JP2007516638A - 局所供給レプリカを利用してサンプル直接シーケンス拡散スペクトル信号を補正する方法 - Google Patents

Abstract

拡散コードを包含している局所供給レプリカ信号を利用してサンプル直接シーケンス拡散スペクトル信号を補正する方法が、これに対応する同様の目的のための信号プロセッサと、受信機と、コンピュータ読み取り可能な記録媒体と、コンピュータプログラムと共に開示されている。当該方法は、第１のワードを形成するように、受信信号の少なくとも２つの信号サンプルの１又は２以上のビットを結合するステップと、レプリカ信号に対応した２以上のビットを包含している第２のワードを供給するステップと、補正値を取得するために、特にハードワイヤ（配線）による回路構成内で、前記第１及び第２のワードを処理するように１又は２以上のソフトウェアベースの指示を実行するステップとを備える。

Description

本発明は、拡散コードを包含している局所供給レプリカ信号(locally provided replica signal)を利用してサンプル直接シーケンス拡散スペクトル信号(sampled direct sequence spread spectrum signal)を補正する方法、並びにこれに対応する同様の目的のための信号プロセッサ、受信機(receiver)、コンピュータ読み取り可能な記録媒体、及びコンピュータプログラムに関する。

拡散コードを包含している局所生成レプリカ信号（locally generated replica signals）を利用して受信機内で受信ＧＰＳ拡散スペクトル信号（received GPS spread spectrum signals）を繰り返し補正するようなナブスターＧＰＳ受信機（NAVSTAR GPS receiver）を、当該受信ＧＰＳ信号を逆拡散するために用意するといったことはよく知られている。受信ＧＰＳ信号内の拡散スペクトルコードが、上記レプリカ信号の拡散スペクトルコードと異なるコード位相、加えて上記受信機と軌道人工衛星（orbiting satellites）との間でのドップラーシフトのために異なる周波数を有しそうなときには、２次元レプリカのコード位相及び周波数位相掃引（sweep）が標準的に採用され、それによりそのような掃引が結局、上記局所生成レプリカの拡散スペクトルコードと同じ周波数及びコード位相を有する受信ＧＰＳ信号内の拡散スペクトルコードを生じさせることになる。これは、続いて追跡（track）され得る上記ＧＰＳ信号の正補正（positive correction）、指示捕捉（indicating acquisition）、並びにコード位相及び周波数を生じさせることになると共に、上記受信機の位置が従来のナビゲーションアルゴリズムを使用して当該情報から計算され得るような、上記ＧＰＳ信号から導出される擬似距離（pseudorange）その他の情報を生じさせることになる。

事実上、現行のＧＰＳは受信機はすべて、ＧＰＳ信号捕捉を実行するためにアプリケーションスペシフィクハードウェア（application specific hardware）を使用するが、より最近では、ソフトウェアベースのＧＰＳ（software based GPS）が開発されてきている。例えばAkos et al.による論文"Real-time software radio architectures for GPS receivers" (GPS World, July 2001)は、ＧＰＳ信号処理（GPS signal processing）が、アナログ又は別個のハードワイヤ（hardwires）要素に対抗するプログラム可能なマイクロプロセッサ又はデジタル信号プロセッサにより受信機内で完遂されるようなＧＰＳソフトウェア受信機を開示している。この論文の図２に図示されているように、簡易「ＧＰＳソフトウェア受信機」は、ＧＰＳ信号前処理（GPS signal pre-processing）（フィルタリングと増幅と周波数下降変換とを含む）及びアナログデジタル変換のためのＧＰＳアンテナ及びＧＰＳ無線周波数フロントエンドセクション（GPS RF front-end section）からなるものと規定されている。当該ＧＰＳ無線周波数フロントエンドセクションから出力されるＧＰＳ信号サンプルは、確定する位置を決定するために、適切なＧＰＳ信号処理ソフトウェアを実行する最新式のＰＣ内へ送出され得る。ソフトウェアベースのＧＰＳ信号処理の主要な短所は、それが、それに対応するハードワイヤによる（hardwired）解決法より本質的に遅いということである。

