专利摘要

本发明提出了一种二级数字下变频的低功耗GPS接收机结构，在传统接收机接收通道之前引入预下变频电路，该电路将GPS信号搬移到近似零频处，并将其转化为正交信号；下变频之后的GPS数字信号通过抽取减小采样频率和采样数据，并且提供给后续的GPS接收通道，后续的GPS接收通道不采样CLKH，而是由预下变频电路产生的CLKL驱动；接收通道与传统接收器中的接收通道结构完全一致，只是驱动时钟为CLKL。通过预下变频将1－5MHz左右的中频信号下变频到近似零中频，抽取并将GPS数字信号的采样频率降低，从而达到降低GPS跟踪功耗的目的。

权利要求

1.一种二级数字下变频的低功耗GPS接收机，包括有GPS基带接收机和微处理器中的GPS算法程序，GPS基带接收机含有多个通道，其特征是：在接收机接收通道之前设置预下变频电路，该电路将GPS信号变频到30-50KHZ处，并将其转化为正交信号；下变频之后的GPS数字信号通过抽取，减小采样频率和采样数据，并且提供给后续的GPS接收通道，后续的GPS接收通道由预下变频电路产生的时钟信号CLK_L驱动；接收通道与传统接收器中的接收通道结构完全一致，只是驱动时钟为CLK_L。

2.根据权利要求1所述的二级数字下变频的低功耗GPS接收机，其特征是：所说预下变频电路包括正交化、FIR滤波、抽取，含NCO、乘法器、FIR滤波及抽取电路，包含的信号有：前端时钟信号CLK_L，后端时钟信号CLK_L，NCO产生的正交信号，前端中频信号混频后产生的信号以及经FIR滤波后产生的信号和抽取后产生的信号。

3.根据权利要求2所述的二级数字下变频的低功耗GPS接收机，其特征是：为了减小基带相关器的硬件规模，降低跟踪功耗，需对数字信号按相应算法进行二次量化。

说明书

技术领域

本发明涉及通讯领域GPS接收机，特别是一种二级数字下变频的低功耗GPS接收机，可使得GPS的基带通道电路处于一个低速时钟的驱动之后，从而大大节省基带接收电路的跟踪功耗。

背景技术

GPS卫星相对于接收机的速度随着时间推移不停变换，由此引入的多普勒频率偏移也不停变化，因此GPS基带接收机必须不停地跟踪载波和扩频码的多普勒偏移；GPS基带接收机还生成本地扩频码，利用Gold码良好的自相关特性，使得本地码和卫星扩频信号同步；GPS基带接收机从复现的本地扩频码中获得卫星到接收机之间的伪距，从而解算出接收机的坐标。

为了跟踪多个卫星，GPS基带接收机含有多个通道，通道数一般大于12。每个通道包括本地数字NCO，本地扩频码产生、解扩和相关累加器组成。数字NCO产生与中频信号相对应的正交信号，数字NCO产生的中频信号频率由载波跟踪环路确定。本地扩频码产生器Gold产生周期性的不同相位的Gold码，本地Gold码将GPS信号解扩。解扩后的正交信号由两个相关累加器累加得到I和Q，微处理器根据I/Q累加值，确定NCO和Gold码产生器的调整数据，从而实现对GPS信号的跟踪。GPS基带接收机的硬件部分在CLK_H，即ADC的采样时钟控制下工作。虽然GPS单个通道跟踪的硬件规模不大，跟踪功耗也较小，但由于GPS基带芯片含有多个(一般大于12个)通道，整体跟踪功耗较大。

发明内容

本发明目的是提供一种二级数字下变频的低功耗GPS接收机，引入二级数字下变频，可降低GPS的跟踪功耗，使得GPS的基带通道电路处于一个低速时钟的驱动之后，从而大大节省基带接收电路的跟踪功耗。

本发明为完成上述工作，采用的技术方案为：一种二级数字下变频的低功耗GPS接收机，包括有GPS基带接收机和微处理器中的GPS算法程序，GPS基带接收机含有多个通道，其特征是：在接收机接收通道之前设置预下变频电路，该电路将GPS信号变频到30-50KHZ处，并将其转化为正交信号；下变频之后的GPS数字信号通过抽取，减小采样频率和采样数据，并且提供给后续的GPS接收通道，后续的GPS接收通道由预下变频电路产生的时钟信号CLK_L驱动；接收通道与传统接收器中的接收通道结构完全一致，只是驱动时钟为CLK_L。

