專利名稱：頻率分析方法和設(shè)備,頻譜擴(kuò)展解調(diào)方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用離散傅里葉變換的頻率分析的方法和設(shè)備，還涉及諸如GPS(全球定位系統(tǒng))衛(wèi)星信號(hào)之類頻譜擴(kuò)展信號(hào)的解調(diào)方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
在利用人造衛(wèi)星(GPS衛(wèi)星)測(cè)定移動(dòng)體的位置的GPS系統(tǒng)中，GPS接收器具有從四個(gè)或者更多的GPS衛(wèi)星接收信號(hào)，根據(jù)接收的信號(hào)計(jì)算接收器的位置，并且把位置通知用戶的基本功能。
GPS接收器解調(diào)從GPS衛(wèi)星發(fā)來(lái)的信號(hào)，以便獲得GPS衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)，并且根據(jù)GPS衛(wèi)星的軌道和時(shí)間信息，以及接收信號(hào)的延遲時(shí)間，使用聯(lián)立方程式計(jì)算接收器的三維位置。要求從四個(gè)GPS衛(wèi)星接收信號(hào)的原因在于消除GPS接收器中使用的時(shí)間和衛(wèi)星使用的時(shí)間之間的誤差的影響。
市場(chǎng)上買得到的GPS接收器從GPS衛(wèi)星(Navstar)接收L1波段中的稱為C/A(清除和采集)代碼的頻譜擴(kuò)展信號(hào)無(wú)線電波，以便進(jìn)行關(guān)于位置測(cè)定的計(jì)算。
C/A代碼是傳輸信號(hào)速率(碼片速率)為1.023MHz，代碼長(zhǎng)度為1023的PN(偽隨機(jī)噪聲)序列碼，例如黃金碼，并且是通過(guò)用借助50bps的擴(kuò)展數(shù)據(jù)獲得的信號(hào)對(duì)頻率為1575.42MHz的載波進(jìn)行BPSK(二進(jìn)制相移鍵控)調(diào)制獲得的信號(hào)。這種情況下，由于代碼長(zhǎng)度為1023，因此在1023個(gè)碼片被用作一個(gè)周期(于是一個(gè)周期等于1毫秒)的情況下，PN序列碼在C/A代碼中重復(fù)，如圖21(A)中所示。
每個(gè)GPS衛(wèi)星中，C/A代碼中的PN序列碼各不相同。GPS接收器可預(yù)先檢測(cè)每個(gè)GPS衛(wèi)星使用的PN序列碼。另外，GPS接收器根據(jù)后面說(shuō)明的導(dǎo)航信息，了解在該時(shí)刻，在其所處位置，接收器是否能夠接收來(lái)自各個(gè)GPS衛(wèi)星的信號(hào)。于是，對(duì)于三維位置測(cè)量來(lái)說(shuō)，GPS接收器從四個(gè)或者更多的GPS衛(wèi)星接收在該時(shí)刻，在其所處位置可獲得的無(wú)線電波，對(duì)無(wú)線電波應(yīng)用反向頻譜擴(kuò)展，并且進(jìn)行位置測(cè)量計(jì)算以便獲得其位置。
如圖21(B)中所示，以20個(gè)周期的PN序列碼為單位，即以20毫秒為單位傳送一位的衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)。換句話說(shuō)，數(shù)據(jù)傳輸速率為50bps。在當(dāng)對(duì)應(yīng)的位為“1”和當(dāng)對(duì)應(yīng)的位為“0”之間反轉(zhuǎn)一個(gè)周期，即1023個(gè)碼片中的PN序列碼。
如圖21(C)中所示，在GPS中，一個(gè)字由30位(600毫秒)形成，一個(gè)子幀(6秒)由10字形成，如圖21(D)中所示。如圖21(E)中所示，在子幀的第一個(gè)字中，即使更新數(shù)據(jù)時(shí)，也總是插入具有固定位模式的前同步碼，在前同步碼之后傳送數(shù)據(jù)。
此外，一幀(30秒)由5個(gè)子幀形成。以一幀數(shù)據(jù)為單位傳送導(dǎo)航消息。一幀數(shù)據(jù)中的頭三個(gè)子幀包括衛(wèi)星獨(dú)有的信息，稱為歷表信息。該信息包括用于獲得衛(wèi)星的軌道的參數(shù)，以及衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)的時(shí)間。
所有GPS衛(wèi)星具有原子時(shí)鐘，并且使用共同的時(shí)間信息。當(dāng)GPS衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)時(shí)的時(shí)間與原子時(shí)鐘的一秒同步。與原子時(shí)鐘同步地產(chǎn)生GPS衛(wèi)星的PN序列碼。
以數(shù)小時(shí)為單位更新歷表信息中的軌道信息。在進(jìn)行更新之前，使用相同的信息。歷表信息中的軌道信息可保存在GPS接收器的存儲(chǔ)器中，以便數(shù)小時(shí)正好使用相同的信息。
包含在一幀數(shù)據(jù)中的剩余兩個(gè)子幀中的導(dǎo)航消息是從所有衛(wèi)星共同發(fā)送的信息，稱為歷書信息。在25幀中傳送所述歷書信息，歷書信息包括每個(gè)GPS衛(wèi)星的粗略位置信息和指示哪個(gè)GPS衛(wèi)星可用的信息。歷書信息由從地面站發(fā)送的信息更新。在進(jìn)行更新之前，使用相同的信息。歷書信息可保存在GPS接收器的存儲(chǔ)器中，以便數(shù)小時(shí)使用相同的信息。
為了從所需GPS衛(wèi)星接收信號(hào)，從而獲得上述數(shù)據(jù)，通過(guò)使用和GPS衛(wèi)星使用并將被接收的C/A代碼相同的，在GPS接收器中準(zhǔn)備的PN序列碼(下面，PN序列碼被簡(jiǎn)稱為PN碼)來(lái)獲得從GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)，使C/A代碼相位同步，并且進(jìn)行反向頻譜擴(kuò)展。當(dāng)獲得與C/A代碼的相位同步，并且執(zhí)行反向擴(kuò)展時(shí)，檢測(cè)每個(gè)二進(jìn)制位，并且可從GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)獲得包括時(shí)間信息的導(dǎo)航消息。
通過(guò)C/A代碼相同同步搜索，捕獲從GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)。在相位同步搜索中，檢測(cè)GPS接收器的PN碼和從GPS衛(wèi)星接收的信號(hào)的PN碼之間的相關(guān)性，當(dāng)作為相關(guān)性檢測(cè)的結(jié)構(gòu)獲得的相關(guān)值大于事先規(guī)定的數(shù)值時(shí)，確定這兩個(gè)代碼同步。當(dāng)確定這兩個(gè)代碼不同步時(shí)，利用某一同步方法控制GPS接收器的PN碼的相位，使GPS接收器的PN碼與接收信號(hào)的PN碼同步。
由于通過(guò)利用借助擴(kuò)展碼擴(kuò)展數(shù)據(jù)獲得的信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行BPSK調(diào)制，獲得GPS衛(wèi)星信號(hào)，如上所述，當(dāng)GPS接收器接收GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，除了擴(kuò)展碼之外，對(duì)一載波和數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，也需要獲得同步。不能獨(dú)立進(jìn)行擴(kuò)展碼的同步和載波的同步。
GPS接收器通常把接收信號(hào)的載波頻率從載波頻率轉(zhuǎn)換成幾兆赫茲的中頻，并且借助具有所述中頻的信號(hào)進(jìn)行上述同步檢測(cè)過(guò)程。中頻信號(hào)中的載波主要包括由對(duì)應(yīng)于GPS衛(wèi)星的移動(dòng)速度的多普勒移位導(dǎo)致的頻率誤差和當(dāng)接收信號(hào)被轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)時(shí)，在GPS接收器內(nèi)產(chǎn)生的本地振蕩器的頻率誤差。
于是，由于這些頻率誤差因素的緣故，中頻信號(hào)中的載波頻率未知，需要搜索載波頻率。擴(kuò)展碼一個(gè)周期中的同步點(diǎn)(同步相位)取決于GPS接收器和GPS衛(wèi)星之間的位置關(guān)系。由于該位置關(guān)系同樣未知，因此需要某一同步方法，如上所述。
常規(guī)的GPS接收器使用載波頻率搜索和同步方法，所述同步方法使用滑動(dòng)相關(guān)器、DLL(延遲鎖定回路)和costas回路。
但是，當(dāng)上述常規(guī)方法被用作同步檢測(cè)方法時(shí)，原理上該方法并不適合于高速同步，為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，實(shí)際的接收器需要具有多個(gè)信道，并且并行搜索同步點(diǎn)。當(dāng)擴(kuò)展碼的同步和載波的同步需要如上所述的時(shí)間時(shí)，GPS接收器響應(yīng)緩慢，導(dǎo)致使用不方便。
相反，硬件(典型的硬件是DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)能力的提高已實(shí)現(xiàn)一種通過(guò)利用數(shù)字匹配濾波器，高速實(shí)現(xiàn)代碼同步的方法，所述數(shù)字匹配濾波器使用快速傅里葉變換(下面稱為FFT)，而不使用上面所述的滑動(dòng)相關(guān)方法。
FFT是由高速算法實(shí)現(xiàn)的一種離散傅里葉變換(DFT)。盡管離散傅里葉變換把及時(shí)變換的信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域中的信號(hào)，從而便于進(jìn)行頻率分析，但是FFT計(jì)算算法需要和數(shù)據(jù)項(xiàng)相同數(shù)目(存儲(chǔ)容量)的存儲(chǔ)器(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，RAM)。當(dāng)數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)值為2的16次方時(shí)，就32位計(jì)算(包括復(fù)數(shù)的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分)來(lái)說(shuō)計(jì)算，RAM的所需容量約為524KB。在本說(shuō)明書中，存儲(chǔ)器(RAM)的數(shù)目意指用于讀取和寫入一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)目，并且對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)器的容量。
