-
Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren digitaler Korrelation und
auf ein Computerprogramm, ein computerlesbares Speichermedium und
ein Gerät
für dieses.
-
Die
Anforderung, zwei digitale Signale zu korrelieren, ergibt sich in
vielen Anwendungen. Beispielsweise ist es in einem Empfänger für Kommunikation
des CDMA-Typs mit
einem globalen Positionsbestimmungssystem-Empfänger (GPS) notwendig, ein eingehendes
CDMA-Signal mit einem pseudozufälligen
Rauschcode (PRN) mit einem lokal erzeugten Replik-Code PRN zu korrelieren,
um den Code-Phasenfehler zwischen den beiden zu bestimmen und danach
das CDMA-Signal zu erfassen und zu verfolgen.
-
Derartige
Signale können
in Form von 1, 1,5, 2 oder mehr Bits dargestellt werden. Aber je
mehr Bits verwendet werden, desto komplexer ist die Schaltung, oder,
wenn als Software implementiert, desto größer ist die zum Verarbeiten
der Daten notwendige Mikroprozessorleistung. Bekannte Verfahren
digitaler Korrelation sind unter anderem in
US4507748 ,
US4593378 und
US5305245 offenbart.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein alternatives, effektives
Verfahren der digitalen Korrelation zu schaffen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde ein Verfahren zum Korrelieren erster und zweiter
digitaler Signale, wenn beide Signale eine Serie numerischer Datenwerte
enthalten, geschaffen und ein Gerät mit Bearbeitungsmitteln um
dieses auszuführen
konfiguriert, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- (a) sequentielles Berechnen von Produkten entsprechender
numerischer Datenwerte der ersten und zweiten digitalen Signale
und das Bereitstellen einer kumulativen Summe davon;
- (b) Erhöhen
oder Verringern der kumulativen Summe um einen vorher festgelegten
Betrag bei Abweichung der kumulativen Summe von einem Niveau zwischen
oberen und unteren Schwellenniveaus, um so die kumulative Summe
zwischen genannte Schwellenwerte zurückzubringen; und
- (c) Bereitstellen eines Korrelationsparameters als Funktion
der Anzahl des Auftretens von Abweichungen der kumulativen Summe
von einem Niveau zwischen oberen und unteren Schwellenniveaus.
-
Ein
derartiges Verfahren schafft ein alternatives, effektives Verfahren
digitaler Korrelation.
-
In
einem bevorzugten Verfahren erhöht
oder verringert sich der Korrelationsparameter abhängig davon,
ob die kumulative Summe über
das obere Schwellenniveau oder unter das untere Schwellenniveau
hinaus abweicht.
-
In
einem derartigen Verfahren wird der Korrelationsparameter günstigerweise
als ein Zähler
geschaffen, wobei sich der Zähler
um eins erhöht,
wenn die kumulative Summe über
das obere Schwellenniveau hinaus abweicht; und wobei der Zähler sich
um eins verringert, wenn die kumulative Summe unter das untere Schwellenniveau
hinaus abweicht.
-
Wo
die kumulative Summe in einem Register gespeichert wird, wird Schritt
(b) dadurch erreicht, dass dem Register entweder ein Unterlauf oder
ein Überlauf
erlaubt wird. Dies kann durch Verwendung einer vereinfachten Verarbeitungsarchitektur
geschaffen werden.
-
Das
erste Signal kann eine reduzierte Bit-Darstellung eines dritten
digitalen Signals oder alternativ eine Niedrigbit-Darstellung eines
analogen Signals sein, was weiter die Verarbeitung vereinfacht.
