JP6272786B2 - 低電力の非同期型gpsベースバンドプロセッサ - Google Patents
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Description
(a)1つのチャンネルのための入力信号をRFフロントから受け取ること、
(b)入力信号をコード数値制御発振器(NCO)およびキャリアNCOへ提供すること、
(c)コードNCO中のオーバーフローを用いて所定のコード期間をマークして、入力信号中におけるサンプリングに対する累積間隔および参照時間を形成すること、
(d)キャリアNCOおよびコードNCOの出力から、アーリー(early)、プロンプト(prompt)、および、レイト(late)位相、ならびに直交位相(quadrature)の累積(accumulation)を入手すること、
(e)1つのチャンネルについてのコードオフセットおよびドップラー周波数推定値を入手すること、
(f)アーリー、プロンプト、およびレイト位相、ならびに直交位相の累積を用いて、1つのチャンネルについてコードオフセットおよびドップラー周波数の逸脱を追尾すること、
(g)コードオフセットおよびドップラー周波数情報および入力信号からGPS衛星時間およびコード開始時間を入手すること、
(h)全てのチャンネルが処理されるまで工程(a)〜(g)を繰り返すこと。そして、全工程は非同期型で行われる。
式中、Dはナビゲーションデータであり、xはC/Aコードであり、fL1はL1搬送波周波数である。
a)1つのチャンネルのための入力信号をRFフロントから受信すること、
b)入力信号をコード数値制御発信器(NCO)およびキャリアNCOへ提供すること、
c)コードNCO中のオーバーフローを用いて所定のコード期間をマークして、入力信号中におけるサンプリングに対する累積間隔および参照時間を形成すること、
d)キャリアNCOおよびコードNCOの出力から、アーリー、プロンプト、および、レイト位相、ならびに、直交位相の累積を入手すること、
e)1つのチャンネルについてのコードオフセットおよびドップラー周波数推定値を入手すること、
f)アーリー、プロンプト、およびレイト位相、ならびに直交位相の累積を用いて、1つのチャンネルについてコードオフセットおよびドップラー周波数の逸脱を追尾すること、
g)コードオフセットおよびドップラー周波数情報、ならびに入力信号からGPS衛星時間およびコード開始時間を入手すること、および、
h)全てのチャンネルが処理されるまで工程(a)〜(g)を繰り返すこと。そして、全工程は非同期的に行われる。
受信器は、衛星追尾を開始可能となる前に、追尾すべき衛星と、その特定の衛星の信号のドップラー周波数およびコードオフセットの推定値とを知る必要がある。そのため、信号捕捉時に、典型的な受信器は、候補衛星の予測されるドップラー周波数域およびコードオフセット域を検索する。
捕捉後、受信器チャンネルは、コードおよび搬送波レプリカを受信された信号と粗く合わせるために必要なコードオフセットおよびドップラー周波数についての情報を十分に有する。その後、受信器チャンネルは、コードオフセットおよびドップラー周波数の逸脱を連続追尾する追尾モードに入る。
GPS衛星の信号は、50bpsのナビゲーションデータストリームを含む。このデータストリームを、期間が1msである衛星のPRNコードによって変調する。その結果、20期間の衛星のPRNコードは、同一データビットの情報を含む。PLLは追尾に用いられるため、累積パワーは、同相累積に集中される。そのため、1msの累積期間の終了時において、プロンプトの同相累積の符号のみから1つの生データビットが抽出される。
GPS信号の構造により、異なる速度における信号処理が可能となる。システムを非同期型回路技術によって設計することにより、高速および低速の各サブシステムを固有周波数において実行させることが可能となる。
アキュムレータは、RFフロントエンドサンプリング周波数において動作し、システム全体においてより高電力を必要とする構成要素のうちの1つである。さらに、チャンネル毎に6個のアキュムレータを設けることにより、同相および直交位相累積のアーリー、プロンプト、およびレイトのペアが生成される。
捕捉は典型的には、FFTエンジンを用いた周波数領域検索技術または平行相関器の列を用いた時間領域検索技術を用いて行われる。PRN数の衛星と、概略のドップラー周波数推定値と、開始時の捕捉電力閾値とを備えたこれらの教示の支援型システムのために、各チャンネルは、コードオフセット空間の検索に、メモリの使用無しにオンザフライに進む。この設計は、信号中のPRNコードシーケンスが1msの期間で周期的であり、かつドップラー周波数が短い期間にわたって比較的安定しているという事実を利用している。