由于在FFT計(jì)算算法中的計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)重寫輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，遞歸進(jìn)行計(jì)算，因此輸出被寫入輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，輸入數(shù)據(jù)不再保留于其中。于是，為了保留輸入數(shù)據(jù)，必須單獨(dú)提供輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和計(jì)算存儲(chǔ)器，所需的RAM加倍。
即使不必保留輸入數(shù)據(jù)時(shí)，如果輸入數(shù)據(jù)是二進(jìn)制信號(hào)，則上述情況下，輸入數(shù)據(jù)的所需存儲(chǔ)容量約為65.5KB。由于FFT的結(jié)果不是二進(jìn)制的，并且需要幾乎相同數(shù)目的二進(jìn)制位，因此需要容量約為524KB(大于輸入數(shù)據(jù)的數(shù)量)的RAM。
如果頻率分析使用通常的FFT計(jì)算，則數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)值越大，則頻率分辨率越高。但是，如上所述，RAM的所需容量由增大。由于RAM的容量極大地影響LSI(大規(guī)模集成電路)的芯片大小，因此當(dāng)DSP被集成到LSI中時(shí)，RAM容量的增大會(huì)導(dǎo)致成本的增加。于是，需要一種即使稍微延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間，但是能夠利用小容量的RAM維持頻率分辨率的方法。
鑒于上述各點(diǎn)，本發(fā)明的目的是通過(guò)利用和常規(guī)FFT處理所用存儲(chǔ)器相比，存儲(chǔ)容量較小的存儲(chǔ)器進(jìn)行離散傅里葉變換，允許在不降低頻率分辨率的情況下執(zhí)行頻率分析。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決前述問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的頻率分析方法是一種使用2的冪NA＝2a(這里“a”是整數(shù))個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行離散傅里葉變換的方法，其特征在于按照梳狀方式，取出具有2的冪NB＝2b(這里“b”是整數(shù)，并且b＞a)個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的輸入信號(hào)的頻率分量，并計(jì)算NA個(gè)中間數(shù)據(jù)項(xiàng)的前段計(jì)算步驟；和通過(guò)利用用于離散傅里葉變換的NA個(gè)存儲(chǔ)器，對(duì)在前段計(jì)算步驟中獲得的中間數(shù)據(jù)項(xiàng)應(yīng)用快速傅里葉變換的后段計(jì)算步驟，被執(zhí)行預(yù)定的次數(shù)，同時(shí)改變按照梳狀方式取出的頻率分量，以便通過(guò)預(yù)定次數(shù)的運(yùn)算，執(zhí)行離散傅里葉變換。
具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的一方面使用這樣一種結(jié)構(gòu)，其中關(guān)于數(shù)目為NB的數(shù)據(jù)項(xiàng)的FFT計(jì)算過(guò)程包括2b-a組關(guān)于數(shù)目為NA的數(shù)據(jù)項(xiàng)的FFT計(jì)算。換句話說(shuō)，當(dāng)按照梳狀方式取出NB個(gè)輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)的頻率分量，以致所述頻率分量不會(huì)相互重疊時(shí)，關(guān)于取出結(jié)果的后段計(jì)算處理可由2b-a組完全相同的FFT計(jì)算結(jié)構(gòu)(關(guān)于數(shù)目為NA的數(shù)據(jù)項(xiàng)的FFT計(jì)算)形成。
于是，可利用NA＝2a(＜NB)個(gè)計(jì)算存儲(chǔ)器分析NB個(gè)輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)的頻率分量。這意味著可利用和常規(guī)FFT相比，數(shù)目較少的存儲(chǔ)器進(jìn)行離散傅里葉變換計(jì)算，并且可在不降低頻率分辨率的情況下分析頻率分量。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的頻率分析設(shè)備的方框圖。
圖2表示了用于描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的頻率分析方法的FFT信號(hào)流。
圖3是表示用于描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的頻率分析方法的FFT信號(hào)流的視圖的前部分。
圖4是表示用于描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的頻率分析方法的FFT信號(hào)流的視圖的后部分。
圖5是用于描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的頻率分析方法的流程圖。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的另一頻率分析設(shè)備的方框圖。
圖7表示了用于描述根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的頻率分析方法的FFT信號(hào)流圖8是表示用于描述根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的頻率分析方法的FFT信號(hào)流的視圖的前部分。
圖9是表示用于描述根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的頻率分析方法的FFT信號(hào)流的視圖的后部分。
圖10是用于描述根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的頻率分析方法的視圖。
圖11是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的頻率分析設(shè)備的方框圖。
圖12是用于描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的頻率分析方法的流程圖。
圖13是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的另一頻率分析設(shè)備的方框圖。
圖14是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，用作頻譜擴(kuò)展-信號(hào)解調(diào)設(shè)備的GPS接收器的結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖15表示了相關(guān)檢測(cè)輸出的例證頻譜。
圖16表示了實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的載波和擴(kuò)展碼間的同步的方法的例子。
圖17表示了在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的載波和擴(kuò)展碼間的同步的方法。
圖18表示了在考慮其操作的情況下，第一實(shí)施例中的主要部分的結(jié)構(gòu)。
圖19描述了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
圖20描述了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
圖21表示了從GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
其中根據(jù)本發(fā)明的頻率分析方法和頻譜-擴(kuò)展-信號(hào)解調(diào)方法被應(yīng)用于GPS接收器的情況被看作一個(gè)實(shí)施例，并且下面將參考附圖對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。
首先說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的頻率分配方法的要點(diǎn)和工作原理。在下面描述的方法中，假定通過(guò)利用數(shù)目為NA的計(jì)算存儲(chǔ)器(RAM)，對(duì)具有數(shù)目為NB的數(shù)據(jù)項(xiàng)的輸入信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化，以便進(jìn)行頻率分析。在本說(shuō)明書中，存儲(chǔ)器(RAM)的數(shù)目意指用于讀取和寫入一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)目。
具有數(shù)目為NB的數(shù)據(jù)項(xiàng)的輸入信號(hào)被稱為r(n)，通過(guò)對(duì)其應(yīng)用離散傅里葉變換(DFT)獲得的結(jié)果被稱為R(k)，“n”表示離散時(shí)間，“k”表示離散頻率，這里“n”和“k”在從0到NB-1的范圍內(nèi)，并且NB為2b(“b”為整數(shù))。可用在離散傅里葉變換過(guò)程中的計(jì)算存儲(chǔ)器的數(shù)目NA被設(shè)定為2a(“a”為整數(shù))。
為了利用通常的快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算輸入信號(hào)r(n)的離散傅里葉變換的結(jié)果R(k)，保存中間計(jì)算結(jié)果和最終結(jié)果至少需要NA＝NB個(gè)RAM。換句話說(shuō)，輸入信號(hào)r(0)-r(NB-1)被保存在NB個(gè)RAM中，RAM的內(nèi)容在FFT計(jì)算過(guò)程中被重寫，最終的RAM值代表R(0)-R(NB-1)。
這種情況下，由于輸入信號(hào)數(shù)據(jù)丟失，必須單獨(dú)提供用于存儲(chǔ)輸入信號(hào)的RAM和用于FFT計(jì)算的RAM，以便保存輸入信號(hào)。當(dāng)離散傅里葉變換的結(jié)果R(n)中的數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)目NB較小時(shí)，在RAM的所需容量方面不存在任何特殊問(wèn)題。
但是，當(dāng)數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)目NB增大時(shí)，RAM的容量也增大，對(duì)應(yīng)LSI所需的芯片尺寸也增大。這是不符合需要的。另外，由于輸入數(shù)據(jù)r(n)和離散傅里葉變換的結(jié)果R(k)不必象當(dāng)輸入數(shù)據(jù)r(n)為二進(jìn)制信號(hào)時(shí)那樣具有相同的信號(hào)電平，因此存在單獨(dú)提供用于保存輸入數(shù)據(jù)r(n)的RAM和用于FFT計(jì)算的RAM是合乎實(shí)際需要的情況。
