TWI459017B - GPS receiver signal acquisition method and its digital camera - Google Patents

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Description

全球定位系統接收器之訊號擷取方法及其數位相機
一種全球定位系統接收器之訊號處理方法及其裝置，特別有關於一種對全球定位系統中的訊號擷取處理方法及將此方法應用於數位相機中。
GPS的定位流程可分為下列步驟：資料擷取(data acquiring)、訊號擷取計算(acquisition)、訊號追蹤(tracking)與定位(positioning)。對於一般常用的GPS接收器以接收L1載波與C/A碼為主。
GPS衛星訊號所利用的載波頻率分別為L1(1575.42 MHz)與L2(1227.60 MHz)。對L1上調變有C/A碼(Coarse/Acquisition code)和P碼(Precision code)；而L2上只有調變P碼。GPS衛星訊號分別提供有電碼資訊與導航資訊。電碼資訊是虛擬雜亂碼(pseudorandom noise code，簡稱PRN碼)產生器產生的Gold碼，其用以區分衛星和計算虛擬距離。電碼資訊的有碼率(chip rate)為1.023*106 (碼/秒)的C/A碼，且碼長度係為1023。P碼的碼率係為10.23*106(碼/秒)。
導航資訊內容包括資料傳送時間、衛星軌道資料、衛星時鐘資料、衛星分佈與訊號品質等。將電碼資訊和導航資訊進行二進位加法後，再利用BPSK(Bi－Phase Shift Keying，簡稱BPSK)的調變方式與載波調變。請參考「第1圖」所示，其係為BPSK調變示意圖。衛星會將BPSK調變後載波向地面發散。
GPS接收器之組成架構請參考「第2圖」所示。GPS接收器中包括有：天線210、射頻前端220、類比數位轉換器230、參考振盪器240、頻率合成器250、數位訊號處理器260與導航處理器270。GPS接收器200接收到衛星訊號後，將其透過射頻前端220經過一連串的濾波處理、放大等程序。接著，將射頻前端220輸出的訊號再與參考振盪器240所產生的載波進行混波動作，將所混波後的訊號輸入至類比數位轉換器230。即可得到數位化的衛星訊號。
再對這些數位化的衛星訊號進行擷取動作，其係用以找出GPS載波訊號的都卜勒頻移與辨識PRN碼。請參考「第3圖」所示，其係為衛星訊號擷取流程示意圖。
對所接收到的衛星訊號進行傅立葉轉換(Fourier transform)(步驟S310)。接著，根據射頻頻率產生複數個本地碼1(n)(步驟S320)。並對每一個本地碼進行傅立葉轉換，用以產生相應的L(n)(步驟S330)。將步驟S320與步驟S330所得到的1(n)與L(n)進行乘積計算，藉以輸出相應的第一積分相關值Z(k)(步驟S340)。其中，運算過程請參考下式，並假設所得到的衛星訊號係為二維資料陣列：
X＊ (k)係為X(k)的共軛函數，同理，Y＊ (k)係為Y(k)的共軛函數。
|Z (k )|＝|Y (k )X ＊ (k )|＝|Y ＊ (k )X (k )|
對第一積分相關值Z(k)進行逆傅立葉轉換，藉以產生第二積分相關值z(k)。最後，找出第二積分相關值z(k)的最大峰值。若接收到的GPS訊號包含有相應的PRN編號的衛星訊號，第二積分相關值的峰值會大於其他衛星的第二積分相關值。此時，GPS接收器會將其他PRN編號的衛星訊號視為雜訊。GPS接收器可以由峰值的第幾個時間點和第幾個頻率成分，取得相應的電碼資訊和載波頻率。若是在擷取過程中沒有出現積分相關值的峰值時，GPS接收器會繼續的搜尋其他衛星及其衛星訊號。請參考「第4圖」，其係為積分相關值示意圖。
因為GPS接收器對衛星訊號進行傅立葉轉換，需要耗費時間計算資料的實數部分與虛數部分。所以後續的訊號追蹤與定位需要等到上述動作都完成後才能逐一執行。
鑒於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一種以低成本在數位相機上實現GPS功能的方法，其用以加快全球定位系統接收器的訊號擷取速度。
為達上述目的，本發明所揭露之一種全球定位系統接收器之訊號擷取方法。訊號擷取方法包括以下步驟：接收複數個衛星訊號；進行離散餘弦轉換解調變程序，解析衛星訊號之接收時基；根據衛星訊號的接收時基，將衛星訊號轉換成電碼資訊與導航頻率。根據電碼資訊與導航頻率，進行關聯校正程序用以從衛星訊號中擷取導航資訊。
