АРХИТЕКТУРА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ПРИЕМНИКЕ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
ARCHITECTURE OF SIGNAL PROCESSING IN SATELLITE NAVIGATION SYSTEM RECEIVER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится, в общем случае, к глобальной спутниковой навигационной системе, ГСНС (GNSS) и, в частности, к архитектуре обработки сигналов в приемнике спутниковой навигационной системы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В приемниках глобальной спутниковой навигационной системы (ГСНС), такой как, например, Глобальная система определения местоположения (GPS), используют средства измерения расстояния, которые основаны на навигационных сигналах, широковещательную передачу которых осуществляют со спутников, находящихся в пределах прямой видимости. Приемник измеряет время прихода одного или большего количества широковещательных сигналов. Это измерение времени прихода сигнала содержит операцию измерения времени на основании участка сигнала, закодированного кодом грубого определения местоположения объектов (coarse acquisition, C/A), именуемого псевдодальностью, и операцию измерения фазы.
Помимо множества широковещательных сигналов Глобальной системы определения местоположения (GPS), также существует множество других широковещательных сигналов, соответствующих другим ГСНС, которыми являются, например, Глобальная орбитальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС), система определения местоположения GALILEO, Европейская геостационарная система навигационного покрытия (EGNOS), Система расширенного района приема дифференциальных поправок (WAAS), Многофункциональная спутниковая система приема дифференциальных поправок для транспорта (MSAS), Квазизенитная спутниковая система (QZSS). В совокупности широковещательные сигналы ГСНС имеют множество форматов и их передачу осуществляют на нескольких несущих частотах сигнала.
Обычные приемники ГСНС имеют множество радиочастотных (РЧ) схем для приема одного или большего количества широковещательных сигналов, которые передаются на несущих частотах сигнала одного или большего количества. РЧ-схемы обычно содержат множество подканалов. Соответствующий подканал может использоваться для приема сигналов несущей частоты, переданных на соответствующей несущей частоте или в соответствующем диапазоне частот. Кроме того, соответствующий подканал может использоваться для приема сигналов несущей частоты, которые соответствуют соответствующему спутнику в ГСНС.
Несмотря на то что использование множества РЧ-схем в таких обычных приемниках позволяет приемникам принимать множество сигналов, соответствующих одной или большему количеству ГСНС, этот подход обычно влечет за собой дополнительные непроизводительные издержки и наличие дополнительных компонентов, и, следовательно, приводит к более высокой сложности и к увеличению стоимости. Следовательно, существует потребность в создании универсального РЧ-приемника для сигналов несущей частоты в глобальной спутниковой навигационной системе (ГСНС).
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описано спутниковое навигационное устройство, содержащее универсальный РЧ-приемник. Приемник принимает сигнал, содержащий, по меньшей мере, один сигнал с разнесением по спектру из первого спутника. Приемник имеет первый канал, содержащий, по меньшей мере, две схемы подканалов. Каждая схема подканала содержит, по меньшей мере, генератор первого сигнала и первый смеситель для приема соответствующей полосы частот, по меньшей мере, в одном сигнале с разнесением по спектру из первого спутника. Генератор первого сигнала создает соответствующий первый сигнал, имеющий соответствующую первую несущую частоту, для преобразования, по меньшей мере, части сигнала с понижением частоты до промежуточной частоты, которая является общей для этих двух схем подканалов, с использованием первого смесителя.
Промежуточная частота в схеме первого подканала и промежуточная частота в схеме второго подканала могут отличаться менее чем на 100 кГц. Соответствующая первая несущая частота в соответствующем первом сигнале и промежуточная частота каждой схемы подканала также могут быть регулируемыми. Эта регулировка может быть реализована с использованием регулируемого генератора первого сигнала.
Первый канал также может содержать генератор второго сигнала. Каждая из этих, по меньшей мере, двух схем подканалов также может содержать второй смеситель. Генератор второго сигнала создает второй сигнал, имеющий вторую несущую частоту, который подают в каждую из, по меньшей мере, двух схем подканалов, для преобразования, по меньшей мере, части сигнала с понижением частоты от промежуточной частоты, по существу, до полосы частот исходных сигналов с использованием второго смесителя.
Приемник в спутниковом навигационном устройстве также может содержать дополнительный канал, содержащий, по меньшей мере, два дополнительных экземпляра схем подканалов, имеющих промежуточную частоту. Соответствующая схема дополнительного подканала производит прием соответствующего дополнительного диапазона частот в дополнительном сигнале с разнесением по спектру из дополнительного спутника.
В некоторых вариантах осуществления изобретения спутниковое навигационное устройство содержит приемник, который принимает сигнал, содержащий, по меньшей мере, один сигнал с разнесением по спектру из первого спутника. Приемник имеет первый канал. Первый канал содержит, по меньшей мере, одну схему подканала. Схема подканала содержит генератор первого сигнала и первый смеситель для приема соответствующего диапазона частот, по меньшей мере, в одном сигнале с разнесением по спектру из первого спутника. Генератор первого сигнала создает соответствующий первый сигнал, имеющий соответствующую регулируемую первую несущую частоту, для преобразования, по меньшей мере, части сигнала с понижением частоты до регулируемой промежуточной частоты с использованием первого смесителя.
Первый канал также может содержать генератор второго сигнала. По меньшей мере, одна схема подканала также может содержать второй смеситель. Генератор второго сигнала создает соответствующий второй сигнал, имеющий регулируемую вторую несущую частоту, который подают, по меньшей мере, в одну схему подканала для преобразования, по меньшей мере, части сигнала, с понижением частоты от регулируемой промежуточной частоты, по существу, до полосы частот исходных сигналов с использованием второго смесителя.
В некоторых вариантах осуществления изобретения спутниковое навигационное устройство содержит приемник, который принимает сигнал, содержащий, по меньшей мере, один сигнал с разнесением по спектру из первого спутника. Приемник имеет первый канал. Первый канал содержит, по меньшей мере, одну схему подканала, которая принимает соответствующий диапазон частот, по меньшей мере, в одном сигнале с разнесением по спектру из первого спутника путем преобразования, по меньшей мере, части сигнала с понижением частоты до промежуточной частоты. Схема первого подканала содержит полосовой фильтр, имеющий центральную частоту, по существу, равную промежуточной частоте, и ширину полосы пропускания, большую, чем ширина полосы частот, приблизительно равная ширине полосы частот первого спутника.
В некоторых вариантах осуществления изобретения спутниковое навигационное устройство содержит приемник, который принимает сигнал, содержащий, по меньшей мере, один сигнал с разнесением по спектру из первого спутника. Приемник имеет входную схему, которая обнаруживает информацию в соответствующем диапазоне частот, по меньшей мере, в одном сигнале с разнесением по спектру из первого спутника. Входная схема имеет перестраиваемую конфигурацию для вывода цифрового сигнала, соответствующего этой информации. Цифровой сигнал имеет регулируемое количество битов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные задачи и отличительные признаки настоящего изобретения станут более очевидными из приведенного ниже подробного описания и из прилагаемой формулы изобретения при их рассмотрении совместно с чертежами.
На фиг.1 изображена схема, на которой проиллюстрирована глобальная спутниковая навигационная система (ГСНС) с сигналами, прошедшими по прямому пути, и с сигналом многолучевого распространения.
На фиг.2 изображена блок-схема, на которой проиллюстрированы компоненты приемника ГСНС.
На фиг.3 изображена блок-схема, на которой проиллюстрированы компоненты в канале приемника ГСНС.
На фиг.4A изображена блок-схема, на которой проиллюстрированы компоненты в канале приемника ГСНС.
На фиг.4Б изображена блок-схема, на которой проиллюстрированы компоненты в канале приемника ГСНС.
На фиг.5A проиллюстрирована однобитовая (двухуровневая) дискретизация.
На фиг.5Б проиллюстрирована двухбитовая (трехуровневая) дискретизация.
На фиг.5В проиллюстрирована трехбитовая (четырехуровневая) дискретизация.
На фиг.6 изображена блок-схема, на которой проиллюстрирована схема преобразования "знак-величина".
На фиг.7 изображена блок-схема, на которой проиллюстрирована схема установки на нуль.
На фиг.8 изображена блок-схема, на которой проиллюстрирована схема автоматической регулировки усиления (АРУ).
На фиг.9 изображена блок-схема, на которой проиллюстрирована обработка принятых сигналов в приемнике ГСНС.
На фиг.10 изображена блок-схема, на которой проиллюстрированы компоненты приемника ГСНС.
На фиг.11 изображена схема последовательности операций, на которой проиллюстрирован способ работы приемника ГСНС.
На фиг.12 изображена схема последовательности операций, на которой проиллюстрирован способ работы приемника ГСНС.
На фиг.13 изображена схема последовательности операций, на которой проиллюстрирован способ работы приемника ГСНС.