如果目的是檢測(cè)非特定的頻率峰值，則不必保留離散傅里葉變換的所有結(jié)果R(k)。這樣，當(dāng)使用其中根據(jù)離散傅里葉變換的定義式，根據(jù)r(n)計(jì)算R(k)的方法，并且相對(duì)于k＝0到NB-1順序檢查結(jié)果時(shí)，由于在把輸入數(shù)據(jù)讀入通用寄存器的同時(shí)進(jìn)行積-和計(jì)算，因此不需要計(jì)算RAM。但是，這種情況下，由于不能使用高速FFT算法，因此計(jì)算量變得非常大，就計(jì)算時(shí)間來(lái)說(shuō)，該方法是不切實(shí)際的。
在下面描述的實(shí)施例中，使用其中執(zhí)行離散傅里葉變換計(jì)算，同時(shí)保留高速FFT算法并減小RAM的所需容量的方法。為了把RAM的所需容量減小到NA＜NB，即a＜b的程度，在下述過(guò)程中的若干階段中進(jìn)行根據(jù)r(n)獲得R(k)的計(jì)算。
這種情況下，單獨(dú)提供用于保存輸入信號(hào)r(n)的RAM和保存離散傅里葉變換的結(jié)果R(k)的計(jì)算RAM。為了把獲得離散傅里葉變換的結(jié)果R(k)的計(jì)算分成若干階段，利用關(guān)于數(shù)目為NB的數(shù)據(jù)項(xiàng)的FFT計(jì)算過(guò)程包括2b-a組的關(guān)于數(shù)目為NA的數(shù)據(jù)項(xiàng)的FFT計(jì)算的特點(diǎn)。下面將說(shuō)明一個(gè)例子。
圖2表示了在輸入信號(hào)具有8個(gè)(NA＝8，a＝3)數(shù)據(jù)項(xiàng)的情況下的FFT信號(hào)流。在左端表示了輸入信號(hào)r(0)-r(7)，在右端表示了離散傅里葉變換的結(jié)果R(0)-R(7)。
圖3和圖4表示了其中輸入信號(hào)具有32個(gè)(NB＝32，b＝5)數(shù)據(jù)項(xiàng)的情況下的FFT信號(hào)流。圖3表示了信號(hào)流視圖的前半部分，在左端表示了輸入信號(hào)r(0)-r(31)，在右端表示了中間計(jì)算值h0(0)-h0(7)、h1(0)-h1(7)、h2(0)-h2(7)和h3(0)-h3(7)。圖4表示了后半部分，在左端表示了中間計(jì)算值h0(0)-h0(7)、h1(0)-h1(7)、h2(0)-h2(7)和h3(0)-h3(7)，在右端表示了離散傅里葉變換的結(jié)果R(0)-R(31)。
當(dāng)比較圖2和圖4時(shí)，發(fā)現(xiàn)由圖4中的細(xì)線封閉的四個(gè)信號(hào)流部分C0、C1、C2和C3均具有和圖2的信號(hào)流視圖相同的形式。更具體地說(shuō)，這四個(gè)信號(hào)流部分C0、C1、C2和C3分別具有作為其輸入的中間計(jì)算值h0(0)-h0(7)、h1(0)-h1(7)、h2(0)-h2(7)和h3(0)-h3(7)，作為其輸出的R0(0)-R0(7)、R1(0)-R1(7)、R2(0)-R2(7)和R3(0)-R3(7)，并且在這四個(gè)信號(hào)流部分C0、C1、C2和C3中應(yīng)用和圖2中所示相同的計(jì)算過(guò)程，不過(guò)它們的輸入和輸出彼此不同。
如圖4中所示，可用Cp和hp(0)-hp(7)表述C0、C1、C2和C3，以及h0(0)-h0(7)、h1(0)-h1(7)、h2(0)-h2(7)和h3(0)-h3(7)，這里“p”(在圖4中所示的情況下，就C0而言，“p”＝0，就C1來(lái)說(shuō)，“p”＝1，就C2來(lái)說(shuō)，“p”＝2，就C3來(lái)說(shuō)，“p”＝3)是包含在信號(hào)流部分C0、C1、C2和C3的輸出R0(0)-R0(7)、R1(0)-R1(7)、R2(0)-R2(7)和R3(0)-R3(7)中的R(k)之中的“k”的最小值。
根據(jù)每種情況下輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)目，圖2中所示的系數(shù)W由下式表示W(wǎng)＝exp(-j2π/8)(表達(dá)式a)圖3和圖4中的系數(shù)W由下式表示W(wǎng)＝exp(-j2π/32)(表達(dá)式b)于是，圖3中進(jìn)行的計(jì)算和在圖4的較后階段C0、C1、C2和C3中進(jìn)行的計(jì)算完全相同。在上面的表達(dá)式中，“j2π”中的“j”表示虛數(shù)單位。
如圖4中所示，在包含于信號(hào)流部分C0、C1、C2和C3的輸出R0(0)-R0(7)、R1(0)-R1(7)、R2(0)-R2(7)和R3(0)-R3(7)中的離散傅里葉變換的結(jié)果R(k)中，以4為間隔，“k”從最小值“p”開(kāi)始增大。
換句話說(shuō)，包含于信號(hào)流部分C0、C1、C2和C3的輸出R0(0)-R0(7)、R1(0)-R1(7)、R2(0)-R2(7)和R3(0)-R3(7)中的離散傅里葉變換的結(jié)果R(k)按照恒定的間隔k＝4排列。
于是，包含于信號(hào)流部分C0、C1、C2和C3的輸出R0(0)-R0(7)、R1(0)-R1(7)、R2(0)-R2(7)和R3(0)-R3(7)中的離散傅里葉變換的結(jié)果R(k)包括按照梳狀方式從具有32個(gè)輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)的r(n)的頻率分量取出的頻率分量，以致不會(huì)相互重疊。
這是由FFT計(jì)算在各個(gè)階段中包括復(fù)合正弦波的乘法和延遲信號(hào)的加法或減法的特點(diǎn)產(chǎn)生的特征。根據(jù)圖4，hp(0)-hp(7)由圖19中的表達(dá)式(1)表述。圖19的表達(dá)式(1)中，hp(i)中的“i”為0、1、2、…和7，并且W＝exp(-j2π/32)。表達(dá)式(1)可整體由圖19中的表達(dá)式(2)表述。
這種情況下，當(dāng)如同常規(guī)FFT中那樣，把W0-W15保存在ROM(只讀存儲(chǔ)器)中時(shí)，可利用W16＝-1和W32＝1的關(guān)系，進(jìn)行涉及W的計(jì)算。
根據(jù)上述說(shuō)明，在第一實(shí)施例中，通過(guò)利用具有圖1中所示結(jié)構(gòu)的頻率分析設(shè)備，可在和常規(guī)FFT相比，存儲(chǔ)器(RAM)容量較小的情況下，對(duì)輸入數(shù)據(jù)r(n)應(yīng)用離散傅里葉變換的計(jì)算?？稍诓唤档皖l率分辨率的情況下，分析頻率分量。
具體地說(shuō)，圖1中所示的頻率分析設(shè)備由根據(jù)輸入數(shù)據(jù)r(n)(這種情況為r(0)-r(31))，計(jì)算中間計(jì)算值hp(i)(這種情況下為h0(0)-h0(7)、h1(0)-h1(7)、h2(0)-h2(7)和h3(0)-h3(7))的前段計(jì)算裝置1，配有RAM的后段計(jì)算裝置2，計(jì)算控制部分3和計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)器，所述RAM用于應(yīng)用于中間計(jì)算值hp(i)的FFT計(jì)算。
在計(jì)算控制部分3的控制下，前段計(jì)算裝置1把輸入數(shù)據(jù)r(i+8n)讀入通用寄存器中，將其乘以W項(xiàng)，在累加器中累加乘積，從而計(jì)算中間計(jì)算值hp(0)-hp(7)，如圖3中所示。
作為計(jì)算結(jié)果的8個(gè)中間計(jì)算值數(shù)據(jù)項(xiàng)被寫入構(gòu)成后段計(jì)算裝置2的8個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算RAM中。在計(jì)算控制部分3的控制下，利用FFT算法，把寫入RAM的8個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)轉(zhuǎn)換成Rp(0)-Rp(7)。
在圖1中，首先獲得、檢查對(duì)應(yīng)于p＝0的R0(0)-R0(7)，大于閾值的峰值被保存在存儲(chǔ)器4中，或者被向外輸出。隨后，“p”被改變成1，2和3，通過(guò)對(duì)8個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)在相同的計(jì)算RAM中重復(fù)計(jì)算，順序進(jìn)行計(jì)算，從而獲得R1(0)-R1(7)、R2(0)-R2(7)和R3(0)-R3(7)，并且順序檢查其頻率分量。由此，最終可分析32個(gè)頻率分量R(0)-R(31)。
上面的說(shuō)明對(duì)應(yīng)于其中NA＝8，a＝3，NB＝32和b＝5的情況。可歸納上述計(jì)算處理中的表達(dá)式(2)，從而獲得圖19中所示的表達(dá)式(3)。
由于表達(dá)式(2)和表達(dá)式(3)中的hp(i)表示通過(guò)對(duì)具有離散頻率分量(上述情況下，以4為間隔)，例如圖3和圖4中所示的Rp(0)-Rp(7)的信號(hào)應(yīng)用反向離散傅里葉變換獲得的信號(hào)，因此hp(i)對(duì)應(yīng)于當(dāng)通過(guò)梳狀濾波器時(shí)獲得的時(shí)間波形。
按照和上述情況下相同的方式，當(dāng)在“p”被設(shè)置為2b-a-1情況下，在這樣歸納的離散傅里葉變換計(jì)算中順序檢查執(zhí)行2b-a次的計(jì)算的結(jié)果Rp(0)-Rp(2a-1)時(shí)，數(shù)目和數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)目NA＝2a相同的計(jì)算RAM可被用于分析NB＝2b頻率分量R(0)-R(2b-1)，這里NB大于NA。
圖5表示了上述頻率分析方法的例證流程圖。
NA、NB、“a”和“b”的值首先被規(guī)定成初始設(shè)定值(步驟S101)。隨后，輸入輸入數(shù)據(jù)r(n)。在圖1中所示的情況下，輸入數(shù)據(jù)r(n)被輸入前段計(jì)算裝置1(步驟S102)。
隨后，“p”被設(shè)成0，指定信號(hào)流部分Cp(p＝0-2b-a-1)內(nèi)的第一信號(hào)流部分C0，按照梳狀方式取出頻率分量(步驟S103)。隨后，通用寄存器被用于根據(jù)上述表達(dá)式(3)獲得中間計(jì)算值hp(i)(步驟S104)。
之后，獲得的中間計(jì)算值hp(i)被寫入數(shù)目和數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)目NA＝2a相同的計(jì)算RAM中，并進(jìn)行FFT計(jì)算，獲得Rp(k)(步驟S105)。對(duì)獲得的Rp(k)進(jìn)行頻率分析(步驟S106)，把分析結(jié)果寫入存儲(chǔ)器或者向外輸出(步驟S107)。
隨后，確定變量“p”是否小于其最大值2b-a-1(步驟S108)。當(dāng)變量“p”小于2b-a-1時(shí)，使變量“p”加1(步驟S109)，程序返回步驟S104，重復(fù)步驟S104的處理和后續(xù)步驟。
借助上述方法，數(shù)目小于輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)目的計(jì)算RAM被用于離散傅里葉變換計(jì)算，分析數(shù)目和輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)目相同的頻率分量。在NA＝4096，a＝12，NB＝65536和b＝16的情況下，計(jì)算RAM的所需數(shù)目為常規(guī)FFT計(jì)算的1/16。
