JP4373326B2 - 通信測位機器における周波数管理のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２００２年５月１７日出願の米国仮出願第６０／３８０８３２号に関するものであり、かつその優先権を主張する。その出願は参照として組み入れられる。本願はまた、本願と同日付で出願され、代理人整理番号ＣＭ０３７１６Ｊを有し、かつ本願と同一の発明者を有する“通信測位機器における周波数管理のためのシステム及び方法”と題された米国出願の主題に関するものであり、その出願は本願と同一の事業体に譲渡又は譲渡の義務の下にあり、本願に参照として組み入れられる。

本発明は通信の分野、より詳細には、例えば全地球測位システム（ＧＰＳ）又は他の位置サービスのような測位機能を有する携帯電話又は他の通信機器における周波数源を正確に生成して、管理するための技術に関するものである。

ＧＰＳ受信機は、例えば捕捉（ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）及び追跡（ｔｒａｃｋｉｎｇ）時間のような性能基準により特徴付けられ、そのような捕捉及び追跡時間は、ＧＰＳ衛星の信号を検出して、連続追跡するのに要する処理の量、つまりユーザの位置の正確な報告を開始するまでの所用時間に反映される。ＧＰＳ受信機の捕捉時間、追跡性能、検出感度、位置精度及び他の性能パラメータは様々な要因の影響を受ける。そのような要因として、ラジオ周波数の検出及び他の目的のための周波数基準を機器内で生成して、管理する際の精度が挙げられる。民間用の粗い捕捉（Ｃ／Ａ）を目的として使用されるＬ１ ＧＰＳ信号は関連するＮＡＶＳＴＡＲ衛星から１．５７５ＧＨｚで送信されている。ロシアのＧＬＯＮＡＳＳ衛星も同様の周波数帯域で送信している。

基準信号からドップラー及び他のデータを正確に導出し、その結果として妥当な捕捉時間内で受信機の位置を正確に三角測量するために、ＧＰＳ受信機を備えた携帯用、車載用、固定用及び他の測位受信機は、そのクロックにおいて、一般に数ｐｐｍ（パーツパーミリオン）若しくはそれを下まわる範囲内の安定した周波数を必要とする。

近年の市場は他の通信サービスをＧＰＳ機能と結合する方向に発展する傾向にある。様々な無線機器、例えば携帯電話、デジタルページャ、無線携帯情報端末、８０２．１１ａ／ｂ／ｇ及び他のクライアントは全て、様々な用途を目的として、ＧＰＳ位置受信機と結合している。

しかしながら、携帯電話及び他の通信機器において一般に使用される基準クロックの精度は、ＧＰＳサービスが有効であるために一般的に必要とされる程度のものではない。上述したように、ＧＰＳサービスにおいて必要とされる精度は、捕捉時間、追跡、検出感度、位置精度及び他の要因の性能を向上させるために、少なくとも数ｐｐｍ、１０分の１ｐｐｍまで至るか、若しくはそれを下まわる範囲内にある。他方、携帯電話は、実装に依存するが、おそらくは５から数１０ｐｐｍの範囲内の精度の非補償発振器を備えるのみである。携帯電話機器が部分的に高い周波数変動を許容できるのは、端末又は他の機器が、基地局又は無線ネットワーク自体から、安定した周波数基準を得ることが可能であるためである。

連邦通信委員会により委託された発信者位置サービス用の携帯電話と結合したＧＰＳ受信機の場合、携帯電話のローカルな水晶発振器は１６．８ＭＨｚ又は別の基本周波数に設定されており、例えばおおよそ±３０ｐｐｍの周波数変動を有し得る。それゆえ、携帯電話端末の内部クロックそれ自体では、結合機器におけるＧＰＳ回路を有効なＧＰＳ動作で駆動させるのには十分ではない。通常の水晶発振器上で動作する温度補償回路により、その周波数基準は恐らく±５ｐｐｍ程度にまで改善するだろうが、この種の部品は比較的に低コストなモバイル機器のコストを上昇させるだろう。例えば、一方はＧＰＳ用、他方は携帯電話又は他の通信サービス用という異なる周波数を有する二つの補償基準発振器を提供するという解決案もあるが、それは結合機器としては経済的ではないだろう。他の問題も存在する。