從本發明的另一觀點，本發明提出一種透過數位相機執行全球定位系統接收器的訊號擷取處理。
為達上述目的，本發明所揭露之一種數位相機中包括有：攝像模組、離散餘弦轉換模組、全球定位系統接收器與運算單元。攝像模組用以接收複數筆影像資料；離散餘弦轉換模組電性連結於攝像模組，離散餘弦轉換模組用以對攝影模組所接收的影像資料進行影像壓縮手段藉以產生相應的壓縮影像；全球定位系統接收器用以接收複數筆衛星訊號；運算單元分別電性連結於離散餘弦轉換模組與全球定位系統接收器，運算單元用以對衛星訊號進行解訊號調變手段，藉以解析衛星訊號之接收時基與從衛星訊號中擷取導航資訊。
本發明根據離散餘弦轉換的計算特性，藉以加快對訊號擷取流程的處理。並且結合數位相機中的離散餘弦轉換處理模組，將全球定位系統與數位相機相結合。
有關本發明的特徵與實作，茲配合圖示作最佳實施例詳細說明如下。
請參考「第5圖」所示，其係為本發明之運作流程示意圖。本實施例中包括以下步驟：接收複數個衛星訊號(步驟S510)。進行降頻手段用以將衛星訊號調降至預設頻率(步驟S511)。進行類比數位轉換用以將所接收的衛星訊號轉換成數位訊號(步驟S520)。
進行離散餘弦轉換(Discrete Cosine Transform)解調變程序，解析衛星訊號之接收時基(步驟S530)。離散餘弦轉換係為李式快速離散餘弦轉換(Lee’s Fast DCT)，請參考下式所示：
在上式中，x，y係分別為在二維座標上之座標值；f(x,y)係為一二維資料陣列。李式快速離散餘弦演算過程請參考下述所示。將f(i,j)中的N個值分別歸類為奇數與偶數(在本實施例中假設N為偶數，每一個值係為衛星訊號)。
其中，
接著，將上式9改寫為下式所示：
在此定義如下式所示：
並將上式12帶入
因為，所以可以推得下式14
於此同時，再定義
將上式帶入，可以推得下式19
將上式20移位後，最後得到：
快速離散餘弦轉換的轉換方式中具有多處重複運算的項次。因此可以將重複的項次重新編組，利用一種網狀的流程圖來運算。請參考「第6圖」所示，其係為快速離散餘弦轉換之資料流程示意圖。在「第6圖」的左方由上到下分別為輸入的衛星訊號x(n)，在此係以八筆資料為例。「第6圖」的右方係代表每一個衛星訊號的輸出值。「第6圖」由左至右的方框，分別代表不同的運算回合。每一個輸入的衛星資料係分別具有相應的一條最短路徑。衛星資料只需在每一回合中依據相應的路徑，進行相應的運算處理，就可以降低其運算複雜度。
本實施例與習知不同的是，利用傅立葉轉換需要進行實數部分與虛數部分的計算。離散餘弦轉換的計算方式僅是對實數部分進行計算。然而，對衛星訊號擷取時實數部分的參考權值遠大於虛數部分。請參考「第7圖」所示，其係為本發明之積分相關值示意圖。
根據衛星訊號的接收時基，將衛星訊號轉換成電碼資訊與導航頻率(步驟S540)。根據電碼資訊與導航頻率，進行關聯校正程序用以從衛星訊號中擷取導航資訊(步驟S550)。進行導航計算(步驟S560)，根據衛星訊號計算出全球定位系統接收器與衛星之距離、都卜勒位移及相對速度。
本發明的另一實施態樣係結合一數位相機。請參考「第8圖」所示，其係為本發明之應用於數位相機之架構示意圖。在數位相機中更包括有：攝像模組810、離散餘弦轉換模組820、全球定位系統接收器830與運算單元840。
攝像模組810用以接收複數筆影像資料。離散餘弦轉換模組820經由運算單元840電性連結於攝像模組810，離散餘弦轉換模組820用以對攝像模組810所接收的影像資料進行影像壓縮手段藉以產生相應的壓縮影像。一般而言，數位相機的影像處理均會包含JPEG(JPEG File Interchange Format，簡稱JPEG)壓縮處理。在JPEG壓縮處理中分別包括有色彩空間轉換、縮減取樣、離散餘弦轉換、量化、熵編碼技術與反離散餘弦轉換。全球定位系統接收器830用以接收複數筆衛星訊號。
全球定位系統中更包括有：天線831、射頻前端832、頻率合成器833、參考振盪器834與類比數位轉換器836。天線831用以接收衛星訊號。射頻前端832電性連接於天線831，射頻前端832用以對衛星訊號進行濾波處理及訊號放大處理。頻率合成器833電性連接於射頻前端832。參考振盪器834電性連接於頻率合成器833，參考振盪器834用以提供給頻率合成器833，用以產生一載波給射頻前端832進行混波處理。類比數位轉換器836電性連接於射頻前端832，類比數位轉換器836用以將類比訊號轉換成數位訊號。