式中、N0は、フロントエンドサンプルの秒毎の名目上の数であり、smは、フロントエンド混合符号であり、sm=1は、RFフロントエンド中のローサイド混合方式に対応し、sm=−1はハイサイドに対応し、fD、mは、m番目のチャンネルの概略のドップラー周波数の推定値であり、fL1は、L1の搬送波周波数である。
各チャンネルは、FLL、PLLおよびDLL追尾ループおよびCST演算に含まれる数学関数を実行できる必要がある。必要な精度レベルを取得するために、含まれるこれらの演算回路は、広範なデータ経路を有する。これらの演算機能は極めて複雑であるため、各チャンネルは、このような演算を1msごとにしか行わない。これらの観察に基づいて、設計時間の節減のため、これらの演算関数は、固定点演算を用いて単一レール組み合わせ論理ブロック(single-rail combinational logic blocks)において実行され、このようにすることにより、市販ツールによって同期可能となる。これらのチャンネルは全て、調整多重化および分離回路を用いてこれらのブロックを共有する。データは、ハイブリッドデュアルレール−バンドルデータインターフェース(hybrid dualrail-bundled data interface)により、非同期型QDIモジュールと、組み合わせ論理ブロックとの間で前後に伝達される。
1msの累積期間の終了時において、チャンネルは、自身の累積をダンプし、共有FLL、PLLおよびDLL追尾ループを用いて自身のコードおよびキャリアNCOステップ幅を更新する。含まれる演算の複雑性に起因して、追尾ループは、単純な組み合わせブロックのような高レベルのスループットを持つことはできない。追尾ループが低速である場合、非同期型システム全体に影響が出る。なぜならば、NCOは、RFフロントエンドから受け取られた次のデータサンプルを処理できるほど高速にステップ幅更新を得ることができないからである。
受信器性能シミュレーション
一例において、これらの教示のGPSシステムをCHP言語によって記述した。CHP言語は、CSPの変形であり、QDI非同期型回路の記述において広範に用いられている。CHP記述の詳細については、出願番号第61/602,145号の米国仮出願(発明の名称:「A LOW POWER ASYNCHRONOUS GPS BASEBAND PROCESSOR」)中に記載がある。本明細書中、同文献全体をあらゆる目的のために参考により取り込まれる。MATLABで記述されたGPSソフトウェア受信器との比較により、CHPシミュレーションを検証した。マーチン合成(Martin synthesis)プロセスを通じて、この高レベルのCHP記述を、本教示のシステムのゲートレベルの記述へ変換した。
これらの教示のシステムについてのHSIMシミュレーションを90nm(Vdd=1VおよびT=25℃)技術によって行った。ワイヤの容量を考慮するために、ワイヤ負荷をシミュレーションにおいて付加して、電力数(power numbers)をより現実的に考慮した。付加されたワイヤ容量は、これらの教示のシステムの一部のレイアウト後シミュレーションからの推定値に基づく。表1は、捕捉モードおよび連続追尾モードにおける1個および全6個の受信器チャンネルのシステムにおける多様なモジュールの電力消費を示す。
Claims (28)
- 非同期型グローバルポジショニングシステム(GPS)チャンネルベースバンドプロセッサであって、
コードオフセットおよびドップラー周波数推定値を入手するように構成された非同期型捕捉サブシステムであって、RFフロントエンドからの入力を受け取り、第1の周波数の信号を処理する非同期型捕捉サブシステムと、
前記コードオフセットおよびドップラー周波数の逸脱を追尾するように構成された非同期型追尾サブシステムであって、コードオフセットおよびドップラー周波数推定値のデータを受け取り、第2の周波数の信号を処理する非同期型追尾サブシステムと、
前記非同期型追尾サブシステムからの出力を受け取り、前記非同期型追尾サブシステムの前記出力をナビゲーションデータサンプリングレートまでダウンサンプリングするように構成される非同期型ダウンサンプリングコンポーネントと、
前記非同期型ダウンサンプリングコンポーネントからの出力を受け取り、GPS衛星時間およびコード開始時間情報を提供する非同期型復号化サブシステムであって、第3の周波数の信号を処理する非同期型復号化サブシステムと、
を含み、
前記非同期型捕捉サブシステム、前記非同期型追尾サブシステム、前記非同期型ダウンサンプリングコンポーネントおよび前記非同期型復号化サブシステムは、それぞれクロック無しに固有周波数において動作する、
非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 前記非同期型捕捉サブシステムは、
前記RFフロントエンドからの入力を受け取る2つの非同期型数値制御発信器(NCO)、キャリアNCOおよびコードNCOであって、、前記コードNCOは、コードレプリカ生成器のチッピングレートを制御する、2つの非同期型数値制御発信器と、