-
Auch
gemäß der vorliegenden
Erfindung geschaffen ist ein GPS-Empfänger mit Empfänger-Mitteln zum
Empfangen eines Objektsignals mit einem pseudozufälligen Ziel-Rauschcode
und mit Verarbeitungsmitteln zum Erzeugen von frühen und späten Replik-Codesignalen, die
dem Zielcode entsprechen, zum Korrelieren des Objektsignals mit
den frühen
und späten
Replik-Codesignalen und zum Zurückgeben
von frühen
beziehungsweise späten
Korrelationswerten, und zum Berechnen eines Code-Phasendiskriminators
zum Bestimmen, ob der Zielcode erreicht wurde; wobei die Korrelation
zwischen dem Objektsignal und den frühen und späten Replik-Codesignalen durch
Schritte für:
- (a) sequentielles Berechnen von Produkten entsprechender
numerischer Datenwerte des Objektsignals und früher und später Signale und das Bereitstellen
einer kumulativen Summe davon;
- (b) Erhöhen
oder Vermindern der kumulativen Summe um einen vorher festgelegten
Betrag bei Abweichung der kumulativen Summe von einem Niveau zwischen oberen
und unteren Schwellenniveaus, um so die kumulative Summe zwischen
genannte Schwellenniveaus zurückzubringen;
und
- (c) Bereitstellen früher
und später
Korrelationswerte als Funktion der Anzahl des Auftretens von Abweichungen
der kumulativen Summe von einem Niveau zwischen oberen und unteren
Schwellen ausgeführt wird.
-
Wo
das Objektsignal als ein durch den Zielcode moduliertes Trägerwellensignal
empfangen wird, kann das Verfahren zusätzlich den Schritt umfassen,
dass in der Phase (I) und in der Quadraturphase (Q) Komponenten
des Objektsignals bereitgestellt werden; worin die I- und Q-Komponenten
je mit den frühen
(E) und späten
(L) Replik-Codesignalen
korreliert sind, um jeweilige IE-, IL-, QE- und QL-Korrelationswerte bereitzustellen und worin
der Code-Phasendiskriminator als Funktion von IE,
IL, QE und QL berechnet wird.
-
Dies
schafft verbesserte Code-Phasenkorrelation unter Umständen, in
denen es keine genaue Trägerphaseneinrastung
gibt.
-
Im
Idealfall erhöhen
oder verringern sich die frühen
und späten
Korrelationsparameter abhängig
davon, ob die kumulative Summe über
das obere Schwellenniveau oder unter das untere Schwellenniveau
hinaus abweicht. Unter derartigen Umständen können die frühen und späten Korrelationswerte Zähler sein,
wobei sich die Zähler
um eins erhöhen,
wenn die kumulative Summe über
das obere Schwellenniveau hinaus abweicht, und sich um eins verringern,
wenn die kumulative Summe unter das untere Schwellenniveau hinaus abweicht.
-
Wo
die kumulative Summe in einem Register gespeichert wird; wird Schritt
(b) dadurch erreicht, dass dem Register entweder ein Unterlauf oder
ein Überlauf
erlaubt wird
-
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden jetzt in Form von Beispielen mit
Bezug auf die zugehörigen
Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
-
1A bis 1E ein
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
2 schematisch
ein Computersystem, das fähig
ist, das in 1A bis 1E illustrierte
Verfahren zu implementieren;
-
3 schematisch
einen GPS-Empfänger,
der ein Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet; und
-
4 schematisch
detaillierter die Empfänger-Kanäle und den
Empfänger-Prozessor aus 3.
-
Bezogen
auf 1A bis 1E wird
das Verfahren der Korrelation mit Bezug auf zwei Signale, die beide
typisch für
eine Serie numerischer Daten sind, die aus 20 × 2,5-Bit-Dateneinheiten bestehen, illustriert. Ein
erstes Referenzsignal, das einer abgetasteten Sinuswelle entspricht,
wird, wie durch Kurve 10 in 1A beschrieben,
bereitgestellt. Dieses ist mit einem zweiten, wie durch Kurve 11 in 1B beschriebenen,
Signal korreliert. Beide Signale haben Maxima und Minima von zwei
beziehungsweise minus zwei.
-
Gemäß dem Verfahren
werden entsprechende numerische Datenwerte der ersten und zweiten
digitalen Signale multipliziert, die Ergebnisse davon sind in 1C gezeigt.
