JP2005086821A - 航法衛星受信機と通信装置との組合せデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】航法衛星受信機と通信装置との組合せデバイス
【解決手段】航法衛星受信機と通信装置との組合せデバイスは航法衛星受信機及び通信装置間で精度の高い合成周波数及びクロックをやりとりする。一つの実施例において、ＴＣＸＯ水晶が航法衛星受信機のリファレンス用周波数源の役割を果たし、衛星の伝送にロックすることにより通信装置のための高度に精度の高い周波数合成及びクロック生成が可能になる。もう一つの実施例において、主として通信装置と関連しているＶＣＯは航法衛星受信機の基本的リファレンス用周波数源の役割を果たし、再び衛星送信に後続ロックすることにより通信装置のための精度の高い周波数合成及びクロック生成が可能になる。更なる実施例において、主として通信装置と関連しているＶＣＯは航法衛星受信機が通信システム標準にロックした後、航法衛星受信機の基本的リファレンス用周波数源の役割を果たす。従って、航法衛星受信機はクロックの不安定性が軽減しているので、はるかに高速で初期化及び衛星を追尾することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は航法衛星受信機と通信装置との組合せデバイスに関し、より具体的にはＧＰＳ受信機及び携帯電話ハンドセット間で水晶発振器を共用することに関する。

ほとんどの消費者向け電子デバイスは大量生産されており、売り上げは価格に大きく依存する。いい値段にする一つのやり方は製造コスト、例えば、労務費及び使用する部品のコストを削減することである。今では航法衛星受信機と通信装置との組合せデバイスが販売されており、数多くの従来技術の市販品は航法衛星受信機部用に一式の水晶及び水晶発振器を備え、別の一式を通信装置用に備えている。

本願発明者の一人、Paul McBurneyは、他の発明者と共に、最近ＧＰＳ受信機に関する発明の複数の米国特許出願手続きをしている。それを表１にまとめた。そうした特許出願は全て同じ譲受人に譲渡されており、参照することにより本書に組み込まれているものとする。

製造コストの安い航法衛星受信機と通信装置との組合せデバイスに対するニーズがある。

大まかに言えば、本発明の航法衛星受信機と通信装置との組合せデバイスの実施例は航法衛星受信機及び通信装置間で精度の高い合成周波数及びクロックをやりとりする。一つの実施例において、ＴＣＸＯの水晶は航法衛星受信機のためのリファレンス周波数源（a reference）としての役割を果たし、衛星の伝送にロックすることにより通信装置のための精度の高い周波数合成及びクロック生成が可能になる。もう一つの実施例において、主として通信装置と関連しているＶＣＯは航法衛星受信機の基本的リファレンス周波数源（a basic reference）としての役割を果たし、再び衛星送信への後続ロックにより通信装置のための精度の高い周波数合成及びクロック生成が可能になる。更なる実施例において、主として通信装置と関連しているＶＣＯは航法衛星受信機が通信システムの標準周波数（communications systems standards）にロックした後、航法衛星受信機のための基本的リファレンス用周波数源となる。従って、航法衛星受信機はクロックの不安定性を軽減しているので、はるかに高速で初期化及び衛星を追尾することができる。

本発明の効果は、航法受信機が任意のＧＰＳ衛星に対して完全とはいえないエフェメリスで正確に動作するためのシステム及び方法を提供していることである。

当業者ならば、図面に例示されている好適なＳＰＳ受信機について以下に詳細に述べる説明を読めば本発明のこれらの効果及び他の効果は明白になることは疑いの余地がない。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に、本発明の衛星航法受信機と通信装置が一体化された基本的な組合せシステムの実施例を、大まかに参照番号１００で示す。システム１００は２部構成になっており、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機の形になった航法受信機１０２と、ＧＰＳ部１０２に対してリファレンス周波数アシスタンス（reference frequency assistance）を提供する携帯電話１０４の形になった通信装置とがある。ＧＰＳ部１０２は、独立（self-contained）測位モデルかホストＣＰＵ上で実行される測位コードを有する測定モデルかのいずれかである。

