JP2004012380A

JP2004012380A - 符号復調装置および測位用信号受信装置

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Publication number: JP2004012380A
Application number: JP2002168700A
Authority: JP
Inventors: Shinji Tamura; 田村　進司; Yoshiki Sato; 佐藤　美喜
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-10
Also published as: JP3917469B2

Abstract

【課題】信号検出のためにサーチすべき周波数範囲が広い場合でも短時間に信号検出できるようにし、閾値の設定を信号検出時の状況に応じて適切に設定できるようにした符号復調装置および測位用信号受信装置を構成する。
【解決手段】キャリア信号が所定の符号で変調された変調信号を復調する際、符号の１周期より短い区間について所定位相所定周波数の符号と変調信号との相関値を求める。これにより広い周波数幅に亘ってサーチを行って、サーチ範囲を実質上狭め、信号検出に要する時間を短縮化する。また、位相の異なった符号との無相関の相関値の平均値から、有意な相関値を検出するための閾値を求め、ノイズレベルの変動する状況でも確実な信号検出を行う。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、キャリア信号が所定の符号により変調された信号を復調する符号復調装置および測位用信号受信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばＧＰＳ受信機などの測位用受信装置においては、測位用衛星から送信される電波は、キャリア信号が擬似雑音符号により位相変調され、それがさらに航法メッセージで位相変調されている。このような測位用信号を受信して、その擬似雑音符号をサーチする場合には、コード位相を１チップずつずらせながら、且つコード周波数を所定ステップ毎にずらせて、受信機側で発生した擬似雑音符号と、測位用信号に含まれている擬似雑音符号との相関値を求めるようにしている。そして、相関値が最大となるコード位相およびコード周波数を測位用信号に含まれている擬似雑音符号のコード位相およびコード周波数として検出するようにしている。
【０００３】
図６はその擬似雑音符号のサーチの様子を示している。ここで、横軸は擬似雑音符号のコード位相、縦軸は擬似雑音符号の周波数である。このように擬似雑音符号の位相と周波数を所定ステップ毎に順次変更して、２次元平面上をサーチすることになる。
【０００４】
また、上記相関値が有意な値であるか否かを判定するために、従来は予め所定の閾値を設定し、相関値がその閾値を超えなければ無相関状態と見なすようにしていた。逆に、閾値を超える相関値が得られれば、受信機側で発生したその擬似雑音符号のコード位相・コード周波数が測位用信号に含まれている擬似雑音符号のコード位相・コード周波数であると見なすようにしていた。
【０００５】
図７はその相関値と閾値との関係例を示している。受信機側で発生した擬似雑音符号の位相を順次変化させながら相関値を求めると、この図７に示すように相関値は時間経過にともなって変化する。この相関値が予め定めた閾値を超えたとき、この相関値を有意な相関値として扱い、その他の相関値を無相関状態として扱うようにしていた。
【０００６】
なお、上記閾値を固定せずに、検出しようとする所望の擬似雑音符号とは異なる擬似雑音符号との相関値、すなわち無相関の値を求め、その値から閾値を決定する場合もあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
例えばＧＰＳの場合、１［ｍｓ］に亘って受信機側で発生したＣ／Ａコードと測位用信号との乗算を行い、その乗算結果の一定時間の積算値を相関値として求めるようにしている。擬似雑音符号の１つであるＣ／Ａコードのコード長は１［ｍｓ］であるため、信号検出可能な周波数レンジは±１ｋＨｚであり、１ｋＨｚのステップでＣ／Ａコードの周波数を順次変更することになる。
