卫星信号接收电路及卫星信号接收方法

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卫星信号接收电路及卫星信号接收方法
申请号	CN201810162465.5	申请日	2018-02-26	公开(公告)号	CN110196437A	公开(公告)日	2019-09-03
申请人	瑞昱半导体股份有限公司;			发明人	李金龙; 陈家源;
摘要	本申请公开了卫星信号接收电路及卫星信号接收方法。卫星信号接收电路包含振荡器、两个混频器、两个相位位移器、两个低通滤波器、两个相位运算电路以及带通滤波器。当振荡器的频率位于GLONASS系统与GPS/Galileo系统的中心频率之间，GLONASS与GPS/Galileo的卫星基频信号可通过相位运算电路进行相位相加与相减后得到，而Beidou卫星基频信号可通过带通滤波器得到。当振荡器的频率位于GPS/Galileo系统与Beidou系统的中心频率之间，Beidou与GPS/Galileo的卫星基频信号可通过相位运算电路进行相位相加与相减后得到，而GLONASS卫星基频信号可通过带通滤波器得到。
权利要求	1.一种卫星信号接收电路，用于接收一卫星信号，包含：一振荡器，用来产生一第一参考信号；一第一混频器，耦接该振荡器，用来将该第一参考信号与该卫星信号混频，以产生一第一混频后信号；一第一相位位移器，耦接该振荡器，用来调整该第一参考信号的相位以产生一第二参考信号，其中该第一参考信号与该第二参考信号是正交的；一第二混频器，耦接该第一相位位移器，用来将该第二参考信号与该卫星信号混频，以产生一第二混频后信号；一第一低通滤波器，耦接该第一混频器，用来对该第一混频后信号进行滤波，以得到一第一滤波后信号；一第二低通滤波器，耦接该第二混频器，用来对该第二混频后信号进行滤波，以得到一第二滤波后信号；一第二相位位移器，耦接该第二低通滤波器，用来调整该第二滤波后信号的相位以产生一相位位移后信号；一第一相位运算电路，耦接该第一低通滤波器及该第二相位位移器，用来对该第一滤波后信号及该相位位移后信号进行运算，以产生一第一卫星基频信号；一第二相位运算电路，耦接该第一低通滤波器及该第二相位位移器，用来对该第一滤波后信号及该相位位移后信号进行运算，以产生一第二卫星基频信号；以及一带通滤波器，耦接该第一混频器及该第二混频器，用来对该第一混频后信号及该第二混频后信号进行滤波，以得到一第三卫星基频信号。 2.如权利要求1所述的卫星信号接收电路，还包含：一第一模拟数字转换器，耦接该第一相位运算电路，用来将该第一卫星基频信号转换至数字域；一第二模拟数字转换器，耦接该第二相位运算电路，用来将该第二卫星基频信号转换至数字域；一第三模拟数字转换器，耦接该带通滤波器，用来将该第三卫星基频信号转换至数字域；以及一数字信号处理器，耦接该第一模拟数字转换器、该第二模拟数字转换器及该第三模拟数字转换器，以一编码增益放大该第一卫星基频信号、该第二卫星基频信号及该第三卫星基频信号。 3.如权利要求1所述的卫星信号接收电路，还包含：一第一模拟数字转换器，耦接于该第一低通滤波器与该第一相位运算电路之间，用来将该第一滤波后信号转换至数字域；一第二模拟数字转换器，耦接于该第二低通滤波器与该第二相位位移器之间，用来将该第二滤波后信号转换至数字域；一第三模拟数字转换器，耦接该带通滤波器，用来将该第三卫星基频信号转换至数字域；以及一数字信号处理器，耦接该第一相位运算电路、该第二相位运算电路及该第三模拟数字转换器，以一编码增益放大该第一卫星基频信号、该第二卫星基频信号及该第三卫星基频信号；其中，该第二相位位移器、该第一相位运算电路及该第二相位运算电路于数字域完成运算。 4.如权利要求1所述的卫星信号接收电路，其中，该第一卫星基频信号对应格洛纳斯(GLONASS)卫星系统，该第二卫星基频信号对应全球定位系统(GPS)或伽利略定位系统(GaLileo)，该第三卫星基频信号对应北斗(Beidou)卫星系统，且该第一参考信号的频率介于1575.42MHz与1602MHz之间。 5.如权利要求4所述的卫星信号接收电路，其中，该第一参考信号的频率等于全球定位系统或伽利略定位系统的最低频率与格洛纳斯卫星系统的最高频率的总和的一半。 