概して、本発明は、例えば、製造コスト節約のために、必要な水晶及び水晶発振器の数を減らすべく発振器を共用することができる。大量生産市場では、わずかな価格低下が結果として有意な販売量の増加につながることが多い。

システム１００において、ＧＰＳ部１０２はＧＰＳパッチアンテナ１０６、ＧＰＳ発振器１０８、ＧＰＳＲＦ受信機１１０、及びＧＰＳデジタル信号プロセッサ１１２からなる。ＧＰＳ部１０２は単に測定値をとり、それを位置解処理のためにホストＣＰＵに送る、或いは位置解を自ら処理する。高度に能力のあるＣＰＵを携帯電話部１０４と共用することにより総体的なコスト削減の道を提供する。

携帯電話部１０４は、携帯電話アンテナ１１４、通信用送受信機１１６、携帯電話デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１１８、電圧制御型発振器（ＶＣＯ）１２２に信号を送り込む第１発振器（ｏｓｃ１）１２０、第２発振器（ｏｓｃ２）１２４、第３発振器（ｏｓｃ３）１２６、及びクロックセレクタ１２８からなる。ホストＣＰＵ１３０はＧＰＳ部１０２及び携帯電話部１０４の両方に対して高度の機能性を提供する。

本発明の実施例において水晶の複数回再使用（several crystal re-use）及び周波数共有の構成が可能である。例えば、ＧＰＳ部が電話部に参照用の水晶周波数を供給するようにして１個の水晶を再使用することで、例えば、通信装置におけるＶＣＯ水晶発振器の必要をなくすことができる。通信装置ＶＣＯの捕捉及びトラッキングを向上させるためにＧＰＳ部は通信装置に精度の高い周波数を供給することができる、又は／及びＧＰＳ部は公称におけるプロセッサクロック及び高電力消費環境におけるプロセッサクロックを電話に供給することができる、又は／及びＧＰＳ部を周波数合成器のソースとして用いてその周波数生成範囲内で任意の周波数を供給することができる、又は／及びＧＰＳ部はホストＣＰＵに正確なＧＰＳイベント（GPS time events）であるイベントを供給することができる、又は／及びＧＰＳシステム時間からのオフセット値によりホストＣＰＵのタイムフレーム内にイベントを供給することができる、又は／及びホストＣＰＵにリアルタイムクロック機能を提供することができる。

本書で言及している発振器の一つはＧＰＳ発振器１０８で、ＧＰＳＲＦ及びデジタル処理のための全ての周波数を生成する。第１発振器１２０は、通信装置のＶＣＯのためのリファレンス周波数（reference）を生成すると共に、例えば、高ＲＦ周波数や中間ＩＦ周波数といった通信装置に必要な全てのＲＦ周波数を合成する。第２発振器１２４は、通信装置のＣＰＵの通常動作周波数「Ｆｐｒｏｃ」を生成するのに対し、第３発振器１２６は、アイドル、スタンバイ、又はオフ時に使用される低電力周波数「ＦｐｒｏｃＬＰ」を生成する。

図２に、本発明の衛星航法受信機と通信装置が一体化された組合せシステムのもう一つの実施例を示す。システム２００は、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機部２０２と携帯電話部２０４とからなり、携帯電話部２０４はＧＰＳ部２０２に十分良好なリファレンス周波数（a reference frequency）を供給するのでＧＰＳ部２０２に別個のＧＰＳ水晶発振器を備える必要がなくなる。

システム２００において、ＧＰＳ部２０２はＧＰＳパッチアンテナ２０６、ＧＰ周波数合成器２０８、ＧＰＳＲＦ受信機２１０、及びＧＰＳデジタル信号プロセッサ２１２とからなる。ＧＰＳ合成器２０８は、ＧＰＳリファレンス周波数（the GPS reference frequency）（Ｆｇｐｓ）をＶＣＯ周波数（Ｆｖｃｏ）から直接合成して、例えば、ＧＰＳ発振器１０８などＧＰＳ水晶発振器を不要にする。ＶＣＯ周波数（Ｆｖｃｏ）が通信システムのリファレンス標準周波数（communications system reference standards）に応じてロックされると、周波数は非常に正確で信頼できる。