Das theoretische Maximum und Minimum für erste und zweite Signale
mit derselben Bit-Darstellung wie oben ist vier beziehungsweise
minus vier, obwohl das Maximum und Minimum für die ersten und zweiten Signale
aus 1A und 1B vier
und minus zwei ist, was einigen Grad an Korrelation andeutet.
-
Wie
durch Kurve 13 in 1D beschrieben,
wird eine modifizierte kumulative Summe der Produkte bereitgestellt,
wobei diese um vier verringert beziehungsweise um vier erhöht wird,
wenn die kumulative Summe vier übersteigen
oder weniger als minus vier sein sollte.
-
Eine
logische Antwort wie in 1E gezeigt
wird bereitgestellt, wobei eine eins zurückgegeben wird, wenn die logische
Summe um vier verringert ist, eine minus eins zurückgegeben
wird, wenn die kumulative Summe um vier erhöht ist, und eine null zurückgegeben
wird, wenn die kumulative Summe nicht verändert ist. Ein Korrelationsparameter
wird dann als eine Summe der logischen Antworten bereitgestellt,
der bei Verwendung der in 1A und 1B illustrierten
Signale gleich sieben wäre.
-
Die
diskreten Werte für
jedes Signal und jede Stufe der Berechnung werden unten in Tabelle
1 gezeigt. (*) zeigt an, wo die kumulative Summe modifiziert ist,
um die Summe zwischen die oberen und unteren Schwellen von vier
beziehungsweise minus vier zurückzubringen.
-
Tabelle
1: Parameterwerte über
die Zeitintervalle 1 bis 20
-
Also
ist in dein gegebenen Bespiel für
eine 2,5-Bit-Darstellung einer Sinuswelle und einer Signaldarstellung,
in der das Maximum und Minimum des Produkts und die Schwellen der
oberen und die unteren kumulativen Summe vier beziehungsweise minus
vier sind, die Summe der logischen Ausgangswerte sieben. Dies entspricht
einer wahren Mehr-Bit-Summe von 7,5, die gleich ist der unmodifizierten
kumulativen Gesamtsumme (30) dividiert durch die Schwelle
(vier).
-
Ein
Computersystem 21, das fähig ist, das obige Verfahren
zu implementieren, ist schematisch in 2 gezeigt.
Das Computersystem umfasst einen Prozessor 22 mit einer
Zentraleinheit (CPU) 23 und einem Direktzugriffsspeicher
(RAM) 24. Das Computersystem umfasst außerdem ein Display 25,
eine Tastatur 26, eine Maus 27 und ein Diskettenlaufwerk 28,
die alle in bekannter Weise an den Prozessor gekoppelt sind. Eine Diskette 29,
auf der ein Computerprogramm mit Befehlen zur Ausführung eines
Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung gespeichert ist, ist für
das Diskettenlaufwerk bereitgestellt. Al ternativ können andere
Typen von computerlesbaren Speichermedien wie ein ROM in einer elektronischen
Anordnung verwendet werden.
-
Die
Implementierung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
in einem derartigen Computersystem 21 kann leicht in Hardware,
in Software durch geeignete Computerprogrammierung und -konfiguration
oder durch eine Kombination von beiden erreicht werden. Natürlich ist
derartige Programmierung und Konfiguration gut bekannt und kann
durch einen Fachmann ohne übertriebene
Mühe erreicht
werden.
-
Wie
zuvor angegeben, ergibt sich die Notwendigkeit, zwei digitale Signale
zu korrelieren, in GPS-Empfängern,
in denen ein eingehendes GPS-Signal mit einem pseudozufälligen Rauschcode
(PRN) mit einem lokal erzeugten Replik-PRN-Code korreliert ist,
um den Code-Phasenfehler zwischen den beiden zu bestimmen und danach
das GPS-Signal zu erfassen und zu verfolgen. Die generellen, GPS
zugrundeliegenden Prinzipien und Verfahren und Geräte für dessen
Implementierung sind bekannt. Siehe beispielsweise „GPS Principles and
Applications", (Herausgeber:
Kaplan), ISBN 0-89006-793-7, Artech House, hiernach „Kaplan".
