JP2003516701A - ディジタル相関の方法及び装置 - Google Patents

ディジタル相関の方法及び装置

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JP2003516701A JP2001544194A JP2001544194A JP2003516701A JP 2003516701 A JP2003516701 A JP 2003516701A JP 2001544194 A JP2001544194 A JP 2001544194A JP 2001544194 A JP2001544194 A JP 2001544194A JP 2003516701 A JP2003516701 A JP 2003516701A
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Abstract

(57)【要約】 共に一連の数値データ値を含む第１及び第２ディジタル信号を相関させる方法を、コンピュータプログラム、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体(24)、及び装置(21)と共に開示する。この方法は、(a)前記第１ディジタル信号と前記第２ディジタル信号との、対応する数値データ値どうしの積を順次計算して、その累積和を作成するステップと、(b)前記累積和が上限しきい値レベルと下限しきい値レベルの間から偏っていれば、前記累積和を所定量だけ増加または減少させて、前記累積和を前記しきい値レベル間に戻すステップと、(c)相関パラメータを、前記累積和の、前記上限しきい値と下限しきい値の間からの偏りの発生回数の関数として作成するステップとを具えている。前記累積和が前記上限しきい値レベルの上に偏っているか、あるいは前記下限しきい値レベルの下に偏っているかに応じて、前記相関パラメータが増加または減少のいずれかをする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、ディジタル相関の方法、及びディジタル相関用のコンピュータプロ
グラム、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体、及び装置に関するものである
。
【０００２】 （従来技術） ２つのディジタル信号を相関させる必要は、多くの応用で生じる。例えば、全
地球測位システム（ＧＰＳ）を含めたＣＤＭＡ型の受信機では、擬似乱数雑音符
号（ＰＲＮ）と内部的に発生した複製ＰＲＮ符号との間の符号位相誤差を測定し
て、その後にＣＤＭＡ信号を取得して追跡するために、これら２つの符号を相関
させる必要がある。
【０００３】 こうした信号は１ビット、1.5ビット、２ビット、あるいはそれ以上のビット
形式で表現することができる。しかし、より多くのビットを使用するにつれて回
路がより複雑になり、ソフトウエアで実現する場合には、信号を処理するために
、より大きなマイクロプロセッサのパワーが必要になる。既知のディジタル相関
方法は、とりわけ米国特許第4507748号、第4593378号、第5239496号、及び第530
5245号に開示されている。
【０００４】 本発明の目的は、ディジタル相関の有効な代替方法を提供することにある。
【０００５】 （発明の開示） 本発明は、第１信号と第２ディジタル信号が共に一連の数値データ値を含む際
に、これらの信号を相関させる方法、及びこの方法を実行するための処理手段を
有する装置を提供するものであり、この方法は、 (a) 前記第１ディジタル信号と前記第２ディジタル信号との、対応する数値デ
ータ値どうしの積を順次計算して、その累積和を作成するステップと； (b) 前記累積和が上限しきい値レベルと下限しきい値レベルの間から偏ってい
れば、前記累積和を所定量だけ増加または減少させて、前記累積和を前記しきい
値レベル間に戻すステップと； (c) 相関パラメータを、前記累積和の、前記上限しきい値と前記下限しきい値
の間からの偏りの発生回数の関数として作成するステップと を具えている。 こうした方法は、ディジタル相関の有効な代替方法を提供するものである。
【０００６】 好適例では、前記累積和が前記上限しきい値レベルの上に偏っているか、ある
いは前記下限しきい値レベルの下に偏っているかに応じて、前記相関パラメータ
が増加または減少のいずれかをする。
【０００７】 こうした方法では、前記累積和が前記上限しきい値レベルの上に偏っている際
に１だけ増加し、前記累積和が前記下限しきい値レベルの下に偏っている際に１
だけ減少するカウンタとして、前記相関パラメータを好都合に作成することがで
きる。
【０００８】 前記累積和をレジスタに記憶する場合には、このレジスタのアンダーフローま