當(dāng)在常規(guī)FFT和根據(jù)本發(fā)明的上述方法之間比較所執(zhí)行的復(fù)數(shù)乘法的次數(shù)時(shí)，在常規(guī)FFT中進(jìn)行4.9×105次復(fù)數(shù)乘法，而在根據(jù)本發(fā)明的方法中進(jìn)行1.4×106次復(fù)數(shù)乘法，該次數(shù)約比前者大三倍。但是，和根據(jù)離散傅里葉變換的定義表達(dá)式進(jìn)行的計(jì)算所需的計(jì)算量4.3×109相比，該方法需要的計(jì)算量小得多，后段FFT計(jì)算使計(jì)算更快。
在圖1中，前段計(jì)算裝置1分別對(duì)信號(hào)流部分C0、C1、C2和C3進(jìn)行FFT計(jì)算，從而獲得8個(gè)中間計(jì)算值，把獲得的中間計(jì)算值寫入后段計(jì)算裝置2的RAM中，以便進(jìn)行FFT計(jì)算?？扇鐖D6中所示改變電路的結(jié)構(gòu)。
就圖6中所示而論，前段計(jì)算裝置5獲得發(fā)送給信號(hào)流部分C0、C1、C2和C3的所有中間計(jì)算值。通過(guò)輸入交換部分6，以8個(gè)數(shù)值為一組，順序把中間計(jì)算值寫入后段計(jì)算裝置2的RAM中，以便適合于在后段計(jì)算裝置2的RAM中進(jìn)行的FFT處理。
首先說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的頻率分配方法的要點(diǎn)和工作原理。這種情況下，同樣假定通過(guò)利用數(shù)目為NA的計(jì)算存儲(chǔ)器(RAM)，對(duì)具有數(shù)目為NB的數(shù)據(jù)項(xiàng)的輸入信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化，以便進(jìn)行頻率分析。
如前所述，根據(jù)第一實(shí)施例的頻率分析方法需要數(shù)目增大的復(fù)數(shù)乘法，稍小于常規(guī)FFT中所需復(fù)數(shù)乘法數(shù)目的3倍。根據(jù)第二實(shí)施例的頻率分析方法改進(jìn)了這一點(diǎn)。
具體地說(shuō)，第二實(shí)施例提供一種更高速地進(jìn)行在第一實(shí)施例中描述的梳狀濾波器計(jì)算和使用FFT的計(jì)算的方法。如后所述，輸入信號(hào)被限制為實(shí)數(shù)信號(hào)(不具有虛數(shù)部分的信號(hào)，例如從GPS衛(wèi)星接收的信號(hào))，以便降低進(jìn)行梳狀濾波器計(jì)算的FFT計(jì)算的次數(shù)。
同樣，在第二實(shí)施例中，為了把獲得離散傅里葉變換的結(jié)果R(k)的計(jì)算分成若干階段，利用關(guān)于數(shù)目為NB的數(shù)據(jù)項(xiàng)的FFT計(jì)算包括2b-a組的關(guān)于數(shù)目為NA的數(shù)據(jù)項(xiàng)的FFT計(jì)算的特點(diǎn)。下面將說(shuō)明一個(gè)例子。
如圖7中所示進(jìn)行根據(jù)第二實(shí)施例的關(guān)于NA數(shù)據(jù)項(xiàng)的FFT計(jì)算。具體地說(shuō)，圖7表示了在輸入信號(hào)具有4個(gè)(NA＝4，a＝2)數(shù)據(jù)項(xiàng)的情況下的FFT信號(hào)流。在左端表示了輸入信號(hào)r(0)-r(3)，在右端表示了離散傅里葉變換的結(jié)果R(0)-R(3)。
圖8和圖9表示了其中輸入信號(hào)具有32個(gè)(NB＝32，b＝5)數(shù)據(jù)項(xiàng)的情況下的FFT信號(hào)流，前面對(duì)其進(jìn)行了說(shuō)明，并表示于圖3和圖4中。就第二實(shí)施例中圖8和圖9中所示來(lái)說(shuō)，圖8中所示的信號(hào)流的前半部分和圖9中所示的后半部分不同于第一實(shí)施例中圖3和圖4中所示的情形。
圖8表示了信號(hào)流視圖的前半部分，在左端表示了輸入信號(hào)r(0)-r(31)，在右端表示了中間計(jì)算值t0(0)-t0(3)、t1(0)-t1(3)、t2(0)-t2(3)、t3(0)-t3(3)、t4(0)-t4(3)、t5(0)-t5(3)、t6(0)-t6(3)和t7(0)-t7(3)。
圖9表示了信號(hào)流視圖的后半部分，在左端表示了中間計(jì)算值t0(0)-t0(3)、t1(0)-t1(3)、t2(0)-t2(3)、t3(0)-t3(3)、t4(0)-t4(3)、t5(0)-t5(3)、t6(0)-t6(3)和t7(0)-t7(3)，在右端表示了離散傅里葉變換的結(jié)果R(0)-R(31)。
當(dāng)比較圖7和圖9時(shí)，發(fā)現(xiàn)由圖9中的細(xì)線封閉的8個(gè)信號(hào)流部分D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7均具有和圖7的信號(hào)流視圖相同的形式。更具體地說(shuō)，這八個(gè)信號(hào)流部分D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7分別具有作為其輸入的中間計(jì)算值t0(0)-t0(3)、t1(0)-t1(3)、t2(0)-t2(3)、t3(0)-t3(3)、t4(0)-t4(3)、t5(0)-t5(3)、t6(0)-t6(3)和t7(0)-t7(3)，作為其輸出的R0(0)-R0(3)、R1(0)-R1(3)、R2(0)-R2(3)、R3(0)-R3(3)、R4(0)-R4(3)、R5(0)-R5(3)和R7(0)-R7(3)，并且在這八個(gè)信號(hào)流部分D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7中應(yīng)用和圖2中所示相同的計(jì)算程序，不過(guò)它們的輸入和輸出彼此不同。
如圖9中所示，可用Dq和tq(0)-tq(3)表述D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7，以及t0(0)-t0(3)、t1(0)-t1(3)、t2(0)-t2(3)、t3(0)-t3(3)、t4(0)-t4(3)、t5(0)-t5(3)、t6(0)-t6(3)和t7(0)-t7(3)，這里“q”(在圖9中所示的情況下，在D0中“q”＝0，在D1中“q”＝1，在D2中“q”＝2，在D3中“q”＝3，在D4中“q”＝4，在D5中“q”＝5，在D6中“q”＝6，在D7中“q”＝7)是包含在信號(hào)流部分D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7的輸出R0(0)-R0(3)、R1(0)-R1(3)、R2(0)-R2(3)、R3(0)-R3(3)、R4(0)-R4(3)、R5(0)-R5(3)、R6(0)-R6(3)和R7(0)-R7(3)中的R(k)之中的“k”的最小值。
根據(jù)每種情況下輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)目，圖7中所示的系數(shù)W由下式表示W(wǎng)＝exp(-j2π/4)(表達(dá)式a)圖8和圖9中的系數(shù)W由下式表示W(wǎng)＝exp(-j2π/32)(表達(dá)式b)于是，圖7中進(jìn)行的計(jì)算和在圖9中的較后階段D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7中進(jìn)行的計(jì)算完全相同。在上面的表達(dá)式中，“j2π”中的“j”表示虛數(shù)單位。
如圖9中所示，在包含于信號(hào)流部分D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7的輸出R0(0)-R0(3)、R1(0)-R1(3)、R2(0)-R2(3)、R3(0)-R3(3)、R4(0)-R4(3)、R5(0)-R5(3)、R6(0)-R6(3)和R7(0)-R7(3)中的離散傅里葉變換的結(jié)果R(k)中，以8為間隔，“k”從最小值“q”開(kāi)始增大。
換句話說(shuō)，包含于信號(hào)流部分D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7的輸出R0(0)-R0(3)、R1(0)-R1(3)、R2(0)-R2(3)、R3(0)-R3(3)、R4(0)-R4(3)、R5(0)-R5(3)、R6(0)-R6(3)和R7(0)-R7(3)中的離散傅里葉變換的結(jié)果R(k)按照恒定的間隔k＝8排列。
于是，包含于信號(hào)流部分D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7的輸出R0(0)-R0(3)、R1(0)-R1(3)、R2(0)-R2(3)、R3(0)-R3(3)、R4(0)-R4(3)、R5(0)-R5(3)、R6(0)-R6(3)和R7(0)-R7(3)中的離散傅里葉變換的結(jié)果R(k)包括按照梳狀方式從具有32個(gè)輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)的r(n)的頻率分量取出的頻率分量，以致不會(huì)相互重疊。
例如，圖10表示了信號(hào)流部分D1和信號(hào)流部分D7之間的關(guān)系。如圖10中清楚所示，包含于信號(hào)流部分D1中的，包含在離散傅里葉的結(jié)果R1(0)-R1(3)中的離散傅里葉變換的結(jié)果R(k)和包含于信號(hào)流部分D7中的離散傅里葉的結(jié)果R7(0)-R7(3)彼此間隔7。結(jié)果不會(huì)相互重疊，并且包括按照梳狀方式取出的頻率分量。
于是，在第二實(shí)施例中，由于前段計(jì)算裝置根據(jù)輸入數(shù)據(jù)r(n)獲得中間值tq(m)(這里m是等于或大于零的整數(shù)，這種情況下，M＝0、1、2或3)，具有用于對(duì)中間計(jì)算值tq(m)應(yīng)用FFT計(jì)算的RAM的后段計(jì)算裝置順序計(jì)算D0-D7，因此同樣可在存儲(chǔ)器的數(shù)目小于常規(guī)FFT中所用存儲(chǔ)器數(shù)目的情況下，對(duì)輸入數(shù)據(jù)r(n)應(yīng)用離散傅里葉變換計(jì)算，并且可在不降低頻率分辨率的情況下分析頻率分量。
但是，這種情形下發(fā)生和上述第一實(shí)施例相同的問(wèn)題。在第二實(shí)施例中，在輸入信號(hào)被限制為不具有虛數(shù)部分的實(shí)數(shù)信號(hào)的情況下，由于該情形具有后面描述的特征，因此后段計(jì)算裝置只對(duì)信號(hào)流部分D0-D7內(nèi)的信號(hào)流部分D0-D4進(jìn)行FFT計(jì)算，從而獲得關(guān)于全部信號(hào)流部分D0-D7的FFT計(jì)算的結(jié)果。借助這種技術(shù)，可使計(jì)算處理速度更快。下面將說(shuō)明在第二實(shí)施例中使計(jì)算處理速度更快的方法。
當(dāng)不具有虛數(shù)部分的信號(hào)被轉(zhuǎn)換成頻域中的信號(hào)時(shí)，通常知道轉(zhuǎn)換結(jié)果R(k)的實(shí)數(shù)部分是偶函數(shù)，虛數(shù)部分是奇函數(shù)。這樣，下述表達(dá)式被滿足。
Rr(k)＝Rr(NB-k)(表達(dá)式c)Ri(k)＝-Ri(NB-k)(表達(dá)式d)這里，Rr(k)和Ri(k)分別代表R(k)的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分，NB代表數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)目。