携帯電話部２０４は、携帯電話アンテナ２１４、通信用送受信機２１６、携帯電話デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２１８、電圧制御型発振器（ＶＣＯ）２２２に信号を送り込む第１発振器（ｏｓｃ１）２２０、第２発振器（ｏｓｃ２）２２４、第３発振器（ｏｓｃ３）２２６、及びクロックセレクタ２２８からなる。ホストＣＰＵ２３０は、ＧＰＳ部２０２及び携帯電話部２０４の両方に対して高度の機能性を提供する。第１発振器（ｏｓｃ１）２２０は典型的には温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）である。第３発振器（ｏｓｃ３）２２６は典型的には３２ＫＨｚのリアルタイムクロック（ＲＴＣ）で、時計用水晶（watch crystal）に基づいていて構わない。

ＧＰＳの一つの長所は、安価な水晶発振器をリファレンス基準周波数源としても、高度に正確な位置を得ることができることである。しかしながら、ＧＰＳリファレンス周波数が通信装置のＶＣＯから導出される場合、問題が生じることがある。例えば、ベーストランスミッタの周波数オフセットが異なるために、そして、それぞれのタワーまでの速度ベクトルが非常に異なることがあるために、通信装置のＶＣＯがいろいろなセル・タワー間を移動するとき、周波数ジャンプがＧＰＳリファレンス周波数に傷害を起こすことがある。その結果生じるデルタドップラーは、有意になることがある。通信装置の自動周波数補償（ＡＦＣ）周波数ループに、補償されていない残留周波数誤差が存在することもある。通信装置は、ＧＰＳ受信機が許容可能なデータ転送速度と比べると、もっと大きな周波数誤差に耐えることができる。データ処理及びＣＰＵローディングを最小限にするのにＡＦＣループが更新する周波数を減らすことを採用することができる。周波数コントロールが開ループでドリフトが修正されていないまま通信装置がスタンバイモードになると残留周波数誤差は増えることがある。

周波数安定性は通信システムにおいて重要だけれども、データ転送速度が典型的な周波数誤差よりもはるかに高いから依然として問題もなく復調できる。低周波数ＶＣＯホールドオフ誤差よりもはるかに高い帯域幅でデータが検出される。ＧＰＳ部と違って、データを問題なく復調できる限り、精度の高いキャリアトラッキングは必要ない。周波数更新値を受け取る場合、ＶＣＯへのジャンプ入力を減らすためにそうした周波数更新値は帯域限定されている。しかしながら、それにもかかわらず、信号の供給停止やタワー変更により開ループ動作時に周波数誤差が導入され、ＧＰＳの動作に悪影響を及ぼす。

ＧＰＳのためのリファレンス用周波数に頻繁に周波数変動が起きると探索に影響を及ぼすが、ＧＰＳ位置解の究極的な精度には影響しない。ＶＣＯから引き出されたＧＰＳリファレンス周波数を用いると多少の問題が発生する。２０ミリ秒周期時の周波数ジャンプがデータビットの半サイクルよりも大きければ航法衛星データ（ＮａｖＤａｔａ）収集エラーが発生し、そのデータは正しく復号化されない。タワー周波数誤差、通信速度、或いはループエラーによってＶＣＯ誤差が生じると、周波数アシスタンスエラーが起きる。ＧＰＳ受信機は通信装置の周波数とのクロスキャリブレーションを試みるとエラーが発生する（例えば、本発明の周波数アシスタンス方法の実施例）。