【０００８】
しかし、サーチすべき周波数範囲が広い場合には、擬似雑音符号の位相および周波数を検出するまで長時間がかかる。受信機側で発生した所定周波数所定位相の擬似雑音符号と変調信号との相関値を求めることによって所望の擬似雑音符号の位相および周波数を検出することを以下単に「信号検出」という。
【０００９】
特に、基準周波数信号発生器としてＴＣＸＯより精度の低いクロック信号発生器を用いている場合、サーチすべき周波数範囲が広くなるので、サーチを開始してから信号検出までに時間が掛かり、測位結果が得られるまでに長時間を要することになる。
そこで、この発明の第１の目的は、信号検出のためにサーチすべき周波数範囲が広い場合でも短時間に信号検出できるようにした符号復調装置および測位用信号受信装置を提供することにある。
【００１０】
また、一定の閾値によって、相関値が有意な値であるか否かを判定するようにしたものでは、測位用信号を受けて増幅・周波数変換・フィルタリングなどを行うハードウェア（回路）の構成によって、相関値は大きく変化する。そのため、ハードウェアの変更によって最適な閾値は変わり、上記閾値を再調整する必要が生じる。また、外乱の影響でノイズレベルが上がった場合には、本来無相関である状態が「信号有り」として誤検出される可能性がある。
【００１１】
さらに、信号検出を行おうとする所望の擬似雑音符号とは異なった擬似雑音符号との相関値を求めることによってノイズレベルを測定し、その結果から閾値を決定するようにしたものでは、所望の擬似雑音符号の検出を行う前にノイズ測定を行うことになるので、そのノイズ測定中に外乱の影響によりノイズレベルが変わった時に、所望の擬似雑音符号の信号検出ができなくなる可能性があった。
【００１２】
そこで、この発明の第２の目的は、閾値の設定を信号検出時の状況に応じて適切に設定できるようにして上述の問題を解消した符号復調装置および測位用信号受信装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明の符号復調装置は、キャリア信号が所定の符号により変調されてなる信号を、その符号の１周期より短い区間について、所定位相所定周波数の符号と前記変調信号との相関値を求める相関手段と、前記符号の位相と周波数を変更するとともに、前記相関値が最大となる符号の位相と周波数を求める符号位相周波数検出手段と、前記区間の長さを変更することにより前記符号の周波数検出分解能を変更する周波数分解能変更手段とを備えたことを特徴としている。
【００１４】
このように、所定位相所定周波数の符号と変調信号との相関値を、符号の１周期に亘って求めるのではなく、符号の１周期より短い区間について求めることにより、広い周波数範囲に亘って符号と変調信号との相関値を求めることができ、しかも上記区間の長さを変更することにより、符号の周波数検出分解能が変化するので、周波数軸上で初めは粗く検出し、次第に絞り込むことによって、短時間のうちに、最終的に所定の周波数分解能で符号の位相および周波数を検出することが可能となる。
【００１５】
また、この発明の符号復調装置は、互いに位相の異なった複数の符号と変調信号との相関値をそれぞれ求める手段と、各相関値のうち最大値をとる相関値以外の相関値の平均値を基に閾値を求める手段と、その閾値を超える相関値を検出信号として処理する手段とを備えたことを特徴としている。
【００１６】
このように、同一周波数同一符号で、その位相を複数通りに異ならせた状態で、変調信号との相関値を求めることによって、相関値の低い結果を無相関の相関値と見なすことができ、相関値が最大となる相関値以外の相関値の平均値はノイズレベルに相当する。このノイズレベルに基づいて閾値を定めることによって、その時点でのノイズレベルに応じた的確な信号検出が可能となる。
【００１７】