従来技術における上記及び他の問題を克服する本発明は、通信／測位結合システムにおける周波数管理のためのシステム及び方法に関するものであり、そのシステム及び方法では、機器の通信側を駆動するのに使用される基線周波数基準から、ＧＰＳの目的用に安定した基本基準が誘導される。実施形態では、その基線基準は、機器の通信部分における精度を規定し、例えばソフトウェアの温度補償、ハードウェアの温度補償、製造時における周波数バイアスの測定、自動周波数制御（ＡＦＣ）又は他の技術のような直接の補償手段なしに機能できる。その結果、ＧＰＳ受信機の部品はその基線基準を受信し、中間発振器、一体型合成器又は他のエレメントを使用して、その基準をＧＰＳ周波数までアップコンバートできる。機器の測位部分における周波数基準もまた、必然的に本来の通信（基線）クロックと同範囲の周波数変動を示すだろう。しかしながら、本発明の実施形態によれば、機器の通信部分と接続するプロセッサエレメントが携帯電話又は他の要素による変動に基づいた周波数のドリフトを追跡することができる。その結果、そのプロセッサ又は他の論理エレメントは、本来の通信周波数基準の変動を示すドップラーサーチ又は他の論理デジタルメッセージを機器の測位部分に伝えることができる。この論理デジタルメッセージは、経験的データ及び関連するアルゴリズムとともに、例えばシステムの熱力学的性質から導出される周波数ドリフトレートのような予測周波数情報を含み得る。次いで、測位受信機は、ドップラーサーチウィンドウの中心周波数又は幅、周波数走査レート、若しくは他のサーチパラメータを調整して、その測位捕捉及び追跡処理を、より早く、より低強度の信号に対し敏感に、かつより優れた位置精度を有するように、駆動する。それゆえ、本結合機器のＧＰＳ又は他の測位部分は、それ自体にローカルな発振器を備える必要はなく、それにも拘わらず、比較的低コストで十分なＧＰＳ性能を発揮する。

添付図面を参照しながら本発明を説明する。添付図面において、同一のエレメントは同一の数字により参照されるものとする。
本発明による周波数管理システムを実装する際のアーキテクチャを図１に示す。同図における通信／測位結合機器にはＧＰＳ受信回路１０６及び通信送受信機１０４の両方が組み込まれている。図示したように、通信送受信機１０４は、検出と、例えば携帯電話又は他のラジオ周波数（ＲＦ）、若しくは他の信号のような通信搬送信号のダウンコンバートとを目的とした受信機の前端部１３６、並びにダウンコンバートされた通信信号を処理するためのベースバンド受信機１３８を含み得る。この結合機器の通信送受信機１０４は、例えば携帯用ラジオ、携帯電話、双方向又は他のページャ、無線モデム、無線携帯情報端末若しくはラジオ、光学又はそれ以外の無線通信信号を送受信する他の機器であっても、若しくはそれを含むものであっても構わない。実施形態では、通信送受信機１０４は、例えば携帯電話の基地局、若しくは他の通信設備又はサイトのような基地局１０８と通信するか、若しくはそこからの信号を受信する。

図示したように、通信／測位結合機器は、最終的には通信送受信機１０４及びＧＰＳ受信回路１０６を駆動するための周波数基準を提供する基本発振器１０２を含み得る。実施形態において、基本発振器１０２は自励式であり、かつ非補償型の基準部品であればよい。基本発振器１０２の基本周波数は、８００／９００ＭＨｚ、１９００ＭＨｚ又はそれ以外の周波数範囲における携帯電話又は他の動作と適合する値に設定されていてもよい。基本発振器１０２は、例えば搬送範囲までに拡大される可能性のある１６．８ＭＨｚ又は他の周波数に設定されていてもよい。例えば基本発振器１０２を実装するのに使用可能な非補償水晶発振器の典型例は、それ自体によりおおよそ±３０ｐｐｍの周波数の変位を示す。実装によっては、基本発振器１０２は、より厳格な乃至は優れた周波数の許容誤差を達成する温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）又は他の補償部品であっても、若しくはそれを含むものであっても構わない。

