TWI642961B - 衛星訊號接收電路及衛星訊號接收方法 - Google Patents

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Abstract

衛星訊號接收電路及衛星訊號接收方法。衛星訊號接收電路包含振盪器、兩個混波器、兩個相位位移器、兩個低通濾波器、兩個相位運算電路以及帶通濾波器。當振盪器的頻率位於GLONASS系統與GPS/Galileo系統的中心頻率之間，GLONASS與GPS/Galileo的衛星基頻訊號可透過相位運算電路進行相位相加與相減後得到，而Beidou衛星基頻訊號可透過帶通濾波器得到。當振盪器的頻率位於GPS/Galileo系統與Beidou系統的中心頻率之間，Beidou與GPS/Galileo的衛星基頻訊號可透過相位運算電路進行相位相加與相減後得到，而GLONASS衛星基頻訊號可透過帶通濾波器得到。

Description

衛星訊號接收電路及衛星訊號接收方法
本發明是關於全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System, GNSS），尤其是關於全球衛星導航系統的衛星訊號接收。
全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）技術目前已被廣泛地應用，圖1顯示數個衛星系統所使用的頻帶（frequency band）。頻帶110對應蘇聯的格洛納斯系統（GLONASS）（中心頻率為1602MHz），頻帶120對應歐盟的伽利略定位系統（Galileo）（中心頻率為1575.42MHz），頻帶130對應美國的全球定位系統（Global Positioning System, GPS）（中心頻率為1575.42MHz），以及頻帶140對應中國的北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System, BDS）（中心頻率為1561.098MHz）。為了增加衛星導航接收機的定位速度和定位精準度，已有許多文獻探討這方面的技術，例如美國專利公開號US20090124221與US20100097966，以及美國專利號US7551127。美國專利公開號US20090124221利用兩套接收機和兩組頻率合成器，來實現雙模（double band）接收（亦即同時接收兩個不同中心頻率的衛星訊號）；然而同時用兩套接收機會造成功耗加倍。美國專利公開號US20100097966實現雙模接收的方法是共用一個低雜訊放大器，並且利用頻率合成器則將兩種振盪訊號分別輸出至兩路降頻接收路徑。美國專利號US7551127利用可配置（reconfigurable）的除頻器來實現雙模接收。上述的雙模接收機的缺點之一在於只能接收二個頻帶的衛星訊號，使衛星導航接收機的定位速度和定位精準度受到限制。
鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種可同時接收三個頻帶的衛星訊號接收電路及衛星訊號接收方法，以改善習知技術之不足。
本發明揭露一種衛星訊號接收電路，用於接收一衛星訊號，包含：一振盪器，用來產生一第一參考訊號；一第一混波器，耦接該振盪器，用來將該第一參考訊號與該衛星訊號混波，以產生一第一混波後訊號；一第一相位位移器，耦接該振盪器，用來調整該第一參考訊號的相位以產生一第二參考訊號，其中該第一參考訊號與該第二參考訊號係正交；一第二混波器，耦接該第一相位位移器，用來將該第二參考訊號與該衛星訊號混波，以產生一第二混波後訊號；一第一低通濾波器，耦接該第一混波器，用來對該第一混波後訊號進行濾波，以得到一第一濾波後訊號；一第二低通濾波器，耦接該第二混波器，用來對該第二混波後訊號進行濾波，以得到一第二濾波後訊號；一第二相位位移器，耦接該第二低通濾波器，用來調整該第二濾波後訊號的相位以產生一相位位移後訊號；一第一相位運算電路，耦接該第一低通濾波器及該第二相位位移器，用來對該第一濾波後訊號及該相位位移後訊號進行運算，以產生一第一衛星基頻訊號；一第二相位運算電路，耦接該第一低通濾波器及該第二相位位移器，用來對該第一濾波後訊號及該相位位移後訊號進行運算，以產生一第二衛星基頻訊號；以及一帶通濾波器，耦接該第一混波器及該第二混波器，用來對該第一混波後訊號及該第二混波後訊號進行濾波，以得到一第三衛星基頻訊號。