6.如权利要求1所述的卫星信号接收电路，其中，该第一卫星基频信号对应全球定位系统(GPS)或伽利略定位系统(GaLileo)，该第二卫星基频信号对应北斗(Beidou)卫星系统，该第三卫星基频信号对应格洛纳斯(GLONASS)卫星系统，且该第一参考信号的频率介于 1575.42MHz与1561.098MHz之间。 7.如权利要求6所述的卫星信号接收电路，其中，该第一参考信号的频率等于全球定位系统或伽利略定位系统的最高频率与北斗卫星系统的最低频率的总和的一半。 8.一种卫星信号接收方法，包含： (a)接收一卫星信号； (b)提供一第一参考信号； (c)混频该第一参考信号及该卫星信号，以得到该卫星信号的一同相分量； (d)提供一第二参考信号，其中该第一参考信号与该第二参考信号是正交的； (e)混频该第二参考信号及该卫星信号，以得到该卫星信号的一正交分量； (f)低通滤波该卫星信号的该同相分量及该卫星信号的该正交分量； (g)对该卫星信号的低通滤波后正交分量进行相位位移，以产生一相位位移后正交分量； (h)计算该卫星信号的低通滤波后同相分量与该相位位移后正交分量之和，以得到一第一卫星基频信号； (i)计算该卫星信号的该低通滤波后同相分量与该相位位移后正交分量之差，以得到一第二卫星基频信号；以及(j)带通滤波该卫星信号的该同相分量及该卫星信号的该正交分量，以得到一第三卫星基频信号。 9.如权利要求8项所述的卫星信号接收方法，还包含：(k)将该第一卫星基频信号、该第二卫星基频信号及该第三卫星基频信号转换至数字域；以及(l)以一编码增益放大该第一卫星基频信号、该第二卫星基频信号及该第三卫星基频信号。 10.如权利要求8项所述的卫星信号接收方法，还包含：(k)将该卫星信号的该低通滤波后同相分量转换至数字域； (l)将该卫星信号的该低通滤波后正交分量转换至数字域； (m)将该第三卫星基频信号转换至数字域；以及 (n)以一编码增益放大该第一卫星基频信号、该第二卫星基频信号及该第三卫星基频信号；其中，步骤(k)及步骤(l)早于步骤(g)、步骤(h)及步骤(i)执行。
说明书全文	卫星信号接收电路及卫星信号接收方法技术领域 [0001] 本发明是关于全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)，尤其是关于全球卫星导航系统的卫星信号接收。背景技术 [0002] 全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)技术目前已被广泛地应用，图1显示数个卫星系统所使用的频带(frequency band)。频带110对应苏联的格洛纳斯系统(GLONASS)(中心频率为1602MHz)，频带120对应欧盟的伽利略定位系统(Galileo)(中心频率为1575.42MHz)，频带130对应美国的全球定位系统(Global Positioning System,GPS)(中心频率为1575.42MHz)，以及频带140对应中国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)(中心频率为1561.098MHz)。为了增加卫星导航接收机的定位速度和定位精准度，已有许多文献探讨这方面的技术，例如美国专利公开号US20090124221与US20100097966，以及美国专利号US7551127。美国专利公开号US20090124221利用两套接收机和两组频率合成器，来实现双模(double band)接收(亦即同时接收两个不同中心频率的卫星信号)；然而同时用两套接收机会造成功耗加倍。美国专利公开号US20100097966实现双模接收的方法是共用一个低噪声放大器，并且利用频率合成器则将两种振荡信号分别输出至两路降频接收路径。美国专利号US7551127利用可配置(reconfigurable)的除频器来实现双模接收。上述的双模接收机的缺点之一在于只能接收二个频带的卫星信号，使卫星导航接收机的定位速度和定位精准度受到限制。发明内容 [0003] 鉴于先前技术之不足，本发明的一目的在于提供一种可同时接收三个频带的卫星信号接收电路及卫星信号接收方法，以改善习知技术的不足。 [0004] 本发明揭露一种卫星信号接收电路，用于接收一卫星信号，包含：一振荡器，用来产生一第一参考信号；一第一混频器，耦接该振荡器，用来将该第一参考信号与该卫星信号混频，以产生一第一混频后信号；一第一相位位移器，耦接该振荡器，用来调整该第一参考信号的相位以产生一第二参考信号，其中该第一参考信号与该第二参考信号正交；一第二混频器，耦接该第一相位位移器，用来将该第二参考信号与该卫星信号混频，以产生一第二混频后信号；一第一低通滤波器，耦接该第一混频器，用来对该第一混频后信号进行滤波，以得到一第一滤波后信号；一第二低通滤波器，耦接该第二混频器，用来对该第二混频后信号进行滤波，以得到一第二滤波后信号；一第二相位位移器，耦接该第二低通滤波器，用来调整该第二滤波后信号的相位以产生一相位位移后信号；一第一相位运算电路，耦接该第一低通滤波器及该第二相位位移器，用来对该第一滤波后信号及该相位位移后信号进行运算，以产生一第一卫星基频信号；一第二相位运算电路，耦接该第一低通滤波器及该第二相位位移器，用来对该第一滤波后信号及该相位位移后信号进行运算，以产生一第二卫星基频信号；以及一带通滤波器，耦接该第一混频器及该第二混频器，用来对该第一混频后信号及该第二混频后信号进行滤波，以得到一第三卫星基频信号。 [0005] 本发明另揭露一种卫星信号接收方法，包含以下步骤：(a)接收一卫星信号；(b)提供一第一参考信号；(c)混频该第一参考信号及该卫星信号，以得到该卫星信号的一同相分量；(d)提供一第二参考信号，其中该第一参考信号与该第二参考信号正交；(e)混频该第二参考信号及该卫星信号，以得到该卫星信号的一正交分量；(f)低通滤波该卫星信号的该同相分量及该卫星信号的该正交分量；(g)对该卫星信号的该低通滤波后正交分量进行相位位移，以产生一相位位移后正交分量；(h)计算该卫星信号的该低通滤波后同相分量与该相位位移后正交分量之和，以得到一第一卫星基频信号；(i)计算该卫星信号的该低通滤波后同相分量与该相位位移后正交分量之差，以得到一第二卫星基频信号；以及(j)带通滤波该卫星信号的该同相分量及该卫星信号的该正交分量，以得到一第三卫星基频信号。 [0006] 本发明利用一个压控振荡源(voltage-controlled oscillator,VCO)实现卫星信号的三模(triple band)接收。相较于习知技术，本发明的卫星信号接收电路及接收方法不仅可以提高卫星导航接收机的定位速度和定位精准度，同时达到省电及节省电路面积的功效。 [0007] 有关本发明的特征、实作与功效，兹配合图式作实施例详细说明如下。附图说明 [0008] [图1]显示数个卫星系统所使用的频带； [0009] [图2]为本发明的卫星信号接收电路的一实施例的功能方块图； [0010] [图3A～图3B]为本发明的卫星信号接收方法的一实施例的流程图；以及[0011] [图4]为本发明的卫星信号接收电路的另一实施例的功能方块图。具体实施方式 [0012] 以下说明内容的技术用语参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释以本说明书的说明或定义为准。 [0013] 本发明的揭露内容包含卫星信号接收电路及卫星信号接收方法，以提升定位速度和定位精准度。由于本发明的卫星信号接收电路所包含的部分元件单独而言可能为已知元件，因此在不影响该装置发明的充分揭露及可实施性的前提下，以下说明对于已知元件的细节将予以节略。此外，本发明的卫星信号接收方法的部分或全部流程可以是软件和/或固件的形式，并且可藉由本发明的卫星信号接收电路或其等效装置来执行，在不影响该方法发明的充分揭露及可实施性的前提下，以下方法发明的说明将着重于步骤内容而非硬件。 [0014] 图2为本发明的卫星信号接收电路的一实施例的功能方块图，图3A及图3B为本发明的卫星信号接收方法的一实施例的流程图。以下将依据图2及图3A及图3B说明本发明的操作细节。卫星信号接收电路200通过天线211接收卫星信号SA(步骤S305)，接着利用放大器212(例如以低噪声放大器(low-noise amplifier，LNA)实作)放大卫星信号SA成为卫星信号SB(步骤S310)。