低功率异步GPS基带处理器制造技术

以最小化功率消耗为重点的异步全球定位系统(GPS)基带处理器的体系结构。所有的子系统运行在其固有频率上而没有进行同步，并且所有的信号处理是实时进行的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
典型的GPS(全球定位系统)接收器由射频(RF)前端和数字信号处理器(DSP)组成。射频前端从卫星接收GPS信号，通过混频将该信号降频至中频，并对该信号进行采样。DSP获得对出现在前端的采样样本中的多个GPS卫星信号的锁定，并随时间追踪信号中的变化。在DSP追踪信号中的变化的同时，其也从信号中提取可用于计算当前的位置和时间的信息---(这被称为)“导航解算”。GPS技术的使用对我们生活的影响越来越大。我们依靠GPS从一个位置导航至另一个位置，对人或物体进行定位，以及在我们的远程通信网络、电网和许多其它日常应用中提供时间同步。现今，现有的GPS接收器芯片的高功率消耗会引起过热的问题，并且会限制GPS在移动设备中的连续运行。很明显，GPS接收器的高功率消耗必须被解决，从而为在如位置感知应用和微型机器人导航的领域中的发展铺平道路。大量的研究工作已被投入到降低射频前端的功率消耗方面，使得当前的(射频前端的)设计具有小于10mW的功率消耗。然而，需要开展更多的工作以降低GPS基带处理器的功率消耗。功能强大的DSP能够在软件中执行所有的基带处理。这种方法具有高度的可重构性并且易于开发和调试，但是并不适合于低功率应用。另一种方法为使用硬件关联引擎和微处理器，其中硬件关联引擎用于处理快速相关运算，微处理器用于处理其余的信号处理任务。对于这些方法，需要开展更多的工作以降低GPS基带处理器的功率消耗。r>因此，有必要进行具有低功率消耗的GPS芯片设计。
技术实现思路
在本文中公开的系统和方法用于采用准延时不敏感(QDI)和数据捆绑技术的组合进行设计的、以最小化功率消耗为重点的异步全球定位系统(GPS)基带处理器的体系结构。所有的子系统运行在其固有频率上而没有进行同步，并且所有的信号处理是实时进行的。晶体管级仿真表明本公开的系统的实施方式在三维(3D)均方根误差小于4米的情况下仅消耗1.4mW的功率，这与同一时期的GPS基带处理器相比是有利的。在一个或多个实施方式中，本公开的异步全球定位系统(GPS)的信道基带处理器包括：异步捕获子系统，被配置为获取码偏移量估计和多普勒频率估计，该异步捕获子系统从射频前端接收输入并对第一频率的信号进行处理；异步追踪子系统，被配置为追踪码偏移量和多普勒频率中的偏差，该异步追踪子系统接收用于码偏移量估计和多普勒频率估计的数据，并对第二频率的信号进行处理；异步降采样部件，从异步追踪子系统接收输出，并被配置为将异步追踪子系统的输出降采样至导航数据采样率；以及异步解码子系统，从异步降采样部件接收输出并提供GPS卫星时间信息和码起动时间信息，该异步解码子系统处理第三频率的信号。其中，异步捕获子系统、异步追踪子系统、异步降采样部件以及异步解码子系统运行在各自的固有频率上而没有进行同步。在其他的实施方式中，本公开的异步全球定位系统(GPS)的信道基带处理器包括多个信道单元，每个信道单元具有：异步捕获子系统，被配置为获取码偏移量估计和多普勒频率估计，该异步捕获子系统从射频前端接收输入并对第一频率的信号进行处理；异步降采样部件，从异步追踪子系统接收输出，并被配置为将异步追踪子系统的输出降采样至导航数据采样率；以及异步解码子系统，从异步降采样部件接收输出并提供GPS卫星时间信息和码起动时间信息，异步解码子系统处理第三频率的信号。其中，上述异步捕获子系统、上述异步追踪子系统、上述异步降采样部件以及上述异步解码子系统运行在各自的固有频率上而没有进行同步。在其他的实施方式中，系统还包括：一个或多个仲裁多路复用器，接收用于上述多个信道中的每一个的码偏移量估计和多普勒频率估计的数据；异步追踪子系统，被配置为追踪码偏移量和多普勒频率，该异步追踪子系统从上述至少一个的仲裁多路复用器接收用于一个信道的用于码偏移量估计和多普勒频率估计的数据，并对第二频率的信号进行处理；以及一个或多个多路分用器，从异步追踪子系统接收输出并将该输出分配至一个信道。在一个或多个实施方式中，本公开的用于非同步GPS基带处理的方法包括：(a)从射频前端接收用于一个信道的输入信号；(b)将上述输入信号提供给码数控振荡器(数控振荡器NCO)和载波NCO；(c)在上述码NCO中使用溢出以标记预定的码周期，从而形成针对输入信号中的采样的累加时间间隔和基准时间；(d)从载波NCO和码NCO的输出中获取早期的、即时的和后期的相位累加和正交累加；(e)获取用于上述一个信道的码偏移量估计和多普勒频率估计；(f)通过使用早期的、即时的和后期的相位累加和正交累加来追踪用于上述一个信道的码偏移量和多普勒频率中的偏差；(g)从码偏移量信息、多普勒频率信息以及上述输入信号中获取GPS卫星时间和码起动时间；以及(h)重复步骤(a)至(g)，直到完成对所有信道的处理，其中所有步骤为异步执行。其他的实施方式也被公开。异步技术使极低功率的设计变为可能，特别是在所要求的吞吐量的速率可随着时间变化的系统中。因为GPS系统包括若干不同的部件，其中的每一个在不同的固有频率上进行计算，所以本公开的异步设计能够在功率消耗方面为基带处理带来益处。