本發明另揭露一種衛星訊號接收方法，包含以下步驟：(a)接收一衛星訊號；(b)提供一第一參考訊號；(c)混波該第一參考訊號及該衛星訊號，以得到該衛星訊號的一同相分量；(d)提供一第二參考訊號，其中該第一參考訊號與該第二參考訊號係正交；(e)混波該第二參考訊號及該衛星訊號，以得到該衛星訊號的一正交分量；(f)低通濾波該衛星訊號的該同相分量及該衛星訊號的該正交分量；(g)對該衛星訊號的該低通濾波後正交分量進行相位位移，以產生一相位位移後正交分量；(h)計算該衛星訊號的該低通濾波後同相分量與該相位位移後正交分量之和，以得到一第一衛星基頻訊號；(i)計算該衛星訊號的該低通濾波後同相分量與該相位位移後正交分量之差，以得到一第二衛星基頻訊號；以及(j)帶通濾波該衛星訊號的該同相分量及該衛星訊號的該正交分量，以得到一第三衛星基頻訊號。
本發明利用一個壓控振盪源（voltage-controlled oscillator, VCO）實現衛星訊號的三模（triple band）接收。相較於習知技術，本發明的衛星訊號接收電路及接收方法不僅可以提高衛星導航接收機的定位速度和定位精準度，同時達到省電及節省電路面積的功效。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。
以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。
本發明之揭露內容包含衛星訊號接收電路及衛星訊號接收方法，以提升定位速度和定位精準度。由於本發明之衛星訊號接收電路所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。此外，本發明之衛星訊號接收方法的部分或全部流程可以是軟體及/或韌體之形式，並且可藉由本發明之衛星訊號接收電路或其等效裝置來執行，在不影響該方法發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下方法發明之說明將著重於步驟內容而非硬體。
圖2為本發明之衛星訊號接收電路之一實施例的功能方塊圖，圖3A及3B為本發明之衛星訊號接收方法之一實施例的流程圖。以下將依據圖2及圖3A及3B說明本發明的操作細節。衛星訊號接收電路200透過天線211接收衛星訊號SA（步驟S305），接著利用放大器212（例如以低雜訊放大器（low-noise amplifier, LNA）實作）放大衛星訊號SA成為衛星訊號SB（步驟S310）。衛星訊號SA及衛星訊號SB可以分別以方程式(1)及(2)表示： (1) (2) 其中， 、 及 分別為頻帶110、頻帶120（或頻帶130）及頻帶（frequency band）140的角頻率，即 、 以及 ； 、 及 分別為頻帶110、頻帶120（或頻帶130）及頻帶140的振幅； 為放大器212的增益。
接著，提供第一參考訊號及第二參考訊號，第一參考訊號及第二參考訊號為正交（in quadrature）（步驟S315、S320）。舉例來說，在本實施例中，壓控振盪器213提供頻率為 的第一參考訊號SO（步驟S315），第一參考訊號SO的相位經過正交相位位移器（ phase shifter）214調整 後產生第二參考訊號SOQ（步驟S320），第一參考訊號SO及第二參考訊號SOQ可以分別以方程式(3)及(4)表示： (3) (4) 其中 。在其他的實施例中，第一參考訊號SO及第二參考訊號SOQ亦可以分別由獨立的壓控振盪器213提供，然而使用一個壓控振盪器的電路比使用兩個壓控振盪器的電路省電，且可以避免兩個振盪器之間頻率拉扯（frequency pulling）的問題。