感度損失が起きることがある。高感度ＧＰＳ受信機では狭帯域統合が好ましい。ＶＣＯ周波数誤差はＧＰＳ測定エラーの原因となる。コモンモードならば、ＧＰＳドリフト推定（drift estimate）に影響する。そうした周波数推定のエラーは衛星を捕捉する場所の周波数予測に誤差を発生させる。どんなエラーでもエラーがあれば所要探索量が増えるので、フィックスが遅れる。ＧＰＳ信号トラッキングにおける周波数誤差は高感度を実現するのに欠かせない長時間測定の積分（integrations）に起因する位置エラーを発生させる。長時間の相関時の周波数誤差は多数の擬似距離コード位相全体にエネルギーを分散する。従って、信号力が失われ、本当のピークが分からなくなる。

ＰＤＣ電話ネットワーク内で、典型的なエラーバジェットには０．１ＰＰＭの固定局安定度、１００ｍｐｈ＝４４ｍｌｓ＝２３０Ｈｚ＝０．１５ＰＰＭ、ループバジェット０．２ＰＰＭがあり、全部合わせるとほぼ０．４５ＰＰＭとなる。従って、ＧＰＳ受信機の周波数ソースとしてＶＣＯを用いるのは実用的である。その一方で、最近の低コストＴＣＸＯ発振器は、ソフトウェアモデル化を用いると、類似の又はより優れた安定度を実現することができる。

図３に、本発明の衛星航法受信機と通信装置が一体化された組合せシステムにおける周波数多重再利用の実施例を示す。システム３００はＧＰＳ部３０２と携帯電話部３０４とからなり、両者は同じ携帯用デバイス又はハンドヘルドデバイスの中に一体化されている。ＧＰＳ部３０２はＧＰＳアンテナ３０６、ＧＰＳＲＦ受信機３０８、ＧＰＳデジタルプロセッサ及び周波数生成器（チップ）３１０、ＧＰＳ発振器（ｏｓｃＧＰＳ）３１２、及び低周波数発振器（ｏｓｃ３）３１４を有する。クロックセレクタ３１６は、例えば、クロック周波数の選択によって通常動作か低電力動作かを選択する。携帯電話部３０４は携帯電話アンテナ３１８、通信送受信機３２０、デジタル信号プロセッサ３２２、電話ＣＰＵ電力制御クロックセレクタ３２４、分周器３２５、電圧制御型発振器（ＶＣＯ）３２６を有する。

ＶＣＯ３２６に印加されるリファレンス用周波数の相対的安定度及び精度を向上させるために分周器３２５が備えられている。携帯電話部３０４は、非常に精度の高いリファレンス用周波数がローカルで使用可能なときは、ＣＤＭＡ操作のために、良好なリファレンス用周波数を供給する携帯電話固定局にそれほど依存しない。固定局エリアで作動している全てのモバイル電話がそうしたＧＰＳが供給するリファレンス信号を使用できるとしたら、固定局が高価な電子時計を備えている必要はない。

典型的なＶＣＯ発振器は、比較的に低速の１０〜１３ＭＨｚの範囲で動作するため、通信装置は一般的には専用の高速プロセッサ用水晶が必要となる。プロセッサによっては特別な通信機能に対応できるように、さらに一層高い周波数に切り替えなければならないこともある。もっと計算リソースを必要とするアプリケーションを走らせるには、ダウン変換プロセスに使用され、ＲＦチップにおいて生成される中間周波数（ＩＦ）を用いることができる。低電力時間の維持には、低周波数発振器が選択され、普通は３２ＫＨｚ水晶である。

