JP2006170673A - 温度補償圧電発振器とそれを用いた受信装置 - Google Patents

温度補償圧電発振器とそれを用いた受信装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 GPS受信信号のSS復調においては、受信装置の電源投入時、DPLLの基準信号を供給するTCXO3の温度特性によってDPLLの出力周波数に偏差が生じ、さらにドップラシフトで変動するSS変調波の周波数を追跡して同期点をサーチするとき、同期はずれの発生等によって同期点の捕捉に長時間を要する。
【解決手段】TCXO3のメモリ31に、TCXO3の中心周波数と、基準温度における周波数オフセット量と、1秒当り1℃の割合で温度変化させたときのTCXO3の最大の周波数変化率とのデータを記憶させる。受信装置の動作開始時に、CPU6よりTCXO3のメモリ31に記憶されたデータを読み出してメモリ7に記憶させる。そのデータうち、中心周波数と周波数オフセット量とをフラクショナルシンセサイザ42aに設定するとともに、最大の周波数変化率をDPLLの54クロック同期引き込み速度と設定する。
【選択図】図1

Description

本発明は、測位情報を受信する衛星受信装置に関し、特に同装置における衛星捕捉時間の短縮と安定した衛星の追従を可能にする温度補償型圧電発振器とそれを用いた衛星受信装置に関する。
測位衛星システム、例えばGPS(Global Positioning System)は、衛星を用いた全世界的な測位システムであって、陸上、海上を問わず地球上のどの地域においても連続的に単独で測位可能な測位システムである。
GPS受信装置は、GPS衛星から送信される測位情報に関する信号を受信して復調処理を行ない、その緒果得られたデータをもとに測位演算を行ってGPS受信装置の位置(緯度、経度ならびに高度)に関する情報を出力するものである。
このGPS受信装置は、年々小型化が進み、カーナビゲーション等の据え置き型のものだけでなく、移動体通信の携帯端末に組込まれたものも実用化されている。
GPS受信信号から測位情報に関するデータを取り出すためには、受信信号の搬送波に対応した信号とこの信号に同期したGPSシステムの擬似拡散信号とを掛け合わせて、その相関値を積算し、相関の最も強くなる点を同期点と判別してデータを取り出す「衛星の捕捉処理」を行う。
さらに、衛星を捕捉した後も、前記受信信号の搬送波に対応する信号が衛星の高速移動によるドップラシフトのためにその周波数が変動するので、掛け合わせる擬似拡散信号の周波数を変動する受信信号の周波数に追従させて、継続してデータを取り出す「衛星の追従処理」を行う必要がある。
衛星の捕捉処理が完了し追従処理を行っている間に得られたデータの演算処理を行うことによって測位情報を得ることができる。
図3は、従来のGPS受信装置の一例を示す構成概要図である。同図に示すように、本GPS受信装置100は、アンテナ1と、周波数混合部21とPLL・VCO回路22とからなる周波数変換部2と、メモリ32を備えた温度補償水晶発振器(以下、TCXOという)3と、一次復調部4と、スペクトラム拡散(Spread Spectrum:以下SSという)復調部(SS復調部)5と、測位演算部61を備えたCPU6とで構成される。
前記一次復調部4は、乗算部41と、フラクショナルシンセサイザ部42bを備えた搬送波再生部42とで構成される。
また、前記SS復調部5は、受信システムで設定された衛星チャネル数に対応した数のSS復調部が備えられるものであって、その各々のSS復調部は相関器51、PN符号発生器52、相関積算/判定部53、DPLL56及び分周回路55で構成される。ただし、図3には、簡略化のために、1チャネル分のSS復調部5のみを図示している。
同図において、アンテナ1で受信された衛星からのGPS信号(中心周波数:fGPS)は、送信データがBPSK(Binary Phase Shift Keying)変調され、更に擬似拡散信号によってスペクトラム拡散変調(SS変調)された信号である。この信号は周波数変換部2の周波数混合部21の一方の入力端に入力される。