頻率 可以設定為介於頻帶120（或130）的中心頻率與頻帶110的中心頻率之間，或是介於頻帶120（或130）的中心頻率與頻帶140的中心頻率之間。接下來以第一參考訊號SO的頻率 設定為介於頻帶120（或130）的中心頻率與頻帶110的中心頻率之間為例（亦即 ），詳細說明本發明。
接著混波第一參考訊號SO與衛星訊號SB並且低通濾波混波結果，以得到降頻後的衛星訊號的同相（in-phase）分量（步驟S325、S327）。詳言之，在圖2的實施例中，衛星訊號接收電路200以混波器215及低通濾波器（low-pass filter, LPF）217實現此兩步驟。混波器215將衛星訊號SB與第一參考訊號SO混波，而得到混波後訊號SC，然後低通濾波器217低通濾波混波後訊號SC而得到濾波後訊號SD。混波後訊號SC及濾波後訊號SD可以分別以方程式(5)及(6)表示： } (5) (6) 由方程式(5)及(6)可知，混波後訊號SC經過低通濾波後，高頻成分（ 、 及 ）與較高頻成分（ ）皆被濾除。
類似步驟S325及S327，混波第二參考訊號SOQ與衛星訊號SB並且低通濾波混波結果，以得到降頻後的衛星訊號的正交（quadrature）分量（步驟S330、S332）。詳言之，在圖2的實施例中，衛星訊號接收電路200以混波器216及低通濾波器218實現此兩步驟。混波器216將衛星訊號SB與第二參考訊號SOQ混波，而得到混波後訊號SG，然後低通濾波器218低通濾波混波後訊號SG而得到濾波後訊號SH。混波後訊號SG及濾波後訊號SH可以分別以方程式(7)及(8)表示： (7) (8)
接下來放大衛星訊號的同相分量與正交分量（步驟S335）。詳言之，在圖2的實施例中，濾波後訊號SD被放大器（amplifier）219（例如以可程式化增益放大器（programmable gain amplifier, PGA）實作，具有增益 ）放大後成為經放大的濾波後訊號SE，濾波後訊號SH被放大器220（例如以可程式化增益放大器實作，具有增益 ）放大後成為經放大的濾波後訊號SI。經放大的濾波後訊號SE及經放大的濾波後訊號SI可以分別以方程式(9)及(10)表示： (9) ] (10)
接下來對衛星訊號的正交分量進行相位位移，以產生相位位移後正交分量（步驟S340）。詳言之，中頻正交相位位移器（IF phase shifter）221對經放大的濾波後訊號SI進行相位位移後（例如實質上位移 的相位）得到相位位移後訊號SJ，相位位移後訊號SJ可以以方程式(11)表示： (11)
接著計算衛星訊號的同相分量與相位位移後正交分量之和，以得到第一衛星基頻訊號（步驟S345）。詳言之，因為 設定為介於頻帶120（或130）的中心頻率與頻帶110的中心頻率之間，所以伽利略定位系統（或全球定位系統）的衛星訊號為格洛納斯系統的衛星訊號的鏡像訊號。相位運算電路222（例如以相位相加器（phase combiner）實作）將經放大的濾波後訊號SE與相位位移後訊號SJ相加後得到衛星基頻訊號SF，衛星基頻訊號SF可以以方程式(12)表示： (12) 其中 。
類似地，計算衛星訊號的同相分量與相位位移後正交分量之差，以得到第二衛星基頻訊號（步驟S350）。詳言之，因為 設定為介於頻帶120（或130）的中心頻率與頻帶110的中心頻率之間，所以格洛納斯系統的衛星訊號亦為伽利略定位系統（或全球定位系統）的衛星訊號的鏡像訊號。相位運算電路223（例如以相位相加器實作）將經放大的濾波後訊號SE與相位位移後訊號SJ相減後得到衛星基頻訊號SK，衛星基頻訊號SK可以以方程式(13)表示： (13) 其中 。