На фиг.14 изображена схема последовательности операций, на которой проиллюстрирован способ работы приемника ГСНС.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Теперь будет приведена ссылка на варианты осуществления изобретения, примеры которых проиллюстрированы на сопроводительных чертежах. В приведенном ниже подробном описании изложены многочисленные конкретные подробности для обеспечения глубокого понимания настоящего изобретения. Однако для обычного специалиста в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение может быть реализовано на практике без этих конкретных подробностей. В других случаях подробное описание известных способов, процедур, компонентов и схем не приведено, чтобы не затруднять понимание особенностей вариантов осуществления изобретения из-за излишних подробностей.
Описано спутниковое навигационное устройство, содержащее универсальный РЧ-приемник, предназначенный для приема одного или большего количества сигналов с разнесением по спектру из первого спутника. Варианты осуществления приемника, содержащего, по меньшей мере, два подканала, имеющих общую промежуточную частоту, подканал, имеющий регулируемую промежуточную частоту, полосовой фильтр, имеющий центральную частоту, по существу, равную промежуточной частоте, и ширину полосы пропускания, большую, чем ширина полосы частот, приблизительно равная ширине полосы частот первого спутника, и/или схемы с перестраиваемой конфигурацией, обеспечивающие вывод цифрового сигнала, имеющего регулируемое количество битов, могут уменьшить сложность и/или снизить стоимость спутникового навигационного устройства.
В вариантах осуществления спутникового навигационного устройства подразумевают, что термин "навигация" включает в себя определение местонахождения или месторасположения, что также известно как определение местоположения. Термин "навигация" следует интерпретировать как определение того, где именно находится спутниковое навигационное устройство относительно системы отсчета, которая, по меньшей мере, частично обеспечена спутниками в Глобальной спутниковой навигационной системе (ГСНС). При навигации также может производиться определение времени в месте расположения спутникового навигационного устройства, по меньшей мере, частично, по сигналам из одного или из большего количества спутников в ГНСС.
В спутниковом навигационном устройстве РЧ-приемник обеспечивает высококачественные навигационные измерения по любому из существующих или запланированных навигационных сигналов из Глобальных спутниковых навигационных систем (ГСНС), которыми являются, в том числе, Глобальная система определения местоположения (GPS), система определения местоположения GALILEO, Глобальная орбитальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС), Квазизенитная спутниковая система (QZSS), Система расширенного района приема дифференциальных поправок (WAAS), Европейская геостационарная система навигационного покрытия (EGNOS), Многофункциональная спутниковая система приема дифференциальных поправок для транспорта (MSAS) и другие спутниковые навигационные системы. Он также обеспечивает прием сигналов из сети StarFire фирмы "NavCom Technology, Inc.".
За исключением системы ГЛОНАСС в спутниках ГСНС используют способы множественного доступа с кодовым разделением (МДКР) для уменьшения межспутниковых помех. Спутники, не входящие в состав системы ГЛОНАСС, осуществляют широковещательную передачу сигналов на несущих частотах сигнала в диапазоне частот L и используют псевдослучайные коды разнесения сигнала по спектру. Используя Глобальную систему определения местоположения (GPS) в качестве примера, уровень защиты от помех составляет от приблизительно 20 дБ для кода грубого определения местоположения объектов (C/A) до более чем 70 дБ для более новых кодов и P-кода для военных целей. Спутники Глобальной системы определения местоположения (GPS) имеют на борту встроенные фильтры с шириной полосы пропускания от 20 до 30 МГц (с двух сторон).
В системе ГЛОНАСС для обеспечения защиты от межспутниковых помех используют множественный доступ с частотным разделением (МДЧР). Каждый спутник систем ГЛОНАСС использует один и тот же код разнесения сигнала по спектру. За исключением диаметрально противоположных спутников, расположенных на той же самой орбите на противоположных сторонах Земли, каждый спутник имеет свой собственный диапазон частот. Диаметрально противоположные спутники могут совместно использовать один и тот же диапазон частот.
В Глобальной системе определения местоположения (GPS) широковещательную передачу навигационных сигналов осуществляют на несущей частоте L1-сигнала, равной 1575,42 МГц, и на несущей частоте L2-сигнала, равной 1227,6 МГц. Запланирована передача третьего сигнала системы GPS на несущей частоте L5-сигнала, равной 1176,45 МГц. В системе GALILEO запланировано предоставление сигналов на частотах L1 и L5 (также именуемых E5A) и дополнительных сигналов на частотах 1207,14 МГц (E5B) и 1278,75 МГц (E6). Система GALILEO также будет предоставлять дополнительные сигналы с различными кодами разнесения сигнала по спектру на несущей частоте L1-сигнала. В системе QZSS планируют предоставлять сигналы, совместимые с системой GPS, на несущих частотах L1, L2 и L5-сигнала. В системе QZSS также планируют предоставлять сигналы на пока еще не определенной несущей частоте L6 сигнала. Спутники в системах WAAS, EGNOS и MSAS предоставляют сигналы, подобные сигналам системы GPS, на несущей частоте L1-сигнала, и запланировано предоставление второго сигнала на несущей частоте L5-сигнала.
В сети StarFire, которая функционирует, по меньшей мере, частично в качестве линии связи, используют каналы шириной 840 Гц в диапазоне частот между 1525 МГц и 1560 МГц. Сеть StarFire обеспечивает передачу данных со скоростью 1200 закодированных битов в секунду.
В системе ГЛОНАСС широковещательную передачу сигналов осуществляют в диапазонах частот от 1598,0635 МГц до 1605,375 МГц (L1) и от 1242,9375 до 1248,625 МГц (L2). Диапазоны частот сигналов в системе ГЛОНАСС перекрывают высокочастотную часть соответствующих диапазонов частот сигналов в системах GPS и GALILEO.
На фиг.1 проиллюстрирован составной сигнал, принимаемый устройством 110 в одном из вариантов осуществления ГСНС 100. Этот составной сигнал содержит один или большее количество сигналов 114, широковещательную передачу которых производит один или большее количество спутников, а также сигнал 116 многолучевого распространения, отраженный от объекта 112. Как описано выше, каждый из сигналов 114 содержит, по меньшей мере, один сигнал с разнесением по спектру, соответствующий, по меньшей мере, одному спутнику.
На фиг.2 проиллюстрированы компоненты в варианте осуществления приемника 200 в устройстве 110 (фиг.1). Составной сигнал принимают посредством, по меньшей мере, одной антенны 210 и подают его в маршрутизатор 212. Маршрутизатор 212 соединяет, по меньшей мере, часть составного сигнала с одним или с большим количеством каналов 214. Каждый из каналов 214 содержит одну или большее количество схем подканалов, которые выводят принятую информацию 220. Схема соответствующего подканала принимает соответствующий диапазон частот, по меньшей мере, в одном сигнале с разнесением по спектру, соответствующем, по меньшей мере, первому спутнику, по меньшей мере, в части составного сигнала. Управление каналами осуществляет контроллер 216. Как описано ниже, адаптация соответствующего подканала, по меньшей мере, в одном из каналов 214 может быть реализована на основании команд, поступающих из контроллера 216. В каналы 214 поступает один или большее количество тактовых сигналов, по меньшей мере, из одного общего генератора 218 опорной частоты. В других вариантах осуществления изобретения общий генератор опорной частоты, которым является, например, генератор 218 опорной частоты, может отсутствовать. Каналы 214 могут содержать один или большее количество генераторов опорной частоты. Один или большее количество каналов 214 может осуществлять генерацию соответствующих тактовых сигналов, используемых при приеме, по меньшей мере, одного сигнала с разнесением по спектру с использованием одного или большего количества тактовых сигналов, в том числе с использованием одной или большего количества схем фазовой автоподстройки частоты, схем автоматической подстройки по задержке и/или схем интерполяции.
В других вариантах осуществления изобретения приемник 200 может содержать меньшее или большее количество компонентов. Функции двух или большего количества компонентов могут быть реализованы в одном компоненте. В альтернативном варианте функции некоторых компонентов могут быть реализованы в дополнительных экземплярах компонентов. Несмотря на то что в варианте осуществления приемника 200 проиллюстрирована одна антенна 210, один маршрутизатор 212 и три канала 214, количество этих компонентов может меньшим или большим. Кроме того, архитектура приемника 200 обеспечивает варианты использования большого множества антенн. Входные сигналы из антенны могут быть усилены или не усилены (пассивный режим), и в маршрутизаторе 212 может быть выполнено объединение одной или множества частот для каждого антенного соединителя. В вариантах осуществления изобретения с антенной без усиления или с наличием длинного соединителя или кабеля между антенной 210 и маршрутизатором 212 приемник 200 может содержать каскад первичного усиления.