圖9中所示的信號(hào)流D1和D7為D1＝{R1(0)、R1(1)、R1(2)、R1(3)}＝{R(1)、R(9)、R(17)、R(25)}D7＝{R7(0)、R7(1)、R7(2)、R7(3)}＝{R(7)、R(15)、R(23)、R(31)}根據(jù)表達(dá)式c，下述表達(dá)式被滿足。
R7(0)＝R7r(0)+jR7i(0)＝Rr(7)+jRi(7)＝Rr(25)-iRi(25)＝R1r(3)-R1i(3)＝R1′(3)這里，“j”是虛數(shù)單位，Rxr(k)和Rxi(k)分別代表Rx(k)的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分，Rx′(k)代表虛數(shù)部分的符號(hào)被反轉(zhuǎn)的Rx(k)。
按照相同的方式，下述表達(dá)式也被滿足。
R7(1)＝R1′(2)R7(2)＝R1′(1)R7(3)＝R1′(0)隨后，得到下述表達(dá)式。
R7(m)＝R1′(Nc-1-m)(0≤m≤Nc)這里，Nc代表信號(hào)流部分中數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)目。
按照相同方式，在信號(hào)流部分D2和D6之間，以及信號(hào)流部分D3和D5之間，下述關(guān)系被滿足。
R6(m)＝R2′(Nc-1-m)R5(m)＝R3′(Nc-1-m)在信號(hào)流部分D0和D4之間，這樣的關(guān)系并不被滿足。更一般地說(shuō)，在n個(gè)信號(hào)流部分中的D0和D[n/2]之間，這樣的關(guān)系不被滿足。
如上所述，當(dāng)在信號(hào)流部分D0-D7的一些部分中分別獲得的FFT結(jié)果的元素的虛數(shù)部分的符號(hào)被反轉(zhuǎn)，并且元素的排列順序被反轉(zhuǎn)時(shí)，所述元素變成和在另一信號(hào)流部分中獲得的FFT結(jié)果的元素相等。更具體地說(shuō)，當(dāng)在信號(hào)流部分D1、D2和D3中獲得FFT計(jì)算的結(jié)果時(shí)，通過(guò)反轉(zhuǎn)在信號(hào)流部分D1、D2和D3中獲得的FFT結(jié)果的元素的虛數(shù)部分的符號(hào)，以及通過(guò)反轉(zhuǎn)元素的排列順序，可獲得關(guān)于信號(hào)流部分D7、D6和D5的FFT計(jì)算的結(jié)果。
于是，當(dāng)對(duì)全部信號(hào)進(jìn)行FFT處理，并將其轉(zhuǎn)換成頻域中的信號(hào)時(shí)，如果只在8個(gè)信號(hào)流部分D0-D7中的信號(hào)流部分D0-D4中進(jìn)行FFT計(jì)算，根據(jù)信號(hào)流部分D1-D3中FFT計(jì)算的結(jié)果，可容易地計(jì)算剩余信號(hào)流部分D5-D7的結(jié)果。因此，可省略關(guān)于信號(hào)流部分D5-D7的FFT計(jì)算，以及用于獲得信號(hào)流部分D5-D7的輸入的梳狀濾波器計(jì)算。
由此，根據(jù)第二實(shí)施例，在使用的存儲(chǔ)器的數(shù)量和頻率分辨率與第一實(shí)施例相同的情況下，可以比第一實(shí)施例更快的速度進(jìn)行FFT。當(dāng)在常規(guī)FFT、第一實(shí)施例和第二實(shí)施例間比較復(fù)數(shù)乘法的次數(shù)時(shí)，在NA被設(shè)為4096，NB被設(shè)為65536的情況下，常規(guī)FFT需要4.9×105次乘法，第一實(shí)施例需要1.4×106次乘法，稍小于常規(guī)FFT中乘法次數(shù)的三倍，第二實(shí)施例只需要7.9×105次乘法，約為常規(guī)FFT中所需乘法次數(shù)的1.6倍。
根據(jù)上述說(shuō)明，通過(guò)利用具有圖11中所示結(jié)構(gòu)的頻率分析設(shè)備，可在存儲(chǔ)器(RAM)少于常規(guī)FFT中所用存儲(chǔ)器的情況下，，對(duì)輸入數(shù)據(jù)r(n)高速應(yīng)用離散傅里葉變換計(jì)算，并且可在不降低頻率分辨率的情況下，分析頻率分量。
具體地說(shuō)，圖11中所示的頻率分析設(shè)備由根據(jù)輸入數(shù)據(jù)r(n)(在圖8和圖9中所示情況下，為r(0)-r(31))，計(jì)算中間計(jì)算值tq(m)的前段計(jì)算裝置11，配有RAM(用于應(yīng)用于中間計(jì)算值tq(m)(在圖8和圖9中所示情況下，0≤q≤4，0≤m≤3)的FFT計(jì)算)，用于反轉(zhuǎn)獲得的FFT結(jié)果的元素的排列順序，并且反轉(zhuǎn)虛數(shù)部分的符號(hào)，以便獲得其它FFT計(jì)算的結(jié)果的后段計(jì)算裝置12，計(jì)算控制部分13和計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)器14。
在計(jì)算控制部分13的控制下，前段計(jì)算裝置11把輸入數(shù)據(jù)r(n)讀入通用寄存器，將其乘以W項(xiàng)，在累加器中累加乘積，以便計(jì)算中間計(jì)算值tq(m)，如圖8中所示。并沒(méi)有對(duì)0≤q≤(Q-1)中的所有q值計(jì)算中間計(jì)算值tq(m)(這里Q代表具有NA個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的信號(hào)流部分的數(shù)目，在上述情況下，Q＝8)，而是在0≤q≤Q/2中計(jì)算中間計(jì)算值tq(m)。更具體地說(shuō)，在圖8和圖9中所示情況下，五組中間計(jì)算值t0(0)-t0(3)、t1(0)-t1(3)、t2(0)-t2(3)、t3(0)-t3(3)和t4(0)-t4(3)輸入計(jì)算信號(hào)流部分D0-D4。
作為計(jì)算結(jié)果的(Q/2+1)組中間計(jì)算值數(shù)據(jù)被寫入構(gòu)成后段計(jì)算裝置12的m個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算RAM中。在計(jì)算控制部分13的控制下，利用FFT算法，寫入RAM的m個(gè)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成Rq(m)。
就計(jì)算結(jié)果Rq(m)中的R1(m)-R[Q/x-1](m)來(lái)說(shuō)，其元素的排列順序被反轉(zhuǎn)，并且虛數(shù)部分的符號(hào)也被反轉(zhuǎn)，以便在后段計(jì)算裝置12中計(jì)算FFT計(jì)算的結(jié)果，R[Q/2+1](m)-R[Q-1](m)。
就參考圖8和圖9說(shuō)明的情況來(lái)說(shuō)，在圖11中，首先獲得、檢查對(duì)應(yīng)于q＝0的FFT計(jì)算結(jié)果R0(0)-R0(3)，大于閾值的峰值被保存在存儲(chǔ)器14中，或者被向外輸出。隨后，首先獲得、檢查對(duì)應(yīng)于q＝1的FFT計(jì)算結(jié)果R1(0)-R1(3)，大于閾值的峰值被保存在存儲(chǔ)器14中，或者被向外輸出。
隨后，反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于q＝1的FFT計(jì)算結(jié)果R1(0)-R1(3)的元素的排列順序，并反轉(zhuǎn)元素的虛數(shù)部分的符號(hào)，從而獲得對(duì)應(yīng)于q＝7的FFT計(jì)算結(jié)果R7(0)-R7(3)。檢查這些結(jié)果，大于閾值的峰值保存在存儲(chǔ)器14中，或者被向外輸出。
隨后當(dāng)q＝2和q＝3時(shí)，按照q＝0情況下的相同方式進(jìn)行計(jì)算，從而通過(guò)對(duì)于四個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，在相同的計(jì)算RAM中的重復(fù)計(jì)算，獲得R2(0)-R2(3)和R3(0)-R3(3)，并且順序檢查其頻率分量。結(jié)果保存在存儲(chǔ)器14中或者被向外輸出。
隨后，反轉(zhuǎn)FFT計(jì)算結(jié)果R2(0)-R2(3)和R3(0)-R3(3)中每個(gè)FFT計(jì)算結(jié)果的元素的排列順序，并反轉(zhuǎn)元素的虛數(shù)部分的符號(hào)，以便獲得對(duì)應(yīng)于q＝6和q＝5的FFT計(jì)算結(jié)果R6(0)-R6(3)和R5(0)-R5(3)。檢查獲得的所述計(jì)算結(jié)果，并且把大于閾值的峰值保存在存儲(chǔ)器14中或者向外輸出。
最后，獲得并檢查對(duì)應(yīng)于q＝4的FFT計(jì)算結(jié)果R4(0)-R4(3)，并且把大于閾值的峰值保存存儲(chǔ)器14中或者向外輸出。由此，對(duì)32個(gè)頻率分量R(0)-R(32)應(yīng)用了頻率分析。
圖12表示了上述頻率分析方法的例證流程圖。當(dāng)該流程圖中所示的處理主要對(duì)應(yīng)于圖11中所示情況下，計(jì)算控制部分13的控制處理。
NA、NB、“a”和“b”的值首先被規(guī)定成初始設(shè)定值(步驟S201)。隨后，輸入輸入數(shù)據(jù)r(n)。在圖11中所示的情況下，輸入數(shù)據(jù)r(n)被輸入前段計(jì)算裝置11(步驟S202)。
隨后，“q”被設(shè)成0，以指定信號(hào)流部分Dq(q＝0-2b-a-1)內(nèi)的第一信號(hào)流部分D0，這里按照梳狀方式取出頻率分量(步驟S203)。隨后，通用寄存器被用于獲得中間計(jì)算值tq(m)(步驟S204)。
之后，獲得的中間計(jì)算值tq(m)被寫入數(shù)目和數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)目NA＝2a相同的計(jì)算RAM中，并進(jìn)行FFT計(jì)算，獲得Rq(m)(步驟S205)。對(duì)獲得的Rq(m)進(jìn)行頻率分析(步驟S206)。
隨后，確定變量“q”是否在范圍0＜q＜2b-a-1之內(nèi)(步驟S207)。當(dāng)變量“q”未落入在該范圍內(nèi)時(shí)，只輸出在步驟S206獲得的分析結(jié)果。在上面參考圖8和圖9描述的情況下，在步驟S207中確定是否處理了信號(hào)流部分D1-D3之一，在信號(hào)流部分D1-D3之一中，通過(guò)反轉(zhuǎn)FFT結(jié)果的元素的排列順序，以及反轉(zhuǎn)虛數(shù)部分，獲得另一信號(hào)流部分的FFT結(jié)果。
隨后，確定變量“q”是否滿足q≤2b-a-1-1(步驟S211)。當(dāng)變量“q”不滿足該表達(dá)式時(shí)，終止處理例程。當(dāng)變量“q”滿足該表達(dá)式時(shí)，使變量“q”加1(步驟S212)，程序返回步驟S204，重復(fù)步驟S204和后續(xù)步驟的處理。
當(dāng)在步驟S207中確定變量“q”落入范圍0＜q＜2b-a-1中時(shí)，反轉(zhuǎn)以變量“q”獲得的FFT結(jié)果的元素的排列順序，并反轉(zhuǎn)虛數(shù)部分，從而獲得當(dāng)變量“q”為(2b-a-q)時(shí)得到的FFT結(jié)果(步驟S208)，并對(duì)該結(jié)果進(jìn)行頻率分析(步驟S209)。之后，在步驟S210中，輸出在步驟S206中得到的分析結(jié)果和在步驟S209中得到的分析結(jié)果。程序轉(zhuǎn)到步驟S211。
