JP2002531965A - Ｄｓ−ｃｄｍａ信号用受信機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 直接拡散符号分割多元接続（ＤＳ−ＣＤＭＡ）信号用、特にＧＰＳ信号用受信機は、複数の相関器を含む。前記相関器は、倍数遅延および合計回路（２９）を含み、この回路は、受信信号の相互にオフセットされたバージョンを発生し、これらのバージョンは合計され、拡散符号と相関される。代わりに、要素（３９）は、符号ＮＣＯ（２６）の出力信号を受け、これから拡散符号の多数のオフセットバージョンを発生し、これらのバージョンは一緒に合計され、前記受信信号と相関される。相関は、前記多数のオフセット受信信号のいずれかが局所的に発生された拡散符号と相関するか、前記オフセット拡散符号のいずれかが前記受信信号と相関する場合達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、直接拡散符号分割多元接続（ＤＳ−ＣＤＭＡ）信号用受信機に関す
る。本発明は、特に、しかし、排他的にではなく、ＧＰＳ信号を受信するこのよ
うな受信機に関する。これに関して、ＧＰＳという用語は、米国の広域測位シス
テムだけでなく、ロシアの広域人工衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）や、将来に
おいて確立するかもしれないどのような他の同等のシステムも含むとする。

【０００２】 米国ＧＰＳシステムは、２４台の地球低軌道人工衛星の基準配置を使用し、地
球表面のどこの位置も与える。前記人工衛星は、これらの位置およびタイミング
情報を、直接スペクトル拡散信号を使用して送信する。現在、２つの周波数が完
全なシステムにおいて使用されているが、低コストの民生用に関しては、搬送波
は１５７５ＭＨｚである。前記人工衛星の軌道は、少なくとも５台の人工衛星が
、何時でもどこで見ても、空に明らかに見えるように設計される。完全な位置決
めに必要な最小数の人工衛星は、４台である。３つの未知の空間ディメンジョン
と、受信機クロックと人工衛星クロックとの間の不確かさとを解決する必要があ
る。

【０００３】 前記人工衛星のすべては、前記同じ周波数において、異なった擬似ランダムノ
イズ（ＰＲＮ）符号を使用して送信する。したがって、すべての前記信号の下方
変換を、信号フロントエンド段を使用して並行に行うことができる。多チャンネ
ルへの分離を、ベースバンドにおいて行うことができ、これは通常、ディジタル
領域において行われている。

【０００４】 ＧＰＳ信号は、スペクトル拡散ＤＳ−ＣＤＭＡ信号である。データをこの信号
から回収するために、前記信号を送信するのに使用されたＰＲＮ符号の複製と相
関させなければならない。この複製は既知であるが、前記符号が受信される周波
数と、前記符号の正確なタイミングとは、未知である。

【０００５】 ＧＰＳ信号を見つける標準的な技術は、搬送波周波数および符号位相空間にお
ける二次元探索を行うことである。これは、相関器を監視している間、可能な周
波数を選択することと、前記符号を１０２３の可能な位相においてシフトさせる
こととを含む。前記符号が見つからない場合、位相シフトを、相関が位置決めさ
れるまで、わずかに異なる周波数に関して繰り返さなければならない。全体の処
理は、元々選択された周波数および符号位相の正確な値にどの程度近づけるかに
応じて、完了するのに多くの秒数が掛かるかもしれない。探索する最適な順序お
よびパターンを決定するのに、種々のアルゴリズムが使用されている。

【０００６】 最初に固定する時間と、再捕捉する時間の双方は、ユーザに最も明白なパラメ
ータであるため、消費者向けＧＰＳシステムの性能の決定的な測定である。した
がって、基本的な問題は、逆拡散する前にノイズフロアの下にあるスペクトル拡
散信号の最も速い位置決めである。ＧＰＳ受信機は、通常、異なった人工衛星を
並行して捕捉することができる多数のチャネル、例えば、８または１２チャネル
を具える。したがって、いくつかの人工衛星からの信号を捕捉するのに掛かる時
間は、一台の人工衛星からの信号を捕捉するのに掛かる時間より意味のあるほど
長くはない。完全に明らかに、この技術を拡張し、１台の人工衛星からの信号を
捕捉するのに必要な時間を短縮することができる。たとえば、可能な周波数を選
択したことによって、前記符号を、相関器を監視しながら、１０２３の可能な周
波数を通じて上昇させることは既に記載した。完全に明らかに、１０２３の相関
器が各チャネルにおいて与えられ、各々が、各周波数に関して１チップ周期だけ
他からオフセットされる場合、ＰＲＮ符号を送信するのに掛かる時間だけが、そ
の符号の検出に関して必要である。しかしながら、これは、回路量における大幅
な増加を必要とし、したがって高価になる。