一方、メモリ32に記憶された補償データに基づいて温度補償された温度補償水晶発振器(以下、TCXOという)3の出力信号(周波数:fXO)は、前記周波数変換部2のPLL・VCO回路22において所定の局部発振周波数(fLO)に逓倍されて前記周波数混合部21のもう一方の入力端に入力される。
周波数混合部21ではGPS信号(fGPS)が局部発振周波数(fLO)と混合され、中間周波信号(IFGPS)に周波数変換されて一次復調部4に出力される。
一次復調部4に入力した中間周波信号(IFGPS)は、乗算部41の一方の入力端に入力されるとともに、搬送波再生回路42に供給される。この搬送波再生回路42では、TCXO3を基準信号源とするフラクショナルシンセサイザ部42bの出力信号をもとに前記中間周波受信信号(IFGPS)と同期のとれた搬送波を再生し、乗算部41のもう一方の入力端へ出力する。
その結果、中間周波信号(IFGPS)よりBPSK復調波が取り出され、SS復調部5に出力される。
一次復調部4の出力信号は送信データがSS変調された信号であって、この信号を各衛星チャネルごと設けられたSS復調部5に入力し、以下に述べるようにSS復調することによって、それぞれ送信データ(軌道情報)が得られる。
前記SS復調部5に入力されたSS変調波は、相関器51において、TCXO3の出力を基準信号源とするDPLL56の出力信号をクロック信号としてPN符号発生器52で生成されたGPSの擬似拡散符号(PN符号)との相関がとられる。
衛星捕捉の段階では同期点が不明であるので、DPLL56の出力信号の周波数を所定の割合で変化させながら同期点をサーチする。
相関器51の出力信号(相関値)は相関積算/判定部53で1周期分ずつ順次積算し、相関が最も強くなる積算値最大の点を同期点と判定し、そこでサーチを停止し、即ちDPLL56の出力周波数を固定して受信データ(衛星軌道情報等)を得ることができる。このようにしてSS変調波は復調される。
前記相関器51に入力するSS変調波は、高速移動する衛星のドップラー効果によってその周波数が刻々と変化する。このような衛星捕捉後のSS変調波の周波数の変動に追従しつつデータを得る衛星追従の段階では、SS変調波の周波数変動に対応して前記DPLL56で生成される出力信号の周波数を変化させて、前記相関積算/判定部53にて上述と同様の同期点判定を行うことによって同期を保持し続ける。
なお、前記相関積算/判定部53からは、同期点を求めるためにDPLL56の出力周波数をどのように調整するか(高くするか、低くするか、維持するか)の自動周波数制御情報がDPLL56に供給される。
上記のようにして衛星チャネルごとに得られたそれぞれの軌道情報はCPU6の測位演算部61に入力され、該測位演算部6において演算処理されて、受信装置100の測位情報が得られる。
特開2002−228737号公報
上述のように、GPS受信信号を復調する場合、一次復調部4ではBPSK復調のために、受信装置100の動作開始とともにTCXO3よりその出力周波数fXOがフラクショナルシンセサイザ部42bに供給される。
しかしながら、このTCXO3の出力周波数fXOは、温度補償された後もTCXOに固有の温度に対する周波数偏差を持って発振している。そのため、例えば、TCXO3の中心周波数f0=24.5MHzで、その発振周波数の最大の偏差が±2ppm、フラクショナルシンセサイザ部42bの基準の出力周波数が64.5MHzであるとすると、フラクショナルシンセサイザ部42bの動作開始時には、その出力周波数は基準の周波数(64.5MHz)から最大で64.5MHz×2ppm=129Hzずれた点からドップラー周波数を含んだ中間周波信号(IFgps)をサーチしはじめることになる。そのため、中間周波信号(IFgps)の一次復調に時間を要するという問題点があった。