在圖11中，在圖8和圖9中所示的情況下，前段計(jì)算裝置11分別對(duì)信號(hào)流部分D0、D1、D2和D3進(jìn)行FFT計(jì)算，獲得四個(gè)中間計(jì)算值，把獲得的中間計(jì)算值寫入后段計(jì)算裝置12的RAM中，以便進(jìn)行FFT計(jì)算?？扇鐖D13中所示改變電路的結(jié)構(gòu)。
就圖13中所示而論，在圖8和圖9中所示的情況下，前段計(jì)算裝置15獲得發(fā)送給需要信號(hào)輸入的信號(hào)流部分D0、D1、D2和D3的所有中間計(jì)算值t0(0)-t0(3)，t1(0)-t1(3)，t2(0)-t2(3)，t3(0)-t3(3)和t4(0)-t4(3)。通過(guò)輸入交換部分16，以4個(gè)數(shù)值為一組，順序把中間計(jì)算值寫入后段計(jì)算裝置12的RAM中，以便適合于在后段計(jì)算裝置12的RAM中進(jìn)行的FFT處理。
上面描述的本發(fā)明實(shí)施例中的頻率分析方法被用于在GPS接收器中解調(diào)頻譜擴(kuò)展信號(hào)，以使DSP 100的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高速處理。下面將說(shuō)明用作根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的頻譜-擴(kuò)展-信號(hào)解調(diào)設(shè)備的GPS接收器的例證結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的頻率分析方法被應(yīng)用于所述實(shí)施例。
圖14是表示該情況下，GPS接收器的例證結(jié)構(gòu)的方框圖。如圖14中所示，從GPS衛(wèi)星發(fā)出并由天線21接收的信號(hào)(頻譜擴(kuò)展信號(hào))通過(guò)高頻放大電路22被發(fā)送給中頻變換電路23。由晶體振蕩器形成的參考振蕩器24的輸出被發(fā)送給本地振蕩電路25。由此，獲得本地振蕩輸出，在所述輸出中，參考振蕩器的輸出頻率和頻率比率被固定。
本地振蕩輸出被發(fā)送給中頻變換電路23，衛(wèi)星信號(hào)被降頻轉(zhuǎn)換成具有1.023MHz中頻的中頻信號(hào)。中頻信號(hào)由放大電路26放大，其帶寬由帶通濾波器27限制，該信號(hào)被發(fā)送給DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)100。
圖14中用虛線封閉的方框圖表示以硬件方式由DSP 100執(zhí)行的功能。這些部分也可由作為硬件的離散電路構(gòu)成。圖14中DSP 100的結(jié)構(gòu)表示了數(shù)字匹配濾波器的結(jié)構(gòu)。
發(fā)送給DSP 100的信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器101轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并被寫入緩沖存儲(chǔ)器102中。從緩沖存儲(chǔ)器102讀取的信號(hào)被發(fā)送給FFT處理部分103。這種情況下，F(xiàn)FT處理部分103對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)展碼一個(gè)周期(對(duì)應(yīng)于1023個(gè)碼片)的FFT處理，同時(shí)使相位連續(xù)移動(dòng)一個(gè)碼片。
如前所述的根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例或第二實(shí)施例的頻率分析設(shè)備被用作FFT處理部分103。頻譜擴(kuò)展信號(hào)(也是GSP接收器中的接收信號(hào))是實(shí)數(shù)信號(hào)，可照原樣應(yīng)用第二實(shí)施例。
在這種情況下的GPS接收器中，保存在后段計(jì)算裝置2或12的RAM中的FFT結(jié)果都被寫入存儲(chǔ)器104中。從存儲(chǔ)器104讀取的接收信號(hào)的FFT結(jié)果被發(fā)送給乘法部分105。
擴(kuò)展碼生成部分106產(chǎn)生和在來(lái)自于衛(wèi)星的，將由DSP 100處理的接收信號(hào)中使用的擴(kuò)展碼相同序列的擴(kuò)展碼。從擴(kuò)展碼生成部分106把一個(gè)周期(1023碼片)的擴(kuò)展碼發(fā)給FFT處理部分107。
上述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的頻率分析設(shè)備可用作FFT處理部分107。FFT處理的結(jié)果被發(fā)送給存儲(chǔ)器108。如同通常那樣，從較低頻率順序讀取FFT的結(jié)果，并將其發(fā)送給乘法部分105。
乘法器105把從存儲(chǔ)器104送出的接收信號(hào)的FFT處理結(jié)果乘以從存儲(chǔ)器108送出的擴(kuò)展碼的FFT處理結(jié)果，從而計(jì)算頻域中接收信號(hào)和擴(kuò)展碼之間的相關(guān)程度。實(shí)際上，在乘法部分105中，使接收信號(hào)的離散傅里葉變換結(jié)果和擴(kuò)展碼的離散傅里葉變換結(jié)果之一的共軛復(fù)數(shù)乘以另一變換結(jié)果。具體地說(shuō)，計(jì)算部分(未示出)計(jì)算從存儲(chǔ)器108(或者存儲(chǔ)器104)讀取的FFT結(jié)果的共軛復(fù)數(shù)，并將其發(fā)送給乘法部分105。另一方面，可在把FFT的結(jié)果寫入存儲(chǔ)器108(或者存儲(chǔ)器104)之前，計(jì)算其共軛復(fù)數(shù)。乘法的結(jié)果被發(fā)送給反向FFT處理部分109，頻域中的信號(hào)被轉(zhuǎn)換成時(shí)域中的信號(hào)。
從反向FFT處理部分109獲得的反向FFT處理結(jié)果是時(shí)域中，接收信號(hào)和擴(kuò)展碼的相關(guān)檢測(cè)信號(hào)。該相關(guān)檢測(cè)信號(hào)被發(fā)送給相關(guān)點(diǎn)檢測(cè)部分110。相關(guān)點(diǎn)檢測(cè)部分110確定是否已使接收的信號(hào)已擴(kuò)展碼同步。當(dāng)確定它們已同步時(shí)，峰值的相位被檢測(cè)為相關(guān)點(diǎn)。
該相關(guān)檢測(cè)信號(hào)表示擴(kuò)展碼的一個(gè)周期中，每個(gè)碼片相位下的相關(guān)值。當(dāng)使接收信號(hào)中的擴(kuò)展碼與從擴(kuò)展碼生成部分106發(fā)出的擴(kuò)展碼同步時(shí)，得到如圖15中所示的相關(guān)波形，其中在1023個(gè)碼片中的一個(gè)碼片的相位下的相關(guān)值表示超過(guò)事先確定的閾值的峰值。具有該峰值的碼片相位是相關(guān)點(diǎn)的相位。
當(dāng)接收信號(hào)中的擴(kuò)展碼未與從擴(kuò)展碼生成部分106發(fā)出的擴(kuò)展碼同步時(shí)，不能獲得如圖15中所示的具有峰值的相關(guān)波形。在任意碼片相位下，不存在超過(guò)事先確定的閾值的任意峰值。
相關(guān)點(diǎn)檢測(cè)部分110確定發(fā)送給其的相關(guān)檢測(cè)信號(hào)是否具有超過(guò)事先確定的閾值的峰值，從而確定接收信號(hào)是否與擴(kuò)展碼同步。當(dāng)確定它們同步時(shí)，峰值的相位被檢測(cè)為相關(guān)點(diǎn)。
在上面的說(shuō)明中，沒(méi)有考慮接收信號(hào)的載波。實(shí)際上，接收信號(hào)r(n)包括由圖20的表達(dá)式(6)表示的載波。在表達(dá)式(6)中，“A”代表幅度，d(n)代表數(shù)據(jù)，f0代表中頻信號(hào)中的載波角頻率，n(n)代表噪聲。
當(dāng)在A/D轉(zhuǎn)換器101中把采樣頻率稱為fs，把采樣次數(shù)稱為“N”(于是0≤n＜N，并且0≤k＜N)時(shí)，離散傅里葉變換之后，離散頻率k和實(shí)際頻率f之間的關(guān)系滿足f＝k·fs/N，0≤k≤N/2，并且f＝(k-N)·fs/N，N/2＜k＜N。由于離散傅里葉變換的特征，當(dāng)K＜0并且K≥N時(shí)，R(k)和C(k)是循環(huán)的。
為了根據(jù)接收信號(hào)r(n)獲得數(shù)據(jù)d(n)，必須使擴(kuò)展碼c(n)和載波cos2πnf0同步，并除去該載波分量。換句話說(shuō)，當(dāng)在圖20的表達(dá)式(5)中，只有R(k)包括載波分量時(shí)，如后所述，不能獲得圖15中所示的波形。
本實(shí)施例中，只具有頻域中的FFT處理的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)便于使擴(kuò)展碼c(n)和載波cos2πnf0同步，并且便于除去載波分量。
具體地說(shuō)，按照接收信號(hào)的頻率分量的頻率的升序，從存儲(chǔ)器104讀取FFT處理部分103獲得的來(lái)自于GPS衛(wèi)星的接收信號(hào)的FFT結(jié)果，并且在通常情況下，將其發(fā)送給乘法部分105。但是，在本實(shí)施例中，在讀取地址受讀取地址控制部分111的控制而被移位的情況下，從存儲(chǔ)器順序讀取接收信號(hào)的FFT結(jié)果。
根據(jù)發(fā)出接收信號(hào)的GPS衛(wèi)星的多普勒漂移的正確估計(jì)量，以及根據(jù)GPS接收器內(nèi)的正確校準(zhǔn)的振蕩頻率和時(shí)間信息檢測(cè)的，和接收信號(hào)的載波頻率有關(guān)的信息被發(fā)送給讀取地址控制部分111。和載波頻率有關(guān)的信息只可由GPS接收器產(chǎn)生，但是通常從外部獲得。
隨后，讀取地址控制部分111根據(jù)獲得的和載波頻率有關(guān)的信息移動(dòng)讀動(dòng)地址，移動(dòng)量為載波頻率，順序從存儲(chǔ)器104讀取接收信號(hào)的FFT結(jié)果，并將其發(fā)送給乘法部分105。
當(dāng)在按照這種方式移動(dòng)讀取地址，移動(dòng)量為接收信號(hào)的載波頻率的情況下，從存儲(chǔ)器104讀取接收信號(hào)r(n)的FFT結(jié)果時(shí)，獲得了和已除去載波分量的接收信號(hào)的FFT結(jié)果相等的FFT結(jié)果，如后所述。當(dāng)對(duì)已除去載波分量的接收信號(hào)的FFT結(jié)果和一個(gè)周期的擴(kuò)展碼的FFT結(jié)果的乘積解擴(kuò)展時(shí)，總是獲得如圖15中所示的在相關(guān)點(diǎn)具有峰值的相關(guān)檢測(cè)輸出。
如后所述，通過(guò)不控制從存儲(chǔ)器104讀取的FFT結(jié)果的讀取地址，而是控制從存儲(chǔ)器108讀取的擴(kuò)展碼的FFT結(jié)果的讀取地址，還可把接收信號(hào)r(n)的載波分量添加到擴(kuò)展碼的FFT結(jié)果中，利用乘法部分105中的乘法除基本上除去載波分量。
下面將更詳細(xì)地說(shuō)明通過(guò)控制存儲(chǔ)器104或108的讀取地址，由接收信號(hào)的載波和擴(kuò)展碼的同步實(shí)現(xiàn)的載波分量的消除，以及DSP100中數(shù)字匹配濾波器的處理操作。