На фиг.4A проиллюстрирован вариант осуществления канала 400, которым является, например, канал 214-1 (фиг.2), содержащего несколько схем 436 подканалов. По меньшей мере, часть сигнала из антенны 210 разделяют на низкочастотную и высокочастотную составляющие с использованием маршрутизатора 212, который в этом варианте осуществления изобретения выполняет функции диплексора. Например, низкочастотная составляющая может содержать диапазоны L2 и L5-частот и может охватывать частоты от 1150 МГц до 1250 МГц. Высокочастотная составляющая может содержать диапазон частот L1 и диапазон частот сети StarFire и может охватывать частоты от 1500 МГц до 1600 МГц. Если для некоторых или для всех этих частот используют отдельные антенны, то маршрутизатор 212 может иметь дополнительные антенные разъемы или могут быть предусмотрены дополнительные маршрутизаторы. В некоторых вариантах осуществления изобретения, например, в вариантах c антенной без усиления (с пассивной антенной), может быть предусмотрено наличие первичного малошумящего усилителя, расположенного перед маршрутизатором 212.
Каждая из ветвей двухканального сигнала соединена с фильтром 410 с низким уровнем потерь, предназначенным для того, чтобы не пропускать зеркальные сигналы и внеполосные помехи. Затем сигнал усиливают в усилителе 412 и, возможно, но необязательно, отфильтровывают в фильтре 414. В вариантах осуществления изобретения с первичным малошумящим усилителем, расположенным перед маршрутизатором 212, усилитель 412 может отсутствовать. Осуществляется преобразование, по меньшей мере, части сигнала с понижением частоты, по существу, до общей промежуточной частоты (ПЧ) с использованием одного или большего количества модуляторов, например смесителей 420, в схемах 436 подканалов. В некоторых вариантах осуществления изобретения ПЧ в схеме 436_1 первого подканала и ПЧ в схеме 436_2 второго подканала отличаются менее чем на 100 кГц. Совместно с использованием общей ПЧ может использоваться фильтрация одного или большего количества сигналов от источника питания и/или сигналов в линиях заземления. Также может использоваться экранирование от радиопомех в одной или в большем количестве схем 436 подканалов и/или вокруг них.
При преобразовании с понижением частоты в соответствующем смесителе, например в смесителе 420_1, подмешивают первый опорный сигнал, имеющий соответствующую первую несущую частоту или частоту первого гетеродина (LO), генерация которой осуществлена одним генератором 418 сигнала, например генератором 418-1 сигнала. Первый опорный сигнал может быть сгенерирован на основании одного или большего количества тактовых сигналов 416, генерация которых может быть осуществлена генератором 218 опорной частоты (фиг.2). Каждый первый опорный сигнал, генерация которого осуществлена одним из генераторов 418 сигнала, имеет уникальную частоту первого гетеродина. Однако ПЧ, по существу, является общей для всех схем 436 подканалов. В других вариантах осуществления изобретения ПЧ может быть, по существу, общей, по меньшей мере, для двух из схем 436 подканалов, например для схемы 436_1 первого подканала и для схемы 436_2 второго подканала. Использование уникальной частоты первого гетеродина в каждой из схем 436 подканалов, которая может содержать соответствующие частоты первого гетеродина, которые соответствуют диапазонам частот L1, L2, L5, сети StarFire, E5B и/или L6, позволяет соответствующей схеме подканала принимать соответствующий диапазон частот, по меньшей мере, в одном сигнале с разнесением по спектру из первого спутника.
После преобразования с понижением частоты сигнал на промежуточной частоте (ПЧ) проходит через один из фильтров 422 с высокой добротностью, которыми являются, например, фильтры на поверхностных акустических волнах, устраняющий наложение сигналов и сигналы помех, и не пропускающий внеполосные помехи. Наличие фильтров 422 с высокой добротностью 422 может позволить, чтобы другие фильтры в канале 400, например, выполняющие предварительную селективную фильтрацию на входе, имели более низкую точность, может позволить проще реализовать схему автоматической регулировки усиления и может также позволить выполнять дискретизацию с меньшим количеством битов в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) 426. В схеме 436_4 подканала, соответствующей сети StarFire, может быть использован иной фильтр 430, поскольку сигналы в сети StarFire имеют узкую полосу частот информационного канала. Фильтры 422 и 430 определяют ширину полосы частот обработки сигналов для сигнала в приемнике 200 (фиг.2). Вследствие этого фильтры 422 и 430 помогают определить общие характеристики обработки сигналов в приемнике 200 (фиг.2). Использование, по существу, общей ПЧ и идентичных фильтров 422 в схемах 436 подканалов, соответствующих диапазонам частот в ГСНС, которые используются для навигации, и/или в сети StarFire, позволяет этим схемам иметь, по существу, идентичные характеристики обработки сигналов. Это может обеспечивать улучшенные рабочие характеристики, а также меньшую сложность и более низкую стоимость приемника 200 (фиг.2).
В некоторых вариантах осуществления изобретения один или большее количество фильтров 422 могут иметь центральную частоту, по существу, равную ПЧ, и ширину полосы пропускания, большую, чем ширина полосы частот, приблизительно равная ширине полосы частот первого спутника. В некоторых вариантах осуществления изобретения ширина полосы пропускания (полоса пропускания на уровне 3 дБ) одного или большего количества фильтров 422 может быть большей, чем приблизительно 30 МГц (с двух сторон). В некоторых вариантах осуществления изобретения ширина полосы пропускания (полоса пропускания на уровне 3 дБ) одного или большего количества фильтров 422 может находиться в пределах диапазона частот от, приблизительно, 30 МГц до, приблизительно, 32 МГц включительно (с двух сторон). В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, фильтры 422 могут быть эквивалентными 6 или большему количеству комплексных полюсов. Путем обеспечения того, что ширина полосы пропускания фильтров 422 является, по меньшей мере, незначительно большей, чем ширина полосы пропускания при фильтрации, применяемой для сигналов, широковещательную передачу которых производит один или большее количество спутников ГСНС, не происходит потерь содержимого сигнала, и обеспечивается подавление внеполосных помех в максимально возможной степени. Если ширина полосы пропускания фильтров в одном или в большем количестве спутников будет увеличена в будущем, то ширина полосы пропускания одного или большего количества фильтров 422 также может быть увеличена для того, чтобы не происходило потерь содержимого сигнала. Это может обеспечить возможность улучшенной коррекции сигнала 116 многолучевого распространения (фиг.1) и/или улучшенные характеристики слежения для приемника 200 (фиг.2). Фильтр 430 также может иметь центральную частоту, по существу, равную ПЧ. В вариантах осуществления изобретения, которые приведены в качестве примеров, ширина полосы пропускания фильтра 430 может быть равной 200 кГц, так как сигнал в сети StarFire использует меньшую ширину полосы частот.
Преобразование сигнала в одной или в большем количестве схем 436 подканалов в сигнал в полосе частот, по существу, близкой к полосе частот исходных сигналов (нулевая частота), осуществляют с использованием одного или большего количества модуляторов, например смесителей 424. При преобразовании с понижением частоты в соответствующем смесителе, например в смесителе 424_1, подмешивают второй опорный сигнал, имеющий вторую частоту несущей или частоту второго гетеродина, генерация которого осуществлена генератором 432 сигнала. Проиллюстрированный на чертеже канал 400 содержит один генератор 432 сигнала, поскольку схемы 436 подканалов имеют, по существу, общую ПЧ. Второй опорный сигнал может быть сгенерирован на основании, по меньшей мере, одного тактового сигнала из генератора 218 опорной частоты (фиг.2).
Промежуточная частота, частота первого гетеродина и частота второго гетеродина могут сохранить когерентные зависимости между кодом и несущими частотами сигнала, используемыми в сигналах ГСНС. Для всех сигналов ГСНС на каждый бит кода приходится, по существу, целое число периодов несущей. Выбранные частоты преобразования с понижением частоты, то есть соответствующая частота первого гетеродина и соответствующая частота второго гетеродина, могут сохранять эти зависимости. Однако следует отметить, что эти зависимости являются нечувствительными к доплеровским сдвигам частоты, вызванным движением спутника относительно приемника, опорным сигналом, погрешностями в тактовом сигнале в спутнике или в приемнике 200 (фиг.2). Как описано ниже, в приемнике 200 (фиг.2) целесообразно используют это свойство.