【０００７】 米国特許明細書第５６００６７０号は、ＧＰＳ受信システムのチャネルを捕捉
モード中に直接割り当て、スレーブチャネルモジュールをマスタチャネルに階層
的に繋ぐＧＰＳ受信機を開示している。各チャネル回路は、２つの相関器を含み
、各相関器はディジタル化された受信ＧＰＳ信号と、遅延された局所ＰＲＮ基準
符号信号とを受け、出力信号をアキュムレータに供給する。捕捉中、前記システ
ムは２つの相関器チャネルを与え、合計４つの相関器に関して、各チャネルは２
つの相関器を含む。ＰＲＮ基準符号信号を漸進的に遅延し、漸進的に遅延された
ＰＲＮ基準符号信号の列を与え、前記漸進的に遅延されたＰＲＮ基準符号信号の
列のうち１つを前記相関器の各々に用いる。各相関器チャネルは、ディジタル化
ＧＰＳ ＩＦ信号およびディジタル搬送基準信号を受け、ディジタル化受信ＧＰ
Ｓ信号を供給するディジタルミキサも含む。これは、前の節において言及した解
決法と同様であるが、ＰＲＮ基準信号の限定された数の遅延されたバージョンの
みが、どのくらい多くの相関器かに応じて使用され、すなわち、トラッキングお
よび捕捉に現在使用されていないものが前記受信機において利用可能である点に
おいて、ハードウェアがより安価である。

【０００８】 本発明の目的は、チャネルあたりの回路網の量を過大に必要とすることなしに
、符号探索の実際の速度を向上し、したがって、人工衛星信号に最初に固定する
時間と再捕捉する時間とを短縮することである。

【０００９】 本発明は、直接拡散符号分割多元接続信号（ＤＳ−ＣＤＭＡ）用受信機におい
て、少なくとも１つの相関器チャネルを具え、前記相関器チャネルが、各々がチ
ップ周期の整数倍だけ相互にオフセットされた前記拡散符号の複数のバージョン
を発生する手段と、前記複数の拡散符号を合計する手段と、前記受信信号を前記
合計された拡散符号と相関させる手段とを具えることを特徴とする受信機を提供
する。

【００１０】 本発明は、直接拡散符号分割多元接続信号（ＤＳ−ＣＤＭＡ）用受信機におい
て、少なくとも１つの相関器チャネルを具え、前記相関器チャネルが、各々がチ
ップ周期の整数倍だけ遅延された前記受信信号の複数の遅延バージョンを発生す
る手段と、前記受信信号の複数の遅延バージョンを合計する手段と、前記合計さ
れた受信信号を前記拡散符号と相関させる手段とを具えることを特徴とする受信
機をさらに提供する。

【００１１】 本発明は、第１の場合において、受信信号がオフセット拡散符号のいずれかに
対応する場合、相関が形成されるということに基づいている。したがって、いく
つかの符号部分を同時に探索することができる。同様に、受信信号の複数の遅延
バージョンを合計し、拡散符号と相関させた場合、逆拡散において、逆拡散符号
が遅延成分のいずれかと一致する場合、相関が形成される。したがって、いずれ
の場合においても、いくつかの符号部分を同時に探索することができる。遅延信
号の拡散符号との相関と、信号の進行符号との相関との間の概念的な違いはない
ことは理解されるであろう。これら２つの解決法に必要なハードウェアは、もち
ろんある程度異なる。