本實(shí)施例中，在DSP 100中進(jìn)行數(shù)字匹配濾波器的處理。數(shù)字匹配濾波器的處理原理以時(shí)域中的卷積傅里葉變換是頻域中的乘法的定理為基礎(chǔ)，如圖20的表達(dá)式(4)所示。
在表達(dá)式(4)中，r(n)代表時(shí)域中的接收信號(hào)，R(k)表示該接收信號(hào)的離散傅里葉變換。另外，c(n)表示從擴(kuò)展碼生成部分發(fā)出的擴(kuò)展碼，C(K)表示所述擴(kuò)展碼的離散傅里葉變換，“n”表示離散時(shí)間，“k”表示離散頻率，F(xiàn)[]表示傅里葉變換。
當(dāng)兩個(gè)信號(hào)r(n)和c(n)的相關(guān)函數(shù)被定義成f(n)、F(k)時(shí)，它表示f(n)的離散傅里葉變換具有圖20的表達(dá)式(5)中所示的關(guān)系。于是，當(dāng)假定r(n)是從圖14中所示的A/D轉(zhuǎn)換器101發(fā)出的信號(hào)，c(n)是從擴(kuò)展碼生成部分106發(fā)出的擴(kuò)展碼，通過(guò)利用表達(dá)式(5)，而不必利用常規(guī)的定義表達(dá)式，可在下述程序中計(jì)算r(n)和c(n)的相關(guān)函數(shù)f(n)。
-計(jì)算R(k)，它是接收信號(hào)r(n)的離散傅里葉變換。
-計(jì)算C(k)的共軛復(fù)數(shù)C(k)，它是擴(kuò)展碼c(n)的離散傅里葉變換。
-通過(guò)利用R(k)和C(k)的共軛復(fù)數(shù)C(k)，在表達(dá)式(2)中計(jì)算F(k)。
-通過(guò)對(duì)F(k)應(yīng)用反向離散傅里葉變換，計(jì)算相關(guān)函數(shù)f(n)。
當(dāng)包含在接收信號(hào)r(n)中的擴(kuò)展碼與從擴(kuò)展碼生成部分106發(fā)出的擴(kuò)展碼c(n)匹配時(shí)，如上所述，根據(jù)上述程序計(jì)算的相關(guān)函數(shù)f(n)具有如圖15中所示的在相關(guān)點(diǎn)具有峰值的時(shí)間波形。
下面說(shuō)明包含在接收信號(hào)r(n)中的載波和擴(kuò)展碼的同步。
如前所述，接收信號(hào)r(n)包括由圖20的表達(dá)式(6)表示的載波。為了從接收信號(hào)r(n)獲得數(shù)據(jù)d(n)，必須使擴(kuò)展碼c(n)與載波cos2πnf0同步，并除去載波分量。換句話說(shuō)，當(dāng)只有R(k)包含圖20的表達(dá)式(5)中的載波分量時(shí)，如前所述，不能獲得圖15中所示的波形。
當(dāng)正確估計(jì)多普勒漂移的數(shù)量，并且GPS接收器的振蕩頻率和時(shí)間信息正確時(shí)，接收信號(hào)r(n)的載波頻率f0變成已知。這種情況下，如圖16中所示，通過(guò)在FFT處理部分103的前一級(jí)設(shè)置乘法部分121，并且通過(guò)在乘法部分121中，用從信號(hào)發(fā)生部分122發(fā)出的頻率為f0的載波乘以接收信號(hào)r(n)，以便進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，可在FFT之前，從接收信號(hào)r(n)中除去載波分量。
這樣，由于從存儲(chǔ)器104獲得已除去載波分量的接收信號(hào)r(n)的FFT結(jié)果，并且在乘法部分105中，用擴(kuò)展碼c(n)的FFT結(jié)果乘以所述FFT結(jié)果，因此總是以反向FFT處理部分109的輸出的形式，獲得如圖15中所示在相關(guān)點(diǎn)具有峰值的時(shí)間波形。
如圖16中的圓括號(hào)所示，通過(guò)在FFT處理部分107的前一級(jí)設(shè)置乘法部分121，并且通過(guò)在乘法部分121中，用從信號(hào)發(fā)生部分122發(fā)出的頻率為f0的載波乘以擴(kuò)展碼c(n)，以便進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，當(dāng)把載波分量添加到擴(kuò)展碼中，同時(shí)不從接收信號(hào)r(n)中除去載波分量時(shí)，可獲得相同的結(jié)果。
這樣，由于使包含在從存儲(chǔ)器104讀取的接收信號(hào)的FFT結(jié)果中的載波分量與包含在從存儲(chǔ)器108讀取的擴(kuò)展碼的FFT結(jié)果中的添加載波分量同步，從反向FFT處理部分109獲得如圖15中所示在相關(guān)點(diǎn)具有峰值的相關(guān)檢測(cè)輸出。
但是，在上述方法(其中如圖16中所示用載波頻率信號(hào)乘以時(shí)域中的信號(hào))，特別需要用于除去載波分量的乘法部分，因此結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，并且由于乘法的緣故，處理速度變慢。
作為FFT的一個(gè)特征，上述頻率乘法可用圖20的表達(dá)式(7)表述。在表達(dá)式(7)中，F(xiàn)[]代表離散傅里葉變換，φ0是與載波的相差，k0是對(duì)應(yīng)于f0的k，并且f0＝k0·fs/N。根據(jù)表達(dá)式(7)，通過(guò)如圖16中所示，對(duì)從接收信號(hào)r(n)經(jīng)頻率轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)應(yīng)用FFT處理獲得的信號(hào)是通過(guò)對(duì)r(n)應(yīng)用FFT處理，并移動(dòng)載波頻率k0而獲得的R(k)。
根據(jù)上述說(shuō)明，圖16中所示的結(jié)構(gòu)可被改成圖17中所示的結(jié)構(gòu)。更具體地說(shuō)，代替用載波頻率乘以接收信號(hào)r(n)或者擴(kuò)展碼c(n)，依據(jù)載波頻率，移動(dòng)當(dāng)從存儲(chǔ)器104或者存儲(chǔ)器108讀取接收信號(hào)的FFT結(jié)果或擴(kuò)展碼的FFT結(jié)果時(shí)使用的讀取地址。
這樣，在圖17中，當(dāng)接收信號(hào)r(n)被移動(dòng)時(shí)，在k0＞0的情況下，使用降頻變換，當(dāng)擴(kuò)展碼c(n)被移動(dòng)時(shí)，在k0＜0的情況下，使用升頻變換。
如上所述，當(dāng)利用表達(dá)式(7)中所示的FFT特性時(shí)，不需要圖16中所示的信號(hào)發(fā)生部分122。另外，如圖17中所示，由于只有用于從存儲(chǔ)器讀取FFT結(jié)果的讀取地址相位需要被移位，因此結(jié)構(gòu)被簡(jiǎn)化，處理更快速。
由于表達(dá)式(7)中的知，因此在圖17中忽略了相差φ0。例如，作為依據(jù)圖20的表達(dá)式(8)計(jì)算的F′(k)的反向FFT計(jì)算結(jié)果得到的相關(guān)函數(shù)f′(n)(0≤n＜N)是復(fù)數(shù)。當(dāng)其實(shí)數(shù)部分被稱為fR′(n)，其虛數(shù)部分被稱為fI′(n)時(shí)，如圖20的表達(dá)式(9)中所示，獲得相關(guān)峰值的幅度|f′(n)|，如圖20的表達(dá)式(10)中所示，獲得相位φ。于是，可忽略位于表達(dá)式(7)右側(cè)的exp(jφ0)的乘法。通過(guò)把表達(dá)式(7)中的φ0和間隔π(對(duì)應(yīng)于表達(dá)式(6)中數(shù)據(jù)d(n)的符號(hào))的兩個(gè)數(shù)值相加，獲得相位φ。
圖18表示了當(dāng)把上述處理操作應(yīng)用于圖14的方框圖時(shí)獲得的結(jié)構(gòu)圖。在圖18中所示的方框的輸出端，表示了信號(hào)輸出r(n)和c(n)，以及上述計(jì)算的結(jié)果R(k)、C(k)和f′(n)。
如上所述，根據(jù)頻譜擴(kuò)展碼的解調(diào)方法，在具有圖14中所示結(jié)構(gòu)的情況下，當(dāng)FFT被用于在GPS接收器中形成數(shù)字匹配濾波器時(shí)，利用擴(kuò)展碼乘以接收信號(hào)的FFT結(jié)果，同時(shí)使存儲(chǔ)器的地址移動(dòng)對(duì)應(yīng)于載波頻率的數(shù)值，如圖18中所示，在類似于圖18所示的波形中，獲得相關(guān)點(diǎn)np。當(dāng)分別獲得四個(gè)GPS衛(wèi)星，即四個(gè)擴(kuò)展碼c(n)的相關(guān)點(diǎn)np時(shí)，可計(jì)算GPS接收器的位置。
換句話說(shuō)，根據(jù)圖14中所示的實(shí)施例，當(dāng)進(jìn)行使用FFT的數(shù)字匹配濾波器的處理時(shí)，可利用一種簡(jiǎn)單的方法除去接收信號(hào)的載波分量，在所述方法中，當(dāng)在頻域中把接收信號(hào)的FFT結(jié)果和擴(kuò)展碼的FFT結(jié)果相乘時(shí)，接收信號(hào)的FFT結(jié)果和擴(kuò)展碼的FFT結(jié)果之一被移位，而不必在時(shí)域中進(jìn)行乘法，使接收信號(hào)的載波與擴(kuò)展碼同步。
如前所述，當(dāng)在圖14中所示的頻譜擴(kuò)展信號(hào)的解調(diào)設(shè)備中，把根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例和第二實(shí)施例的頻率分析方法應(yīng)用于FFT處理部分103和FFT處理部分107時(shí)，DSP 100的結(jié)構(gòu)被簡(jiǎn)化，高速處理是預(yù)期的。頻譜擴(kuò)展信號(hào)的解調(diào)設(shè)備的輸入信號(hào)是實(shí)數(shù)信號(hào)，也可照原樣應(yīng)用第二實(shí)施例。
在上述情況下，用于R(k)(它是接收信號(hào)的FFT結(jié)果)的存儲(chǔ)器的讀取地址被移位。用于C(k)(它是擴(kuò)展信號(hào)的FFT結(jié)果)的存儲(chǔ)器的讀取地址可沿用于R(k)(它是接收信號(hào)的FFT結(jié)果)的相反方向被移位(對(duì)應(yīng)于乘法部分中的升頻變換)。
在上面的說(shuō)明中，單獨(dú)提供擴(kuò)展碼生成部分106和FFT處理部分107。如果對(duì)應(yīng)于各個(gè)GPS衛(wèi)星的擴(kuò)展碼被進(jìn)行FFT處理，并且被保存在存儲(chǔ)器中，則可省略當(dāng)接收衛(wèi)星信號(hào)時(shí)執(zhí)行的和擴(kuò)展碼c(n)有關(guān)的FFT計(jì)算。
在上述實(shí)施例中，來(lái)自GPS衛(wèi)星的接收信號(hào)的載波頻率已知。當(dāng)載波頻率未知時(shí)，通過(guò)把相關(guān)點(diǎn)檢測(cè)部分110的相關(guān)性檢測(cè)輸出發(fā)送給讀取地址控制部分11，以及通過(guò)搜索被應(yīng)用于來(lái)自存儲(chǔ)器104的FFT結(jié)果的讀取地址，并且導(dǎo)致能夠獲得圖15中所示峰值的移位的數(shù)量，可獲得相同的結(jié)果。