1
0
0
1
1
2
0
1
2
1
1
ПЧ и частота второго гетеродина могут являться, по существу, идентичными частотами, кратными частоте, по меньшей мере, соответствующего тактового сигнала из генератора 218 опорной частоты (фиг.2). Пренебрегая источниками доплеровского сдвига (которые упомянуты выше), сумма двух частот преобразования с понижением частоты, то есть соответствующей частоты первого гетеродина и частоты второго гетеродина, в каждой из схем 436 подканалов может быть, по существу, равной соответствующей несущей частоте, которая соответствует соответствующему диапазону частот, по меньшей мере, в одном сигнале с разнесением по спектру из первого спутника. Например, диапазон частот L1 в Глобальной системе определения местоположения (GPS) имеет номинальную несущую частоту, равную 1575,42 МГц, которая эквивалентна 154×10,23 МГц. В тех вариантах осуществления изобретения, в которых приемник 200 (фиг.2) использует тактовый сигнал из генератора 218 опорной частоты (фиг.2) с частотой N×10,23 МГц, генерацию сигналов первого и второго гетеродинов осуществляют из этого тактового сигнала. Соответствующие частоты этих гетеродинов могут подчиняться нескольким зависимостям, которые гарантируют то, что диапазон, измеренный путем отслеживания несущей частоты, является, по существу, тем же самым, что и диапазон, измеренный путем отслеживания кода. Несущие частоты для каждого из сигналов L-диапазона могут также быть выражены в виде N×154 (N=154 для L1, 120 для L2, 115 для L5, 118 для E5A и 125 для E6). Частоту первого гетеродина создают путем умножения опорного тактового сигнала на A, то есть LO=A×N×10,23 МГц. Частота второго гетеродина, по существу, равна ПЧ, и ее создают путем умножения опорного тактового сигнала на B, то есть LO=B×N1×10,23 МГц. Множители A и B выбраны таким образом, что они подчиняются следующей зависимости: s×(N-A×N)=B×N, где s=1 для преобразования с понижением частоты при частоте гетеродина меньшей, чем центральная частота сигнала (low-side down conversion), и s=-1 для преобразования с понижением частоты при частоте гетеродина большей, чем центральная частота сигнала (high-side down conversion). Например, если для преобразования сигнала на частоте L1 в ПЧ, равную 13,7×10,23 МГц (=140151 МГц), сначала используют преобразование с понижением частоты при частоте гетеродина большей, чем центральная частота сигнала, то значение s равно -1, а значение B×N равно 154+13,7 или 167,7. Если же вместо этого используют преобразование с понижением частоты при частоте гетеродина меньшей, чем центральная частота сигнала, то значение s равно 1, а значение B×N равно 154-13,7 или 140,3. Для каждой из частот ГСНС может быть использован различный множитель A. Одинаковая ПЧ и одинаковый множитель B могут использоваться для всех частот. Следует отметить, что, в некотором смысле, преобразование при частоте гетеродина большей, чем центральная частота сигнала, создает ПЧ с отрицательной частотой, но фильтры в приемнике 200 (фиг.2) и при последующих преобразованиях с понижением частоты работают одинаковым образом для положительных и отрицательных частот.
Схема 436_4 подканала использует иной второй опорный сигнал, имеющий несущую или частоту гетеродина, генерация которой осуществлена генератором 434 сигнала, для преобразования сигнала сети StarFire с понижением частоты до полосы частот, по существу, близкой к полосе частот исходных сигналов. Второй опорный сигнал в схеме подканала 436_4 может быть сгенерирован на основании, по меньшей мере, одного тактового сигнала из генератора 218 опорной частоты (фиг.2). Так как в сигнале в сети StarFire используют несколько различных диапазонов частот, то эта частота второго гетеродина может быть ступенчато отрегулирована с малым шагом, равным приблизительно 21 Гц, для того, чтобы частота второго гетеродина совпадала с центральной частотой канала связи сети StarFire. Во время обнаружения сигнала контроллер 216 (фиг.2) может последовательно программировать генератор 434 сигнала на надлежащие частоты, соответствующие каждому возможному диапазону частот сети StarFire, для определения наличия соответствующего сигнала. Следует отметить следующее: при обработке сигналов сети StarFire может отсутствовать необходимость в сохранении особых зависимостей между кодом и несущими частотами сигнала, вследствие чего может иметься большая свобода выбора соответствующей частоты первого гетеродина и соответствующей частоты второго гетеродина в схеме 436_4 подканала.
После преобразования сигнала с понижением частоты до полосы частот, близкой к полосе частот исходных сигналов, его подают в фильтр нижних частот (не показан) для удаления нежелательных спектральных компонент и выполняют его выборку и дискретизацию в одном или в большем количестве аналого-цифровых преобразователей 426, создавая цифровой выходной сигнал 428. Более подробное описание дискретизации сигнала приведено ниже.
На фиг.4Б проиллюстрирован вариант осуществления канала 450, который представляет собой видоизмененный вариант канала 400. В канале 450 ПЧ и частоты первого и второго гетеродина в одном или в большем количестве схем 436 подканалов могут быть регулируемыми и/или реконфигурируемыми. Это реализовано путем регулировки и/или путем изменения конфигурации, по меньшей мере, одного из генераторов 418 сигнала и/или генератора 432 сигнала, например, с использованием контроллера 216 (фиг.2). Например, может быть реализована ступенчатая регулировка частоты второго гетеродина в опорном сигнале из генератора 432 сигнала с шагом несколько сотен герц (Гц). При адаптации или реконфигурации ПЧ может быть выполнена регулировка или перестройка, по меньшей мере, одного из следующих элементов: фильтра 430, фильтров 422, смесителей 420 и/или смесителей 424. В некоторых вариантах осуществления канала 450 частота ПЧ может быть общей или может не быть общей в двух или в большем количестве схем 436 подканалов.
Посредством того, что обеспечена возможность перестройки ПЧ, частоты первого гетеродина и/или частоты второго гетеродина, ПЧ может быть перестроена таким образом, что принимает значение в диапазоне от, приблизительно, 100 МГц до, приблизительно, 350 МГц включительно. Варианты осуществления изобретения, в которых ПЧ, частота первого гетеродина и частота второго гетеродина являются регулируемыми, могут обеспечивать возможность динамической перестройки одной или большего количества схем 436 подканалов на ПЧ в этом диапазоне, включая его крайние значения. Перестраиваемая или адаптируемая ПЧ предоставляет дополнительные степени свободы конструкции. Эти степени свободы могут предоставлять возможность изменения ПЧ в одном или в большем количестве подканалов 436 для удовлетворения требованиям, предъявляемым компонентами, например, фильтрами 410, 414, 422 и/или 430, генераторами 418 и/или 432 сигнала, и/или смесителями 420 и 424. Например, если во время срока службы приемника 200 (фиг.2), установленного при его производстве, один или большее количество компонентов становятся устаревшими, или если становятся доступными один или большее количество более подходящих компонентов, соответствующих иному диапазону ПЧ, то ПЧ может быть изменена путем перестройки или адаптации одной или большего количества соответствующих частот первого гетеродина и/или второго гетеродина. В вариантах осуществления изобретения, которые приведены в качестве примеров, ПЧ может быть равной 140 МГц, 160 МГц и/или 200 МГц, так как эти значения могут соответствовать техническим условиям для дешевых фильтров и смесителей, которые были разработаны для телефонных аппаратов сотовой связи.
В других вариантах осуществления изобретения канал 400 и/или канал 450 могут иметь меньшее или большее количество компонентов. Функции двух или большего количества компонентов могут быть реализованы в одном компоненте. В альтернативном варианте функции некоторых компонентов могут быть реализованы в дополнительных экземплярах компонентов. Несмотря на то, что на чертежах фиг.4A и фиг.4Б проиллюстрированы четыре схемы 436 подканалов, в некоторых вариантах осуществления изобретения может содержаться меньшее или большее количество схем 436 подканалов. И хотя это и не показано на фиг.4A и фиг.4Б, канал 400 и канал 450, а также в других вариантах осуществления приемника 200 (фиг.2) могут быть использованы квадратурная регистрация и выборка. Это приводит к получению комплексных (синфазной I и квадратурной Q) выборок и может обеспечивать преимущества.
о
На фиг.3 проиллюстрированы компоненты, согласно одному из вариантов осуществления, подканала 300 в одном из каналов 214 (фиг.2) с использованием подхода, основанного на квадратурной регистрации и выборке. Сигнал 310 из маршрутизатора 212 (фиг.2) подают в фильтр 312 с низким уровнем потерь, предназначенный для того, чтобы не пропускать зеркальные сигналы и внеполосные помехи. Выходной сигнал из фильтра 312 поступает в модулятор, например в смеситель 314, где осуществляют его преобразование с понижением частоты до ПЧ. В некоторых вариантах осуществления изобретения ПЧ является общей для одной или большего количества схем дополнительных подканалов, например для одной из схем 436 подканалов (фиг.4). При преобразовании с понижением частоты подмешивают опорный сигнал, генерация которого осуществлена генератором 316 сигнала на основании тактового сигнала из генератора 218 опорной частоты (фиг.2). Сигнал на ПЧ подают в фильтр 320 с высокой добротностью, который удаляет наложенные сигналы и не пропускает внеполосные помехи. Этот фильтр 320 определяет ширину полосы частот обработки сигналов для подканала 300. В модуляторах, например в смесителях 322, выполняют преобразования сигнала с понижением частоты до полосы частот, по существу, близкой к полосе частот исходных сигналов, получая на выходе комплексные выборки I и Q. Генератор 326 квадратурных сигналов создает для смесителей 322 опорные сигналы, которые имеют сдвиг фазы один относительно другого, по существу, равный 90. Сигналы в полосе частот, близкой к полосе частот исходных сигналов, подвергают низкочастотной фильтрации в фильтрах 318 и выполняют их выборку и дискретизацию в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) 328. Преобразованные в цифровую форму сигналы, соответствующие комплексным выборкам I и Q, подают в устройство 322 обработки сигналов.