【００１２】 前記整数倍を１としてもよい。この場合、可能な符号空間のブロックを同時に
検査する。したがって、例えば、１０の合計された遅延受信信号か、１０の合計
されたオフセット符号がある場合、符号空間探索時間は、ほぼ１０分の１に短縮
される。もちろん、得られてしまっているであろうものが、正しい相関が一緒に
チェックされたグループの中にあるという事実であるという点で、正しい符号相
関を見いだす若干の追加の時間がもちろんあるであろう。このグループのどのメ
ンバーが実際の相関を発生したかを決定する必要がある。この多チップ遅延の代
案により、結果として空間の別個の領域が同時に探索される。これらの２つのイ
ンプリメンテーションの間には、どのグループのメンバーが正しい相関を生じる
かを解決するために、前者が恐らくより少ないハードウェアまたは複雑でないソ
フトウェアを必要とするであろうこと以外、原則として差はない。

【００１３】 前記拡散符号のバージョン数または前記受信信号の遅延バージョン数は、前記
受信信号の実際のまたは予想強度に応じてもよい。

【００１４】 信号対ノイズ比は、捕捉すべき信号を送信している人工衛星の位置に依存し、
強信号および弱信号間で７ｄＢまで異なってもよい。前に使用した基本的な探索
アルゴリズムは、強信号と弱信号とを区別せず、弱信号を捕捉するために、強信
号を捕捉するのに必要なよりも長い時間を使用する。したがって、前記信号のよ
り多くの遅延バージョンと拡散符号との間、または、より多くのオフセット拡散
符号と前記信号との間の相関を試みることによって、信号対ノイズ比が高い場合
、強信号を捕捉する時間は、弱信号を捕捉するのに必要なよりも短くなる。

【００１５】 本発明は、複数の人工衛星からの信号にロックオンする複数の受信チャネルを
有する上述した請求項のいずれか１項に記載した受信機と、前記受信機の位置を
前記人工衛星から受信した信号を処理することによって計算する手段とを具える
ＧＰＳ受信機をさらに提供する。

【００１６】 本発明は、ＧＰＳ受信機における特定の用途を有し、ここで、（他の位置情報
が利用できないとして、信号を少なくとも４台の人工衛星から得ることを必要と
する）位置を捕捉する時間は、頻繁にユーザにとってきわめて重要であるパラメ
ータである。大部分の場合において、前記人工衛星からの信号が並行して捕捉さ
れるが、前記位置計算を行なうことができる前に、４つの信号すべてを得る必要
がある。さらに、最初に人工衛星を捕捉するとき、より素早く符号空間を走査す
ることのどんなパフォーマンス利得も、さらに検索されなければならない周波数
の数によって増えるであろう。

【００１７】 本発明の上記および他の特徴および利点は、添付した図面の参照と共に、本発
明の実施形態の例としての以下の記載から明らかになるであろう。

【００１８】 図１は、入力信号を増幅する低ノイズ増幅器２の入力部に結合されたアンテナ
１を具える代表的なＧＰＳ受信機をブロック図の形態において示す。この信号は
、１５７５ＭＨｚの周波数において中心がある通過帯域を有するバンドパスフィ
ルタ３を通過する。前記バンドパスフィルタの出力信号をミキサ４の第１入力部
に供給し、このミキサ４の第２入力部には局所発振器５から供給する。結果とし
て得られた出力信号を第１中間周波数バンドパスフィルタ６に供給し、この第１
中間周波数バンドパスフィルタは、４２ＭＨｚの周波数において中心がある通過
帯域を有する。バンドパスフィルタ６の出力信号を第２ミキサ７の第１入力部に
供給し、この第２ミキサ７の第２入力部に局所発振器５によって分周器８を経て
供給する。ミキサ７の出力信号を、アナログ−ディジタル変換器１０の入力部に
出力部を接続されたロウパスフィルタ９を経て供給する。アナログ−ディジタル
変換器１０の出力信号を相関器のバンク１１に供給する。マイクロプロセッサ１
２は、前記相関器の動作を制御し、これらから出力信号を受ける。マイクロプロ
セッサ１２は、また、前記相関器から受けたデータから、前記受信機の位置を計
算する。