卫星信号SA及卫星信号SB可以分别以方程式(1)及(2)表示： [0015] SA＝ARF1 cosωRF1 t+ARF2 cosωRF2 t+ARF3 cosωRF3 t (1) [0016] SB＝G1(ARF1 cosωRF1 t+ARF2 cosωRF2 t+ARF3 cosωRF3 t) (2)[0017] 其中，ωRF1、ωRF2及ωRF3分别为频带110、频带120(或频带130)及频带(frequency band)140的角频率，即ωRF1＝2π×1602×106、ωRF2＝2π×1575.42×106以及ωRF3＝2π×1561.098×106；ARF1、ARF2及ARF3分别为频带110、频带120(或频带130)及频带140的振幅；G1为放大器212的增益。 [0018] 接着，提供第一参考信号及第二参考信号，第一参考信号及第二参考信号为正交(in quadrature)(步骤S315、S320)。举例来说，在本实施例中，压控振荡器213提供频率为fLO的第一参考信号SO(步骤S315)，第一参考信号SO的相位经过正交相位位移器(90°phase shifter)214调整90°后产生第二参考信号SOQ(步骤S320)，第一参考信号SO及第二参考信号SOQ可以分别以方程式(3)及(4)表示： [0019] SO＝cosωLO t (3) [0020] SOQ＝sinωLO t (4) [0021] 其中ωLO＝2π/fLO。在其他的实施例中，第一参考信号SO及第二参考信号SOQ亦可以分别由独立的压控振荡器213提供，然而使用一个压控振荡器的电路比使用两个压控振荡器的电路省电，且可以避免两个振荡器之间频率拉扯(frequency pulling)的问题。 [0022] 频率fL0可以设定为介于频带120(或130)的中心频率与频带110的中心频率之间，或是介于频带120(或130)的中心频率与频带140的中心频率之间。接下来以第一参考信号SO的频率fLO设定为介于频带120(或130)的中心频率与频带110的中心频率之间为例(亦即ωRF2＜ωLO＜ωRF1)，详细说明本发明。 [0023] 接着混频第一参考信号SO与卫星信号SB并且低通滤波混频结果，以得到降频后的卫星信号的同相(in-phase)分量(步骤S325、S327)。详言之，在图2的实施例中，卫星信号接收电路200以混频器215及低通滤波器(low-pass filter,LPF)217实现此两步骤。混频器215将卫星信号SB与第一参考信号SO混频，而得到混频后信号SC，然后低通滤波器217低通滤波混频后信号SC而得到滤波后信号SD。混频后信号SC及滤波后信号SD可以分别以方程式(5)及(6)表示： [0024] [0025] [0026] 由方程式(5)及(6)可知，混频后信号SC经过低通滤波后，高频成分(cos(ωLO+ωRF1)t、cos(ωLO+ωRF2)t及cos(ωLO+ωRF3)t)与较高频成分(cos(ωLO+ωRF3)t)皆被滤除。 [0027] 类似步骤S325及S327，混频第二参考信号SOQ与卫星信号SB并且低通滤波混频结果，以得到降频后的卫星信号的正交(quadrature)分量(步骤S330、S332)。详言之，在图2的实施例中，卫星信号接收电路200以混频器216及低通滤波器218实现此两步骤。混频器216将卫星信号SB与第二参考信号SOQ混频，而得到混频后信号SG，然后低通滤波器218低通滤波混频后信号SG而得到滤波后信号SH。混频后信号SG及滤波后信号SH可以分别以方程式(7)及(8)表示： [0028] [0029] [0030] 接下来，放大卫星信号的同相分量与正交分量(步骤S335)。详言之，在图2的实施例中，滤波后信号SD被放大器(amplifier)219(例如以可编程增益放大器(programmable gain amplifier,PGA)实作，具有增益G2)放大后成为经放大的滤波后信号SE，滤波后信号SH被放大器220(例如以可编程增益放大器实作，具有增益G2)放大后成为经放大的滤波后信号SI。经放大的滤波后信号SE及经放大的滤波后信号SI可以分别以方程式(9)及(10)表示： [0031] [0032] [0033] 接下来对卫星信号的正交分量进行相位位移，以产生相位位移后正交分量(步骤S340)。