为了更好地理解本公开和本公开中其他的以及进一步的需要，参照附图和详细的描述对本公开进行了说明，并且本公开的范围将在所附权利要求中指出。附图说明图1是常规的GPS信号结构的图形表示；图2是本公开的系统的实施方式的示意性框图表示；图2a是本公开的系统的另一实施方式的示意性框图表示；图3是本公开的系统的实施方式的一个部件的示意性框图表示；图4是本公开的系统的实施方式的另一个部件的示意性框图表示；图5示出了同相累加和正交累加与软件接收器的同相累加和正交累加的比较；图6示出了使用六个卫星的GPS的定位准确度；图7a至7b示出了跟踪灵敏度测试的结果；以及图8示出了通过锁相环(PLL)和软件接收器进行多普勒频率追踪的结果对比。具体实施方式通过以下描述将更全面地理解本公开，其中应结合附图对以下描述进行阅读。在本说明书中，相同的数字指代本公开的各种实施方式中的类似元件。在本说明书中，将根据实施方式对权利要求进行解释。本领域的技术人员将容易理解，在本文中所描述的方法、装置和系统仅为示例性的，并且可在不背离本公开的范围和精神的情况下对其进行改变。除非上下文另有明确规定，否则如在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种异步全球定位系统(GPS)信道基带处理器，包括：异步捕获子系统，被配置为获取码偏移量估计和多普勒频率估计，所述异步捕获子系统从射频前端接收输入，所述异步捕获子系统处理第一频率的信号；异步追踪子系统，被配置为追踪所述码偏移量和所述多普勒频率中的偏差，所述异步追踪子系统接收用于所述码偏移量估计和所述多普勒频率估计的数据，所述异步追踪子系统处理第二频率的信号；异步降采样部件，从所述异步追踪子系统接收输出，并被配置为将所述异步追踪子系统的所述输出降采样至导航数据采样率；以及异步解码子系统，从所述异步降采样部件接收输出并提供全球定位系统卫星时间信息和码起动时间信息，所述异步解码子系统处理第三频率的信号；其中所述异步捕获子系统、所述异步追踪子系统、所述异步降采样部件以及所述异步解码子系统运行在各自的固有频率上而没有进行同步。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.23 US 61/602,1451.一种异步全球定位系统(GPS)信道基带处理器，包括：
异步捕获子系统，被配置为获取码偏移量估计和多普勒频率估计，
所述异步捕获子系统从射频前端接收输入，所述异步捕获子系统处理第
一频率的信号；
异步追踪子系统，被配置为追踪所述码偏移量和所述多普勒频率中
的偏差，所述异步追踪子系统接收用于所述码偏移量估计和所述多普勒
频率估计的数据，所述异步追踪子系统处理第二频率的信号；
异步降采样部件，从所述异步追踪子系统接收输出，并被配置为将
所述异步追踪子系统的所述输出降采样至导航数据采样率；以及
异步解码子系统，从所述异步降采样部件接收输出并提供全球定位
系统卫星时间信息和码起动时间信息，所述异步解码子系统处理第三频
率的信号；
其中所述异步捕获子系统、所述异步追踪子系统、所述异步降采样
部件以及所述异步解码子系统运行在各自的固有频率上而没有进行同步。
2.如权利要求1所述的异步全球定位系统信道基带处理器，其中所
述异步捕获子系统包括：
两个异步数控振荡器(NCO)、载波数控振荡器以及码数控振荡器，
其中所述两个异步数控振荡器从所述射频前端接收输入，并且所述码数
控振荡器控制码副本发生器的码片率，以及
累加器，所述累加器从所述载波数控振荡器和所述码副本发生器接
收输出并产生同相累加和正交累加的输出。
3.如权利要求2所述的异步全球定位系统信道基带处理器，其中所
述异步追踪子系统包括：
异步延迟锁定环(DLL)部件，从所述累加器接收同相累加和正交
累加、后期的同相累加和正交累加以及早期的同相累加和正交累加，其
中所述后期的同相累加和正交累加通过将伪随机噪声码延迟二分之一码

\t片来获取，以及所述早期的同相累加和正交累加通过将所述伪随机噪声
码提前二分之一码片来获取，所述异步延迟锁定环部件被配置为更新码
片率；
异步锁频环(FLL)部件，从所述累加器接收同相累加和正交累加，
所述异步锁频环部件被配置为获取对所述多普勒频率更加准确的估计；
以及
异步锁相环(PLL)部件，从所述累加器接收同相累加和正交累加，
所述异步锁相环部件被配置为追踪所述多普勒频率。
4.如权利要求3所述的异步全球定位系统信道基带处理器，其中所
述异步延迟锁定环部件包括：
延迟误差估计器；以及
经过更新的码片率估计器。
5.如权利要求4所述的异步全球定位系统信道基带处理器，其中所
述延迟误差估计器提供以码片为单位的延迟误差估计，所述延迟误差估
计由以下公式给出
τerr,n+1=12(IE,n2+QE,n2-IL,n2+QL,n2IE,n2+QE,n2+IL,n2+QL,n2)]]>其中IE,n和QE,n为早期的同相累加和正交累加，而IL,n和QL,n为后期
的同相...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉吉特·马诺哈尔，本杰明·唐，斯蒂芬·郎菲尔德，桑尼尔·比哈弗，
申请(专利权)人：康奈尔大学，
类型：发明
国别省市：美国;US