図示したように、基本発振器１０２は、携帯電話又は他の通信、若しくは他の動作における動作周波数を駆動するために、第一位相同期ループ１１０に周波数基準を配信する。第一位相同期ループ１１０は、基本発振器１０２の位相を高周波発振器１１６の位相と比較するための位相比較器１１２を備え得る。高周波発振器１１６は、例えば携帯電話又は他の動作用の８００／９００ＭＨｚ、１９００ＭＨｚ又は他の範囲のような周波数を発生する電圧制御高周波発振器（ＶＣＯ）として実装されていてもよい。ループフィルタ１１４により位相比較器１１２の出力はローパスフィルタにかけられ、それにより、より高周波のアーティファクト又は他のノイズは除去され、位相同期ループ１１０は安定化する。

ループフィルタ１１４の出力は、順次、高周波発振器１１６を動作周波数まで駆動し、ループ分配器１１８によって提供される帰還により、位相比較器１１２にまで至る閉フィードバックループが完了する。それゆえ、高周波発振器１１６の位相は基本発振器１０２の位相に同期され、動作中、それらの間の位相角はゼロ又はほとんどゼロ、若しくは固定又はほとんど固定された分離角度に保たれる。

高周波発振器１１６のクロック基準は第一位相同期ループ１１０の出力を形成し、その出力により、通信機器に送信された無線信号を復調して、ダウンコンバートし、かつ受信するために、若しくはそれ以外の通信動作を実行するために通信送受信機１０４を順次駆動することができる。この一実施形態によれば、高周波発振器１１６の周波数基準は、例えば携帯電話の端末用のマルチバンド動作又は他の実装のための動作の必要性に従って、プログラムされていても、若しくは拡大・縮小（ｓｃａｌｅ）されていても構わない。

通信送受信機１０４は、例えば携帯電話基地局、若しくは他の通信サイト又はネットワークのような基地局１０８を捕捉して固定する。ひとたび基地局１０８に登録されると、通信送受信機１０４は、その通信送受信機を駆動する第一位相同期ループ１１０の出力及び基地局１０８の間の周波数の補正の程度を測定する。その周波数の補正値は、例えばおおよそ±０．２ｐｐｍのような非常に高い精度で部分的に追跡することが可能である。これは、携帯電話又は他の基地局１０８は正確なセシウム又は他のクロック基準を保持しており、そのクロック基準がその基地局の通信チャンネルに向けて送信されるからである。

ひとたび周波数の補正値が決定されたなら、本発明の実施形態に従えば、プロセッサ１２０はデジタル周波数追跡メッセージ１２２をループ分配器１１８又は第一位相同期ループ１１０の他のエレメントに送信する。例えば自動周波数制御ワード、若しくは他のメッセージ又はデータのようなデジタル周波数追跡メッセージ１２２は、ループ分配比又は他のパラメータの微調整を可能にし、第一位相同期ループ１１０の出力が時間とともに基地局１０８の周波数を追跡することを誘導する。プロセッサ１２０は、例えばＭｏｔｏｒｏｌａ ＣｏｌｄＦｉｒｅ（商標名）系列のプロセッサ又はその他のような一般の目的用のプログラム可能なプロセッサ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ５６０００（商標名）系列のようなデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、若しくは他の論理エレメント又はプロセッサであっても、若しくはそれらを含んでいるものであっても構わない。