所说预下变频电路包括正交化、FIR滤波、抽取，含NCO、乘法器、FIR滤波及抽取电路，包含的信号有：前端时钟信号CLK_L，后端时钟信号CLK_L，NCO产生的正交信号，前端中频信号混频后产生的信号以及经FIR滤波后产生的信号和抽取后产生的信号。抽取的原则是符合奈魁斯特(NYQUIST)采样定理，用两倍于一个正弦波的频繁率进行采样就能完全真实地还原该波形。

为了减小基带相关器的硬件规模，降低跟踪功耗，需对数字信号按相应算法进行二次量化。

本发明的优点及效果：GPS接收机已经广泛应用于各类应用场合，包括个人导航、车辆导航等，近年来出现了GPS接收机和手机融合的趋势，在手持设备中功耗极为敏感，因此需要降低GPS的功耗，尤其是跟踪功耗。本专利提出了一种二级数字下变频的低功耗GPS接收机结构，通过预下变频将1-5MHz左右的中频信号下变频到近似零中频，抽取并将GPS数字信号的采样频率降低，从而达到降低GPS跟踪功耗的目的。

附图说明

图1是GPS工作原理图；

图2是传统GPS基带接收机的工作框图；

图3是本专利提出的GPS接收机框图；

图4是预下变频电路功能框图；。

图5是数字混频器产生正交信号的表格。

具体实施方式

图1所示为GPS工作原理图，主要结构包括前端的GPS射频电路和GPS基带微机处理器。其中包括运行在空中的4颗GPS卫星和地面的GPS接收机。当GPS接收机接收到4颗以上的GPS卫星信号时，GPS接收机可以计算出用户端的位置和时间。用户端的接收天线接收来自卫星的微弱信号，通过GPS射频芯片将L1频段(1.57542GHz)的信号低噪声放大、下变频到中频信号，中频信号的频率一般为1~5MHz。该中频信号经过AD转化成为数字中频信号，按照采样定律，AD的采样频率至少为信号最高频率的2倍，因此AD采样频率一般是5～20MHz。数字GPS中频信号进入基带处理器，该基带处理器完成GPS卫星信号的捕获、跟踪和信息处理。

图2是传统GPS基带接收机的工作框图(单通道)，由左边的硬件部分(GPS基带接收机)和右边的软件部分(微处理器中的GPS算法程序)组成。包含的信号有：前端时钟信号数字CLK_H，NCO产生的正交信号sin、cos。NCO在载波跟踪环路的控制下产生与中频信号相对应的正交信号，本地扩频码产生器Gold产生周期性的不同相位的Gold码，本地Gold码将GPS信号解扩。解扩后的正交信号由两个相关累加器累加得到I和Q，微处理器根据I/Q累加值，确定NCO和Gold码产生器的调整数据，从而实现对GPS信号的跟踪。

图3是本专利提出的新型GPS接收机框图，与传统基带接收机的不同之处在于增加了预下变频。包括预下变频电路、n个信号通道以及微处理器。包含两个时钟信号：前端时钟信号CLK_H和后端时钟信号CLK_L。本图所示接收机和传统接收机不同之处是引入预下变频电路，该电路将GPS信号搬移到近似零频处，并将其转化为正交信号。下变频之后的GPS数字信号可以通过抽取减小采样频率和采样数据，并且提供给后续的GPS接收通道。因此后续的GPS接收通道不采样CLK_H，而是由预下变频电路产生的CLK_L驱动。由于所有接收通道只需要一路预下变频电路，因此该结构大大减小了GPS跟踪功耗。本方案中的接收通道与传统接收器中的接收通道结构完全一致，只是驱动时钟为CLK_L。

GPS基带电路接收来自于射频电路的中频数字信号，其对应ADC采样时钟CLK_H，GPS射频电路一般将中频(f_IF)设置在1MHz到5MHz之间，根据采样定律，采样时钟CLK_H频率应该至少是信号频率的2倍，一般为5MHz到20MHz之间。