さらに、SS復調部5においては、ドップラシフトによって周波数が変動するGPS受信信号とPN符号発生器52で生成した符号系列との同期をとるために、DPLL56の出力周波数を1.023MHz±5kHzの範囲に亘って所定の同期引き込み速度で調整して、変動する受信周波数を追跡して捕捉し、同期を取っている。
そして、従来、この同期引き込み速度は、TCXOの初期の発振周波数安定度から勘案して、例えば100Hz/sec程度とするのが一般的であった。
このように、100Hz/secという粗い同期引き込み速度で、ドップラシフトによって変動するSS変調波の周波数を追跡して同期点をサーチするので、相関が弱くなり同期はずれが発生して同期点のサーチをやり直す場合が発生するという問題があった。
上述のような問題のために、受信装置の受信動作開始後、測位情報を得るための軌道情報の復調には、例えば40〜60秒という長時間を要するという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、温度補償型水晶発振器を基準信号源とするGPS受信装置におけるSS変調波の復調時間を短縮して、優れた受信感度特性を有するGPS受信装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項1においては、温度補償データを記憶する記憶手段を備えた温度補償圧電発振器であって、前記記憶手段に前記温度補償圧電発振器の中心発振周波数と基準温度における発振周波数のオフセット量とを記憶させたことを特徴とする。
また、請求項2においては、温度補償データを記憶する記憶手段を備えた温度補償圧電発振器であって、前記記憶手段に前記温度補償圧電発振器の温度を所定の速度で変化させたときの最大の周波数変化率を記憶させたことを特徴とする。
さらに、請求項3においては、温度補償データを記憶する記憶手段を備えた温度補償圧電発振器であって、前記記憶手段に前記温度補償圧電発振器の中心発振周波数と、基準温度における発振周波数のオフセット量と、温度を所定の速度で変化させたときの最大の周波数変化率と、を記憶させたことを特徴とする。
請求項4においては、請求項1に記載の温度補償圧電発振器の出力を基準信号としたフラクショナルシンセサイザより出力される信号をもとに搬送波を再生した搬送波再生回路出力信号と受信信号とを乗算してBPSK(Binary Phase Shift Keying)復調を行う受信装置であって、前記受信装置の動作開始時に、前記温度補償圧電発振器の記憶手段に記憶された中心発振周波数と基準温度における発振周波数のオフセット量を前記フラクショナルシンセサイザに設定して該フラクショナルシンセサイザの出力信号が前記受信信号の所定の中心周波数となるように構成したことを特徴とする。
また、請求項5においては、請求項2に記載の温度補償圧電発振器の出力を基準信号としたDPLL(Digital Phase Lock Loop)よりの出力信号をクロック信号として生成された擬似拡散符号と受信信号との相関によって同期点を求めてスペクトラム拡散復調を行う受信装置であって、前記受信装置のスペクトラム拡散復調における同期点を求める際の同期引き込み速度を、前記温度補償圧電発振器の記憶手段に記憶された最大の周波数変化率の値としたことを特徴とする。
さらに、請求項6においては、請求項3に記載の温度補償圧電発振器の出力を基準信号としたフラクショナルシンセサイザより出力される信号をもとに搬送波を再生した搬送波再生回路出力信号と受信信号とを乗算してBPSK(Binary Phase Shift Keying)復調を行い、前記BPSK復調によって取り出された被スペクトラム拡散変調波と前記温度補償圧電発振器の出力を基準信号としたDPLL(Digital Phase Lock Loop)よりの出力信号をクロック信号として生成された擬似拡散符号との相関によって同期点を求めてスペクトラム拡散復調を行う受信装置であって、前記受信装置の動作開始時に、前記温度補償圧電発振器の記憶手段に記憶された中心発振周波数と基準温度における発振周波数のオフセット量を前記フラクショナルシンセサイザに設定して該フラクショナルシンセサイザの出力信号が前記受信信号の所定の中心周波数となるように構成すると共に、スペクトラム拡散復調における同期点を求める際の同期引き込み速度を、前記温度補償圧電発振器の記憶手段に記憶された最大の周波数変化率の値としたことを特徴とする。