Как правило, опорные сигналы из генератора 326 квадратурных сигналов имеют сдвиг по фазе, не в точности равный 90°. Если выполнено преобразование сигнала с понижением частоты до полосы частот исходных сигналов, то в результате этого возникают погрешности фазы или систематические погрешности и соответствующие потери при обработке сигналов. Вследствие этого обычные приемники обычно не используют квадратурную регистрацию и выборку, как показано на фиг.3. Кроме того, как правило, выборку и дискретизацию обычно производят не в полосе частот исходных сигналов. Вместо этого выборку и дискретизацию обычно могут выполнять на остаточной ПЧ, например, на частоте, равной одной четвертой частоты выборки аналого-цифрового преобразователя, например аналого-цифровых преобразователей 328. Остаточная систематическая погрешность может быть устранена путем увеличения частоты выборки аналого-цифрового преобразователя и усреднения выборок. Аналого-цифровой преобразователь в этих обычных приемниках, по существу, осуществляет преобразование сигнала с понижением частоты до полосы частот исходных сигналов. Однако результирующие I-выборки и Q-выборки определяют по промежутку времени. Это может затруднять коррекцию сигнала 116 многолучевого распространения (фиг.1). Также могут иметь место потери мощности, связанные с увеличенной частотой выборки аналого-цифрового преобразователя. В тех обычных приемниках, в которых реализовано преобразование с понижением частоты непосредственно из радиочастот в полосу частот, близкую к полосе частот исходных сигналов, квадратурную регистрацию обычно не используют.
В приемнике 200 (фиг.2) выполняют преобразование сигнала с понижением частоты до полосы частот, по существу, близкой к полосе частот исходных сигналов, и, как описано выше, может быть выполнена его квадратурная выборка и дискретизация. Этот подход к регистрации позволяет определять I-выборки и Q-выборки, по существу, одновременно. Это, в свою очередь, может обеспечить возможность улучшенной коррекции сигнала 116 многолучевого распространения (фиг.1) и более низкое энергопотребление. Однако по-прежнему остается проблема наличия возможной остаточной систематической погрешности, связанной с погрешностями фазы в опорных сигналах из генератора 326 квадратурных сигналов. Преобразование с понижением частоты до полосы частот, по существу, близкой к полосе частот исходных сигналов, обеспечивает решение этой проблемы. Результирующий сигнал фактически имеет преднамеренный доплеровский сдвиг частоты. За счет выполнения вращения фазы в комплексной области для введения поправки на этот преднамеренный доплеровский сдвиг частоты систематическая погрешность является, по существу, равномерно распределенной по углам 0-360°, и ее среднее значение равно нулю.
На фиг.9 проиллюстрирован вариант осуществления схемы 900 обработки сигналов, включающей в себя вращение фазы в комплексной области. Аналого-цифровые преобразователи 910 и 912 (например, аналого-цифровые преобразователи 328 на фиг.3 и аналого-цифровые преобразователи 426 на фиг.4A) обеспечивают соответственно I-выборки и Q-выборки. Аналого-цифровые преобразователи 910 и 912 являются первым портом к схеме обработки сигналов 900 для схемы первого подканала. Таким образом, первый порт соответствует подканалу, принимающему данные на одной несущей частоте в сигнале. Может существовать один или большее количество дополнительных портов из схем дополнительных подканалов, соединенных либо со схемой 900 обработки сигналов, либо с дополнительными экземплярами схемы 900 обработки сигналов. В вариантах осуществления изобретения с многочастотной антенной для каждой несущей частоты, имеющейся в сигнале, может быть использован отдельный подканал и отдельный порт. В вариантах осуществления изобретения с множеством антенн, например, в системе определения положения в пространстве, может требоваться отдельный порт для каждой несущей частоты, имеющейся в сигналах из каждой антенны.
I-выборки и Q-выборки подают в трехуровневые преобразователи 914, описание которых приведено ниже при обсуждении дискретизации сигнала. Выборки подают в мультиплексоры 916 и 918, которые соединяют остаток из схемы 900 обработки сигналов, по меньшей мере, с одним из портов. Вращение в комплексной области для коррекции остаточной систематической погрешности и преднамеренного доплеровского сдвига частоты, которые связаны с преобразованием с понижением частоты до полосы частот, по существу, близкой к полосе частот исходных сигналов, выполняют в схеме 926 вращения в комплексной области (например, путем принудительного обнуления Q-выборок). Вращение в комплексной области может быть выполнено на основании значения из справочной таблицы 924. Это значение определяют на основании сигнала из генератора сигнала несущей или генератора с цифровым управлением (ГЦУ) 920, который является частью контура отслеживания несущей, определяющего преднамеренный доплеровский сдвиг частоты, подлежащий коррекции. В корреляторах 932 и 934 выполняют демодуляцию, по меньшей мере, одного кода разнесения сигнала по спектру в выборках сигнала на основании сигналов из устройства 930 кодирования и генератора кодового сигнала или ГЦУ 928, который является частью контура отслеживания кода.
Приемник 200 (фиг.2) имеет несколько вариантов его осуществления для преобразования одного или большего количества сигналов ГСНС из аналогового вида в цифровой вид. В данной области техники известно, что приемлемой является частота выборки сигналов, равная или большая, чем частота Найквиста (Nyquist). В тех вариантах осуществления изобретения, в которых используют комплексные выборки, частота выборки может быть большей, чем ширина полосы пропускания фильтров 422 (фиг.4A), или равной ей. Например, для сигналов Глобальной системы определения местоположения (GPS) частота выборки может быть большей, чем 32 МГц. В других вариантах осуществления изобретения, которые приведены в качестве примеров, частота выборки может быть равной 40, 60 или 80 МГц. Так как во время обработки сигналов потребляемая мощность и временные ограничения увеличиваются прямо пропорционально частоте выборки, то для существующих и запланированных сигналов ГСНС может быть пригодной частота выборки, равная 40 МГц. Если в будущем появятся сигналы ГСНС с большей шириной полосы частот, то ширина полосы пропускания фильтров 422 (фиг.4A) и частота выборки аналого-цифровых преобразователей 426 (фиг.4A) могут быть соответствующим образом увеличены, исходя из новой частоты Найквиста.
Со ссылкой на фиг.4Б, в некоторых вариантах осуществления изобретения одна или большее количество схем 436 подканалов в канале 450 могут быть выполнены перестраиваемыми для обеспечения возможности вывода одного или большего количества цифровых сигналов 428, имеющих регулируемое количество битов. Количество битов может быть равным 1, 2, 3, 4, 5. В некоторых вариантах осуществления может использоваться большее количество битов. Однако сложность аналого-цифрового преобразователя, например аналого-цифровых преобразователей 426, изменяется пропорционально количеству битов в квадрате, и при увеличении количества свыше 5 может иметь место сокращение эффекта. Количество битов может быть реконфигурировано или адаптировано, в том числе способом динамической адаптации. Управление этим изменением конфигурации или адаптацией может быть осуществлено контроллером 216 (фиг.2). Аналого-цифровые преобразователи 426 иллюстрируют эту способность. В тех вариантах осуществления изобретения, в которых одна или большее количество схем 436 подканалов сконфигурированы таким образом, что осуществляют вывод цифровых сигналов 428, содержащих 1 бит, вместо одного или большего количества аналого-цифровых преобразователей 428 может быть использован компаратор.
На фиг.5A-5С проиллюстрировано несколько вариантов осуществления дискретизации. На фиг.5A, на которой изображена зависимость величины 510 сигнала от времени 512 для сигнала 514, показана однобитовая (двухуровневая) дискретизация относительно опорного напряжения или порогового значения 516. Видна явная погрешность между дискретизированным сигналом 518 и сигналом 514. На фиг.5Б показана двухбитовая (трехуровневая, то есть 1, 0 и -1) дискретизация относительно опорных напряжений или пороговых значений 552 и 554. Также видна явная погрешность между дискретизированным сигналом 556 и сигналом 514. Однако погрешность является меньшей, это аналогично тому, как происходит уменьшение погрешности при численном интегрировании с использованием правила Симпсона, поскольку уменьшен интервал Δx вдоль оси 512 времени. На фиг.5В показана трехбитовая (четырехуровневая) дискретизация относительно опорных напряжений или пороговых значений 582, 584 и 586. Погрешность между квантованным сигналом 580 и сигналом 514 уменьшена в еще большей степени. Также имеется двухбитовый (четырехуровневый) вариант осуществления, хотя он и не показан на чертежах.