接下來，帶通濾波衛星訊號的同相分量及正交分量，以得到另一衛星基頻訊號（步驟S355）。詳言之，在此步驟中，帶通濾波器（bandpass filter, BPF）226對衛星訊號的同相分量（亦即混波後訊號SC）及正交分量（亦即混波後訊號SG）進行帶通濾波（亦即濾除高頻成分（ 、 及 ）及低頻成分（ 與 ），而得到衛星基頻訊號SL（亦即帶通濾波後的訊號）。衛星基頻訊號SL的同相分量（SL_I）及正交分量（SL_Q）可以分別以方程式(14)及(15)表示： (14) (15) 則，衛星基頻訊號SL可以以方程式(16)表示： (16) 其中 。帶通濾波器226例如可以以鏡像抑制濾波器（image rejection bandpass filter）實作。衛星基頻訊號SL經放大器227（例如以可程式化增益放大器實作，具有增益 ）放大後（步驟S360）成為放大後的衛星基頻訊號SM，放大後的衛星基頻訊號SM可以以方程式(17)表示： (17)
接著以類比數位轉換器（analog-to-digital converter, ADC）224、ADC 225及ADC 228分別將衛星基頻訊號SF、衛星基頻訊號SK及放大後的衛星基頻訊號SM轉換至數位域（步驟S365）。在數位域中，數位訊號處理器（digital signal processor, DSP）229以編碼增益（coding gain）再次放大三個衛星基頻訊號（步驟S370），然後根據三個衛星基頻訊號產生位置資訊。
綜上所述，當把第一參考訊號SO的頻率 設定為介於頻帶120（或130）的中心頻率與頻帶110的中心頻率之間（亦即 ）時，衛星基頻訊號SF對應格洛納斯系統的衛星訊號，衛星基頻訊號SK對應伽利略定位系統或全球定位系統的衛星訊號，且衛星基頻訊號SL及放大後的衛星基頻訊號SM對應北斗衛星系統的衛星訊號。在一個較佳的實施例中，當 設定為 ， 可以等於頻帶120（或130）的實質上最小頻率與頻帶110的實質上最大頻率的總和的一半。以頻帶120為例， 。
在其他的實施例中，當把第一參考訊號SO的頻率 設定為介於頻帶120（或130）的中心頻率與頻帶140的中心頻率之間（亦即 ）時，伽利略定位系統（或全球定位系統）的衛星訊號及北斗衛星導航系統的衛星訊號互為對方的鏡像訊號，此時衛星基頻訊號SF對應伽利略定位系統或全球定位系統的衛星訊號，衛星基頻訊號SK對應北斗衛星系統的衛星訊號，且衛星基頻訊號SL及放大後的衛星基頻訊號SM對應格洛納斯系統的衛星訊號。在一個較佳的實施例中，當 設定為 ， 可以等於頻帶120（或130）的實質上最大頻率與頻帶140的實質上最小頻率的總和的一半。以頻帶120為例， 。
在圖3A及3B所示的實施例中，調換某些步驟不影響本發明的實施。舉例來說，可以先執行步驟S330再執行步驟S327；步驟S355可以早於S345及S350執行。在不同的實施例中，圖3B的步驟S340、S345及S350亦可以在數位域執行，也就是說，步驟S340、S345及S350亦可以在步驟S365之後執行，其對應的電路圖如圖4所示。衛星訊號接收電路400以中頻正交相位位移器421、相位運算電路422及相位運算電路423在數位域執行步驟S340、S345及S350。在某些實施例中，中頻正交相位位移器421、相位運算電路422及相位運算電路423的功能亦可由數位訊號處理器429實作，亦即步驟S340、S345及S350由數位訊號處理器429中相對應的模組執行。 該些模組可以由硬體（例如電路）實作，或是由數位訊號處理器429的控制電路（例如微控制器、微處理器等）執行程式碼或程式指令的方式實作。
綜上所述，本發明實現衛星訊號的三模（triple band）接收，亦即本發明的衛星訊號接收電路及衛星訊號接收方法可同時接收三個不同中心頻率的衛星訊號。上述的實施例雖以全球衛星導航系統為例，但本發明亦可應用於其他系統。