本発明の測位衛星受信装置では、一次復調部のフラクショナルシンセサイザ及びスペクトラム拡散復調(SS復調)部のDPLLのそれぞれの基準信号の発信源となる温度補償水晶発振器(TCXO)のメモリに、該TCXOの発振出力の中心周波数と、基準温度における発振周波数のオフセットの量と、1℃/secで温度を変化させたときのTCXOの最大周波数変化率とを記憶させる。
そして、受信装置の電源投入時に、前記フラクショナルシンセサイザにTCXOの中心周波数と基準温度における発振周波数のオフセットの量を設定して、フラクショナルシンセサイザの出力周波数が受信中間周波信号の所定の中心周波数となるように制御する。これによって従来より素早くドップラーシフトによって中心周波数からずれている衛星からの受信信号を捕捉することができる。
さらに、TCXOのメモリに記憶させた該TCXOの最大周波数変化率の値を、前記DPLLで周波数を変化させてスペクトラム拡散復調における同期点を求めるときのクロック同期引き込み速度と設定した。この速度は従来の同期引き込み速度より小さい値であるので、SS復調のための受信信号とPN符号発生器出力との相関が強く現れるので、同期はずれを防止して確実に同期点を捕捉することが可能である。また、微弱電波においても同期が取れやすくるので受信感度の向上につながる。
したがって、本発明によれば、衛星受信電波を素早く確実に捕捉して測位時間を短縮するとともに、低受信感度で衛星信号を捕捉できる優れた測位衛星受信装置を提供する上で著効を奏する。
本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明する。図1は、本発明に係わる温度補償水晶発振器を用いたGPS受信装置の実施の一形態例を示す構成概要図である。
同図に示すように、本GPS受信装置10は、アンテナ1と、周波数混合部21とPLL・VCO回路22とからなる周波数変換部2と、メモリ31を備えた温度補償水晶発振器(以下、TCXOという)3と、一次復調部4と、スペクトラム拡散復調部(SS復調部)5と、測位演算部61を備えたCPU6と、メモリ7とで構成される。
前記一次復調部4は、乗算部41と、フラクショナルシンセサイザ部42aを備えた搬送波再生部42とで構成される。
また、前記SS復調部5は、受信システムで設定された衛星チャネル数に対応した数のSS復調部が備えられるものであって、その各々のSS復調部は相関器51、PN符号発生器52、相関積算/判定部53、DPLL54及び分周回路55で構成される。ただし、図1には、簡略化のために、1チャネル分のSS復調部5のみを図示している。
なお、GPS受信装置10の各構成部位の機能、動作は、TCXO3のメモリ31と、一次復調部4のフラクショナルシンセサイザ42aと、SS復調部のDPLL54と、メモリ7とを除いて、図3の同一符号で表される構成部位の機能動作と同じであり、また、本受信装置10におけるBPSK復調及びSS復調の基本的な復調動作は図3のGPS受信装置100の場合と同じであるので、共通部分の詳細な説明は省略する。
本受信装置10に装着されるメモリ31を備えたTCXO3は、その製造・検査段階において次のように構成される。
(イ) 基準温度(25℃)における発振周波数の中心周波数からのずれ(周波数オフセット)を計測する。
(ロ)所定の速度(例えば、1秒に1℃の割合)で温度変化させたときの発振周波数を計測する。
(ハ)計測結果に基づいて各温度における周波数変化率(ppm/℃)を計算する。
(ニ)TCXOの中心周波数と、(イ)の周波数オフセットと、(ハ)によって得られる周波数変化率(ppm/℃)のうちの最大の値(以下、最大周波数変化率(ppm/℃)という)と、をメモリ31に記憶させる。
なお、TCXO3の中心周波数とは、任意に定めた基準周波数のことであり、いわゆる公称周波数を用いるのが一般的である。