Для преобразования аналоговых сигналов ГСНС в цифровой формат может быть выбран один из этих или иных способов преобразования. Выбранный способ изменяют в соответствии с целевым применением приемника 200 (фиг.2). Многоразрядный аналого-цифровой преобразователь обеспечивает более высокий уровень защиты от помех (приблизительно, 6 дБ на бит), имеет улучшенный диапазон автоматической регулировки усиления (АРУ), имеет малые потери при обработке (свидетельством этому является уменьшенная погрешность между исходным сигналом и дискретизированными выборками) и обеспечивает большой динамический диапазон. Однако такой многоразрядный аналого-цифровой преобразователь имеет большее энергопотребление и является более дорогостоящим. Кроме того, для схемы 926 вращения в комплексной области (фиг.9) могут потребоваться полные значения синуса и косинуса из справочной таблицы 924 (фиг.9). Однобитовые дискретизаторы с жесткими аппаратными ограничениями, которые выполняют выборки, подобные тем, которые проиллюстрированы на фиг.5A, имеют низкую стоимость, небольшой размер и потребляют наименьшее количество энергии. Такие однобитовые дискретизаторы обеспечивают недостаточную защиту от помех и имеют недостаточный динамический диапазон. Они также вызывают потери при обработке сигналов, составляющие -1,96 дБ. Трехуровневые дискретизаторы, которые создают выборки, подобные тем, которые проиллюстрированы на фиг.5Б, являются более сложными и немного более дорогостоящими, чем дискретизаторы с жесткими аппаратными ограничениями. Потери при обработке сигналов уменьшаются до -0,92 дБ. Они обеспечивают больший динамический диапазон и большую защиту от помех, чем дискретизаторы с жесткими аппаратными ограничениями, но не настолько, насколько это делают многоразрядные дискретизаторы. Следует отметить, что при двухбитовых выборках схема 926 вращения в комплексной области (фиг.9) может быть реализована путем задания знака результата, равного результату логической операции "исключающее ИЛИ" над битами знака, полученных из данных измерения и табличного значения. Величина результата равна нулю в том случае, если бит величины двухбитовой выборки равен нулю, или равна величине табличного значения в том случае, если бит величины двухбитовой выборки равен единице.
В некоторых вариантах осуществления изобретения приемник 200 (фиг.2) может объединять два или большее количество способов преобразования для обеспечения улучшенного функционирования. Например, может быть использован многоразрядный аналого-цифровой преобразователь, и I-выборки и Q-выборки могут быть преобразованы в трехуровневые сигналы с использованием трехуровневых преобразователей 914 (фиг.9). Таким образом, приемник 200 (фиг.2) может иметь улучшенную защиту от помех и улучшенный диапазон АРУ, и в нем по-прежнему обеспечена простота трехуровневых выборок для цифровой обработки сигнала.
Поскольку объем информации в сигнале сети StarFire (со скоростью передачи 1200 или 2400 бит в секунду) является намного меньшим, чем в сигналах ГСНС, то может быть использована более низкая частота выборки, равная, например, 38,4 кГц. Эта частота является в 16 раз или в 32 раза более высокой, чем частота Найквиста, и облегчает возможные увеличения скорости широковещательной передачи данных в будущем. Она также обеспечивает возможность синхронизации краев битов данных с асинхронными цифровыми выборками без существенной потери мощности сигнала.
И вновь со ссылкой на фиг.2 генератор 218 опорной частоты осуществляет генерацию, по меньшей мере, одного тактового сигнала, используемого в одном или в большем количестве каналов 214 для генерации, например, соответствующих частот первого гетеродина, частоты второго гетеродина и/или рассчитывающий для аналого-цифровых преобразований. Как описано выше, в каналах 214 выполняют преобразование с понижением частоты, в конечном счете, до полосы частот, по существу, близкой к полосе частот исходных сигналов. Это фактически вводит преднамеренный доплеровский сдвиг частоты. Один из способов реализации этого состоит в установке несущей частоты, по меньшей мере, одного тактового сигнала таким образом, чтобы она была выше, приблизительно, на 40 частей на миллион (промилле). Этот сдвиг обеспечивает то, что все I-выборки и Q-выборки одного из большего количества сигналов имеют явный положительный доплеровский сдвиг частоты, что упрощает конструкцию генераторов сигналов, например генераторов с цифровым управлением (ГЦУ), в схемах обработки сигналов, например в схеме 900 обработки сигналов (фиг.9). Этот сдвиг также обеспечивает то, что края цифровых выборок распределены по случайному закону относительно временной диаграммы краев битов кода, по меньшей мере, в одном сигнале с разнесением по спектру, по меньшей мере, из первого спутника.
В вариантах осуществления изобретения, которые приведены в качестве примеров, генератор 218 опорной частоты имеет номинальную несущую частоту, равную 16,36864 МГц. Она является на 39,101 МГц или, приблизительно, на 40 промилле большей, чем основная частота Глобальной системы определения местоположения (GPS), равная 10,23 МГц, умноженная на коэффициент 1,6. Несущая частота, по меньшей мере, одного тактового сигнала из генератора 218 опорной частоты может изменяться в течение его времени существования еще на 10 промилле вследствие изменения характеристик в результате устаревания и/или изменений температуры.
В других вариантах осуществления изобретения, которые приведены в качестве примеров, генератор 218 опорной частоты может содержать кварцевый генератор с термостабилизацией, КГТС (TCXO) и/или кварцевый генератор со стабилизацией по напряжению, КГСН (VCXO). Для Глобальной системы определения местоположения (GPS) кварцевые генераторы обоих типов могут иметь частоту, по существу, равную номинальной несущей частоте 16,36864 МГц, по меньшей мере, одного тактового сигнала. КГТС содержит схему компенсации, которая устраняет некоторые, но не все, изменения характеристик, вызванные колебаниями температуры, в опорном кварцевом генераторе и в терморезисторе. На выходе терморезистора получают напряжение, пропорциональное температуре кварцевого генератора. Программа обработки сигналов может считывать напряжение на терморезисторе и прогнозировать реальную частоту кварцевого генератора с точностью несколько частей на миллиард, которая эквивалентна нескольким герцам доплеровского сдвига частоты на несущих частотах сигналов ГСНС.
Приемник 200 может, но не обязательно, осуществлять генерацию тактового импульса, именуемого сигналом о количестве импульсов в секунду (PPS), который является точно совмещенным с меткой одной секунды скоординированного всемирного времени (UTC) или времени Глобальной системы определения местоположения (GPS). Приемник 200 имеет очень точные сведения о времени, обычно с точностью несколько наносекунд, поскольку он может вычислять погрешность времени и частоты тактовых импульсов для выборки в виде части решения задачи определения местоположения. Однако, когда в генераторе 218 опорной частоты используется КГТС, то количество выборок в секунду не обязательно является целым числом вследствие изменений частоты КГТС. Как правило, приемник 200 осуществляет генерацию сигнала о количестве импульсов в секунду на том фронте тактового сигнала, который является ближайшим к периоду длительностью одна секунда в сигнале Глобальной системы определения местоположения (GPS). В варианте осуществления приемника 200, который приведен в качестве примера, период длительностью одна секунда имеет точность плюс-минус 12 наносекунд (нс). С течением времени происходит дрейф временной синхронизации фронта тактового сигнала и сигнала о количестве импульсов в секунду. Приемник 200 может периодически добавлять один или большее количество периодов тактовых импульсов к интервалу сигнала о количестве импульсов в секунду или вычитать их из него для ограничения погрешности. Пользователь сигнала о количестве импульсов в секунду может вводить поправку на соответствующую неточность в интервале сигнала о количестве импульсов в секунду. Общепринятой практикой является вывод сообщения, которое описывает выполненную приемником 200 оценку погрешности в сигнале о количестве импульсов в секунду вследствие дискретной регулировки фронтов тактового сигнала. Это сообщение информирует пользователя о том, когда возникает неточность, то есть когда выполняют коррекцию сигнала о количестве импульсов в секунду.
Генератор 218 опорной частоты, содержащий КГСН, принимает переменный сигнал обратной связи по напряжению, который регулирует частоту, по меньшей мере, одного тактового сигнала. Навигационное программное обеспечение в спутниковом навигационном устройстве может регулировать напряжение обратной связи таким образом, чтобы имелось целое число периодов тактового сигнала в секунду, и чтобы сигнал о количестве импульсов в секунду возникал точно в предполагаемой метке секунды. В этих вариантах осуществления изобретения может отсутствовать необходимость в дополнительных регулировках сигнала о количестве импульсов в секунду.