電源投入時、ＧＰＳチップ３１０は、例えば、不揮発性メモリロケーションから電話のＣＰＵ３２４のために、デフォルトの立ち上げプロセッサクロック選択をロードする。数値制御型発振器（ＮＣＯ）への入力としてＧＰＳクロックを逓倍（multiply）して、ホストプロセッサのクロック周波数が生成される。そのように生成したＮＣＯを次に、その入力周波数の半分を上限として、任意の出力周波数を生成するためにデジタル・プログラミングすることができる。ＧＰＳ部３０２はスリープ低電力モードになり、ＧＰＳをいつ使用するかユーザに決めさせる。ホストはそれから、ホストＣＰＵ３０４とＧＰＳデジタルチップ３１０との通信を介して、いろいろ異なる周波数を選択することができる。電話部３０４は、所望の周波数を送って大体の周波数の数字を要求することができる。電話部３０４は、いつＶＣＯをオンにして周波数（例えば、日本のＰＤＣシステムの１２．６ＭＨｚ）使用するか制御する。ＧＰＳ部３０２がＧＰＳ衛星をトラッキングしその周波数誤差を解明していれば、ＧＰＳ部３０２はＧＰＳ用水晶エラーがどのくらいあるか分かっているので、要求されている１２．６ＭＨｚを補償することができる。従って、通信装置のＶＣＯ３２６に、もっと安定した周波数を供給することができる。低電力モードが必要な場合、通信装置３０４はＧＰＳ部３０２に低電力モードになるように要求することができる。ＧＰＳ部３０２は、低周波数発振器（ｏｓｃ）３１４からの低周波数水晶入力を用いて刻時する。ＧＰＳ発振器３１２を低電力にできれば、３２ＫＨｚの低周波数発振器３１４を不要にすることができる。周期的であるが正確な間隔で発生する必要のある特定のプロセスを起こすために、ＧＰＳ部３０２はイベントラインで電話部３０４に割り込みを送ることができる。

ＧＰＳ部３０２はＧＰＳ衛星標準時間によって補正され、非常に精度の高いＶＣＯ周波数を提供する。例えば、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）システムに必要な周波数ステッピング動作に対応できるように、電話部３０４からの要求に応答する可変ＶＣＯを供給することができる。水晶の出力を近似するために、アナログ正弦電圧を出力することができる。そうした出力は正確な位相になるように加算器（adder）の上部からのビットを用いることによって、要求される。そうした位相は、線形のカウンタ値ではなく、もっと多くのシヌソイドレベルを表わすテーブルを用いて変換される。デジタル‐アナログ変換器でテーブル値をアナログ信号に変換することができる。単純な１ビットデジタルクロック周波数を生成するのに加算器のオーバフローを用いることもできる。ＧＰＳ受信機及び低周波数発振器（ｏｓｃ３）３１４におけるＧＰＳの秒及びミリ秒の割り込みの組合せから、時間間隔割り込みを構築することができる。イベントのタイミングを、オフセット値を用いることによって、リファレンス用の任意のタイムフレームに同調させることができる。

本発明の方法の実施例において、一体化された航法受信機と携帯電話との組合せデバイスシステムにおける発振器の数が、例えば、約２７ＭＨｚのＧＰＳ水晶発振器（GPS crystal oscillator）と約３２ＭＨｚの時計用水晶振動子（watch crystal oscillator）との２個に減る。より高い周波数を生成するために逓倍器（multiplier）がＧＰＳ水晶発振器に接続されている。ＶＣＯ周波数及びホストＣＰＵ周波数を生成するのに２個の数値制御型発振器（ＮＣＯ１及びＮＣＯ２）がそれぞれ用いられる。イベント論理は、ＧＰＳのｍｓｅｃ割り込み、ＧＰＳの秒パルス、デジタルオフセット値、及び時計用水晶振動子の組合せから、ホストＣＰＵに対してイベントを発生させる。

概して、本発明の実施例は製造コスト及びデバイス性能を共に向上させる。例えば、航法受信機は通信装置にリファレンス用水晶周波数を供給して１個の水晶を再利用するので、通信装置ＶＣＯの水晶である第２の水晶を不要にする。航法受信機が通信装置にそうしたリファレンス用水晶周波数を供給すると、周波数の不安定度が相当に軽減され初期周波数探索空間が削減されるため、通信装置の受信機の感度を向上させる。従って、受信機は小規模なインクリメント又はステップを用いて周波数ドメインの信号を探索することができる。また、理にかなった時間内に初期ロックを見出すことができる。

現時点で、本発明を好適なＳＰＳ受信機として説明してきたが、開示は限定と解釈されるべきではないと理解すべきである。上記の開示を読んだら当業者ならば様々な変形例及び変更例が明白になることは疑いの余地がない。よって、添付の請求項は発明の「真の」精神及び範囲から逸脱しない限りあらゆる変形例及び変更例を網羅していると解釈されるものと考える。

