Es sollte angemerkt werden, dass diese Empfängerkonstruktion angewendet werden kann, um jedes Satellitennavigationssystem zu empfangen, einschließlich aber nicht beschränkt auf Global Positioning System, GLONASS, Galileo, IRNSS, Beidou und andere zu entwickelnde künftige Systeme. Das digitale Frontend 203 wird zwischen den analogen Abschnitt 203 und den digitalen Abschnitt 204 eingesetzt. In dieser Ausführung wird das digitale Frontend 203 nach dem ADC 210 und vor dem Rest der Basisbandschaltungen angeordnet. Das digitale Frontend 203 ist konstruiert, um eine digitale Signalverarbeitung an dem empfangenen Satellitennavigationssignal durchzuführen, bevor es zu den Erfassungs- und Verfolgermaschinen weitergeleitet wird. Das digitale Frontend führt einige Funktionen durch, die herkömmlich für den analogen Abschnitt reserviert sind, und führt auch neue Funktionen durch, die dazu beitragen, die Gesamtleistung des GPS-Empfängers zu verbessern. Indem einige der Erfordernisse von dem analogen Abschnitt 202 auf das digitale Frontend 203 verschoben werden, können Anforderungen an die analoge Konstruktion verringert werden. Dies führt direkt dazu, dass ein analoger Abschnitt 202 kleiner, billiger wird und weniger Strom verbraucht als herkömmliche analoge Abschnitte. Ferner können digitale Schaltkreise rasche Verbesserungen in Halbleiterherstellungstechniken ausnutzen. Dies bedeutet, dass digitale Schaltkreise kleiner, billiger gemacht werden und effizienter arbeiten, im Gegensatz zu analogen Schaltungen, die die Vorteile der Halbleitertechnologie, wie etwa Verringerung des Größenmerkmals, nicht nutzen könnten.
Es sollte angemerkt werden, dass das digitale Frontend 203 einen analogen Abschnitt nicht notwendigerweise ersetzt oder tauscht. In anderen Worten, es könnte immer noch ein digitaler Abschnitt 202 benötigt werden, der ein LNA 206, einen Mischer 207, einen Oszillator 208, ein BPF 209 und einen ADC 210 aufweist, um die empfangenen HF-Satellitennavigationssignale zu verarbeiten, die von GPS-Satelliten gesendet werden. Jedoch sind die Anforderungen an den analogen Abschnitt 202 reduziert, so dass eine gewisse Interferenz bekanntermaßen hindurchgelassen wird. Diese Interferenz wird dann durch das digitale Frontend 203 digital unterdrückt. Insbesondere wird ein 8-Bit ADC 210 implementiert, um einen größeren Dynamikbereich zu bekommen. In anderen Ausführungen kann der ADC eine beliebige Anzahl von Bits größer als 2 ausgeben, um für einen verbesserten Dynamikbereich zu sorgen. Die 8-Bit Eingabe in das digitale Frontend 203 wird zur Störungslöschung, DC-Löschung, Bandpassfilterung digital verarbeitet und dann auf eine herkömmliche Anzahl von Bits (z. B. 2 Bits) skaliert, trunkiert, so dass ein herkömmlicher digitaler Abschnitt 204 das digitale Signal in herkömmlicher Weise bearbeiten kann. Es brauchen keine speziellen Modifikationen an der Erfassungsmaschine 211, der Verfolgermaschine 212 und den Registern 213 des digitalen Abschnitts 204 vorgenommen werden, noch an der CPU 214 und dem Speicher 215 des Prozessabschnitts 205. Grundliegend wird die Erfassungsmaschine 211 dazu benutzt, das Satellitennavigationssignal zu erfassen, und die Verfolgermaschine wird dazu benutzt, ein erfasstes Satellitennavigationssignal zu verfolgen. Die CPU 214 kann ein Mikroprozessor, ein digitaler Signalprozessor oder eine beliebige andere solche Vorrichtung sein, die in dem Speicher 215 gespeicherte Programmanweisungen lesen und ausführen kann.