更具體地說(shuō)，這種情況下，讀取地址控制部分111圍繞根據(jù)過(guò)去的數(shù)據(jù)確定的估計(jì)地址，按照相關(guān)點(diǎn)檢測(cè)部分110的相關(guān)性檢測(cè)輸出，改變應(yīng)用于來(lái)自存儲(chǔ)器104的接收信號(hào)r(n)的FFT結(jié)果的讀取地址的移位數(shù)量，以致相關(guān)點(diǎn)檢測(cè)部分110獲得類似于圖15中所示的峰值。當(dāng)相關(guān)點(diǎn)檢測(cè)部分110獲得類似于圖15中所示的峰值時(shí)，在該時(shí)刻使用的移位數(shù)量下，讀取地址控制部分111停止讀取地址的移位控制。
根據(jù)本發(fā)明的頻率分析方法不僅可應(yīng)用于上述GPS接收器，而且還可應(yīng)用于各種頻率分析。
如前所述，根據(jù)本發(fā)明的頻率分析方法，可以利用和常規(guī)FFT相比，數(shù)目較少或者容量較小的存儲(chǔ)器，高速進(jìn)行離散傅里葉變換的計(jì)算，并且可在不降低頻率分辨率的情況下分析頻率分量。
這樣，由于減少了存儲(chǔ)器，和常規(guī)FFT相比，進(jìn)行的計(jì)算量較大，但是該計(jì)算量顯著小于當(dāng)按照離散傅里葉變換的定義進(jìn)行計(jì)算時(shí)所需的計(jì)算量。
權(quán)利要求
1.一種使用2的冪NA＝2a(這里“a”是整數(shù))個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行離散傅里葉變換的方法，其特征在于按照梳狀方式，取出具有2的冪NB＝2b(這里“b”是整數(shù)，并且b＞a)個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的輸入信號(hào)的頻率分量，并計(jì)算NA個(gè)中間數(shù)據(jù)項(xiàng)的前段計(jì)算步驟；和通過(guò)利用用于離散傅里葉變換的NA個(gè)存儲(chǔ)器，對(duì)在前段計(jì)算步驟中獲得的中間數(shù)據(jù)項(xiàng)應(yīng)用快速傅里葉變換的后段計(jì)算步驟被執(zhí)行預(yù)定的次數(shù)，同時(shí)改變按照梳狀方式取出的頻率分量，以便通過(guò)預(yù)定次數(shù)的運(yùn)算，執(zhí)行離散傅里葉變換。
2.按照權(quán)利要求1所述的頻率分析方法，其特征在于預(yù)定的次數(shù)為2b-a。
3.按照權(quán)利要求1所述的頻率分析方法，其特征在于輸入信號(hào)是不具有虛數(shù)部分的信號(hào)；在后段計(jì)算步驟中，作為中間數(shù)據(jù)項(xiàng)中一些數(shù)據(jù)項(xiàng)的快速傅里葉變換的結(jié)果，輸出其中虛數(shù)部分的符號(hào)被反轉(zhuǎn)，并且數(shù)據(jù)項(xiàng)被重新排列的一部分其它中間數(shù)據(jù)項(xiàng)；以及對(duì)于所述一部分中間數(shù)據(jù)項(xiàng)，省略前段計(jì)算步驟中的處理和后段計(jì)算步驟中的FFT計(jì)算。
4.一種頻譜擴(kuò)展信號(hào)解調(diào)方法，其特征在于包括下述步驟對(duì)接收信號(hào)應(yīng)用離散傅里葉變換，所述接收信號(hào)中，利用通過(guò)借助擴(kuò)展碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展獲得的信號(hào)調(diào)制載波；通過(guò)把接收信號(hào)的離散傅里葉變換的結(jié)果和擴(kuò)展碼的離散傅里葉變換的結(jié)果之一的復(fù)共軛和另一結(jié)果相乘，檢測(cè)接收信號(hào)和擴(kuò)展碼之間的相關(guān)性；和通過(guò)對(duì)乘法結(jié)果應(yīng)用反向傅里葉變換，檢測(cè)接收信號(hào)和擴(kuò)展碼的相關(guān)點(diǎn)，其特征在于，在對(duì)接收信號(hào)應(yīng)用離散傅里葉變換的步驟中，把2的冪NA＝2a(“a”是整數(shù))個(gè)存儲(chǔ)器用于離散傅里葉變換；并且按照梳狀方式，取出具有2的冪NB＝2b(這里“b”是整數(shù)，并且b＞a)個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的輸入信號(hào)的頻率分量，并計(jì)算NA個(gè)中間數(shù)據(jù)項(xiàng)的前段計(jì)算步驟；和通過(guò)利用用于離散傅里葉變換的NA個(gè)存儲(chǔ)器，對(duì)在前段計(jì)算步驟中獲得的中間數(shù)據(jù)項(xiàng)應(yīng)用快速傅里葉變換的后段計(jì)算步驟被執(zhí)行預(yù)定的次數(shù)，同時(shí)改變按照梳狀方式取出的頻率分量，以便通過(guò)預(yù)定次數(shù)的運(yùn)算，執(zhí)行離散傅里葉變換。
5.按照權(quán)利要求4所述的頻譜擴(kuò)展信號(hào)解調(diào)方法，其特征在于預(yù)定的次數(shù)為2b-a。
6.按照權(quán)利要求4所述的頻譜擴(kuò)展信號(hào)解調(diào)方法，其特征在于在后段計(jì)算步驟中，作為一部分中間數(shù)據(jù)項(xiàng)的快速傅里葉變換的結(jié)果，輸出其它中間數(shù)據(jù)項(xiàng)的快速傅里葉變換的結(jié)果，其中虛數(shù)部分的符號(hào)被反轉(zhuǎn)，并且數(shù)據(jù)項(xiàng)被重新排列；以及對(duì)于所述一部分中間數(shù)據(jù)項(xiàng)，省略前段計(jì)算步驟中的處理和后段計(jì)算步驟中的FFT計(jì)算。
7.一種頻率分析設(shè)備，包括用于離散傅里葉變換的2的冪NA＝2a(“a”是整數(shù))個(gè)存儲(chǔ)器；按照梳狀方式，取出具有2的冪NB＝2b(這里“b”是整數(shù)，并且b＞a)個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的輸入信號(hào)的頻率分量，并計(jì)算NA個(gè)中間數(shù)據(jù)項(xiàng)的前段計(jì)算裝置；通過(guò)利用用于離散傅里葉變換的NA個(gè)存儲(chǔ)器，對(duì)前段計(jì)算裝置獲得的中間數(shù)據(jù)項(xiàng)應(yīng)用快速傅里葉變換的后段計(jì)算裝置；和在改變按照梳狀方式取出的頻率分量的同時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)施加預(yù)定次數(shù)的由前段計(jì)算裝置和后段計(jì)算裝置進(jìn)行的一系列計(jì)算，以便通過(guò)預(yù)定次數(shù)的運(yùn)算執(zhí)行離散傅里葉變換的計(jì)算控制裝置。
8.按照權(quán)利要求7所述的頻率分析設(shè)備，其特征在于計(jì)算控制裝置中的預(yù)定次數(shù)為2b-a。
9.按照權(quán)利要求7所述的頻率分析設(shè)備，其特征在于輸入信號(hào)是不具有虛數(shù)部分的信號(hào)；作為一部分中間數(shù)據(jù)項(xiàng)的快速傅里葉變換的結(jié)果，后段計(jì)算裝置輸出其它中間數(shù)據(jù)項(xiàng)的快速傅里葉的結(jié)果，其中虛數(shù)部分的符號(hào)被反轉(zhuǎn)，并且數(shù)據(jù)項(xiàng)被重新排列；計(jì)算控制裝置進(jìn)行控制，以便不對(duì)所述一部分中間數(shù)據(jù)項(xiàng)施加前段計(jì)算步驟中的處理和后段計(jì)算步驟中的FFT計(jì)算。
10.一種頻譜擴(kuò)展信號(hào)解調(diào)設(shè)備，其特征在于包括對(duì)接收信號(hào)應(yīng)用離散傅里葉變換的接收信號(hào)傅里葉變換裝置，所述接收信號(hào)中，利用通過(guò)借助擴(kuò)展碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展獲得的信號(hào)調(diào)制載波；把接收信號(hào)的離散傅里葉變換結(jié)果和接收信號(hào)中使用的擴(kuò)展碼的離散傅里葉變換結(jié)果之一的復(fù)共軛和另一結(jié)果相乘的乘法裝置；對(duì)乘法裝置獲得的乘法結(jié)果應(yīng)用反向傅里葉變換，從而獲得接收信號(hào)和擴(kuò)展碼的相關(guān)性檢測(cè)輸出的反向傅里葉變換裝置；和通過(guò)按照反向傅里葉變換裝置獲得的相關(guān)性檢測(cè)輸出，搜索接收信號(hào)和擴(kuò)展碼的相關(guān)性的峰值，檢測(cè)接收信號(hào)和擴(kuò)展碼的相關(guān)點(diǎn)的裝置，其特征在于，接收信號(hào)傅里葉變換裝置包括，用于離散傅里葉變換的2的冪NA＝2a(“a”是整數(shù))個(gè)存儲(chǔ)器；按照梳狀方式，取出具有2的冪NB＝2b(這里“b”是整數(shù)，并且b＞a)個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的輸入信號(hào)的頻率分量，并計(jì)算NA個(gè)中間數(shù)據(jù)項(xiàng)的前段計(jì)算裝置；通過(guò)利用用于離散傅里葉變換的NA個(gè)存儲(chǔ)器，對(duì)前段計(jì)算裝置獲得的中間數(shù)據(jù)項(xiàng)應(yīng)用快速傅里葉變換的后段計(jì)算裝置；和在改變按照梳狀方式取出的頻率分量的同時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)施加預(yù)定次數(shù)的由前段計(jì)算裝置和后段計(jì)算裝置進(jìn)行的一系列計(jì)算，以便通過(guò)預(yù)定次數(shù)的運(yùn)算執(zhí)行離散傅里葉變換的計(jì)算控制裝置。
11.按照權(quán)利要求10所述的頻譜擴(kuò)展信號(hào)解調(diào)設(shè)備，其特征在于計(jì)算控制裝置中的預(yù)定次數(shù)為2b-a。
12.按照權(quán)利要求10所述的頻譜擴(kuò)展信號(hào)解調(diào)設(shè)備，其特征在于作為一部分中間數(shù)據(jù)項(xiàng)的快速傅里葉變換的結(jié)果，后段計(jì)算裝置輸出其它中間數(shù)據(jù)項(xiàng)的快速傅里葉變換的結(jié)果，其中虛數(shù)部分的符號(hào)被反轉(zhuǎn)，并且數(shù)據(jù)項(xiàng)被重新排列；計(jì)算控制裝置進(jìn)行控制，以便不對(duì)所述一部分中間數(shù)據(jù)項(xiàng)施加前段計(jì)算步驟中的處理和后段計(jì)算步驟中的FFT計(jì)算。
13.按照權(quán)利要求10所述的頻譜擴(kuò)展信號(hào)解調(diào)設(shè)備，其特征在于接收信號(hào)傅里葉變換裝置由DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)構(gòu)成。
全文摘要
一種在不降低頻率分辨率的情況下，通過(guò)利用和常規(guī)FFT處理相比，容量較小的存儲(chǔ)器進(jìn)行離散傅里葉變換，執(zhí)行頻率分析的方法。準(zhǔn)備2的冪N
文檔編號(hào)G06F17/14GK1465016SQ02802426
公開(kāi)日2003年12月31日 申請(qǐng)日期2002年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月4日
發(fā)明者田中勝之, 新田學(xué) 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社