たはオーバフローのいずれをも許容することによって、前記ステップ(b)を実行
することができる。これは簡略化した処理アーキテクチャを用いて行うことがで
きる。
【０００９】 前記第１信号を、第３信号のより低ビットの表現とするか、あるいはまた、ア
ナログ信号の低ビット表現として、処理をさらに簡略化することができる。
【００１０】 また本発明によれば、目標擬似乱数雑音符号を含む主信号を受信する受信手段
と、前記目標符号に対応する前及び後の複製符号信号を発生して、前記主信号と
、これらの前及び後の複製符号信号とを相関させて、前及び後の相関値をそれぞ
れ戻して、前記目標符号を取得したか否かを特定する符号位相識別子を計算する
ための処理手段とを具えたＧＰＳ受信機において、前記主信号と前記前及び後の
複製符号信号との間の相関を、次のステップ： (a) 前記主信号と前記前及び後信号との、対応する数値データ値どうしの積を
順次計算して、その累積和を作成するステップと； (b) 前記累積和が上限しきい値レベルと下限しきい値レベルの間から偏ってい
れば、前記累積和を所定量だけ増加または減少させて、前記累積和を前記しきい
値レベル間に戻すステップと； (c) 前及び後の相関値を、前記累積和の、前記上限及び下限しきい値の間から
の偏りの発生回数の関数として作成するステップと で実行するＧＰＳ受信機を提供することもできる。
【００１１】 主信号を、目標符号によって変調した搬送波信号として受信する場合には、こ
の方法はさらに、主信号の同相成分（Ｉ）及び直角位相成分（Ｑ）を作成するス
テップを具えることができ、ここで、これらのＩ及びＱ成分の各々を、前記前（
Ｅ）及び後（Ｌ）の複製符号信号と相関させて、それぞれＩE、ＩL、ＱE、及び
ＱLの各相関値を作成し、そして符号位相識別子を、ＩE、ＩL、ＱE、及びＱLの
関数として計算する。
【００１２】 これにより、搬送波の位相同期が正確でない環境において、拡張符号位相相関
を作成することができる。
【００１３】 理想的には、前記累積和が前記上限しきい値レベルの上に偏っているか、ある
いは前記下限しきい値レベルの下に偏っているに応じて、前記前（Ｅ）及び後（
Ｌ）相関値が増加または減少のいずれかをする。こうした状況では、前記前（Ｅ
）及び後（Ｌ）相関値をカウンタにすることができ、前記累積和が前記上限しき
い値レベルの上に偏っている際にはこのカウンタが１だけ増加し、前記累積和が
前記下限しきい値レベルの下に偏っている際にはこのカウンタが１だけ減少する
。
【００１４】 前記累積和をレジスタに記憶させる場合には、このレジスタのアンダーフロー
またはオーバフローのいずれも許容することによって、前記ステップ(b)を実行
することができる。
【００１５】 （発明を実施するための最良の形態） 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。 図１Ａ〜図１Ｅには、２つの信号についての相関の方法を示し、両信号とも20
×2.5ビットのデータ単位から構成される一連の数値データで表現される。図１
Ａの曲線１０で表わす、サンプリングしたサイン波に相当する第１基準信号が供
給されている。この信号を、図１Ｂの曲線１１で表わす第２信号と相関させる。
両信号のそれぞれが、２及び−２の最大値及び最小値を有する。
【００１６】 この方法によれば、第１及び第２ディジタル信号の対応するデータ値どうしを
乗算して、その結果は図１Ｃに示すようになる。上述のものと同じビット表現を
有する第１及び第２信号についての理論的な最大値及び最小値はそれぞれ４及び
−４であるが、図１Ａ及び図１Ｂの第１及び第２信号については、最大値及び最
小値がそれぞれ４及び−２であり、ある程度の相関が見られる。
【００１７】 図１Ｄの曲線１３で表わす、これらの積の修正した累積和を作成し、ここでは
累積和が４を超えるかあるいは−４未満である場合には、この累積和をそれぞれ
４だけ減少するか、あるいは４だけ増加する。
【００１８】 図１Ｅに示す論理型の戻り値を作成し、ここで前記累積和を４だけ減少してい
る場合には１を戻し、前記累積和を４だけ増加している場合には−１を戻し、前
記累積和を修正していない場合はゼロを戻す。そして相関パラメータを、前記論
理型の戻り値の総和として作成し、この論理型の戻り値は、図１Ａ及び図１Ｂに
示す信号を用いれば７に等しくなる。
【００１９】 信号毎及び計算段階毎の個々の値を以下の表１に示す。ここで(＊)は、前記累
積和を修正して、この総和を、それぞれ４及び−４の上限及び下限しきい値の間
に戻していることを表わす。
【表１】
【００２０】 こうして上述した例では、サイン波の2.5ビット表現、及び前記積の最大と最
小がそれぞれ４と−４であり、かつ前記累積和の上限と下限しきい値がそれぞれ