前記キャリアNCOおよび前記コードレプリカ生成器からの出力を受け取り、同相および直交位相の累積を出力として生成するアキュムレータと、
を含む、請求項1の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 前記非同期型追尾サブシステムは、
同相および直交位相の累積、レイトの同相および直交位相の累積、およびアーリーの同相および直交位相の累積を前記アキュムレータから受け取る非同期型遅延ロックループ(DLL)コンポーネントであって、レイトの同相および直交位相の累積は、疑似ランダムノイズコードをチップの半分だけ遅らせることによって得られ、アーリーの同相および直交位相の累積は、前記疑似ランダムノイズコードをチップの半分だけ進ませることによって得られ、前記非同期型DLLコンポーネントは、チッピングレートを更新するように構成される非同期型DLLコンポーネントと、
同相および直交位相の累積を前記アキュムレータから受け取る非同期型周波数ロックループ(FLL)コンポーネントであって、前記ドップラー周波数のより高精度の推定値を得るように構成される非同期型FLLコンポーネントと、
同相および直交位相の累積を前記アキュムレータから受け取る非同期型位相ロックループ(PLL)コンポーネントであって、前記ドップラー周波数を追尾するように構成される非同期型位相ロックループ(PLL)コンポーネントと、
を含む、請求項2の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 前記非同期型DLLコンポーネントは、
遅延誤差推定器と、
更新チッピングレート推定器と、
を含む、請求項3の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 前記遅延誤差推定器は、遅延誤差推定値をチップ単位で提供し、前記遅延誤差推定値は、以下の式によって得られ、
IL、nおよびQL、nはレイトの同相および直交位相の累積であり、
前記更新チッピングレート推定器は、以下の式によって与えられる更新チッピングレート推定値を提供し、
請求項4の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 前記非同期型FLLコンポーネントは、
プロンプトの同相および直交位相の累積のフェーザの回転角度の決定器であって、前記ドップラー周波数が、前記プロンプトの同相および直交位相の累積のフェーザの回転速度に比例する、決定器、
を含む、請求項3の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 前記回転角度の前記決定器が、以下の式によって示される、前記プロンプトの同相および直交位相の累積のフェーザの回転角度を提供し、
smは混合符号であり、sm=1は、前記RFフロントエンド中のローサイド混合方式に対応し、sm=−1はハイサイドに対応する、
請求項6の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 前記非同期型PLLコンポーネントは、n番目の累積期間の終了時における直交位相累積ベクトルと同相累積ベクトルとの間のフェーザ角度を最小化する弁別器を含む、請求項3の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。
- 前記弁別器は、以下によって示される最小フェーザ角度を提供し、
smは混合符号であり、sm=1は、前記RFフロントエンド中のローサイド混合方式に対応し、sm=−1はハイサイドに対応する、
請求項8の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 固定点演算を用いて計算が行われる、請求項3の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。
- 各アキュムレータは、
減少された数のビットのためのアキュムレータと、
残りの数のビットを取り扱うインクリメント/デクリメント−ダンプ(IDD)ユニットと、
を含む、請求項2の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 前記アキュムレータは、振幅決定器に対してプロンプトの同相および直交位相の累積を提供し、前記振幅決定器は相関電力推定値を提供し、前記相関電力推定値が所定の閾値を上回るときに、前記コードオフセットおよびドップラー周波数推定値が捕捉される、請求項2の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。
- 前記相関電力推定値はI2+Q2によって得られ、ここで、