预下变频电路对GPS数字信号进行正交变换，即数控频率产生器NCO产生对应的数字本振信号，该本振信号应略小于f_IF，经过正交变换，数字中频信号变为I/Q正交双通道信号。NCO累加器的字长为8bit，其中高5bit用于对表格进行寻址；表格的内容用4bit来表示。具体的编码方式由查表获得。为了消除抽取过程中的混叠，在后级采用FIR滤波器消除部分高频信号。抽取即对输入的信号进行N取1操作，抽取率N可通过微处理器配置。经过数字混频、低通滤波之后，数字信号的比特数由3比特扩展到13比特，为了减小基带相关器的硬件规模，降低跟踪功耗，需对数字信号按相应算法进行二次量化。

图4是预下变频电路功能框图，包括正交化、FIR滤波、抽取和二次量化四个部分。由NCO、乘法器、FIR滤波、抽取和二次量化组成。包含的信号有：前端时钟信号CLK_L，后端时钟信号CLK_L，NCO产生的正交信号sin和cos，前端中频信号混频后产生的X_I(n)、X_Q(n)，经FIR滤波后产生的Y_I(n)、Y_Q(n)，经抽取后产生的Z_I(m)、Z_Q(m)，经二次量化最终产生的I(m)、Q(m)。

数字混频的功能是把中频信号变换为基带信号。该功能的实现是由乘法器实现的，乘法器的两路输入分别为中频数字信号和数字本振信号。两个数字本振信号的相位差90°，从而基带是I/Q正交双通道信号。NCO累加器的字长为8bit，其中高5bit用于对表格进行寻址；表格的内容用4bit来表示。具体的编码方式如表1所示。则下变频之后的中频频率必须大于最大可能的多普勒频移10KHz，因此

f_IF-M*f_s/2⁸>10KHz

其中fs为CLK_H的频率，M为NCO的累加值(可由微处理器设置)，假定采样频率为13MHz，中频为3.78MHz，则M<74.24，因此可以设置M＝74，此时残存中频为22.1875KHz。数字混频的输入信号为3bit，其数值为±1、±3、±5、±7，数字本振的数值范围为-7～+7(用4bit表示)，输出信号需用7bit表示。需要指出的是：这里为了叙述方便，仅仅给出下变频电路的一种实现形式，任意其它实现形式，只要符合本专利叙述的原理，均在本专利的保护范围以内。

FIR低通滤波器目的在于防止混叠，假定为抽取为N取1操作，即抽取之后的采样时钟频率为CLK_H的1/N。从功耗的角度而言，N越大越好；但从减小载波噪声比(C/N₀)损耗的角度而言，N越小有利于扩频信号的旁瓣能量传输。理论分析表明如果理想带通滤波器的截至频率为码速率1.023MHz时C/N₀损失小余ldb，截至频率为为两倍码速率，即(2*1.023MHz)时C/N₀损失小余0.5db。因此本专利考虑低通FIR滤波器的通带频率为1.023MHz，阻带频率为1.5*1.023MHz，CLK_L可以由CLK_H分频得到，但CLK_L的最小频率为1.5*1.023MHz。需要指出的是：这里为了叙述方便给出了一个FIR滤波器的参数，FIR低通滤波器的截至频率和C/N₀损失、低功耗相关，其它实现形式，只要符合本专利叙述的原理，均在本专利的保护范围以内。

抽取，即对输入的信号进行N取1操作，抽取率N可通过微处理器配置。假定抽取前的数据为y(n)，抽取后的数据为z(k)，则抽取方式为：

z(k)＝y(k·N)

相应地，其采样时钟对应数据率也需进行抽取。

经过数字混频、低通滤波之后，数字信号的比特数由3比特扩展到13比特，为了减小基带相关器的硬件规模，降低跟踪功耗，需对数字信号进行二次量化。假定二次量化的数据为z(m)，则二次量化操作为：

round[z(m)256]]]>

其中round指的是四舍五入操作。对四舍五入后的数还需进行限幅，以便于4bit表示。限幅操作为：若该数>7，则限幅为7，小于-7限幅为-7。

图5是数字混频器产生正交信号的表格，NCO通过查表产生离散的正交信号。为了便于进行信号处理，GPS接收机中使用数字信号，对于三角函数sin、cos，则采用离散化处理，给出分立值，在要使用时查表获得。

二级数字下变频的低功耗GPS接收机专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。