В некоторых вариантах осуществления изобретения сигнал обратной связи может быть подан в один или в большее количество каналов 214 в приемнике 200 для управления коэффициентом усиления в одной или в большем количестве схем подканалов, например в схеме 436_1 подканала (фиг.4A), и/или для калибровки одного или большего количества аналого-цифровых преобразователей, например аналого-цифрового преобразователя 426-1 (фиг.4A). Сигнал обратной связи может быть предоставлен на основании сигнала после аналого-цифровых преобразователей 328 (фиг.3) и перед устройством 332 обработки сигналов (фиг.3) с использованием, например, схемы интерфейса. Интерфейс также может изменять сигнал, поступающий на вход устройства 332 обработки сигналов (фиг.3), то есть I-выборки и Q-выборки, для улучшения эффективности защиты приемника 200 от помех. Интерфейс также может осуществлять преобразование I-выборок и Q-выборок в трехуровневый формат "знак-величина". Как описано выше, таким способом в приемнике 200 могут быть использованы преимущества выборок, выполненных многоразрядным АЦП, и обработки трехуровневых сигналов.
В некоторых вариантах осуществления преобразования I-выборок и Q-выборок линия передачи сигнала с однобитовой выборкой соединена со старшим значащим битом входных контактов в устройстве 332 обработки сигналов (фиг.3). Другие входные контакты могут быть соединены с логическим нулем. В другом варианте осуществления изобретения может быть выбран вариант двухбитовой трехуровневой выборки. Линии передачи сигналов для этих двух битов могут быть соединены с двумя старшими значащими битами входных контактов, а другие входные контакты могут быть соединены с логическим нулем. В тех вариантах осуществления изобретения, в которых используют трехбитовые аналого-цифровые преобразования или преобразования с большим количеством битов, линии передачи сигналов с соответствующим количеством битов могут быть соединены со старшими значащими битами входных контактов, а другие входные контакты могут быть соединены с логическим нулем.
На фиг.6 проиллюстрирован вариант осуществления преобразования "знак, величина", например, которое может быть реализовано в трехуровневых преобразователях 914 (фиг.9) с использованием четырехбитовых выборок 610, выполненных АЦП. Четырехбитовые выборки 610, выполненные АЦП, преобразовывают в формат "знак-величина" с 1-битовым знаком 622 и трехбитовой величиной 620 с использованием инвертора 618 и логического элемента 616 "исключающее ИЛИ", которые совершают операции соответственно с тремя младшими значащими битами 612 и со старшим значащим битом 614. Выборки 610, выполненные АЦП, принимают значения в интервале от 0 до 15, при этом нулевая точка находится посередине между значениями 7 и 8 (предполагая, что нулевая точка отрегулирована надлежащим образом). Выборки 610 0 и 15, выполненные АЦП, являются наибольшими по величине. Знак 622 значения "знак-величина" представляет собой величину, обратную величине старшего значащего бита 614 из соответствующей выборки, выполненной АЦП. Для положительных значений знака величина 620 равна младшим значащим битам 612 АЦП. Для отрицательных значений знака величина 620 равна поразрядно величине, обратной младшим значащим битам 612 АЦП.
В некоторых вариантах осуществления изобретения для преобразования выборок 610, выполненных АЦП, в трехуровневые выборки, может быть использована программируемая справочная таблица, например трехуровневые преобразователи 914 (фиг.9). Трехуровневые выборки могут использоваться при цифровой обработке сигнала, например, в устройстве 332 обработки сигналов (фиг.3). Программируемая справочная таблица может предоставить аналого-цифровым преобразователям 426 (фиг.4A) возможность использования переключения между однобитовой и четырехбитовой дискретизацией. Программируемая справочная таблица может содержать 16 элементов, по одному элементу для каждого из 16 возможных входных сигналов из четырехбитового АЦП. Каждый элемент запрограммирован эквивалентным трехуровневым значением знак/величина. Одна справочная таблица определяет преобразования, используемые для обеих выборок 610: I-выборок и Q-выборок, которые соответствуют одному или большему количеству сигналов из одной или из большего количества схем 436 подканалов (фиг.4A).
Если выборки, подаваемые на вход программируемой справочной таблицы, поступают из однобитового аналого-цифрового преобразователя с жесткими аппаратными ограничениями, то имеются только два возможных входных значения: 1000 и 0000 (в двоичном представлении). Логическое устройство управления вместе с программируемой справочной таблицей может осуществлять преобразование двоичного значения 1000 в знак плюс и в большую величину, и двоичного значения 0000 в знак минус и в большую величину. В этом примере остальные 14 записей в программируемой справочной таблице не используют. Если используют двухбитовое (трехуровневое) аналого-цифровое преобразование, то логическое устройство управления вместе с программируемой справочной таблицей может осуществлять преобразование каждой из четырех возможных трехуровневых выборок, выполненных АЦП, в соответствующую трехуровневую выборку для обработки сигнала. Преобразование двухбитовых (четырехуровневых) выборок, выполненных АЦП, а также для выборок с большим количеством битов, выполненных АЦП, может быть реализовано аналогичным способом.
Для надлежащего функционирования приемника 200 (фиг.2) желательно наличие одинакового количества положительных и отрицательных выборок 610, выполненных АЦП. Если среднее значение выборок, выполненных АЦП, не равно нулю, то они содержат смещение, также именуемое смещением постоянной составляющей, которое во время процесса корреляции кода (932 и 934 на фиг.9) будет преобразовано в дополнительный мешающий шум, или в том случае, если смещение постоянной составляющей является большим, чем автокорреляционная защита, обеспечиваемая соответствующим кодом МДКР разнесения сигнала по спектру, то оно проявляется в виде сигнала помех от спутников.
Одним из подходов для устранения смещения постоянной составляющей является усреднение выборок 610, выполненных АЦП, за некоторый промежуток времени и в вычитании результирующее среднего значения из выборок 610, вводимых из АЦП. Однако в этом подходе может использоваться много битов точности в выборках АЦП с устраненным смещением и, следовательно, много битов точности во время обработки сигналов. Другими способами являются, в том числе, ручная или программная калибровка смещений постоянной составляющей. В этих способах измеряют смещение постоянной составляющей и регулируют опорные напряжения АЦП, например опорные напряжения 552 и 554 (фиг.5Б) путем регулировки компонентов в приемнике 200 (фиг.2) вручную или путем создания изменяемого напряжения обратной связи с использованием цифроаналогового преобразователя (ЦАП).
На фиг.7 проиллюстрирован вариант осуществления схемы 700, которую используют для устранения смещений постоянной составляющей. Схема 700 инвертирует I-выборки 710 и Q-выборки 712 с использованием инверторов 714. Реверсивные счетчики 718 производят приращение своих соответствующих отсчетов на единицу в том случае, если выборка является положительной, и уменьшают их соответствующие отсчеты на единицу в том случае, если выборка является отрицательной. Если происходит переполнение одного из счетчиков 718, то имеется избыток больших выборок, поэтому на один вывод "смещение М" (Bias M) 722 подают импульс, поступающий на неинвертирующий вход одного операционного усилителя 726, и увеличивают одно опорное напряжение. Если один из счетчиков 718 опустошен, то имеется избыток малых выборок, поэтому на один вывод "смещение P" (Bias P) 724 подают импульс, поступающий на инвертирующий вход операционного усилителя 726, и уменьшают одно опорное напряжение. Операционные усилители 726 и связанные с ними схемы обратной связи выбраны таким образом, чтобы время интегрирования импульсов было в интервале от 100 мс (миллисекунд) до 10 c (секунд). С течением времени операционные усилители 726 интегрируют импульсы обратной связи и регулируют опорные напряжения таким образом, чтобы количество положительных выборок было равно количеству отрицательных выборок, и чтобы среднее значение I-выборок 710 и Q-выборок 712 было равно нулю.