3 zeigt eine Ausführung eines digitalen Frontends. In dieser besonderen Ausführungen ist das digitale Frontend 203 aus vier Modulen aufgebaut: Störungsschätz- und Löschmodul 301, DC-Schätz- und Löschmodul 302, Bandpassfiltermodul 303 und Skalierungs- und Trunkationsmodul 304. Die ersten drei Module 301–303 sind optional und können nach Bedarf unabhängig ein- oder ausgeschaltet werden. Das vierte Modul 304 bleibt immer eingeschaltet. Der Betrieb des digitalen Frontends 203 ist wie folgt: Die acht Bits von dem ADC werden in einen Störungsschätz- und Löschblock 301 eingegeben, der die Amplitude und Phase der Störung schätzt. Die geschätzte Störung wird rekonstruiert und wegsubtrahiert. Das digitale Signal wird dann in das DC-Schätz- und Löschmodul 302 eingegeben, das die DC-Komponente schätzt und wegsubtrahiert. Dann unterdrückt ein Bandpassfiltermodul 303 außerhalb des Band liegende Blocker und Rauschen. Schließlich skaliert und trunkiert das Skalierungs- und Trunkierungsmodul 304 das digitale Signal hinunter auf zwei Bits. Das digitale 2-Bit-Signal wird dann von dem digitalen Frontend 203 ausgegeben, um wie normal von den Erfassungs- und Verfolgermaschinen bearbeitet zu werden.
Nun werden Ausführungen für jedes der vier Module des digitalen Frontends in Bezug auf die 4–7 im Detail beschrieben.
4 zeigt das detaillierte Schema einer Ausführung eines Störungsschätz- und Löschmoduls 301. Wie oben offenbart, ist es bekannt, dass wegen der geringeren Anforderungen an den analogen Abschnitt gewisse Interferenzen (z. B. Störungen) zu dem ADC durchgelassen werden. Es ist die Funktion des Störungsschätz- und Löschmoduls 301, Störungen auszulöschen oder anderweitig zu beseitigen. In einer Ausführung wird angenommen, dass eine Störung aus einem einzelnen Ton besteht. Seine Amplitude und Phase wird geschätzt, um die Störung zu rekonstruieren. Die duplizierte, rekonstruierte Störung wird dann wegsubtrahiert, um die reale Störung aus dem digitalen IF-GPS-Signal zu löschen. Obwohl Phasenrauschen die Störung verschmiert und um den Ton herum eine „Hülle” erzeugt, ist der Restfehler nach Löschen des Einzeltons vernachlässigbar. Diese Methode arbeitet besser als ein Filterweichenansatz, weil es sehr schwierig ist, eine enge Filterweiche mit vernachlässigbarer Verzerrung für das Signal herzustellen, wenn die Weiche in dem Band angeordnet wird.
Insbesondere wird die Frequenz der Störung, die über die Frequenz des ADC gelöscht werden soll, in einen nummerisch gesteuerten Oszillator (NCO) 401 eingegeben. In einer Ausführung ist die Frequenz der Störung durch Messen oder Vorhersagen der Oberschwingungen des lokalen Takts bekannt. Die maximale Frequenz des ADC ist, für diese bestimmte Ausführung, 17,9 MHz. Für einen Zielfrequenzfehler von 0,01 Hz (d. h. 3,6 Grad Phasenfehler in einer Sekunde) braucht man log2(17,9e6/0,01) – 1 = 30 Bits. Die Störfrequenz wird mit Vorzeichen versehen und ist nicht größer als die Hälfte der ADC Frequenz. Daher ist das Eingabeformat s0,30 (mit Vorzeichen, mit 0 Bits links des Dezimalpunkts und 30 Bits rechts des Dezimalpunkts). Der NCO 401 wird dazu benutzt, die Phase der Störung zu erzeugen. Um eine saubere Löschung zu erhalten (Rest weniger als –30 dB), braucht man genaue Schätzungen der Störamplitude und -Phase. Die sin/cos Tabelle 402 bietet eine Winkelauflösung von (pi·2)/512 oder 128 Ebenen für einen Quadranten, und die Ausgangs-Bit-Breite muss 8 sein (z. B. u1,8 – ohne Vorzeichen, mit einem Bit links des Dezimalpunkts und acht Bits rechts des Dezimalpunkts. Die Ausgabe von der sin/cos Tabelle 402 wird s2,8 nach Vorzeichenerweiterung zum Abdecken von vier Quadranten. Man nehme an, dass die Störung des hereinkommenden Signals ist x(t) = αcos(ωt + θ) Dies wird mit dem Konjugat des Störungsphasors multipliziert s(t) = exp(–jωt) Die Ausgabe des Multiplizierers ist y(t) = αcos(ωt + θ)·exp(–jωt) = α / 2(exp(j(ωt + θ)) + exp(–j(ωt + θ)))·exp(–jωt) = α / 2(exp(jθ) + exp(–j(2ωt + θ))) Das Ergebnis wird durch den 2/N Akkumulatorblock 404 über eine große Blockgröße hinweg aufgemittelt. In dieser besonderen Ausführung ist die Standardgröße N = 4096 Abtastungen (Samples) und die Maximalgröße ist 2^15 = 32768 Abtastungen). Der zweite Term wird kleiner, und der erste Term bleibt (konstant). Das Resultat wird in das Register 405 eingegeben und repräsentiert die Amplitude und Phase der Störung.