請求項12の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 前記非同期型復号化サブシステムはコード位相アキュムレータを含み、前記コード位相アキュムレータはコード開始時間を提供し、前記コード開始時間(CST)は、初期コード開始時間から、DLL更新中に経過した時間におけるサンプル数だけ、前記DLLが更新するときにインクリメントされる、請求項2の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。
- 前記初期コード開始時間は、以下によって得られ、
N0は、フロントエンドサンプルの秒毎の名目上の数であり、
smは、前記フロントエンド混合符号であり、sm=1は、前記RFフロントエンド中のローサイド混合方式に対応し、sm=−1はハイサイドに対応し、
fD、mは、前記m番目のチャンネルの概略のドップラー周波数推定値であり、
fL1は、L1搬送波周波数である、
請求項14の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 前記非同期型捕捉サブシステム、前記非同期型追尾サブシステム、前記非同期型ダウンサンプリングコンポーネントおよび前記非同期型復号化サブシステムがそれぞれクロック無しに固有周波数において動作する場合、所定の周波数比が保存される、請求項1の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。
- 非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサであって、複数のチャンネルユニットを含んでおり、
各チャンネルのための1つのユニットが複数のチャンネルを形成し、各チャンネルユニットは、
コードオフセットおよびドップラー周波数推定値を入手するように構成された非同期型捕捉サブシステムであって、RFフロントエンドからの入力を受け取り、第1の周波数の信号を処理する非同期型捕捉サブシステムと、
非同期型追尾サブシステムからの出力を受け取り、前記非同期型追尾サブシステムの前記出力をナビゲーションデータサンプリングレートまでダウンサンプリングするように構成される非同期型ダウンサンプリングコンポーネントと、
前記非同期型ダウンサンプリングコンポーネントからの出力を受け取り、GPS衛星時間およびコード開始時間情報を提供する非同期型復号化サブシステムであって前記非同期型復号化サブシステムは、第3の周波数の信号を処理し、前記非同期型捕捉サブシステム、前記非同期型追尾サブシステム、前記非同期型ダウンサンプリングコンポーネントおよび前記非同期型復号化サブシステムは、それぞれクロック無しに固有周波数において動作する、非同期型復号化サブシステムと、
前記複数のチャンネルそれぞれについてコードオフセットおよびドップラー周波数推定値のデータを受け取る少なくとも1つの調整マルチプレクサと、
前記コードオフセットおよびドップラー周波数を追尾するように構成された非同期型追尾サブシステムであって、1つのチャンネルについてのコードオフセットおよびドップラー周波数推定値のデータを前記少なくとも1つの調整マルチプレクサから受け取り、第2の周波数の信号を処理する非同期型追尾サブシステムと、
前記非同期型追尾サブシステムからの出力を受け取り、前記出力を前記1つのチャンネルへ分配する、少なくとも1つの調整デマルチプレクサと、
を含む、非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 各チャンネルについての前記GPS衛星時間およびコード開始時間情報は、ナビゲーションソリューション演算のための外部プロセスへ提供される、請求項17の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。
- 前記非同期型捕捉サブシステムは、
前記RFフロントエンドからの入力を受け取る2つの非同期型の数値制御発信器(NCO)、キャリアNCOおよびコードNCOであって、前記2つの非同期型NCOは、前記コードNCOは、コードレプリカ生成器のチッピングレートを制御する、2つの非同期型の数値制御発信器と、
前記キャリアNCOおよび前記コードレプリカ生成器からの出力を受け取り、同相および直交位相の累積を出力として生成するアキュムレータと、
を含む、請求項17の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 前記非同期型追尾サブシステムは、
同相および直交位相の累積、レイトの同相および直交位相の累積およびアーリーの同相および直交位相の累積を前記アキュムレータから受け取る非同期型遅延ロックループ(DLL)コンポーネントであって、レイトの同相および直交位相の累積は、疑似ランダムノイズコードをチップの半分だけ遅らせることによって得られ、アーリーの同相および直交位相の累積は、前記疑似ランダムノイズコードをチップの半分だけ進ませることによって得られ、前記非同期型DLLコンポーネントは、チッピングレートを更新するように構成される非同期型遅延ロックループ(DLL)コンポーネントと、