本発明の実施形態によれば、結合機器内において、プロセッサ１２０はＧＰＳ受信回路１０６とも通信する。ＧＰＳ受信回路１０６自体は、さらに基本発振器１０２から得られるクロック信号に基づいて一般的には動作する。より詳細には、図１に示す実施形態において、基本発振器１０２の出力は第二位相同期ループ１２６に送信される。第二位相同期ループ１２６は、位相比較器１２８により、基本発振器１０２の出力を受信できる。位相比較器１２８は、基本発振器１０２の出力の位相と、高周波発振器１３２の出力を分配するループ分配器１３４の出力とを比較することができる。位相比較器１２８の出力はループフィルタ１３０によりフィルタにかけられ、その出力は高周波発振器１３２に伝送される。それゆえ、高周波発振器１３２は基本発振器１０２に同期され続ける。

第二位相同期ループ１２６の出力は、高周波発振器１３２の形でＧＰＳ受信機１０６に送信され、基準クロックとしてその受信機を駆動することができる。実施形態において、そのクロック信号は１．５７５ＧＨｚ又は他の周波数であっても構わない。ＧＰＳ受信機は、そのクロックに基づいて、ゴールド符号、若しくは他のＧＰＳ又は測位信号の捕捉を開始できる。それゆえ、図１に示す実施形態に従えば、基本発振器１０２からの周波数基準は、通信又は他の回路とは並列に、ＧＰＳ受信回路１０６に送信され、ＧＰＳ受信回路１０６自体はローカルな発振器を必要としない。第二位相同期ループ１２６の出力の精度は基本発振器１０２の精度を追跡するため、このアップコンバート処理により、使用している水晶又は他の発振器のエレメントのタイプに依存するが、具体的にはおおよそ±５ｐｐｍから０．２ｐｐｍまでの精度を有する基準信号がＧＰＳ受信回路１０６に提供され得る。

通信／測位結合機器の通信送受信機１０４が、プロセッサ１２０とともに、基地局１０８に基づく通信部分の周波数の変位を追跡した後、プロセッサ１２０はさらにドップラーサーチメッセージ１２４をＧＰＳ受信機１０６に送信する。通信送受信機１０４において検出された周波数の変位は、基本発振器１０２に同期された第一位相同期ループ１１０から得られるので、同一の情報はＧＰＳ受信機１０６の動作を調整するためにも有効に利用され得る。例えば、実施形態では、ＧＰＳ受信機１０６は、ドップラーサーチメッセージ１２４に基づき、ドップラーサーチメッセージのドップラー中心周波数又は幅、若しくは他のドップラーパラメータ又は他のパラメータを調整することができる。実施形態では、例えば基本発振器１０２における周波数の変位の知識から、ゴールド符号又は他の信号を検出するためにサーチするドップラーサーチウィンドウ又は中心周りの周波数帯域を狭くすることが可能である。より狭いドップラーサーチウィンドウにより、それらの信号の走査及び処理に要する時間は短縮され、結果として、より短い時間に、より弱いＧＰＳ信号を第一に固定して、検出し、若しくは他の動作特性を改善する。

その結果、ＧＰＳ受信回路１０６は、追加のローカル発振器を組み込むことによるコスト及び複雑さを増大させることなく、かつ結合機器のその部分における周波数基準の質を高めるための原子周波数制御（ＡＦＣ）、若しくは他の信号処理回路又はソフトウェアを付随させることもなく、ＧＰＳ信号を捕捉及び追跡することが可能である。

図２に示す本発明の実施形態において、いかなる中間周波数合成器モジュールも、仮にそのような合成器による周波数生成が所定の実装における動作にとって不必要であるならば、省略することができ、基本発振器１０２の出力をＧＰＳ受信機回路に直接送信することができる。そのような実施形態において、ＧＰＳ受信回路１０６がＧＰＳ又は他の測位動作にとって必要な１．５７５ＧＨｚ又は他のダウンコンバートされた周波数で駆動するために、そのＧＰＳ受信回路自体が、例えば一体型合成器１４０又は他の周波数生成モジュールを含んでいてもよい。図１に示す実施形態と同様に、動作中、例えばドップラーサーチウィンドウ幅、周波数ドリフト速度、周波数誤差の予測推定値又は他の制御パラメータのようなドップラーサーチパラメータを動的に調整するために、プロセッサ１２０により、ドップラーサーチメッセージ１２４をＧＰＳ受信機１０６に送信することが可能である。