本発明に従って、拡散コードを包含している局所供給レプリカ信号を利用してサンプル直接シーケンス拡散スペクトル信号を補正する方法、並びにこれに対応する同様の目的のための信号プロセッサ、受信機、コンピュータ読み取り可能な記録媒体、及びコンピュータプログラムが提供される。当該方法は、第１のワード（word）を形成するように、受信信号の少なくとも２つの信号サンプルの１又は２以上のビット（bit or bits）を結合するステップと、レプリカ信号に対応した２以上のビットを包含している第２のワードを供給（provide）するステップと、補正値を取得するために、特にハードワイヤ（配線）による回路構成内で、前記第１及び第２のワードを処理するように１又は２以上のソフトウェアベースの指示を実行するステップとを備える。

前記処理は、ワードベースの排他ｏｒ（ＸＯＲ）演算又はその反転及びその演算の結果の合計を包含するようにしてもよい。加えて、前記第１のワードは、ソフトウェアベースの指示の実行により形成されるようにしてもよい。

前記拡散スペクトル信号の各サンプルが少なくとも１の大きさビット（one magnitude bit）及び１の符号ビット（a sign bit）を包含する場合には、前記第１のワードが、少なくとも２つの信号サンプルの１又は２以上の前記大きさビットを結合することにより形成されるようにしてもよいし、第３のワードが、少なくとも２つの信号サンプルの１の前記符号ビットを結合することにより形成されるようにしてもよいし、１又は２以上のソフトウェアベースの指示が、補正値を取得するために、前記第１、第２、及び第３のワードを処理するように実行されるようにしてもよい。

本発明を利用することにより、本発明者達は、大多数のマイクロプロセッサが、適切なソフトウェアフック（hook）を利用したＸＯＲ演算のようなワードベースのハードワイヤによる演算を速く実行できること、及びこれらの演算の利用が、拡散スペクトル信号捕捉を著しく高速化させることを理解した。

本発明は以下、ナブスターＧＰＳ受信機装置に接続されており本発明に従って動作するＰＣを図式的に示す添付図を参照しつつ、単なる例として説明されることになる。

添付図を参照するに、当該ＰＣは、ＧＰＳ無線周波数フロントエンドセクションＲｘとＧＰＳアンテナとからなる当該ＧＰＳ受信機装置１０に、ＵＳＢポートとこれに対応するケーブルとを介して接続されている。当該装置は「ドングル」型の装置とすることで当該ケーブルを省略することができるが、当該ケーブルは、重要な（prominent）位置にある当該ＧＰＳ受信機装置（当該アンテナを含む）の位置を定めることを容易にすることで、ＧＰＳ信号を捕捉する機会を増加させる。例えば、当該ＧＰＳ受信機装置を、もし室内で動作させるならば窓のそばに設置してもよい。

動作時において、当該ＧＰＳ受信機装置は、ナブスターＳＰＳ ＧＰＳ信号（当該信号は直接シーケンス拡散スペクトル信号である）をそのアンテナを通じて受信すると共に、典型的にはバンド外無線周波数インタフェース（out-of-band RF interface）を最小化するためのパッシブバンドパスフィルタリングと、前増幅（preamplification）と、中間周波数（intermediate frequency）（ＩＦ）への下降変換と、アナログデジタル変換とにより、当該信号を前処理する。結果として生じる１ビットＧＳＰ信号サンプルは、利用可能な人工衛星からのすべての情報をなお包含している変調されたままの前記ＩＦ信号を包含している。当該ＧＳＰ信号サンプルはその後、上記ＧＰＳ受信機装置から上記ＵＳＢリンクを介してＰＣメモリ（図示せず）内に出力される。

本発明による適切なＧＰＳ信号処理ソフトウェアを使用して、当該ＧＰＳ信号サンプルは、下で更に説明されるように、上記ＰＣの位置が従来のナビゲーションアルゴリズムを使用して当該情報から決定され得るような擬似距離情報、を導出するためにＧＰＳ信号が捕捉され得るように処理される。