同相および直交位相の累積を前記アキュムレータから受け取る非同期型周波数ロックループ(FLL)コンポーネントであって、前記ドップラー周波数のより高精度の推定値を得るように構成される非同期型周波数ロックループ(FLL)コンポーネントと、
同相および直交位相の累積を前記アキュムレータから受け取る非同期型位相ロックループ(PLL)コンポーネントであって、前記ドップラー周波数を追尾するように構成される非同期型位相ロックループ(PLL)コンポーネントと、
を含む、請求項19の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 固定点演算を用いて計算が行われる、請求項20の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。
- プロンプトの同相および直交位相の累積を前記複数のチャンネルそれぞれからの前記アキュムレータから受け取る少なくとも別の調整マルチプレクサと、
振幅決定器であって、前記振幅決定器は前記複数のチャンネル中の1つのチャンネルについての相関電力推定値を提供し、前記相関電力推定値が所定の閾値を上回るときに、前記コードオフセットおよびドップラー周波数推定値が捕捉される、振幅決定器と、
前記振幅決定器から出力を受け取り、前記振幅決定器からの前記出力を前記1つのチャンネルへ分配する少なくとも別の調整デマルチプレクサと、
をさらに含む、請求項17の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 固定点演算を用いて計算が行われる、請求項22の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。
- 前記非同期型DLLコンポーネントが更新する時に、DLL更新中に経過した時間における複数のサンプルと、コードオフセットおよびドップラー周波数推定値とを前記複数のチャンネルそれぞれから受け取る少なくともさらに別の調整マルチプレクサと、
コード位相アキュムレータであって、前記コード位相アキュムレータは、前記複数のチャンネルのうちの1つのチャンネルについてのコード開始時間を提供し、前記コード開始時間(CST)は、前記DLLが更新する時に、初期コード開始時間から、前記1つのチャンネルについてのDLL更新中に経過した時間におけるサンプルの数だけインクリメントされる、コード位相アキュムレータと、
前記コード位相アキュムレータから前記コード開始時間を受け取り、前記コード開始時間を前記1つのチャンネルへ分配する少なくともさらに別の調整デマルチプレクサと、
をさらに含む、請求項20の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。 - 固定点演算を用いて計算が行われる、請求項24の非同期型GPSチャンネルベースバンドプロセッサ。
- クロックレスGPSベースバンド処理の方法であって、
a)1つのチャンネルのための入力信号をRFフロントから受け取ることと、
b)前記入力信号をコード数値制御発信器(NCO)およびキャリアNCOへ提供することと、
c)前記コードNCO中のオーバーフローを用いて所定のコード期間をマークして、前記入力信号中におけるサンプリングに対する累積間隔および参照時間を形成することと、
d)前記キャリアNCOおよび前記コードNCOの出力から、アーリー、プロンプト、およびレイト位相、ならびに、直交位相の累積を得ることと、
e)前記1つのチャンネルについてのコードオフセットおよびドップラー周波数推定値を入手することと、
f)前記アーリー、プロンプト、およびレイト位相、ならびに、直交位相の累積を用いて、前記1つのチャンネルについてのコードオフセットおよびドップラー周波数の逸脱を追尾することと、
g)コードオフセットおよびドップラー周波数情報、ならびに前記入力信号からGPS衛星時間およびコード開始時間を入手することと、
h)全てのチャンネルが処理されるまで、工程a)〜g)を繰り返すこと、
とを含み、全工程が非同期的に行われ、
工程b)〜g)は、それぞれについて固有周波数においてクロック無しで行われ、所定の周波数比が保存される、クロックレスGPSベースバンド処理の方法。 - 前記入力信号は、衛星数および候補ドップラー周波数を含む、請求項26の方法。
- 前記1つのチャンネルについてのコードオフセットおよびドップラー周波数推定値を入手することは、
相関電力推定値を決定することと、
前記相関電力推定値が所定の閾値を上回るときに、前記コードオフセットおよびドップラー周波数推定値を捕捉することと、
を含む、請求項26の方法。
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