本発明の実施形態による全体の処理過程を図３に示す。ステップ３０２において、処理過程は開始される。ステップ３０４において、例えば１６．８ＭＨｚ又は他の周波数のクロック基準信号が基本発振器１０２により生成される。ステップ３０６において、基本発振器１０２の出力が通信送受信機１０４用の第一位相同期ループ１１０を駆動するのに使用される。ステップ３０８において、第一位相同期ループ１１０の出力を使用することにより、通信送受信機１０４が駆動され、ダウンコンバート及び他の通信動作が行われる。ステップ３１０において、通信送受信機１０４は基地局１０８若しくは他の通信設備又はサイトに登録される。ステップ３１２において、通信送受信機１０４を駆動する高周波発振器１１６と基地局１０８の周波数基準との間の周波数の変位が追跡される。ステップ３１４において、デジタル周波数追跡メッセージ１２２がプロセッサ１２０又は他の部品により生成される。

ステップ３１６において、自動周波数制御（ＡＦＣ）若しくは他の周波数追跡又は他の制御を使用することにより、第一位相同期ループ１１０の動作を調整するために、デジタル周波数追跡メッセージ１２２が第一同期ループ１１０に伝送される。ステップ３１８において、第二位相同期ループ１２６を駆動し、順次、ＧＰＳ受信機１０６を、例えば１．５７５ＧＨｚ又は他の周波数で駆動するために、基本発振器１０２の出力が使用される。ステップ３２０において、プロセッサ１２０により、ドップラーサーチメッセージ１２４がＧＰＳ受信機に伝送される。ステップ３２２において、ＧＰＳ受信機は、測位処理に適合するように、例えば開始又は中心周波数、若しくはドップラーサーチウィンドウ幅のようなドップラーサーチパラメータを調整する。ステップ３２４において、その処理過程は終了する。

本発明の上述の説明は例示のものであり、その構成及び実装の変形例が当業者により構想されるだろう。例えば、高周波発振器１１６を基本発振器１０２に同期させる第一位相同期ループ１１０及び高周波発振器１３２を基本発振器１０２に同期させる第二位相同期ループ１２６を一般に比較器、ループフィルタ、高周波発振器及びフィードバック分配器を含む負のフィードバックトポロジーにより説明したが、実施形態によっては、その位相同期機能は、ソフトウェアアルゴリズム、又は他のハードウェア及びソフトウェアの組み合せによる他の回路構成によって実装されても構わない。

さらに、通信送受信機１０４及び関連回路を一般に測位機能を備えた携帯電話により説明したが、他の通信受信機又は送受信機が使用されても構わない。例えば、実施形態によっては、基地局１０８又は他の基準と比較した周波数の変位の追跡を、双方向の通信送受信機１０４よりもむしろ、受動的な通信受信機により実装しても構わない。他の受信機、送受信機、モデム又は他の通信部品が使用されても構わない。例えば、実施形態によっては、衛星に基づいた通信受信機又は送受信機、データリンク、若しくは他の有線、無線、光学及び他のインターフェイス又はチャンネルが利用されても構わない。再びまた、本発明では一般に測位受信機をＧＰＳ機器により説明したが、他の測位システム又は測位システムの組み合せが使用されても構わない。さらに、本発明を一般に通信用の受信機、モデム又はエレメント及び測位用の受信機、モデム又はエレメントのペアにより説明したが、実施形態によっては、三つ以上の通信用の受信機、モデム、若しくは他の通信機器、測位用の受信機、モデム、若しくは他の通信機器又は他の受信機、モデム、若しくは他の通信機器が使用されてもよく、そこでは、最も正確な追跡源から抽出された情報が基準として使用され、基本発振器を共有する残りの受信機又はモデムのシーク又は他の挙動を調整する。従って、本発明は以下の請求項によってのみ制限されるよう意図されている。