-
Wie
gut bekannt ist, überträgt jeder
NAVSTAR GPS-Satellit zwei Trägerfrequenzen;
L1, die primäre Frequenz
bei 1575,42 MHz, und L2, die sekundäre Frequenz bei 1227,60 MHz.
Die Trägerfrequenzen
sind durch Streuspektrum-Codes mit einer für jeden Satelliten einzigartigen
PRN-Sequenz und auch durch die Navigationsdaten-Meldung moduliert.
Das L1-Signal ist sowohl durch den Kurs/Erfassungs-Code (C/A) wie
auch durch den Präzisions-Code
(P[Y]) moduliert, während
das L2-Signal nur durch den Präzisions-Code
(P[Y]) moduliert ist. Der P[Y]-Code bezieht sich mit dem Präzisen Positionierungs-Service
(PPS) hauptsächlich
auf militärische
und ausgewählte
Regierungsbehörden-Nutzer, während das
C/A sich auf den Standard Positionierungs-Service (SPS) bezieht,
für den
es zur Zeit uneingeschränkten
Zugriff gibt.
-
3 zeigt
schematisch einen GPS-Empfänger,
der ein Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet. SPS GPS-Signale werden von einer Antenne 30 empfangen
und in einem Präprozessor 31 vorverarbeitet;
typischer Weise durch passive Bandpass-Filterung zum Minimieren
von Außerband-HF-Interferenz, Vorverstärkung, Herunterkonvertierung
auf eine Zwischenfrequenz (ZF) und Analog/Digital-Umsetzung. Das resultierende,
digitalisierte ZF-Signal bleibt moduliert und enthält immer
noch alle Information der verfügbaren Satelliten
und wird in jeden von zwölf
parallelen Empfänger-Kanälen 32 eingespeist
(ein derartiger Kanal ist in 4 gezeigt).
Die Satelliten-Signale werden in entsprechenden digitalen Empfängerkanälen in Kooperation mit
dein Empfänger-Prozessor 33 zu
dem Zweck, Navigationsinformation zu erfassen, erfasst und verfolgt. Derartige
Verfahren zur Erfassung und Verfolgung sind gut bekannt, siehe beispielsweise
Kapitel 4 (GPS satellite signal characteristics) und Kapitel 5 (GPS
satellite signal acquisition and tracking), Kaplan ibd.
-
Unter
Verwendung der erfassten Navigationsinformation und der Ankunftszeit
der Übertragungen
berechnet der Navigationsprozessor 34 unter Verwendung
konventioneller Algorithmen die Position des Empfänger und
diese Information wird auf einem Display 35 dem Benutzer
dargestellt.
-
Der
Präprozessor 31 wird
typischerweise in Form eines analogen Vorfeldschaltkreises mit den
digitalen Empfängerkanälen 32,
dem Empfängerprozessor 33 und
dem Navigationsprozessor 34, implementiert in Form eines
Universalmikroprozessors oder eines in einer GPS-anwendungsspezifischer
Integrierten Schaltung (ASIC) eingebetteten Mikroprozessors, implementiert.
-
4 zeigt
schematisch die Kooperation des Empfängerkanals mit dem Empfängerprozessor
detaillierter. Um die Information auf dem eingehenden Signal abzurufen,
muss eine Trägerwelle
(CW) entfernt werden, und dies wird von dem Empfänger getan, indem er unter
Verwendung eines Trägerwellen-Generators 41 Eingangsphasen-(I)
und Quadraturphasen (Q)-Replik-Trägerwellensignale erzeugt. Die
Replik-Trägerwellen haben
im Idealfall dieselbe Frequenz wie das empfangene Signal, aber durch
Doppler-Verschiebung,
die durch die Relativ-Bewegung zwischen dem Empfänger und dem umlaufenden Satelliten
verursacht wird, unterscheidet sich normalerweise die Frequenz des
GPS-Signals, wie
sie in dem Empfänger
empfangen wird, von der genauen Satellitenfrequenz. Um die Frequenz
der empfangenen Trägerwelle
genau zu replizieren, kann ein konventioneller Trägerwellen-Phasenregelkreis
(PLL) eingesetzt werden. Es ist möglich, obwohl unerwünscht, den
Träger-Phasenregelkreis
insgesamt wegzulassen, da die Doppler-Verschiebung des Trägers und
der damit verbundene Effekt auf den Code-Phasendiskriminator ziemlich
klein ist.