【００１９】 すべての人工衛星は、異なったＰＲＮ符号を使用して同じ周波数において送信
する。したがって、すべての信号の下方変換を、１つのフロントエンド段を使用
して並行して行うことができ、多チャンネルへの分離をベースバンドにおいて行
うことができ、説明した実施形態の場合においては、ディジタル領域で通常行わ
れるが、これは必須ではない。

【００２０】 信号は、アンテナ１において、きわめて弱い広帯域信号として現れる。これを
、最初に低ノイズ増幅器２を使用して増幅する。次に１５７５ＭＨｚ信号を、よ
り扱いやすい中間周波数にミックスダウンする。この時点において、依然として
アナログスペクトル拡散信号である。次に、前記アナログ−ディジタル変換機１
０によって、相関器のバンク１１に適用するためにディジタル信号に変換する。
一般的に、１つの相関器チャネルが同時に追跡すべき人工衛星の各々に必要であ
るが、チャネルの時間多重化が可能である。

【００２１】 前記相関器の捕捉および追跡を、前記位置計算も行うマイクロプロセッサ１２
によって制御する。相関器のバンク１１およびマイクロプロセッサ１２は、いく
つかの機能を行う前記システムのベースバンド部分を形成する。第１は、前記人
工衛星からのＤＳ−ＣＤＭＡ信号と相関することである。これを行うために、正
しい周波数および符号位相を探索し、前記ＤＳ−ＣＤＭＡ信号にロックオンし、
正確なタイミング情報を前記局所符号位相から得る。第２に、暦および天文暦デ
ータのような人工衛星位置データと、人工衛星ビークル状態、大気状態のような
他のデータとに関するデータを前記ＤＣ−ＣＤＭＡ信号からダウンロードする。
第３に、タイミングデータを使用し、追跡ループおよびダウンロードされたデー
タから仮の範囲を計算し、各人工衛星ビークルからの前記範囲を与える。第４に
、地球の適切なモデルを使用して前記位置を計算し、要求された基準系における
位置および速度を計算する。

【００２２】 上述したように、主な問題は、前記人工衛星信号へロックオンすることであり
、これを行うため、周波数および符号空間に関して探索を行わなければならない
。本発明は、符号探索に掛かる時間を短縮することに特に関係する。

【００２３】 図２は、相関器チャネルをブロック図の形態において示す。図２に示すように
、アナログ−ディジタル変換器１０によって発生された信号を受ける入力部２０
を、第１および第２ミキサ回路２１および２２の第１入力部に接続する。ミキサ
２１および２２の第２入力部に、搬送波数値制御発振器（ＮＣＯ）２３の出力信
号を供給する。数値制御発振器２３の２つの出力信号を、互いに直角位相とする
。ミキサ２２および２３の出力信号を、他のミキサ２４および２５の第１入力部
に供給する。符号数値制御発振器（ＮＣＯ）２６は、再び、ミキサ２４および２
５の第２入力部に供給する出力信号を発生する。ミキサ２４および２５の出力信
号を積算およびダンプレジスタ２７および２８に各々供給し、レジスタ２７およ
び２８の出力信号をデータとしてマイクロプロセッサ１２に供給する。マイクロ
プロセッサ１２からの制御出力信号を符号および搬送波ＮＣＯ２３および２６に
供給し、これらの出力周波数を制御する。

【００２４】 点で示す要素２９を省略した場合、ここまで示したものは、ＧＰＳ受信機に関
する標準的な相関器アーキテクチャとなる。

【００２５】 要素２９は、多数の遅延および合計ユニットを具え、図３は、入力部２０と２
つのミキサ２１および２２との間の位置における要素２９としての使用に好適な
このようなユニットを示す。図３に示すように、前記ユニットは、信号入力部２
０に接続された入力部３０と、ミキサ２１および２２の第１入力部に接続された
出力部３１とを有する。入力部３０を、合計回路３３の第１入力部と、多数の遅
延回路３４−１、３４−２ないし３４−Ｎの入力部とに接続する。遅延回路３４
−１ないし３４−Ｎの出力部を、合計回路３３の他の入力部に接続し、合計回路
３３の出力部を出力部３１に接続する。