この発明の測位用信号受信装置は、符号の１周期より短い区間について、所定位相所定周波数の符号と前記変調信号との相関値を求める相関手段と、符号の位相と周波数を変更するとともに、相関値が最大となる符号の位相と周波数を求める符号周波数位相検出手段と、区間の長さを変更することにより符号の周波数検出分解能を変更する周波数分解能変更手段とを備えるとともに、キャリア信号が擬似雑音符号および航法メッセージで変調されてなる測位用信号を上記変調信号として受信する手段を備えたことを特徴としている。
これにより、擬似雑音符号の周波数および位相を速やかに検出することができる。
【００１８】
また、この発明の測位用信号受信装置は、同一周波数で互いに位相の異なった複数の符号と変調信号との相関値をそれぞれ求める相関手段と、各相関値のうち最大値をとる相関値以外の相関値の平均値を基に閾値を求める閾値設定手段と、該閾値を超える相関値を検出信号として処理する閾処理手段とを備えるとともに、キャリア信号が擬似雑音符号および航法メッセージで変調されてなる測位用信号を上記変調信号として受信する手段を備えたことを特徴としている。
これにより、ノイズレベルが変動する状況でも的確な信号検出が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態に係るＧＰＳ受信機について、各図を参照して説明する。
図１はＧＰＳ受信機の主要部の構成を示すブロック図である。ここで、９はＣ／Ａコードのコード発生器、８はコード発生器９に対して所定周波数の周期信号を与えるコードＮＣＯ（数値制御発振器）である。１は乗算器であり、入力されたアンテナからの中間周波信号ＩＦに対してコード発生器９が発生したＣ／Ａコードを乗算する。１０は、推定しているキャリア周波数の信号を発生するキャリアＮＣＯ（数値制御発振器）である。２は乗算器１からの出力信号に対してキャリアＮＣＯ１０の信号を乗算する乗算器である。積算器４は乗算器２の出力信号を一定周期で積算し、その結果をレジスタ６へ書き込む。このことによって、レジスタ６に相関値を求める。レジスタ６の更新周期は例えば０．２［ｍｓ］である。後述するように、このレジスタ６から出力される相関値を所定時間に亘って積算することによって、その所定時間区間での相関値を求める。
【００２０】
図２はＣ／Ａコードの１周期と相関値を求める区間との関係を示している。図２の（Ａ）に示す例では、Ｃ／Ａコードの１周期の１／５の時間毎に、レジスタ６に求められた積算値を相関値として利用している。（Ｂ）に示す例では、Ｃ／Ａコードの１周期に亘って、レジスタ６に求められた相関値を５回積算し、その結果をＣ／Ａコード１周期分についての相関値として求める。
【００２１】
例えばＣ／Ａコードの１周期が１［ｍｓ］であった場合、（Ｂ）のように、Ｃ／Ａコードの１周期に亘って相関値を求めると、±１ｋＨｚの周波数幅について相関値が求められることになる。
【００２２】
また、（Ａ）のように、Ｃ／Ａコードの１周期の１／５区間毎に相関値を求めると、Ｃ／Ａコードの１周期が１［ｍｓ］であった場合、±５ｋＨｚの周波数幅について相関値が求められることになる。
【００２３】
図３は、その場合のＣ／Ａコードの位相および周波数のサーチ手順について示している。ここで、周波数ｆ１，ｆ２，・・・はそれぞれ１ｋＨｚの周波数幅である。位相ｐ１，ｐ２，・・・は１から１０２３チップまでの値をとる。
【００２４】
まず（Ａ）に示すように、Ｃ／Ａコードの位相を全範囲に亘って順次変化させるとともに、周波数を５［ｋＨｚ］毎に変化させ、１／５［ｍｓ］毎の相関値が所定の閾値を超えるか否かを判定する。例えば、Ｃ／Ａコードの周波数を初めにｆ３に設定し、その位相をｐ_１〜ｐ_１０２３まで順次変化させた後、次に周波数をｆ８に変化させ、再び位相をｐ_１〜ｐ_１０２３まで順次変化させる。以降同様に、Ｃ／Ａコードの位相と周波数を順次変化させる。
【００２５】
例えば周波数がｆ８で位相がｐ_ｎの時に相関値が所定の閾値を超えた時、測位用信号のＣ／Ａコードの周波数がｆ６〜ｆ１０のいずれかであり、その位相がｐ_ｎであることがわかる。
【００２６】