Um diese Störung zu löschen, wird der oben angegebene komplexe Wert mit dem Störungsphasor multipliziert. Der Block 406 nimmt den realen Teil x ^(t) = Re(αexp(jθ)·exp(jωt)) = αcos(ωt + θ) Die Ausgabe von dem Block 406 repräsentiert die rekonstruierte Störung und wird subtrahiert, um die Störung zu löschen.
Es sollte angemerkt werden, dass der Komplex-Multiplizierer für die Störungsschätzung und Störungslöschung s8 mal s2,8 mit s8,2 Ausgabe und s8,2 mal s2,8 mit s8 Ausgabe ist. Wenn beliebige Punktergebnisse in Daten bearbeitet werden, die eine definierte digitale Wortbreite überschwemmen würden, dann können die Daten abgeschnitten und/oder auf einem Maximalwert gesetzt werden. Dies wird manchmal als Sättigung bezeichnet. Der Akkumulator benötigt s23,2 zur Stützung der maximalen Blockgröße, und die Aufmittlung nach Normalisierung ist s8,2. Die Schätzung wird aktualisiert, wenn das Abzugssignal zum Register 405 am Ende des Schätzblocks erklärt wird. Nachdem die Störung beseitigt ist, kann die Signalgröße (d. h. die digitale Signalwortbreite) verringert werden. In dieser Ausführung ist die Ausgabe s6.
Wenn die Störungsschätzung und -löschung ermöglicht ist, wird nach Rücksetzen der Hardware bei jeder Verstärkungsänderung eine neue Schätzung durchgeführt. Diese Schätzung nimmt einen Signalblock und ist unmittelbar nach dem Block verfügbar. Sie kann kontinuierlich oder nur periodisch laufen. Die Periode sollte so bestimmt werden, dass sie einen aktzeptablen Akkumulierungsphasenfehler garantiert (z. B. 250 ms ergibt etwa 1 Grad Phasenfehler zum Ende hin, mit dem 30-Bit NCO). Die Löschung sollte kontinuierlich verlaufen. Die jüngste Störungsamplituden- und Phasenschätzung sollte verwendet werden, bis die nächste Schätzung zur Verfügung steht. Wenn jedoch im System keine Störung vorhanden ist, kann dieses Störschätzung- und Löschmodul 301 ausgeschaltet werden. In diesem Fall sollte das Signal mittels Sättigung von 8 Bit auf 6 Bit trunkiert werden.
nach der Störungsschätzung und -löschung kann die DC-Schätzung und Löschung durchgeführt werden. Die DC-Schätzung und Löschung ist vorteilhaft, weil die vorherigen analogen Komponenten veränderliche DC-Offset-Grade erzeugen können. Die Beseitigung dieses DC-Offsets verbessert die Leistungsfähigkeit, indem der gesamte Dynamikbereich vollständig genutzt wird. 5 zeigt eine Ausführung eines DC-Schätz- und Löschmoduls 302. Das s6 Signal von dem Störungsschätz- und Löschmodul wird in einen 1/N Akkumulatorblock 501 eingegeben. Im Wesentlichen ist der Block 501 ein Akkumulator, normalisiert durch die Abtastzählungen. DC wird unter Verwendung eines Abtastblocks geschätzt (z. B. Standard N = 4096, Maximalgröße ist 2^15 = 32768). Ein fraktionelles Bit wird in dem Blockmittelwert gehalten, um den Quantisierungsfehler zu reduzieren. Das s6,1 geschätzte DC-Signal wird in das Register 502 geleitet, und beim nächsten aktiven Abzugssignal subtrahiert. Die Ausgabe nach der Dezilöschung ist s6,1. Das Ergebnis kann unmittelbar nach dem Block angewendet werden.