本発明の実施形態に従った周波数管理のアーキテクチャ。 本発明の別の実施形態に従った周波数管理のアーキテクチャ。 本発明の実施形態に従った周波数管理の処理過程のフローチャート。

Claims (16)

1. 複合型通信機器における周波数基準を生成するシステムにおいて、前記システムは、
   基本周波数でクロック信号を生成するクロック源と、
   前記基本周波数の前記クロック信号の入力に基づき通信処理を実行し、かつ基地局信号との比較により生成される周波数の変位を含む周波数追跡データを生成する通信受信機と、
   前記基本周波数の前記クロック信号の入力に基づき測位処理を実行する測位受信機と、
   前記通信受信機及び前記測位受信機と通信し、ドップラーサーチメッセージを含む制御メッセージを前記測位受信機に伝送し、前記測位受信機が前記ドップラーサーチメッセージに応答して前記周波数の変位に基づいて前記測位受信機の動作を調整し、衛星信号を捕捉及び追跡する測位処理に適応するようにするプロセッサとを備えるシステム。
2. 前記クロック源は発振器を含んでいる請求項１に記載のシステム。
3. 前記通信受信機に対する前記クロック信号の入力は、前記基本周波数の前記クロック信号の第一合成器に対する入力を含んでいる請求項２に記載のシステム。
4. 前記測位受信機に対する前記クロック信号の入力は、前記基本周波数の前記クロック信号の第二合成器に対する入力を含んでいる請求項２に記載にシステム。
5. 前記第二合成器は一体型の第二合成器から成る、請求項４に記載のシステム。
6. 複合型通信機器における周波数基準を生成する方法において、前記方法は、
   基本周波数でクロック信号を生成するステップと、
   前記基本周波数の前記クロック信号の入力に基づき、通信受信機内で通信処理を実行するステップと、
   前記通信受信機内で、基地局信号と比較することにより生成される周波数変位を含む周波数追跡データを生成するステップと、
   前記基本周波数の前記クロック信号の入力に基づき、測位受信機内で測位処理を実行するステップと、
   ドップラーサーチメッセージを含む制御メッセージを前記測位受信機に伝送するステップと
   前記測位受信機が、前記周波数変位に基づいて前記測位受信機の動作を調整し、衛星信号を捕捉及び追跡する測位処理に適応するステップとを備える方法。
7. 前記クロック源を生成するステップは発振器を起動することを含む請求項６に記載の方法。
8. 通信処理を実行するために、前記基本周波数の前記クロック信号を第一合成器に入力するステップをさらに含む請求項７に記載の方法。
9. 測位処理を実行するために、前記基本周波数の前記クロック信号を第二合成器に入力するステップをさらに含む請求項７に記載の方法。
10. 前記第二合成器は一体型の第二合成器から成る、請求項９に記載の方法。
11. 前記周波数追跡データは、自動周波数制御メッセージを含む、請求項１に記載の、システム。
12. 前記ドップラーサーチメッセージは、中心周波数データ、周波数誤差データ、ドップラーウィンドウデータ、予測周波数情報及び周波数ドリフトレートの内の少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
13. 前記周波数ドリフトレートは、前記システムの熱力学的性質、経験的データ及び関連するアルゴリズムの内の少なくとも１つを含む、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記周波数追跡データは、自動周波数制御メッセージを含む、請求項６に記載の方法。
15. 前記ドップラーサーチメッセージは、中心周波数データ、周波数誤差データ、ドップラーウィンドウデータ、予測周波数情報及び周波数ドリフトレートの内の少なくとも１つを含む、請求項６に記載の方法。
16. 前記周波数ドリフトレートは、前記システムの熱力学的性質、経験的データ及び関連するアルゴリズムの内の少なくとも１つから、周波数ドリフトレートを導く段階をさらに備える、請求項１５に記載の方法。

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