【００２６】 入力部３０において、ＧＰＳ信号をディジタル化ベースバンド信号に変換する
。この時点において、この信号は、原拡散符号との相関によってのみ再生するこ
とができる擬似ランダム信号である。したがって、遅延および合計回路２９は、
チップ周期としても知られるＰＲＮ符号のビット周期の整数倍だけ遅延された前
記原信号の複製を合計することによる相関の前に新たな信号を発生する。逆拡散
において、逆拡散符号が遅延された成分のいずれか１つに一致する場合、相関が
形成される。このようにして、いくつかの符号位置を同時に探索することができ
る。

【００２７】 追加の遅延成分ごとに、信号対ノイズ比は減少するが、符号空間のすべての１
０２３位置を探索するのに必要な時間も減少する。基本的な信号対ノイズ比計算
は、前記信号の１０までの合計された成分を強信号に使用することができ、符号
空間探索時間において１０分の１まで短縮することができることを示す。

【００２８】 前記信号の１０の遅延バージョンを合計した場合、捕捉の速度を１０倍に増加
することができることを上述した。この係数は、しかしながら、前記符号空間に
おける探索が１０倍速くなっても、実際の信号対ノイズ比が減少するために誤り
相関の数も同様に増加するため、代表的に１０より小さくなる。得られる利益を
減少させる他の要因は、この手順によって得られたすべてが、正しい符号位置が
同時に検査した１０のうちの１つであるという知識であることである。もちろん
、これら１０の信号のうちどれが正確な符号位置であるかを識別する必要がある
。明らかに、これを、前記１０の位置の各１つを順番に調査することによって簡
単に行うことができる。しかしながら、特にバイナリ関連数に関して、正確な位
置の探索を高速化する方法が存在する。例えば、前記信号の相互に遅延されたバ
ージョンが８ある場合、前記８のうち１つが正確な位置であるという知識は、実
際の位置を、前記相関器の他の３つの状態によって得ることを可能にする。第１
に、４つのグループを取り、４つのグループのうちどれに正確な位置があるかを
識別する。次の状態は、正確な位置を含むと識別された前記４つのうち２つのグ
ループを取り、第３状態は、前記２つの残りから正確な位置を含む１つを取る。
このようにして、前記相関器の３つの状態において、どれが正確な遅延位置かを
決定することができる。もちろん、他の数の合計信号または合計拡散符号により
有効な他の探索方法が存在する。

【００２９】 合計される成分間の遅延を、１チップ周期またはチップ周期の倍数とすること
ができる。１チップ周期遅延は、結果として、符号空間のブロックが同時に相関
し、より高速な符号走査速度を可能にする。倍数遅延により、結果として、符号
空間の別個の領域が同時に探索される。これら２つのインプリメンテーション間
に概念上の差異はないが、前者のインプリメンテーションが実行するにはより簡
単であるかもしれない。

【００３０】 上述した遅延信号の拡散符号との相関と、前記信号の進行信号との相関との間
に概念上の違いはない。したがって、符号ＮＣＯ２６の出力信号を受け、これか
ら一緒に合計する前記拡散符号の多数のオフセットバージョンを発生する要素３
９を、符号ＮＣＯ２６とミキサ２４および２５との間に配置することができる。
したがって、前記第２のインプリメンテーションは、原拡散符号の複製をそれ自
身の遅延された複製と合計することによって形成された合成拡散符号を発生する
ことである。

【００３１】 前記拡散符号を、シフトレジスタを使用して形成する。したがって、前記合成
符号を、遅延要素を加算することによってではなく、前記シフトレジスタの種々
の点をタップすることによって発生することができる。これは、必要なハードウ
ェアを減少させることを可能にするかもしれない。次に、ディジタルベースバン
ドＧＰＳ信号を、前記合成拡散符号を使用して拡散させる。最終的な結果は、前
記第１インプリメンテーションと同じである。

【００３２】 いずれの場合においても、合計すべき成分の数を選択可能である。これは、既
知の強信号に関する高速探索と、未知または弱信号に関するより低速の探索を可
能にし、信号対ノイズ比の低減は、誤り相関の数と、真の相関を検知するのに失
敗する可能性とに深刻に影響し、結果として、相関を試みるのにより少ない倍数
成分を使用するか、まったく使用しない場合よりも、捕捉するのにより長い時間
が掛かるかもしれない。