由於本技術領域具有通常知識者可藉由本案之裝置發明的揭露內容來瞭解本案之方法發明的實施細節與變化，因此，為避免贅文，在不影響該方法發明之揭露要求及可實施性的前提下，重複之說明在此予以節略。請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸、比例以及步驟之順序等僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，非用以限制本發明。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
110、120、130、140‧‧‧頻帶
200、400‧‧‧衛星訊號接收電路
211‧‧‧天線
212、219、220、227‧‧‧放大器
213‧‧‧壓控振盪器
214‧‧‧正交相位位移器
215、216‧‧‧混波器
217、218‧‧‧低通濾波器
221、421‧‧‧中頻正交相位位移器
222、223、422、423‧‧‧相位運算電路
224、225、228‧‧‧ADC
226‧‧‧帶通濾波器
229、429‧‧‧數位訊號處理器
SO‧‧‧第一參考訊號
SOQ‧‧‧第二參考訊號
SA、SB‧‧‧衛星訊號
SC、SG‧‧‧混波後訊號
SD、SH‧‧‧濾波後訊號
SE、SI‧‧‧經放大的濾波後訊號
SF、SK、SL‧‧‧衛星基頻訊號
SJ‧‧‧相位位移後訊號
SM‧‧‧放大後的衛星基頻訊號
S305～S370‧‧‧步驟
［圖1］顯示數個衛星系統所使用的頻帶； ［圖2］為本發明之衛星訊號接收電路之一實施例的功能方塊圖； ［圖3A~3B］為本發明之衛星訊號接收方法之一實施例的流程圖；以及 ［圖4］為本發明之衛星訊號接收電路之另一實施例的功能方塊圖。

Claims (10)

  1. 一種衛星訊號接收電路，用於接收一衛星訊號，包含：一振盪器，用來產生一第一參考訊號；一第一混波器，耦接該振盪器，用來將該第一參考訊號與該衛星訊號混波，以產生一第一混波後訊號；一第一相位位移器，耦接該振盪器，用來調整該第一參考訊號的相位以產生一第二參考訊號，其中該第一參考訊號與該第二參考訊號係正交；一第二混波器，耦接該第一相位位移器，用來將該第二參考訊號與該衛星訊號混波，以產生一第二混波後訊號；一第一低通濾波器，耦接該第一混波器，用來對該第一混波後訊號進行濾波，以得到一第一濾波後訊號；一第二低通濾波器，耦接該第二混波器，用來對該第二混波後訊號進行濾波，以得到一第二濾波後訊號；一第二相位位移器，耦接該第二低通濾波器，用來調整該第二濾波後訊號的相位以產生一相位位移後訊號；一第一相位運算電路，耦接該第一低通濾波器及該第二相位位移器，用來對該第一濾波後訊號及該相位位移後訊號進行運算，以產生一第一衛星基頻訊號；一第二相位運算電路，耦接該第一低通濾波器及該第二相位位移 器，用來對該第一濾波後訊號及該相位位移後訊號進行運算，以產生一第二衛星基頻訊號；一帶通濾波器，耦接該第一混波器及該第二混波器，用來對該第一混波後訊號及該第二混波後訊號進行濾波，以得到一第三衛星基頻訊號；一第一類比數位轉換器，耦接於該第一低通濾波器與該第一相位運算電路之間，用來將該第一濾波後訊號轉換至數位域；一第二類比數位轉換器，耦接於該第二低通濾波器與該第二相位位移器之間，用來將該第二濾波後訊號轉換至數位域；一第三類比數位轉換器，耦接該帶通濾波器，用來將該第三衛星基頻訊號轉換至數位域；以及一數位訊號處理器，耦接該第一相位運算電路、該第二相位運算電路及該第三類比數位轉換器，以一編碼增益(coding gain)放大該第一衛星基頻訊號、該第二衛星基頻訊號及該第三衛星基頻訊號；其中，該第二相位位移器、該第一相位運算電路及該第二相位運算電路係於數位域完成運算。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之衛星訊號接收電路，其中該第一衛星基頻訊號係對應格洛納斯(GLONASS)衛星系統，該第二衛星基頻訊號係對應全球定位系統(GPS)或伽利略定位系統 (GaLileo)，該第三衛星基頻訊號係對應北斗(Beidou)衛星系統，且該第一參考訊號的頻率介於1575.42MHz與1602MHz之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之衛星訊號接收電路，其中該第一參考訊號的頻率實質上等於全球定位系統或伽利略定位系統的最低頻率與格洛納斯衛星系統的最高頻率的總和的一半。