図2は、前記のように構成されたTCXO3を備えたGPS受信装置10をTCXO3のメモリ31に記憶されたデータをもとに、受信動作開始時に一次復調部4のフラクショナルシンセサイザ42aとSS復調部5のDPLL54の動作を制御する制御フローチャートである。
同図を参照しながら、本GPS受信装置10の復調動作を説明する。
GPS受信装置10の電源がONになると(図2S1)、TCXO3からは、メモリ31の温度補償データに基づいて温度補償が施された発振周波数が出力されるとともに、メモリ31よりCPU6を介してメモリ7へTCXO3の中心周波数と、基準温度における周波数オフセットと、最大周波数変化率(ppm/℃)のデータが読み込まれる(図2S2)。
これらのデータを読み込んだCPU6は、中心周波数と周波数オフセットのデータに基づいてフラクショナルシンセサイザ部42aを制御して、該フラクショナルシンセサイザ部42aの出力周波数が所定の受信中間周波信号の中心周波数(IF0)から出力し始めるように設定する(図2S3、S4)。
このようにして、所定の中間周波信号の中心周波数(IF0)からその周波数が変化するフラクショナルシンセサイザ部42aの出力が搬送波再生回路42に出力される。
搬送波再生回路42では、前記フラクショナルシンセサイザ42a出力信号と受信信号(IFGPS)とを同期させて搬送波を再生し、乗算部41において前記再生搬送波と受信信号(IFGPS)とを乗算して一次変調(BPSK変調)波を復調する。
また、前記CPU6は、SS復調部5のDPLL54におけるクロック同期引き込み速度を、メモリ7に読み込んだTCXO3の最大周波数変化率(ppm/℃)の値に設定する (図2S5)。
例えば、TCXO3の最大周波数変化率(ppm/℃)が0.02ppm/℃の場合、クロック同期引き込み速度は、GPS周波数×最大周波数変化率(ppm/℃)=1575.42(MHz)×0.02(ppm/℃)=31.5Hz/℃、即ちクロック同期引き込み速度を31.5Hz/secに設定する。
前記SS復調部5に入力した一次復調部4の出力信号は、相関器51において、PN符号発生器52で生成されたGPSのPN符号との相関がとられる。このPN符号は、前述のようにTCXO3の最大周波数変化率(ppm/℃)の値に基づいて設定された31.5Hz/secの速度でその発振周波数が調整されるDPLL54の出力信号をクロック信号としてPN符号発生器52で生成される。なお、前記クロック同期引き込み速度は、計算値に基づいてその近似値(例えば、30Hz/sec)としてよいことは当然である。
相関器51の出力信号(相関値)は相関積算/判定部53で1周期分ずつ順次積算し、積算値最大の点を相関が最も強くなる同期点と判定して受信データ(衛星軌道情報等)を得ることができる。
前記相関器51に入力するSS変調波は、衛星のドップラー効果によってその周波数が変化している。このSS変調波の周波数の変動に追従して、前記DPLL54で生成される出力信号の周波数を調整して前記PN符号のチップレートを変化させ、同期を保持し続ける。
なお、前記相関積算/判定部53からは、自動周波数制御情報がDPLL54に供給されて、同期点を保持するためのDPLL54の出力周波数の調整指示が行われる。
上記のようにGPS受信装置10を構成することによって、一次復調部4の搬送波再生回路42で、素早く搬送波を再生してBPSK復調することが可能となる。
また、同期引き込み速度を個々のTCXO3の最大周波数変化率(ppm/℃)の値としているので、TCXOのバラツキを考慮して、同期引き込み速度を大きく設定することなく各TCXOの能力に応じた値とすることができるので、SS復調部5の相関器51における相関が、同期引き込み速度を大きい値に設定していたときよりも強くなるため衛星受信波との同期がとりやすくなり、衛星の追従動作が確実になる。
本発明に係わる温度補償水晶発振器を用いたGPS受信装置の実施の一形態例を示す構成概要図 一次復調部のフラクショナルシンセサイザとSS復調部5のDPLLとの動作を制御する制御フローチャート図。 従来のGPS受信装置の一例を示す構成概要図。