通信装置のＶＣＯがＧＰＳ部にリファレンス用周波数アシストを提供する本発明のＧＰＳ衛星航法受信機部及び通信装置の組合せシステムの実施例の概略図。 通信装置のＶＣＯがＧＰＳ部にリファレンス用周波数アシストを提供するのでＧＰＳの水晶発振器が除去された本発明のＧＰＳ衛星航法受信機部及び通信装置の組合せシステムの実施例の概略図。 本発明のＧＰＳ衛星航法受信機及び通信装置の組合せシステムにおける周波数の複数回再使用の概略図。

符号の説明

１００・・・システム
１０２・・・ＧＰＳ部
１０４・・・携帯電話
１０６・・・ＧＰＳパッチアンテナ
１０８・・・ＧＰＳ発振器
１１０・・・ＧＰＳＲＦ受信機
１１２・・・ＧＰＳデジタル信号プロセッサ
１１４・・・携帯電話アンテナ
１１６・・・通信用送受信機
１１８・・・携帯電話デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）
１２２・・・電圧制御型発振器（ＶＣＯ）
１２０・・・第１発振器（ｏｓｃ１）
１２４・・・第２発振器（ｏｓｃ２）
１２６・・・第３発振器（ｏｓｃ３）
１２８・・・クロックセレクタ
１３０・・・ホストＣＰＵ

Claims (11)

1. 組合せデバイスであって、
   航法受信機と、
   前記航法受信機と一体化された通信装置と、
   前記航法受信機及び前記通信装置両方におけるＲＦチューニング、ダウン変換、及び信号復調のためにリファレンス用周波数を供給する単一の水晶発振器とからなり、
   前記航法受信機及び前記通信装置は、他の別個の水晶発振器を必要としないことを特徴とする組合せデバイス。
2. 前記航法受信機は、通信装置用ＶＣＯを有することなく、前記単一の水晶発振器を利用し前記通信装置に前記リファレンス水晶周波数を供給することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 精度が劣る独立した水晶の使用を回避するために、前記航法受信機が前記通信装置に前記リファレンス水晶周波数を供給し、周波数の不安定度及び初期周波数探索空間を小さくして通信用受信機の感度を向上させていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
4. ＶＣＯの捕捉及びトラッキングを向上させるために、前記航法受信機は前記通信装置に精度の高い周波数の信号を供給することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
5. 前記航法受信機は、高電力環境で前記通信装置に公称プロセッサクロック信号を供給することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
6. 前記航法受信機は、周波数の生成範囲内で連続周波数信号を供給することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
7. 前記航法受信機は、精度の高い航法受信機イベント信号であるイベント信号をホストＣＰＵに供給することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
8. 前記航法受信機は、ホストＣＰＵのタイムフレーム内にイベント信号を航法受信機時間からのオフセット値によって供給することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
9. 前記航法受信機は、ホストＣＰＵにリアルタイムクロック信号を供給する機能を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
10. 組合せモバイルデバイスであって、
    モバイル航法受信機と、
    前記モバイル航法受信機と一体化されたモバイル通信装置と、
    前記航法受信機及び前記モバイル通信装置両方におけるＲＦチューニング、ダウン変換、及び信号復調のためにリファレンス用周波数を供給する単一の水晶発振器とからなり、これにおいては前記航法受信機及び通信装置に他の別個の水晶発振器を必要とせず、さらに
    別個の独立した通信装置のＶＣＯ水晶を用いた場合と比べ経済的及び性能の向上を図るために前記リファレンス水晶周波数から導出された比較的改善された周波数をモバイル通信装置に供給するべく前記モバイル航法受信機に接続された分周器を備えることを特徴とする組合せモバイルデバイス。
11. 前記通信装置は、ＣＤＭＡ動作のためにセルラー固定局から供給されるリファレンス周波数に依存しないことを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。

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