その後、図３の（Ｂ）に示すように、発生するＣ／Ａコードの位相をｐ_ｎとし、その周波数をｆ６からｆ１０まで順次変化させる。もし、Ｃ／Ａコードの周波数をｆ９にしたときに相関値が最大となれば、ｆ９が測位用信号に含まれているＣ／Ａコードの周波数であることが分かる。
【００２７】
以上のように、Ｃ／Ａコードの１周期の１／ｎ区間での相関値を求めれば、Ｃ／Ａコードの１周期に亘って相関値を求めた場合に比べて周波数幅がｎ倍の入力信号に対して相関値を求めることができる。その結果、サーチのために周波数を変化させる回数が１／ｎに少なくなる。従って、初めに周波数分解能を低くして、サーチすべき周波数範囲を粗くサーチし、信号が検出された周波数範囲について、次に高い周波数分解能でサーチする、というように段階的に周波数分解能を切り替えることによって、信号検出に要する時間を全体に大幅に短縮化できる。
【００２８】
次に、第２の実施形態に係るＧＰＳ受信機について図４を基に説明する。
図１に示した回路では、キャリア成分が完全に除去できるものとして扱ったが、入力信号のキャリア周波数が、推定したキャリア周波数からずれている場合には、キャリア周波数のＩ信号（キャリア正位相信号）とＱ信号（キャリア９０°位相信号）について相関値を求めて、その両者から相関値のパワーを求めればよい。
【００２９】
図４はＧＰＳ受信機の主要部の構成を示すブロック図である。ここで９はＣ／Ａコードのコード発生器、８はコード発生器９に対して所定周波数の周期信号を与えるコードＮＣＯである。１は乗算器であり、入力されたアンテナからの中間周波信号ＩＦに対してコード発生器９が発生したＣ／Ａコードを乗算する。１０は、推定しているキャリア周波数のＩ信号とＱ信号を発生するキャリアＮＣＯである。２，３は乗算器１からの出力信号に対してキャリアＮＣＯ１０のＩ信号およびＱ信号をそれぞれ乗算する乗算器である。積算器４，５は乗算器２，３の出力信号を一定周期で積算し、その結果をレジスタ６，７へ書き込む。
【００３０】
ＣＰＵ１１はＲＯＭ１２に予め書き込まれているプログラムを実行する。ＲＡＭ１３はそのプログラムの実行に際してワーキングエリアとして用いる。ＣＰＵ１１はＩ／Ｏポート１５を介して、コードＮＣＯ８およびキャリアＮＣＯ１０に対して制御データを与える。またレジスタ６，７のデータを所定のタイミングで読み取る。インターフェイス１４は、図外の装置との間でデータ伝送制御を行う。
【００３１】
このようにして求めたＣ／Ａコード位相により、衛星から受信点までの擬似距離を求め、複数の衛星についての擬似距離および衛星の位置から受信点の測位を行う。
【００３２】
次に、第３の実施形態に係るＧＰＳ受信機について図５を基に説明する。
第１・第２の実施形態では、設定した１つのＣ／Ａコード位相について相関値を求め、その位相を順にシフトさせるようにしたが、この第３の実施形態では、互いに位相の異なるＣ／Ａコードと測位用信号との相関値を同時に求めるようにしている。
【００３３】
図５において、キャリアＮＣＯ１０、乗算器２，３、コードＮＣＯ８、コード発生器９、ＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３、インターフェイス１４の構成は第２の実施形態で示したものと同様である。図５においてシフトレジスタ１６はコード発生器９から出力されるＣ／Ａコードを順次１チップ毎にシフトしていく。相関器１７，１８・・・１９はそれぞれシフトレジスタ１６の所定の出力段から出力されるＣ／Ａコードと、入力された測位用信号のＩ信号およびＱ信号との相関値をそれぞれ求める。ＣＰＵ１１はＩ／Ｏポート１５を介して、これらの相関値を読み取る。
【００３４】
シフトレジスタ１６の所定段から出力されたＣ／Ａコードの位相が測位用信号に含まれているＣ／Ａコードの位相と一致すれば、該当の相関器から出力される相関値は最大となり、他の相関器から出力される相関値は、それより低くなる。そこで、これらの相関器１７，１８・・・１９から出力される相関値のうち最大値をとる相関値以外の相関値の平均値を求め、それをノイズレベルとする。そのノイズレベルに１以上の所定の係数を乗じた値を閾値とし、その閾値を超える相関値を有意な値として扱う。このことにより、外乱の影響でノイズレベルが上がった場合でも、本来無相関である状態が「信号有り」として誤検出される可能性が低くなる。