もし我々がまず、ソフトウェアによるＧＰＳ ＩＦ信号サンプルの１ビットストリームに関する従来のＧＰＳ信号捕捉について考察するならば、補正は典型的には、当該ＧＰＳ ＩＦストリームの各ビットに適用されるＸＯＲ演算を、ＧＰＳレプリカ信号（当該信号は同位（Ｉ）と直角位相（Ｑ）の両方の位相のＩＦキャリア上で変調されているような上記拡散コードを複製（レプリカ）している）の同相（Ｉ）と直角位相（Ｑ）の両方のビットの内の対応するビットと共に利用することにより実施される。ＩとＱの両方の位相について、当該ＸＯＲ演算の出力は合計され、当該合計は、当該信号が捕捉されたか否かを決定するために使用される補正出力を生成するために結合される。次に示すような擬似コード（pseudo-code）の観点は、ＩとＱの位相についてそれぞれの合計を生成するために上記ＩＦサンプルストリームの各ビットについて繰り返されるこの処理に関して考察するのに役立ち得る。
code = GenerateNextCodeBit()
carrier = GenerateNextCarrierPhase()
IFsample = GetNextIFsample()
Isum = Isum + IFsample XOR (code XOR cos(carrier))
Qsum = Qsum + IFsample XOR (code XOR sin(carrier))
もし複雑なＧＰＳ ＩＦ信号サンプルストリームが使用されるならば、より洗練された設計が使用され得るが、原理はおおよそ同一であるということに注意されたい。

本発明に従って、ＧＰＳ ＩＦ信号サンプルの１ビットストリームについて、連続する３２ビットグループが、当該ＧＰＳ ＩＦ信号サンプルストリームの連続するワードを形成するために結合される（当該ワードはそのとき、ＩとＱの両方のＧＰＳレプリカ信号のそれに対応する３２ビットワードと共に当該ワードに適用されるＸＯＲ演算を有する）。当該ＸＯＲ演算は、ソフトウェアベースの指示に準じてハードウェア内において（例えば３２ビットワードに自然に作用するＡＲＭ９マイクロプロセッサ上で）実行される。ＩとＱの両方の位相について、当該ワードベースのＸＯＲ演算の出力は合計され、当該合計は、当該信号が捕捉されたか否かを決定するために使用される補正出力を生成するために結合される。

もし我々が、本発明のワードベースの処理を従来のビットベースの処理と比較するならば、２ビットカウント（two bit counts）及び幾つかの単純な圧縮演算（some simple packing operations）を実行しなければならないコストに関して、３２の因数の分だけＸＯＲ演算の数が効果的に削減される。これ自身価値のあることなのだが、加えて、大多数の実際のソフトウェアによる解決法では、上記ＩＦデータは圧縮ワード（packed words）内に格納されることになる。そのため、当該圧縮ワードの生成にコストがかからないだけでなく、もしワードベースのＩＦ方法から上記従来のビットベースの処理に替われば必要とされる解凍コスト（unpacking cost）が回避される。

次に示すような擬似コードの観点は、ＩとＱの位相についてそれぞれの合計を生成するために上記ＩＦサンプルストリームの各ビットについて繰り返されるこの処理に関して考察するのに役立ち得る。
for bit = 0 to 31 {
codeWord[bit] = GenerateCodeBit()
phase = GenerateCarrierPhase()
IcarrierWord[bit] = cos(phase)
QcarrierWord[bit] = sin(phase)
IFWord[bit] = GetNextIFsample()
}
IWord = IFWord XOR codeWord XOR IcarrierWord
QWord = IFWord XOR codeWord XOR QcarrierWord
Isum = Isum + CountBitsSet(IWord)
Qsum = Qsum + CountBitsSet(QWord)
このアプローチの変形が、ゲインはより小さくなり得るが、マルチビットサンプリングに使用され得ることは注目に値する。１．５ビットサンプリングの特殊な場合（即ち１、０、−１の値）については、符号及び大きさワードを分離しておき、当該符号ワードを１ビットの値として処理するが、大きさワードをビットカウント演算におけるマスクとして使用することにより、明確にサポートされ得る。