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之衛星訊號接收電路，其中該第一衛星基頻訊號係對應全球定位系統(GPS)或伽利略定位系統(GaLileo)，該第二衛星基頻訊號係對應北斗(Beidou)衛星系統，該第三衛星基頻訊號係對應格洛納斯(GLONASS)衛星系統，且該第一參考訊號的頻率介於1575.42MHz與1561.098MHz之間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之衛星訊號接收電路，其中該第一參考訊號的頻率實質上等於全球定位系統或伽利略定位系統的最高頻率與北斗衛星系統的最低頻率的總和的一半。
  6. 一種衛星訊號接收方法，包含：(a)接收一衛星訊號；(b)提供一第一參考訊號；(c)混波該第一參考訊號及該衛星訊號，以得到該衛星訊號的一同相分量；(d)提供一第二參考訊號，其中該第一參考訊號與該第二參考訊號係正交；(e)混波該第二參考訊號及該衛星訊號，以得到該衛星訊號的一 正交分量；(f)低通濾波該衛星訊號的該同相分量及該衛星訊號的該正交分量；(g)對該衛星訊號的該低通濾波後正交分量進行相位位移，以產生一相位位移後正交分量；(h)計算該衛星訊號的該低通濾波後同相分量與該相位位移後正交分量之和，以得到一第一衛星基頻訊號；(i)計算該衛星訊號的該低通濾波後同相分量與該相位位移後正交分量之差，以得到一第二衛星基頻訊號；(j)帶通濾波該衛星訊號的該同相分量及該衛星訊號的該正交分量，以得到一第三衛星基頻訊號；(k)將該衛星訊號的該低通濾波後同相分量轉換至數位域；(l)將該衛星訊號的該低通濾波後正交分量轉換至數位域；(m)將該第三衛星基頻訊號轉換至數位域；以及(n)以一編碼增益(coding gain)放大該第一衛星基頻訊號、該第二衛星基頻訊號及該第三衛星基頻訊號；其中，步驟(k)及步驟(l)係早於步驟(g)、步驟(h)及步驟(i)執行。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之衛星訊號接收方法，其中該第一衛星基頻訊號係對應格洛納斯(GLONASS)衛星系統，該第二衛星基頻訊號係對應全球定位系統(GPS)或伽利略定位系統(GaLileo)，該第三衛星基頻訊號係對應北斗(Beidou)衛星系 統，且該第一參考訊號的頻率介於1575.42MHz與1602MHz之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之衛星訊號接收方法，其中該第一參考訊號的頻率實質上等於全球定位系統或伽利略定位系統的最低頻率與格洛納斯衛星系統的最高頻率的總和的一半。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之衛星訊號接收方法，其中該第一衛星基頻訊號係對應全球定位系統(GPS)或伽利略定位系統(GaLileo)，該第二衛星基頻訊號係對應北斗(Beidou)衛星系統，該第三衛星基頻訊號係對應格洛納斯(GLONASS)衛星系統，且該第一參考訊號的頻率介於1575.42MHz與1561.098MHz之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之衛星訊號接收方法，其中該第一參考訊號的頻率實質上等於全球定位系統或伽利略定位系統的最高頻率與北斗衛星系統的最低頻率的總和的一半。
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