【００３３】 特別な実施形態を、ＧＰＳ信号用受信機に関して説明したが、本発明は、ＤＳ
−ＣＤＭＡ信号用受信機に対してより一般的な用途を有し、同じ利点を送信信号
の捕獲に関して与える。したがって、本発明を一般的な通信受信機に適用するこ
とができ、添付した請求項は、これらの範囲内に、ＧＰＳ受信機に特に限定しな
いこれらのような受信機を含むことを意図している。前記特別な実施形態におい
て、ベースバンド信号処理をディジタル領域において行ったが、これは必須では
ないが、別個のＩＣを前記フロントエンドおよびベースバンド信号処理に使用し
た場合に有利であるかもしれず、適切なアナログ回路を各相関器チャネルにおい
て使用することもでき、この場合において、ＡＤＣ１０は必要なくなる。

【００３４】 本開示を読むことによって、他の変更が当業者には明らかになるであろう。こ
れらのような変更は、特にＧＰＳ無線受信機に限定しない無線受信機およびその
部品の設計および使用において既知であり、ここに記載した特徴の代わり、また
はこれらに追加して使用することができる特徴を含む。請求項を本願において特
徴の特定の組み合わせに対して示したが、本願の開示の範囲は、同じく、いずれ
の請求項において現在記載されているのと同じ発明に関係してもしなくても、本
発明と同じ専門的な問題のいずれかまたはすべてを軽減してもしなくても、個々
に明示的または暗示的に開示したどのような新規の特徴または特徴のどのような
組み合わせ、または、当業者にとって明らかであるであろうこれらの特徴の１つ
またはそれ以上のどのような一般化をも含むことを理解すべきである。本願人は
、本願または本願から得られるどのような他の出願の起訴の間にも、これらのよ
うな特徴および／またはこれらのような特徴の組み合わせに新しいクレームを示
すかもしれないという通知をここに与える。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明を具体化することができるＧＰＳ受信機をブロック図
の形態において示す。

【図２】 図２は、本発明を取り入れた相関器チャネルの実施形態をブロック図
の形態において示す。

【図３】 図３は、図２の相関器チャネルに組み込むのに好適な遅延および合計
回路の実施形態を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １， 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈ ｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ (72)発明者 マルティン エス ウィルコックス オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ Ｆターム(参考） 5J062 AA08 CC07 5K022 EE01 EE31 5K067 AA14 BB36 CC10 EE02 EE07

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直接拡散符号分割多元接続（ＤＳ−ＣＤＭＡ）信号用受信機にお
   いて、少なくとも１つの相関器チャネルを具え、前記相関器チャネルが、各々が
   チップ周期の整数倍だけ相互にオフセットされた前記拡散符号の複数のバージョ
   ンを発生する手段と、前記複数の拡散符号を合計する手段と、前記受信信号を前
   記合計された拡散符号と相関させる手段とを具えることを特徴とする受信機。
2. 【請求項２】 直接拡散符号分割多元接続（ＤＳ−ＣＤＭＡ）信号用受信機にお
   いて、少なくとも１つの相関器チャネルを具え、前記相関器チャネルが、各々が
   チップ周期の整数倍だけ遅延された前記受信信号の複数の遅延バージョンを発生
   する手段と、前記受信信号の複数の遅延バージョンを合計する手段と、前記合計
   された受信信号を前記拡散符号と相関させる手段とを具えることを特徴とする受
   信機。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の受信機において、前記整数倍を１倍と
   したことを特徴とする受信機。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３に記載の受信機において、前記拡散符号の
   バージョン数または前記受信信号の遅延バージョン数が、前記受信信号の実際の
   または予想強度に応じることを特徴とする受信機。
5. 【請求項５】 複数の人工衛星からの信号にロックオンする複数の受信チャネル
   を有する請求項１、２、３または４に記載した受信機と、前記受信機の位置を前
   記人工衛星から受信した信号を処理することによって計算する手段とを具えるＧ
   ＰＳ受信機。