４と−４である信号表現については、論理出力の総計が７になる。これは、真の
総計7.5に相当し、即ち未修正の全累積和(30)を前記しきい値(4)で割った値に等
しい。
【００２１】 図２に、上述した方法を実現可能なコンピュータシステム２１を図式的に示す
。このコンピュータシステムは、中央処理装置（ＣＰＵ）２３を有するプロセッ
サ２２と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２４とを具えている。このコンピ
ュータシステムはさらに、ディスプレイ２５、キーボード２６、マウス２７、及
びフロッピー（Ｒ）ディスク駆動装置２８を具え、これらのすべてが既知の方法
でプロセッサに結合されている。フロッピー（Ｒ）ディスク駆動装置２９には、
本発明による方法を実行する命令から構成されるコンピュータプログラムを記憶
したフロッピー（Ｒ）ディスク２９を用意する。あるいはまた、電子装置におけ
るＲＯＭのように、コンピュータで読み取り可能な他種の記憶媒体及び対応する
ハードウエアを用いることもできる。
【００２２】 こうしたコンピュータシステム２１での本発明による方法の実現は、適切なコ
ンピュータプログラミング及び構成、あるいは両者の組合わせによって、ハード
ウエア、ソフトウエアで直ちに達成することができる。もちろん、こうしたプロ
グラミング及び構成は周知であり、通常の当業者が過度の負担なしに達成するこ
とができる。
【００２３】 前述したようにＧＰＳ受信機では、２つのディジタル信号を相関させる必要が
生じ、ここでは、これら２つの信号間の符号位相誤差を特定してその後にＧＰＳ
信号を取得して追跡するために、擬似乱数雑音符号（ＰＲＮ）を含む入力ＧＰＳ
信号を内部的に発生した複製ＰＲＮ符号と相関させる。これを実現するためのＧ
ＰＳ、方法及び装置のもとになる一般原理は既知である。例えば、編集者Kaplan
、"GPS Principles and Applications"、ISBN 0-89006-793-7、Artech House発
行があり、以下これを"Kaplan"と称する。
【００２４】 周知のように、各NAVSTAR GPS衛星が２つの周波数の搬送波を送信し、これら
は１次周波数1575.42MHzのＬ１、及び２次周波数1227.60MHzのＬ２である。これ
らの周波数の搬送波を、衛星毎に一意のＰＲＮ列を有するスペクトラム拡散符号
によって変調し、またナビゲーションデータメッセージによっても変調する。Ｌ
１信号はコース／取得（Ｃ／Ａ）符号及び精密（Ｐ[Ｙ]）符号の両者によって変
調するが、Ｌ２信号はＰ[Ｙ]符号のみによって変調する。Ｐ[Ｙ]符号は主に軍事
ユーザ用及び特に必要な諸官庁のユーザ用の精密測位サービス（ＰＰＳ）に関係
するが、Ｃ／Ａは現在無制約でアクセスされている標準測位サービス（ＳＰＳ）
に関係する。
【００２５】 図３に、本発明による方法を用いたＧＰＳ受信機を図式的に示す。アンテナ３
０によってＳＰＳ、ＧＰＳ信号を受信して、これらをプリプロセッサ（前処理器
）３１によって前処理し、これは通常、帯域外のＲＦ干渉を最小化するための受
動型帯域通過フィルタリング、前段増幅、中間周波数（ＩＦ）へのダウンコンバ
ーティング、及びアナログ−ディジタル変換を行う。結果的なディジタル化した
ＩＦ信号は変調されたままであり、利用可能な衛星からのすべての情報をまだ含
んでおり、この信号を１２の並列受信チャネル３２（図４にはこうしたチャネル
の１つを示す）に供給する。それぞれのディジタル受信チャネルでは、ナビゲー
ション情報の取得目的用の受信プロセッサ３３と協働して、衛星信号を取得して
追跡する。取得及び追跡用のこうした方法は周知であり、例えばKaplanの第４章
（GPS Satellite signal characteristics）及び第５章（GPS satellite signal
acquisition and tracking）にある。
【００２６】 取得したナビゲーション情報及び送信の到着の時間を用いて、ナビゲーション
プロセッサ３４は、慣例のアルゴリズムを用いて受信機の位置を計算して、この
位置をディスプレイ３５上に、ユーザに向けて表示する。
【００２７】 プリプロセッサ３１は通常、ディジタル受信チャネル３２を有するフロントエ
ンドのアナログ回路の形態で実現し、受信プロセッサ３３及びナビゲーションプ
ロセッサ３４は、汎用マイクロプロセッサまたはＧＰＳ用途向け集積回路（ＡＳ
ＩＣ）内に埋め込んだマイクロプロセッサによって実現する。
【００２８】 図４に、受信プロセッサと協働する受信チャネルを詳細に示す。入力信号上の
情報を検索するためには搬送波（ＣＷ）を除去しなければならず、このことは、
搬送波発生器４１を用いて同相（Ｉ）及び直角位相（Ｑ）の複製搬送波信号を発