本発明は、ソフトウェアＧＰＳ性能を有するＰＣのコンテクストで例証されてきたが、ＧＰＳ信号処理ソフトウェアをサポート可能で本発明によるＧＰＳ受信機装置が接続可能なその他の装置に対しても、当然同様に適用可能である。例えば、本発明は、ラップトップＰＣ及びＰＤＡのようなモバイル機器、又はＴＶやＴＶセットトップボックスのような一般的な静止物体に採用される。更には、本発明は、モバイル電話通信に採用される場合を含めて、非ＧＰＳの直接シーケンス拡散スペクトル信号捕捉に同様に適用可能である。

ナブスターＧＰＳ受信機装置に接続されており本発明に従って動作するＰＣを図式的に示す。

Claims (11)

1. 拡散コードを包含している局所供給レプリカ信号を利用してサンプル直接シーケンス拡散スペクトル信号を補正する方法であって、
   第１のワードを形成するように、受信信号の少なくとも２つの信号サンプルの１又は２以上のビットを結合するステップと、
   レプリカ信号に対応した２以上のビットを包含している第２のワードを供給するステップと、
   補正値を取得するために、前記第１及び第２のワードを処理するように１又は２以上のソフトウェアベースの指示を実行するステップとを備える方法。
2. 前記第１及び第２のワードの前記処理は、ハードワイヤによる回路構成を使用して実施される請求項１に記載の方法。
3. 前記第１及び第２のワードの前記処理は、ワードベースのＸＯＲ演算又はその反転及びその演算の結果の合計を包含する請求項１に記載の方法。
4. ソフトウェアベースの指示が、前記第１のワードを形成するように実行される請求項１に記載の方法。
5. 前記拡散スペクトル信号の各サンプルが、少なくとも１の大きさビット及び１の符号ビットを包含し、前記第１のワードが、少なくとも２つの信号サンプルの１又は２以上の前記大きさビットを結合することにより形成され、第３のワードが、少なくとも２つの信号サンプルの１の前記符号ビットを結合することにより形成され、１又は２以上のソフトウェアベースの指示が、補正値を取得するために、前記第１、第２、及び第３のワードを処理するように実行される請求項１に記載の方法。
6. 第１のワードを形成するように、受信信号の少なくとも２つの信号サンプルの１又は２以上のビットを結合し、レプリカ信号に対応した２以上のビットを包含している第２のワードを供給し、補正値を取得するために、前記第１及び第２のワードを処理するように１又は２以上のソフトウェアベースの指示を実行することにより、
   拡散コードを包含している局所供給レプリカ信号を利用してサンプル直接シーケンス拡散スペクトル信号を補正する、ように構成されている信号プロセッサ。
7. 前記第１及び第２のワードの前記処理は、ハードワイヤによる回路構成を使用して実施される請求項６に記載の信号プロセッサ。
8. 前記第１及び第２のワードの前記処理は、ワードベースのＸＯＲ演算又はその反転及びその演算の結果の合計を包含する請求項６に記載の信号プロセッサ。
9. ソフトウェアベースの指示が、前記第１のワードを形成するように実行される請求項６に記載の信号プロセッサ。
10. 前記拡散スペクトル信号の各サンプルが、少なくとも１の大きさビット及び１の符号ビットを包含し、前記第１のワードが、少なくとも２つの信号サンプルの１又は２以上の前記大きさビットを結合することにより形成され、第３のワードが、少なくとも２つの信号サンプルの１の前記符号ビットを結合することにより形成され、１又は２以上のソフトウェアベースの指示が、補正値を取得するために、前記第１、第２、及び第３のワードを処理するように実行される請求項６に記載の信号プロセッサ。
11. 直接シーケンス拡散スペクトル信号の受信機であって、
    拡散スペクトル信号を受信して、対応する信号サンプルを出力するためのアナログデジタル変換器、を包含するアンテナ及び無線周波数フロントエンドと、請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の信号プロセッサとを備える受信機。

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