符号の説明
1・・アンテナ、 2・・周波数変換部、 3・・温度補償水晶発振器(TCXO)、
4・・一次復調部、 5・・スペクトラム拡散復調部(SS復調部)、 6・・CPU、
7・・メモリ、10・・GPS受信装置、21・・周波数混合部、22・・PLL・
VCO回路、
31、32・・メモリ、 41・・乗算部、 42・・搬送波再生部、
42a、42b・・フラクショナルシンセサイザ部、 51・・相関器、
52・・PN符号発生器、 53・・相関積算/判定部、 54、56・・DPLL、
55・・分周回路、 61・・測位演算部、 100・・GPS受信装置、

Claims (6)

  1. 温度補償データを記憶する記憶手段を備えた温度補償圧電発振器であって、前記記憶手段に前記温度補償圧電発振器の中心発振周波数と基準温度における発振周波数のオフセット量とをさらに記憶させたことを特徴とする温度補償圧電発振器。
  2. 温度補償データを記憶する記憶手段を備えた温度補償圧電発振器であって、前記記憶手段に前記温度補償圧電発振器の温度を所定の速度で変化させたときの最大の周波数変化率をさらに記憶させたことを特徴とする温度補償圧電発振器。
  3. 温度補償データを記憶する記憶手段を備えた温度補償圧電発振器であって、前記記憶手段に前記温度補償圧電発振器の中心発振周波数と、基準温度における発振周波数のオフセット量と、温度を所定の速度で変化させたときの最大の周波数変化率と、をさらに記憶させたことを特徴とする温度補償圧電発振器。
  4. 請求項1または3に記載の温度補償圧電発振器の出力を基準信号としたフラクショナルシンセサイザより出力される信号をもとに搬送波を再生した搬送波再生回路出力信号と受信信号とを乗算してBPSK(Binary Phase Shift Keying)復調を行う受信装置であって、
    前記受信装置の動作開始時に、前記温度補償圧電発振器の記憶手段に記憶された中心発振周波数と基準温度における発振周波数のオフセット量を前記フラクショナルシンセサイザに設定して該フラクショナルシンセサイザの出力信号が前記受信信号の所定の中心周波数となるように構成したことを特徴とする受信装置。
  5. 請求項2または3に記載の温度補償圧電発振器の出力を基準信号としたDPLL(Digital Phase Lock Loop)よりの出力信号をクロック信号として生成された擬似拡散符号と受信信号との相関によって同期点を求めてスペクトラム拡散復調を行う受信装置であって、
    前記受信装置のスペクトラム拡散復調における同期点を求める際の同期引き込み速度を、前記温度補償圧電発振器の記憶手段に記憶された最大の周波数変化率の値としたことを特徴とする受信装置。
  6. 請求項3に記載の温度補償圧電発振器の出力を基準信号としたフラクショナルシンセサイザより出力される信号をもとに搬送波を再生した搬送波再生回路出力信号と受信信号とを乗算してBPSK(Binary Phase Shift Keying)復調を行い、前記BPSK復調によって取り出された被スペクトラム拡散変調波と前記温度補償圧電発振器の出力を基準信号としたDPLL(Digital Phase Lock Loop)よりの出力信号をクロック信号として生成された擬似拡散符号との相関によって同期点を求めてスペクトラム拡散復調を行う受信装置であって
    前記受信装置の動作開始時に、前記温度補償圧電発振器の記憶手段に記憶された中心発振周波数と基準温度における発振周波数のオフセット量を前記フラクショナルシンセサイザに設定して該フラクショナルシンセサイザの出力信号が前記受信信号の所定の中心周波数となるように構成すると共に、スペクトラム拡散復調における同期点を求める際の同期引き込み速度を、前記温度補償圧電発振器の記憶手段に記憶された最大の周波数変化率の値としたことを特徴とする受信装置。
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