详言之，中频正交相位位移器(IF90°phase shifter)221对经放大的滤波后信号SI进行相位位移后(例如实质上位移90°的相位)得到相位位移后信号SJ，相位位移后信号SJ可以以方程式(11)表示： [0034] [0035] 接着，计算卫星信号的同相分量与相位位移后正交分量之和，以得到第一卫星基频信号(步骤S345)。详言之，因为fLO设定为介于频带120(或130)的中心频率与频带110的中心频率之间，所以伽利略定位系统(或全球定位系统)的卫星信号为格洛纳斯系统的卫星信号的镜像信号。相位运算电路222(例如以相位相加器(phase combiner)实作)将经放大的滤波后信号SE与相位位移后信号SJ相加后得到卫星基频信号SF，卫星基频信号SF可以以方程式(12)表示： [0036] SF＝SE+SJ [0037] ＝G1·G2·ARF1 cos(ωRF1-ωLO)t [0038] ＝G1·G2·ARF1 cosωIF1 t (12) [0039] 其中ωIF1＝ωRF1-ωLO。 [0040] 类似地，计算卫星信号的同相分量与相位位移后正交分量之差，以得到第二卫星基频信号(步骤S350)。详言之，因为fLO设定为介于频带120(或130)的中心频率与频带110的中心频率之间，所以格洛纳斯系统的卫星信号亦为伽利略定位系统(或全球定位系统)的卫星信号的镜像信号。相位运算电路223(例如以相位相加器实作)将经放大的滤波后信号SE与相位位移后信号SJ相减后得到卫星基频信号SK，卫星基频信号SK可以以方程式(13)表示： [0041] SK＝SE-SJ [0042] ＝G1·G2·ARF2 cos(ωLO-ωRF2)t [0043] ＝G1·G2·ARF2 cosωIF2 t (13) [0044] 其中ωIF2＝ωLO-ωRF2。 [0045] 接下来，带通滤波卫星信号的同相分量及正交分量，以得到另一卫星基频信号(步骤S355)。详言之，在此步骤中，带通滤波器(bandpass filter，BPF)226对卫星信号的同相分量(亦即混频后信号SC)及正交分量(亦即混频后信号SG)进行带通滤波(亦即滤除高频成分(cos(ωLO+ωRF1)t、cos(ωLO+ωRF2)t及cos(ωLO+ωRF3)t)及低频成分(cos(ωLO-ωRF1)t与cos(ωLO-ωRF2)t)，而得到卫星基频信号SL(亦即，带通滤波后的信号)。卫星基频信号SL的同相分量(SL_I)及正交分量(SL_Q)可以分别以方程式(14)及(15)表示： [0046] [0047] [0048] 则，卫星基频信号SL可以以方程式(16)表示： [0049] SL＝SL_I+SL_Q [0050] ＝G1·ARF3 cos(ωLO-ωRF3)t [0051] ＝G1·ARF3 cosωIF3 t (16) [0052] 其中ωIF3＝ωLO-ωRF3。带通滤波器226例如可以以镜像抑制滤波器(image rejection bandpass filter)实作。卫星基频信号SL经放大器227(例如以可编程增益放大器实作，具有增益G2)放大后(步骤S360)成为放大后的卫星基频信号SM，放大后的卫星基频信号SM可以以方程式(17)表示： [0053] SM＝G1·G2·ARF3 cosωIF3 t (17) [0054] 接着以模拟数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)224、ADC225及ADC 228分别将卫星基频信号SF、卫星基频信号SK及放大后的卫星基频信号SM转换至数字域(步骤S365)。在数字域中，数字信号处理器(digital signal processor，DSP)229以编码增益(coding gain)再次放大三个卫星基频信号(步骤S370)，然后根据三个卫星基频信号产生位置信息。 [0055] 综上所述，当把第一参考信号SO的频率fLO设定为介于频带120(或130)的中心频率与频带110的中心频率之间(亦即ωRF2＜ωLO＜ωRF1)时，卫星基频信号SF对应格洛纳斯系统的卫星信号，卫星基频信号SK对应伽利略定位系统或全球定位系统的卫星信号，且卫星基频信号SL及放大后的卫星基频信号SM对应北斗卫星系统的卫星信号。