生する受信機によって行う。この複製搬送波は受信信号と同一周波数を有するこ
とが理想的であるが、受信機と軌道衛星との間の相対移動によって発生するドッ
プラーシフトのために、受信機で受信されるＧＰＳ信号の周波数は通常、正確な
衛星送信周波数とは異なる。受信した搬送波の周波数を正確に複製するために、
慣例の搬送波位相同期ループ（ＰＬＬ）を採用することができる。搬送波のドッ
プラーシフト、及び符号位相識別子へのドップラーシフト関連の影響はかなり小
さいので、望ましくはないが、搬送波位相同期ループ段を完全に省略することが
可能である。
【００２９】 符号位相同期を獲得するために、符号発生器４２によって、ＰＲＮ列の前（Ｅ
）、即時（Ｐ）、及び後の複製符号を、受信した搬送波（即ち正のドップラー）
に関連する周波数で連続的に発生する。次に本発明による方法を用いて、この複
製符号をＩ及びＱ信号と相関させて、通常、積分器４３でのＰＲＮ符号のほぼ全
体にわたる積分によって、３つの同相相関成分（ＩE、ＩL、ＩP）及び３つの直
角位相相関成分（ＱE、ＱL、ＱP）を生成する。
【００３０】 この相関の方法は、 まず、主信号と前及び後信号との、対応する数値データ値どうしの積を順次計
算して、その累積和を作成するステップと、 次に、前記累積和が上限しきい値レベルと下限しきい値レベルの間から偏って
いれば、前記累積和を所定量だけ増加または減少させて、前記累積和を前記しき
い値レベル間に戻すステップと、 最後に、前及び後の相関値を、前記累積和の、前記上限しきい値と前記下限し
きい値の間からの偏りの発生回数のカウンタとして作成するステップとを具え、
前記累積和が前記上限しきい値レベルの上に偏っている際にはこのカウンタが１
だけ増加し、前記累積和が前記下限しきい値レベルの下に偏っている際にはこの
カウンタが１だけ減少する。
【００３１】 受信プロセッサ４４では、式１により符号位相識別子を計算する。 ＣＰＤ＝Σ(ＩE＋ＱE)2−Σ(ＩL＋ＱL)2 （式１） ここでは、目標符号のほぼ全体にわたって総計を行う。 次に、符号位相識別子に対してしきい値テスト（判定）を行い、符号位相識別
子がハイである場合には位相整合を宣言する。ハイでない場合には、符号発生器
が、単一チップだけ位相を進めた次の一連の複製を発生して、符号位相識別子を
再計算する。いずれの位相整合の宣言も識別子を再計算することによって有効に
なる。線形位相の掃引により結局、入力ＰＲＮ符号が内部的に発生した複製の符
号に同期して、これにより符号が取得される。
【００３２】 さらに、本発明の教示が、前述したコンピュータシステムまたはＧＰＳ受信機
だけでなく、処理手段を具えた他の種類の装置にも当てはまることは当業者にと
って明らかである。例えば、独立した相関装置内のディジタル論理回路を用いて
本発明を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１Ａ〜図１Ｅは、本発明による方法を示す図である。
【図２】 図１Ａ〜図１Ｅに示す方法を実現可能なコンピュータシステムを図式
的に示す図である。
【図３】 本発明による方法を用いたＧＰＳ受信機を図式的に示す図である。
【図４】 図３のＧＰＳ受信機の受信チャネル及び受信プロセッサを詳細に示す
図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリストファー イェー グッディングス 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） 5B056 BB23 BB71 5K022 EE02 EE21 EE31

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 共に一連の数値データ値を含む第１及び第２ディジタル信号を相
    関させる方法において、 (a) 前記第１ディジタル信号と前記第２ディジタル信号との、対応する数値デ
    ータ値どうしの積を順次計算して、その累積和を作成するステップと； (b) 前記累積和が上限しきい値レベルと下限しきい値レベルの間から偏ってい
    れば、前記累積和を所定量だけ増加または減少させて、前記累積和を前記しきい
    値レベル間に戻すステップと； (c) 相関パラメータを、前記累積和の、前記上限しきい値と前記下限しきい値
    の間からの偏りの発生回数の関数として作成するステップと を具えていることを特徴とする相関方法。
  2. 【請求項２】 前記累積和が前記上限しきい値の上に偏っているか、あるいは前
    記下限しきい値の下に偏っているかに応じて、前記相関パラメータが増加または
    減少のいずれかをすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記相関パラメータをカウンタとして、前記累積和が前記上限し