【００３５】
上記コード発生器９から出力するＣ／Ａコードの周波数変化と相関器１７，１８，・・・１９の相関値を求めるための積算時間（相関器内の積算器による積算時間）の制御は、第１・第２の実施形態で示した場合と同様に行えばよい。このことにより信号検出時間を短縮化できる。その際、Ｃ／Ａコードの１周期より短い区間の積算値を相関値として求めると、その分ノイズ成分による影響を受けやすくなるが、上述の閾値を適切に定めることによって誤検出を抑えることができる。したがって、Ｓ／Ｎ比の悪い信号でも信号検出時間を短縮化できる。
【００３６】
【発明の効果】
この発明によれば、所定位相所定周波数の符号と変調信号との相関値を、符号の１周期に亘って求めるのではなく、符号の１周期より短い区間について求めるので、広い周波数範囲に亘って符号と変調信号との相関値を求めることができ、しかも上記区間の長さを変更することにより、符号の周波数検出分解能が変化するので、周波数軸上で初めは粗く検出し、次第に絞り込むことによって、短時間のうちに、最終的な所定の周波数分解能で符号の位相および周波数を検出することが可能となる。
【００３７】
また、この発明によれば、同一周波数同一符号で、その位相を複数通りに異ならせた状態で、変調信号との相関値を求めることによって、相関値の低い結果を無相関の相関値と見なして閾値を定めることによって、その時点でのノイズレベルに応じた的確な信号検出が可能となる。
【００３８】
また、この発明によれば、測位用信号を速やかに検出でき、測位を開始してから測位結果を出力するまでの時間を短縮化できる。
【００３９】
また、この発明によれば、Ｓ／Ｎ比の悪い条件でも測位用信号の検出を行うことができ、広範囲に亘って測位が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るＧＰＳ受信機の主要部の構成を示すブロック図
【図２】Ｃ／Ａコードと、相関値を求めるための積算時間との関係を示す図
【図３】信号検出時の位相と周波数のサーチ範囲を示す図
【図４】第２の実施形態に係るＧＰＳ受信機の主要部の構成を示すブロック図
【図５】第３の実施形態に係るＧＰＳ受信機の主要部の構成を示すブロック図
【図６】従来の信号検出時のサーチ範囲を示す図
【図７】相関値と閾値との関係を示す図
【符号の説明】
１〜３−乗算器

Claims

キャリア信号が所定の符号で変調されてなる変調信号を復調する符号復調装置において、
前記符号の１周期より短い区間について、所定位相所定周波数の符号と前記変調信号との相関値を求める相関手段と、前記符号の位相と周波数を変更するとともに、前記相関値が最大となる符号の位相と周波数を求める符号位相周波数検出手段と、前記区間の長さを変更することにより前記符号の周波数検出分解能を変更する周波数分解能変更手段とを備えた符号復調装置。
キャリア信号が所定の符号で変調されてなる変調信号を復調する符号復調装置において、
同一周波数で互いに位相の異なった複数の前記符号と前記変調信号との相関値をそれぞれ求める相関手段と、各相関値のうち最大値をとる相関値以外の相関値の平均値を基に閾値を求める閾値設定手段と、該閾値を超える相関値を検出信号として処理する閾処理手段とを備えた符号復調装置。
請求項１に記載の符号復調装置における相関手段と、符号位相周波数検出手段と、周波数分解能変更手段とを備えるとともに、キャリア信号が擬似雑音符号および航法メッセージで変調されてなる測位用信号を請求項１に記載の変調信号として受信する手段を備えた測位用信号受信装置。
請求項２に記載の符号復調装置における相関手段と、閾値設定手段と、閾処理手段とを備えるとともに、キャリア信号が擬似雑音符号および航法メッセージで変調されてなる測位用信号を請求項２に記載の変調信号として受信する手段を備えた測位用信号受信装置。