在一个较佳的实施例中，当fLO设定为 fLO可以等于频带120(或130)的实质上最小频率与频带110的实质上最大频率的总和的一半。以频带120为例， [0056] 在其他的实施例中，当把第一参考信号SO的频率fLO设定为介于频带120(或130)的中心频率与频带140的中心频率之间(亦即ωRF3＜ωLO＜ωRF2)时，伽利略定位系统(或全球定位系统)的卫星信号及北斗卫星导航系统的卫星信号互为对方的镜像信号，此时卫星基频信号SF对应伽利略定位系统或全球定位系统的卫星信号，卫星基频信号SK对应北斗卫星系统的卫星信号，且卫星基频信号SL及放大后的卫星基频信号SM对应格洛纳斯系统的卫星信号。在一个较佳的实施例中，当fLO设定为 fLO可以等于频带120(或130)的实质上最大频率与频带140的实质上最小频率的总和的一半。以频带120为例，[0057] 在图3A及图3B所示的实施例中，调换某些步骤不影响本发明的实施。举例来说，可以先执行步骤S330再执行步骤S327；步骤S355可以早于S345及S350执行。在不同的实施例中，图3B的步骤S340、S345及S350亦可以在数字域执行，也就是说，步骤S340、S345及S350亦可以在步骤S365之后执行，其对应的电路图如图4所示。卫星信号接收电路400以中频正交相位位移器421、相位运算电路422及相位运算电路423在数字域执行步骤S340、S345及S350。在某些实施例中，中频正交相位位移器421、相位运算电路422及相位运算电路423的功能亦可由数字信号处理器429实作，亦即步骤S340、S345及S350由数字信号处理器429中相对应的模组执行。该些模组可以由硬件(例如电路)实作，或是由数字信号处理器429的控制电路(例如微控制器、微处理器等)执行程序代码或程序指令的方式实作。 [0058] 综上所述，本发明实现卫星信号的三模(triple band)接收，亦即本发明的卫星信号接收电路及卫星信号接收方法可同时接收三个不同中心频率的卫星信号。上述的实施例虽以全球卫星导航系统为例，但本发明亦可应用于其他系统。 [0059] 由于本技术领域具有通常知识者可藉由本申请的装置发明的揭露内容来了解本申请的方法发明的实施细节与变化，因此，为避免赘文，在不影响该方法发明的揭露要求及可实施性的前提下，重复说明在此予以节略。请注意，前揭图示中，元件的形状、尺寸、比例以及步骤之顺序等仅为示意，供本技术领域具有通常知识者了解本发明之用，非用以限制本发明。 [0060] 虽然本发明之实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本技术领域具有通常知识者可依据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言之，本发明的专利保护范围须视本说明书的保护范围所界定者为准。 [0061] 符号说明 [0062] 110、120、130、140 频带 [0063] 200、400 卫星信号接收电路 [0064] 211 天线 [0065] 212、219、220、227 放大器 [0066] 213 压控振荡器 [0067] 214 正交相位位移器 [0068] 215、216 混频器 [0069] 217、218 低通滤波器 [0070] 221、421 中频正交相位位移器 [0071] 222、223、422、423 相位运算电路 [0072] 224、225、228 ADC [0073] 226 带通滤波器 [0074] 229、429 数字信号处理器 [0075] SO 第一参考信号 [0076] SOQ 第二参考信号 [0077] SA、SB 卫星信号 [0078] SC、SG 混频后信号 [0079] SD、SH 滤波后信号 [0080] SE、SI 经放大的滤波后信号 [0081] SF、SK、SL 卫星基频信号 [0082] SJ 相位位移后信号 [0083] SM 放大后的卫星基频信号 [0084] S305～S370 步骤