運算單元840分別電性連結於離散餘弦轉換模組820與攝像模組810，運算單元840用以對衛星訊號進行解訊號調變手段，藉以解析衛星訊號之接收時基與從衛星訊號中擷取導航資訊。
本發明根據離散餘弦轉換的計算特性，藉以加快對訊號擷取 流程的處理。並且結合數位相機中的離散餘弦轉換處理模組，將全球定位系統與數位相機相結合。
雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
200‧‧‧GPS接收器
210‧‧‧天線
220‧‧‧射頻前端
230‧‧‧類比數位轉換器
240‧‧‧參考振盪器
250‧‧‧頻率合成器
260‧‧‧數位訊號處理器
270‧‧‧導航處理器
810‧‧‧攝像模組
820‧‧‧離散餘弦轉換模組
830‧‧‧全球定位系統接收器
831‧‧‧天線
832‧‧‧射頻前端
833‧‧‧頻率合成器
834‧‧‧參考振盪器
836‧‧‧類比數位轉換器
840‧‧‧運算單元
第1圖係為習知技術之BPSK調變示意圖。
第2圖係為習知技術之GPS接收器之組成架構示意圖。
第3圖係為習知技術之衛星訊號擷取流程示意圖。
第4圖係為習知技術之積分相關值示意圖。
第5圖係為本發明之運作流程示意圖。
第6圖係為快速離散餘弦轉換之資料流程示意圖。
第7圖係為本發明之積分相關值示意圖。
第8圖係為本發明之應用於數位相機之架構示意圖。

Claims (6)

  1. 一種全球定位系統接收器之訊號擷取方法，加快一全球定位系統接收器的訊號擷取速度，該訊號擷取方法包括下列步驟：接收複數個衛星訊號，其中每一該衛星訊號之實數部分的參考權值與虛數部分的參考權值分別為一第一權值與一第二權值，且該第二權值除以該第一權值的比值趨近於零；進行一李式快速離散餘弦轉換(Lee’s Fast DCT)解調變程序，解析該些衛星訊號之接收時基，該李式快速離散餘弦轉換對該些衛星訊號之實數部分進行計算；根據該些衛星訊號的接收時基，將該些衛星訊號轉換成一電碼資訊與一導航頻率；以及根據該電碼資訊與該導航頻率，進行一關聯校正程序用以從該些衛星訊號中擷取導航資訊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之全球定位系統接收器之訊號擷取方法，其中接收該些衛星訊號中更包括下列步驟：進行一降頻手段，用以將該些衛星訊號調降至一預設頻率；以及進行一類比數位轉換，用以將所接收的該些衛星訊號轉換成數位訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之全球定位系統接收器之訊號擷取 方法，其中擷取導航資訊後，更包括下列步驟：進行一導航計算，根據該些衛星訊號計算出該全球定位系統接收器與衛星之距離、都卜勒位移及相對速度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之全球定位系統接收器之訊號擷取方法，其中該李式快速離散餘弦轉換請參考下式所示： 在上式中，x，y係分別為在二維座標上之座標值；f(x,y)係為一二維資料陣列。
  5. 一種提供全球定位系統的訊號擷取處理的數位相機，加快一全球定位系統接收器的訊號擷取速度，在該數位相機中包括以下：一攝像模組，用以接收複數筆影像資料；一離散餘弦轉換模組，電性連結於該攝像模組，該離散餘弦轉換模組用以對該攝影模組所接收的該些影像資料進行一影像壓縮手段，藉以產生相應的一壓縮影 像；一全球定位系統接收器，用以接收複數筆衛星訊號，每一該衛星訊號之實數部分的參考權值與虛數部分的參考權值分別為一第一權值與一第二權值，且該第二權值除以該第一權值的比值趨近於零；以及一運算單元，分別電性連結於該離散餘弦轉換模組與該全球定位系統接收器，該運算單元用以對該些衛星訊號進行一解訊號調變手段，藉以解析該些衛星訊號之接收時基與從該些衛星訊號中擷取導航資訊。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之提供全球定位系統的訊號擷取處理的數位相機，其中該全球定位系統接收器更包括有：一天線，用以接收該些衛星訊號；一射頻前端，電性連接於該天線，該射頻前端用以對該些衛星訊號進行濾波處理及訊號放大處理；一頻率合成器，電性連接於該射頻前端；一參考振盪器，電性連接於該頻率合成器，該參考振盪器用以提供給該頻率合成器，用以產生一載波給該射頻前端進行混波處理；以及一類比數位轉換器，電性連接於該射頻前端，該類比數位轉換器用以將類比訊號轉換成數位訊號。
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