-
Um
Code-Phasensynchronisation zu erfassen, werden frühe (E),
prompte (P) und späte
(L) Replik-Codes der PRN-Sequenzen kontinuierlich durch einen Code-Generator 42 bei
einer auf den empfangenen Träger (d.h.
plus Doppler) bezogenen Frequenz erzeugt. Die Replik-Codes werden
dann unter Verwendung des Verfahrens gemäß der dargestellten Erfindung
mit den I- und Q-Signalen korreliert, um drei gleichphasige Korrelationskomponenten
(IE, IL, IP) und drei Quadratur-Phasen-Korrelationskomponenten
(QE, QL, QP) zu produzieren, typischerweise durch Integration
in einem Integrator 43 über
im Wesentlichen das Gesamte des PRN-Codes.
-
Das
Verfahren der Korrelation umfasst die Schritte von erstens des sequentiellen
Berechnens von Produkten entsprechender numerischer Datenwerte des
Objektsignals und früher
und später
Signale und des Bereitstellens einer kumulativen Summe davon. Dann
das Erhöhen
oder Verringern der kumulativen Summe um einen vorher festgelegten
Betrag bei Abweichung der kumulativen Summe von einem Niveau zwischen
oberen und unteren Schwellenniveaus, um so die kumulative Summe
zwischen genannte Schwellenwerte zurückzubringen. Abschließend werden
frühe und
späte Korrelationswerte
als Zähler
der Anzahl des Auftretens von Abweichungen der kumulativen Summe
von einem Niveau zwischen oberen und unteren Schwellenniveaus bereitgestellt,
wobei sich die Zähler
um eins erhöhen,
wenn die kumulative Summe über
das obere Schwellenniveau hinaus abweicht, und sich um eins verringern,
wenn die kumulative Summe unter das untere Schwellenniveau hinaus
abweicht.
-
In
dem Empfänger-Prozessor 44 wird
ein Code-Phasendiskriminator gemäß Gleichung
1 berechnet: CDP
= Σ(IE + QE)2 – Σ(IL + QL)2 [Gleichung 1]in
der Summation über
im Wesentlichen das Gesamte des Zielcodes geschieht. Ein Schwellentest
wird dann auf den Code-Phasendiskriminator angewandt, wobei eine
Phasen-Übereinstimmung
erklärt
wird, wenn der Code-Phasendiskriminator High ist. Wenn nicht, produziert
der Code-Generator die nächste
Serie von Repliken mit Einzel-Chip-Phasenvoreilung und der Code-Phasendiskriminator
wird erneut berechnet. Jede erklärte Phasenübereinstimmung
wird durch Neuberechnung des Diskriminators bestätigt. Ein linearer Phasendurchgang
wird eventuell darin resultieren, dass der eingehende PRN-Code in
Phase mit der lokal erzeugten Replik und so Code-Erfassung ist.
-
Es
würde weiterhin
von einem Fachmann verstanden, dass die Lehre der vorliegenden Erfindung
sich gleichermaßen
auf andere Typen von Geräten
mit verarbeitenden Mitteln und nicht nur auf das obengenannte Computersystem
oder GPS-Empfänger
bezieht. Beispielsweise kann man die vorliegende Erfindung durch Verwendung
digitaler Logikschaltkreise in einem diskreten Korrelator-Gerät implementieren.