Das DC-Schätz- und Löschmodul 302 kann ein- und ausgeschaltet werden. Wenn es eingeschaltet ist, kann nach Rücksetzen der Hardware und bei jeder Verstärkungsänderung eine neue Schätzung durchgeführt werden. Die Schätzung kann kontinuierlich oder periodisch laufen. Die Periode sollte die Driftcharakteristiken des DC bestimmt werden. Das Löschen läuft kontinuierlich mit der jüngsten Schätzung. Wenn dieses Modul 302 ausgeschaltet ist, braucht nichts getan zu werden, außer ein Null-Fraktions-Bit aufzufüllen (Padding).
Dem DC-Schätz- und Löschmodul folgt das Bandpassfiltermodul. Wie oben beschrieben darf bekanntermaßen ein Teil der Interferenz durch das analoge Frontend zum ADC durchlaufen. Störungen wurden von dem Störungsschätz- und Löschmodul bearbeitet. Nun können durch dieses Bandpassfiltermodul außerhalb des Bands liegenden Blocker und Rauschen unterdrückt werden. 6 zeigt eine Ausführung eines digitalen Bandpassfiltermoduls 303. In einer Ausführung ist der Bandpassfilter an der IF-Frequenz zentriert und hat eine Bandbreite von angenähert 1 MHz an beiden Seiten. In anderen Ausführungen kann sich die Bandbreite des Bandpassfilters in Abhängigkeit von der Eigenschaft des IF-Signals verändern. Wenn z. B. das IF-Signal relativ sauber ist, dann kann die Bandbreite des Bandpassfilters an jeder Seite größer sein als 1 MHz, was ein gefiltertes IF-Signal mit besserer Auflösung ergeben kann. Da sich die IF-Frequenz in Abhängigkeit vom Referenzkristall verändern kann, sind die Filterkoeffizienten h(0)–h(12) nicht fest. Daher werden anstelle von hartcodierten Abgriffen Multiplizierer verwendet. Die Filterkoeffizienten, die in den Finite-Impulsantwort (FIR)-Filter 604 eingegeben werden, sind 8 Bits (s0,8). Die Multiplizierer sind s6,1 mal s0,8, und die Ausgabe ist s6,9. Ähnlich ist das Ergebnis von dem FIR-Filter 604 s6,1.
Das Bandpassfiltermodul 303 kann basierend auf den Blocker- und Rauschunterdrückungsanforderungen ein- oder ausgeschaltet werden. Die Filterkoeffizienten können durch Software konfiguriert werden. Mit dreizehn Abgriffen kann man das außerhalb des Bands liegende Signal mit angenähert 30 dB dämpfen. In anderen Ausführungen können andere Signale von Abgriffen und andere Filterkoeffizienten implementiert werden, um die gewünschte Frequenzantwort zu bekommen.
In einer alternativen Ausführung kann das Bandpassfiltermodul 303 in einen Tiefpassfilter implementiert werden. In dieser Ausführung können die Daten von dem DC-Schätz- und Löschmodul gemischt oder digital gedreht werden, um ein Signal zu erzeugen, das an oder in der Nähe von DC zentriert sein kann. Dieses Signal kann, anstelle eines Bandpassfilters, mit einem Tiefpassfilter gefiltert werden. In einigen Ausführungen können zwei Tiefpassfilter verwendet werden, um In-Phase- und Quadratursignale zu filtern, die an oder in der Nähe von DC zentriert sein können.