    きい値の上に偏っている際には該カウンタが１だけ増加し、前記累積和が前記下
    限しきい値の下に偏っている際には該カウンタが１だけ減少するようにしたこと
    を特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記累積和をレジスタに記憶して、該レジスタのオーバフローま
    たはアンダーフローのいずれをも許容することによって、前記ステップ(b)を実
    行するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記第１信号が、第３ディジタル信号のビット縮小表現であるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記第１信号が、アナログ信号の低ビット表現であることを特徴
    とする請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 図面を参照して、発明の詳細な説明中に記載した方法。
  8. 【請求項８】 請求項１から請求項７までのいずれかに記載の方法を実行するた
    めの命令を具えていることを特徴とするコンピュータプログラム。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載のコンピュータプログラムを記憶していることを
    特徴とするコンピュータで読み取り可能な記憶媒体。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体を具
    えていることを特徴とする電子装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１から請求項６のいずれかに記載の方法を実行するため
    の処理手段を有することを特徴とする装置。
  12. 【請求項１２】 目標擬似乱数雑音符号を含む主信号を受信する受信手段と、前
    記目標符号に対応する前及び後の複製符号信号を発生して、前記主信号を前記前
    及び後の複製符号信号と相関させて、それぞれ前及び後の相関値を戻し、前記目
    標符号を取得したか否かを特定する符号位相識別子を計算する処理手段とを具え
    たＧＰＳ受信機において、 前記主信号と前記前及び後の複製符号信号との相関を、 (a) 前記主信号と前記前及び後信号との、対応する数値データ値どうしの積を
    順次計算して、その累積和を作成するステップと； (b) 前記累積和が上限しきい値レベルと下限しきい値レベルの間から偏ってい
    れば、前記累積和を所定量だけ増加または減少させて、前記累積和を前記しきい
    値レベル間に戻すステップと； (c) 前及び後の相関値を、前記累積和の、前記上限しきい値と前記下限しきい
    値の間からの偏りの発生回数の関数として作成するステップと によって行うことを特徴とするＧＰＳ受信機。
  13. 【請求項１３】 前記主信号の同相(I)及び直角位相(Q)成分を作成して、該同相
    及び直角位相成分の各々を前記前(E)及び後(L)の複製符号信号と相関させて、そ
    れぞれ相関値ＩE、ＩL、ＱE、及びＱLを作成して、前記符号位相識別子をＩE、
    ＩL、ＱE及びＱLの関数として計算することを特徴とする請求項１２に記載のＧ
    ＰＳ受信機。
  14. 【請求項１４】 前記累積和が前記上限しきい値の上に偏っているか、あるいは
    前記下限しきい値の下に偏っているかに応じて、前記前及び後の相関値が増加ま
    たは減少のいずれかをすることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載
    のＧＰＳ受信機。
  15. 【請求項１５】 前記前及び後の相関値をカウンタとして、前記累積和が前記上
    限しきい値の上に偏っている際には該カウンタが１だけ増加し、前記累積和が前
    記下限しきい値の下に偏っている際には該カウンタが１だけ減少するようにした
    ことを特徴とする請求項１４に記載のＧＰＳ受信機。
  16. 【請求項１６】 前記累積和をレジスタに記憶して、該レジスタのオーバフロー
    またはアンダーフローのいずれも許容することによって、前記ステップ(b)を実
    行するようにしたことを特徴とする請求項１２または請求項１５に記載のＧＰＳ
    受信機。
  17. 【請求項１７】 図３及び図４を参照して、発明の詳細な説明中に記載したＧＰ
    Ｓ受信機。
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