2
2
2
2
2
2
Как упомянуто выше, приемник 200 (фиг.2) может осуществлять текущий контроль выборок 610, выполненных АЦП (фиг.6), и регулировать коэффициент усиления одной или большего количества схем 436 подканалов (фиг.4A) таким образом, чтобы сигналы, поступающие на входы аналого-цифровых преобразователей 426, не выходили за пределы допустимого диапазона. На фиг.8 проиллюстрирован вариант осуществления схемы 800 АРУ. Схема 800 АРУ является простой в реализации, обеспечивает очень хорошее противодействие помехам и является прозрачной для последующих этапов обработки сигналов. В компараторах 814 выполняют сравнение величины I-выборок 810 и Q-выборок 812 с пороговым значением активности. В некоторых вариантах осуществления изобретения пороговое значение активности в компараторах 814 может быть регулируемым. Если величина I-выборок 810 и/или Q-выборок 812 является большей или равной пороговому значению активности, то соответствующие выборки являются активными. Если же величина соответствующих выборок является меньшей, чем пороговое значение активности, то они являются неактивными. Может быть выполнено суммирование нескольких активных I-выборок и/или Q-выборок с использованием сумматоров 818, 820 и 822. Период суммирования установлен равным промежутку времени, длительность которого равна N периодам выборки, с использованием схемы 824 обратной связи с делением на N. Стробирование схемы 824 обратной связи с делением на N осуществляют посредством сигнала 808 разрешения выборки. Значение N выбрано таким образом, что оно не является целочисленным делителем нескольких выборок за микросекунду (во избежание наложения спектров на соответствующей частоте на сигнал ПЧ и/или на один или на большее количество тактовых сигналов, например, на сигнал, используемый для стробирования, по меньшей мере, одного из аналого-цифровых преобразователей 426, показанных на фиг.4А). Вследствие этого частота обратной связи равна, приблизительно, 200 кГц, и желательный уровень активности может быть точно выражен как дробная часть от величины М/(2×N), где М - целое число. В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, N может быть равно 176.
2
В конце промежутка времени, определенного посредством N, подсчитанное количество активных I-выборок и Q-выборок сравнивают с целевым пороговым значением в компараторе 826. В некоторых вариантах осуществления изобретения целевое пороговое значение является программируемым. Если сумма является большей, чем целевое пороговое значение, то имеется слишком большое количество активных выборок, и коэффициент усиления, по меньшей мере, в одной из схем 436 подканалов (фиг.4A) уменьшают путем подачи импульса на инвертирующий вход операционного усилителя АРУ по линии 828 АРУ М. Если же сумма является меньшей, чем целевое пороговое значение, то имеется слишком мало активных выборок. Коэффициент усиления увеличивают путем подачи импульса на неинвертирующий вход операционного усилителя АРУ по линии 830 АРУ P. Операционный усилитель и вспомогательные схемы могут быть выбраны таким образом, чтобы эффективное время интегрирования находилось в интервале от 100 мс до 10 с. Как проиллюстрировано на схеме 800 АРУ, импульсы обратной связи имеют длительность, равную, по меньшей мере, одному периоду тактовых импульсов в сигнале 808 разрешения выборки. Более быстрый отклик АРУ может быть получен путем создания импульсов обратной связи, длина которых является пропорциональной абсолютной величине суммы I-выборок и/или суммы Q-выборок минус целевое пороговое значение, то есть пропорциональной сигналу управления с обратной связью. Следует отметить, что в тех вариантах осуществления приемника 200 (фиг.2), в которых в аналого-цифровых преобразователях 426 (фиг.4A) используют однобитовую дискретизацию, обратная связь для АРУ может быть не нужна.
На фиг.11 проиллюстрирован вариант осуществления операций, выполняемых в спутниковом навигационном устройстве. Производят прием сигнала, содержащего, по меньшей мере, один сигнал с разнесением по спектру из первого спутника (операция 1112). По меньшей мере, часть сигнала, соответствующая первому диапазону частот, подают в схему первого подканала (операция 1114). Осуществляют генерацию первого сигнала, имеющего первую несущую частоту (операция 1116). Осуществляют преобразование, по меньшей мере, части сигнала с понижением частоты до промежуточной частоты, которая является общей для схемы первого подканала и для схемы второго подканала, с использованием первой несущей частоты (операция 1118). Некоторые варианты осуществления изобретения могут содержать меньшее количество операций или дополнительные операции, порядок выполнения операций может быть изменен, и/или две или большее количество операций могут быть объединены.
На фиг.12 проиллюстрирован вариант осуществления операций, выполняемых в спутниковом навигационном устройстве. Производят прием сигнала, содержащего, по меньшей мере, один сигнал с разнесением по спектру из первого спутника (операция 1212). По меньшей мере, часть сигнала, соответствующая первому диапазону частот, подают в схему первого подканала (операция 1214). Осуществляют генерацию первого сигнала, имеющего регулируемую первую несущую частоту (операция 1216). Осуществляют преобразование, по меньшей мере, части сигнала с понижением частоты до регулируемой промежуточной частоты с использованием первой несущей частоты (операция 1218). Некоторые варианты осуществления изобретения могут содержать меньшее количество операций или дополнительные операции, порядок выполнения операций может быть изменен, и/или две или большее количество операций могут быть объединены.
На фиг.13 проиллюстрирован вариант осуществления операций, выполняемых в спутниковом навигационном устройстве. Производят прием сигнала, содержащего, по меньшей мере, один сигнал с разнесением по спектру из первого спутника (операция 1312). По меньшей мере, часть сигнала, соответствующая первому диапазону частот, подают в схему первого подканала (операция 1314). Осуществляют преобразование, по меньшей мере, части сигнала с понижением частоты до промежуточной частоты (операция 1316). Выполняют фильтрацию, по меньшей мере, части сигнала с использованием полосового фильтра, имеющего центральную частоту, по существу, равную промежуточной частоте, и ширину полосы пропускания, большую, чем ширина полосы частот, приблизительно равная ширине полосы частот первого спутника (операция 1318). Некоторые варианты осуществления изобретения могут содержать меньшее количество операций или дополнительные операции, порядок выполнения операций может быть изменен, и/или две или большее количество операций могут быть объединены.
На фиг.14 проиллюстрирован вариант осуществления операций, выполняемых в спутниковом навигационном устройстве. Производят прием сигнала, содержащего, по меньшей мере, один сигнал с разнесением по спектру из первого спутника (операция 1412). Обнаруживают информацию в диапазоне частот, по меньшей мере, в одном сигнале с разнесением по спектру (операция 1414). Осуществляют вывод цифрового сигнала, соответствующего этой информации и имеющего регулируемое количество битов (операция 1416). Некоторые варианты осуществления изобретения могут содержать меньшее количество операций или дополнительные операции, порядок выполнения операций может быть изменен, и/или две или большее количество операций могут быть объединены.
На фиг.10 проиллюстрирован вариант осуществления устройства 1010, например устройства 110 (фиг.1), в глобальной спутниковой навигационной системе (ГСНС). Устройство 1010 содержит входную схему 1012, которой является, например, приемник 200 (фиг.2), устройство 1014 обработки сигналов, которым является, например, устройство 332 обработки сигналов (фиг.3), по меньшей мере, один процессор 1016 и запоминающее устройство 1018. Запоминающее устройство 1018, которое может содержать быстродействующее оперативное запоминающее устройство, а также может содержать энергонезависимое запоминающее устройство, например одно или большее количество запоминающих устройств на магнитных дисках, ЭСППЗУ (электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство) и/или ЭСППЗУ на основе флэш-памяти, содержит операционную систему 1020, одну или большее количество характеристик 1022 фильтров на спутниках и, по меньшей мере, один программный модуль 1024, выполняемый процессором 1016. По меньшей мере, один программный модуль 1024 содержит команды для следующих схем: для схемы 1026 синхронизации несущей и кода, для необязательной схемы 1028 коррекции многолучевого распространения другим способом (которой является, например, схема двойной дельта-коррекция, стробируемый коррелятор и импульсный апертурный коррелятор), для средства 1030 вычисления многолучевого распространения, для схемы 1034 дискретизации с защитой от помех, имеющей регулируемое количество битов при дискретизации посредством АЦП, и для устройства 1036 кодирования/декодирования для ГСНС. Программный модуль 1024 также может содержать команды для регулировки ПЧ, частот фильтров, смесителей и/или гетеродина во входной схеме 1012. Некоторые варианты осуществления изобретения могут содержать более одного процессора 1016. В других вариантах осуществления изобретения устройство 1010 может содержать специализированную интегральную схему (ASIC), и в этой специализированной интегральной схеме (ASIC) могут быть реализованы некоторые или все функциональные возможности, по меньшей мере, одного программного модуля 1024, выполняемого процессором 1016.
В приведенном выше описании в пояснительных целях была использована конкретная терминология для обеспечения полного понимания настоящего изобретения. Однако для специалиста в данной области техники очевидно, что для практической реализации изобретения эти конкретные подробности не требуются. Варианты осуществления изобретения были выбраны и описаны таким образом, чтобы обеспечить наилучшее объяснение принципов настоящего изобретения и областей его практического применения для того, чтобы, тем самым, предоставить возможность другим специалистам в данной области техники наилучшим образом использовать изобретение и различные варианты его осуществления с различными видоизменениями, подходящими для конкретного предполагаемого его использования. Следовательно, подразумевают, что изложенное выше раскрытие сущности изобретения не является исчерпывающим или ограничивающим изобретение точными его вариантами, раскрытыми здесь. С учетом вышеизложенной идеи изобретения, возможно множество его модификаций и изменений.
Объем патентных притязаний настоящего изобретения определяется приведенной ниже формулой изобретения и ее эквивалентами.