Das gefilterte Signal wird dann von einem Skalierungs- und Trunkationsmodul skaliert und tunkiert. Die Funktion des Skalierungs- und Trunkierungsmoduls ist es, das Signal so zuzumessen, dass es am besten in den 2-Bit-Signalausgang vom digitalen Frontend passt. Das Ausgangssignal von dem digitalen Frontend wird auf zwei Bits skaliert und hinunter trunkiert, so dass es mit herkömmlichen Erfassungs- und Verfolgermaschinen benutzt werden kann, die zur Arbeit auf zwei Bits konstruiert worden sind. In anderen Ausführungen kann das Skalierungs- und Trunkationsmodul dazu benutzt werden, das Signal auf eine andere Anzahl von Ausgabebits zu skalieren und trunkieren. 7 zeigt eine Ausführung des Skalierungs- und Trunkationsmoduls 304. Dieses Modul 304 ist immer eingeschaltet. Es skaliert und trunkiert das Signal von dem s6,1 bis 2 Bits oder vier Ebenen, {–3, –1, +1, +3}. Aufgrund der Nichtlinearität des ADC ist der effektive ADC Quantifizierungsfehler größer als 1/2 LSB. Demzufolge wird das Signal ein Bit höher bemessen als der Nennwert am ADC-Ausgang. Durch das Hinunterskalieren des Signals werden verrauschte niedrigere Bits verworfen, und der Dynamikbereich wird verringert. Der Skalierungsfaktor kann mittels der folgenden Formel berechnet werden:
wobei DFE_size_desired (dB) die gewünschte Signalleistung relativ zum Maximum am DFE-Ausgang ist, ADC-size_desired (dB) die gewünschte Signalleistung relativ zum Maximum am ADC-Ausgang ist, und N die Anzahl der ADC-Bits ist. Übrigens sind 3 und 2^N-1 die maximale Ausgabe jeweils am DFE und ADC.
Zwei separate Parameter, ADC_size_desired und DFE_size_desired, werden dazu benutzt, um eine größere Freiheit bei der Steuerung der Signalzumessung zu erzielen, um das Quantifizierungsrauschen und die Blockertoleranz in Ausgleich zu bringen. Im Ergebnis ist der Skalierungsfaktor nicht konstant und sollte mit Software berechnet und zur Hardware weitergeleitet werden. Um einen breiten Dynamikbereich unterzubringen, wird der Skalierungsfaktor im Format von (Mantisse, Exponent) spezifiziert, wobei die Mantisse zwischen 0,5 und 1 liegt und durch sechs fraktionelle Bits (u0,6) repräsentiert ist. Der Exponent ist eine ganze Zahl zwischen Null und sieben (u3,0).
Die Skalierung sollte als Multiplizierer implementiert werden, gefolgt von einem Bitverschieber 701. Der Multiplizierer multipliziert die Eingabe mit der Mantisse (s6,1 Mal u0,6) und die Ausgabe ist s6,7. Der Bitverschieber 701 verschiebt das Ergebnis nach rechts um den Betrag, der durch den Exponenten (0 bis 7 Bits) spezifiziert ist. Nach dem Skalieren wird das Signal durch den Trunkationsblock 702 auf vier Ebenen trunkiert, {–3, –1, +1, +3}, mit dem folgenden Mapping: (0,2) gemappt auf 1; (2 und darüber) gemappt auf 3; (–2 und darunter) gemappt auf –3; und (–2,0) gemappt auf –1. Die vier Ebenen sind durch 2 Bits im Format von (Vorzeichen, Magnitude) repräsentiert), wobei ein Magnitudenbit = 0 bedeutet, dass die Amplitude 1 ist und ein Magnitudenbit = 1 bedeutet, dass die Amplitude 3 ist. Dieses Format wird gewählt, so dass es mit vielen GPS-Empfängern kompatibel ist. Andere Ausführungen enthalten andere Trunkationsformate, in Anpassung an verschiedene Typen von GPS-Empfängern. Das Ausgangssignal von dem Skalierungs- und Trunkationsmodul 304 wird zur Bearbeitung in den digitalen Abschnitt 204 geleitet.
In einer Ausführung arbeiten die verschiedenen Module 301–304 des digitalen Frontends 203 gemäß einem Zeitdiagramm, wie es in 8 gezeigt ist. Das Zeitdiagramm ist in vier Blöcke 801–804 unterteilt. Der erste Block 801 wird als Übergangsperiode mit ungültigen Daten nach einem Rücksetzen der Hardware oder einer Verstärkungsänderung beiseite gelegt, wodurch kein Betrieb stattfindet. Um eine Interferenz von einer Störung an der DC-Schätzung zu vermeiden, die potentiell ein Problem werden könnte, wenn die Störung in der Nähe von DC liegt, wird die DC-Schätzung durchgeführt, nachdem die Störungslöschung stattgefunden hat (wenn das Störungsschätz- und Löschmodul in Betrieb ist). In anderen Worten, der zweite Block 802 dient zur Störungsschätzung. Der dritte Block 803 dient zur Störungslöschung und zur DC-Schätzung. Der vierte Block 804 und alle nachfolgenden Blöcke haben sowohl Störungs- als auch DC-Löschung und können auch zur Leistungsmessung der automatischen Verstärkungssteuerung (AGC) verwendet werden.
Die Störungs- und DC-Schätzung läuft nach dem Rücksetzen der Hardware und vor jeder AGC-Leistungsmessung. Danach wird die Schätzung nach der bestimmten Anzahl von Blöcken periodisch wiederholt. Wenn die Periode auf Null gesetzt wird, läuft die Schätzung nur einmal und wird nicht wiederholt. Wenn die Periode eins ist, dann wird die Schätzung für jeden Block oder kontinuierlich ausgeführt. Der AGC-Betrieb wird periodisch durchgefühhrt. Vor dem Beginn der nächsten AGC-Messung läuft die Störungs- und DC-Schätzung. Wenn die Störungs- oder DC-Schätzung hierbei losgeht, wird der Schätzer rückgesetzt und es wird eine neue Schätzung gestartet.
In einer Ausführung wird ein intelligenter Störungsdetektor und -löscher implementiert. Der Normalbetrieb des Störungsschätz- und Löschmoduls nimmt an, dass die Störungsfrequenz bekannt ist und auf den Empfängertakt gesperrt ist. Dies gilt für vom Empfänger erzeugte Störungen, was das häufigste Szenario ist. Jedoch in Fällen von externer Störung, wobei die Störungsfrequenz unbekannt oder asynchron mit dem Empfänger ist, eine intelligente Störungsdetektor- und Löschmethode implementiert werden. In Bezug auf 9 ist der Prozess für eine Ausführung eines intelligenten Störungsdetektors und -löschers gezeigt. Der erste Schritt 901 erfasst, ob eine Störung vorhanden ist. Wenn eine starke Störung vorhanden ist, wird die von der Suchmaschine durchgeführte Korrelation periodische falsche Peaks finden, typischerweise mit Abstand von 1 kHz. In Schritt 902 wird das angenäherte Störungsfrequenzmodulo 1 kHz aus dem Lesen der falschen Peakorte geschätzt. Dann löst der Schritt 903 die kHz Vieldeutigkeit auf, durch Schleifung durch die Störungsamplitudenschätzung bei jeder möglichen Störungsfrequenz. Die maximale Amplitude entspricht der aktuellen Frequenz, Schritt 904. Schritt 905 schätzt die Störungsamplitude und Phase und löscht die Störung mit der existierenden Hardware. Schritt 906 verfeinert und verfolgt die Störungsfrequenz durch die Überwachung der Änderung in nachfolgenden Störungsschätzungen.
Ein Satellitennavigationsempfänger mit einem digitalen Frontend ist nun offenbart worden. Obwohl illustrative Ausführungen der Erfindung im Detail in Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben worden sind, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf diese präzise Ausführung beschränkt ist. Sie sollen nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die offenbarten präzisen Formen einschränken. Insofern werden zahlreiche Modifikationen und Varianten ersichtlich. Dementsprechend soll der Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente definiert sein.
Zusammenfassung
Ein Satellitennavigationsempfänger hat ein digitales Frontend. Der Satellitennavigationsempfänger enthält einen analogen Abschnitt zum Empfangen, Verstärken und Filtern eines Satellitennavigationssignals. Das digitale Frontend ist mit dem analogen Abschnitt gekoppelt und dient zur Durchführung von digitaler Signalverarbeitung an dem Satellitennavigationssignal, bevor es zu den Erfassungs- und Verfolgermaschinen geleitet wird. Durch Abladen einiger der Funktionen von dem analogen Abschnitt zu dem digitalen Frontend, kann der analoge Abschnitt kleiner und billiger gemacht werden und kann weniger Strom verbrauchen. Darüberhinaus können zusätzliche Funktionalitäten zu dem digitalen Frontend hinzugefügt werden, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Da das digitale Frontend aus einer digitalen Schaltung gebildet ist, werden mit Fortschritten in Halbleiterherstellungstechniken Größe, Kosten und Strom verringert.

Claims

Satellitennavigationsempfänger umfassend: einen analogen Abschnitt zum Empfangen, Verstärken und Filtern eines Satellitennavigationssignals; ein digitales Frontend, das mit dem analogen Abschnitt gekoppelt ist und an dem Satellitennavigationssignal digitale Signalverarbeitung durchführt; eine Erfassungsmaschine, die mit dem digitalen Frontend gekoppelt ist und das Satellitennavigationssignal erfasst; eine Verfolgermaschine, die mit dem digitalen Frontend gekoppelt ist und ein erfasstes Satellitennavigationssignal verfolgt; einen Prozessor, der mit der Erfassungsmaschine und der Verfolgermaschine gekoppelt ist und Positionsinformation bereitstellt.
Der Satellitennavigationsempfänger von Anspruch 1, worin das digitale Frontend eine Störungsschätz- und Löschschaltung enthält.
Der Satellitennavigationsempfänger von Anspruch 2, worin die Störungs- Schätz- und Löschschaltung eine Amplitude und Phase einer Störung schätzt, die Störung rekonstruiert und die Störung von dem Satellitennavigationssignal subtrahiert.
Der Satellitennavigationsempfänger von Anspruch 1, worin das digitale Frontend eine DC-Schätz- und Löschschaltung enthält.
Der Satellitennavigationsempfänger von Anspruch 4, worin die DC-Schätzung aus einem durch eine Abtastzählung normalisierten Akkumulator gebildet ist.
Der Satellitennavigationsempfänger von Anspruch 1, worin das digitale Frontend einen digitalen Bandpassfilter enthält.
Der Satellitennavigationsempfänger von Anspruch 6, worin der digitale Bandpassfilter einen Finite-Impulsantwort-Filter aufweist.
Der Satellitennavigationsempfänger von Anspruch 7, worin der Finite-Impulsantwort-Filter softwarekonfigurierbare Filterkoeffizienten aufweist.
Der Satellitennavigationsempfänger von Anspruch 1, worin das digitale Frontend eine Skalierungs- und Trunkationsschaltung enthält.
Der Satellitennavigationsempfänger von Anspruch 9, worin die Skalierungs- und Trunkationsschaltung gemäß einer Funktion mit zwei Parametern skaliert, die aus einer gewünschten Signalleistung relativ zur maximalen Leistung am Ausgang des digitalen Frontends und einer gewünschten Signalleistung relativ zur maximalen Leistung an einer Ausgabe eines Ausgangs eines Analog/Digitalwandlers gebildet sind.
Der Satellitennavigationsempfänger von Anspruch 1, worin ein 8-Bit Digitalsignal in das digitale Frontend eingegeben wird und ein 2-Bit-Signal von dem digitalen Frontend ausgegeben wird.
Der Satellitennavigationsempfänger von Anspruch 1, worin ein digitales N-Bit-Signal in das digitale Frontend eingegeben wird und ein 2-Bit-Signal von dem digitalen Frontend ausgegeben wird, wobei N > 2.
Der Satellitennavigationsempfänger von Anspruch 1, worin das digitale Frontend umfasst: ein Störungsschätz- und Löschmodul; ein DC-Schätz- und Löschmodul, das mit dem Störungsschätz- und Löschmodul gekoppelt ist; einen Bandpassfilter, der mit dem DC-Schätz- und Löschmodul gekoppelt ist; ein Skalierungs- und Trunkationsmodul, das mit dem Bandpassfilter gekoppelt ist, worin: die Störungsschätzung vor der Störungslöschung erfolgt; die DC-Schätzung, der die DC-Löschung folgt, nach der Störungsschätzung und gleichzeitig mit der Störungslöschung erfolgt; die AGC-Leistungsmessung nach der DC-Schätzung und gleichzeitig mit der DC-Löschung erfolgt.
Verfahren zur Durchführung von digitaler Signalverarbeitung in einem Satellitennavigationsempfänger, umfassend: Verstärken eines Navigationssignals; Herunterwandeln des Navigationssignals zu einem analogen IF-Signal; Filtern des analogen IF-Signals; Umwandeln des analogen IF-Signals in ein äquivalentes digitales IF-Signal; Durchführen von digitaler Prozessverarbeitung an dem digitalen IF-Signal, bevor eine Erfassung und Verfolgung durchgeführt wird.
Das Verfahren von Anspruch 14, worin die digitale Signalverarbeitung umfasst: Schätzen einer Störung; Löschen der Störung.
Das Verfahren von Anspruch 14, worin die digitale Signalverarbeitung umfasst: Schätzen einer Amplitude und Phase einer Störung; Rekonstruieren der Störung; Subtrahieren einer rekonstruierten Störung.
Das Verfahren von Anspruch 14, worin die digitale Signalverarbeitung umfasst: Schätzen eines DC-Signals; Löschen des DC-Signals.
Das Verfahren von Anspruch 17, worin das Schätzen des DC-Signals umfasst, einen Block von durch eine Abtastzählung normalisierten Abtastungen zu akkumulieren.
Das Verfahren von Anspruch 14, worin die digitale Signalverarbeitung eine Bandpassfilterung umfasst.
Das Verfahren von Anspruch 19, das ferner umfasst: Eingeben von programmierbaren Filterkoeffizienten in eine Mehrzahl von Abgriffen entsprechend einem digitalen Bandpassfilter mit finiter Impulsantwort.
Das Verfahren von Anspruch 14, worin die digitale Signalverarbeitung umfasst: Skalieren des digitalen IF-Signals; Trunkieren des digitalen IF-Signals.
Das Verfahren von Anspruch 14, das ferner umfasst: Umwandeln des digitalen IF-Signals in ein N-Bit-Signal; Durchführen der digitalen Signalverarbeitung an dem N-Bit-Signal, worin ein Signal mit weniger als N-Bits in eine Erfassungsschaltung eingegeben wird.
Das Verfahren von Anspruch 14, welches ferner umfasst: Schätzen einer Störung; Löschen der Störung nach Schätzung der Störung; Schätzen einer DC-Komponente gleichzeitig mit dem Löschen der Störung; Löschen der DC-Komponente nach dem Schätzen der DC-Komponente; Durchführen einer AGC-Leistungsmessung gleichzeitig mit dem Löschen der DC-Komponente.
Empfänger umfassend: eine Antenne zum Empfangen eines HF-Signals; einen Verstärker, der mit der Antenne gekoppelt ist, um das HF-Signal zu verstärken; einen Mischer und Oszillator, der mit dem Verstärker gekoppelt ist und das HF-Signal in ein analoges IF-Signal herunterwandelt; einen Filter, der mit dem Mischer und Oszillator gekoppelt ist und das analoge IF-Signal filtert; einen Analog/Digitalwandler, der mit dem Filter gekoppelt ist und das analoge IF-Signal in ein digitales IF-Signal umwandelt; eine Erfassungsschaltung, die mit dem Analog/Digitalwandler gekoppelt ist; eine digitale Schaltung, die zwischen dem Analog/Digitalwandler und der Erfassungsschaltung angeschlossen ist, worin die digitale Schaltung an dem digitalen IF-Signal eine digitale Signalverarbeitung durchführt.
Der Empfänger von Anspruch 24, worin die digitale Signalverarbeitung umfasst, eine Störung zu löschen.
Der Empfänger von Anspruch 24, worin die digitale Signalverarbeitung umfasst, DC zu löschen.
Der Empfänger von Anspruch 24, worin die digitale Signalverarbeitung eine digitale Bandpassfilterung aufweist.
Der Empfänger von Anspruch 24, worin die digitale Signalverarbeitung das Skalieren des digitalen IF-Signals aufweist.
Der Empfänger von Anspruch 24, worin die digitale Signalverarbeitung das Trunkieren des digitalen IF-Signals aufweist.
Verfahren zum Erfassen und Löschen einer Störung in einem Satellitennavigationsempfänger, welches umfasst: Durchführen eines Korrelationsprozesses zum Bestimmen, ob periodische falsche Peaks vorhanden sind; Schätzen von angenäherten Störungsfrequenzen durch Lesen von falschen Peakorten; Bestimmen einer maximalen Amplitude aus einer Mehrzahl von geschätzten Störungsfrequenzen, worin die maximale Amplitude eine aktuelle Störungsfrequenz identifiziert; Schätzen einer Störungsamplitude und einer Störungsphase; Erzeugen einer rekonstruierten Störung basierend auf der Störungsfrequenz, der Störungsamplitude und der Störungsphase; Löschen der Störung durch Subtrahieren der rekonstruierten Störung.