優(yōu)化的維特比解碼器和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器的制造方法
【專利說(shuō)明】?jī)?yōu)化的維特比解碼器和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器
[0001]分案申請(qǐng)的相關(guān)信息
[0002]本申請(qǐng)是國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/EP2008/064530，申請(qǐng)日為2008年10月27日，優(yōu)先權(quán)日為2007年10月26日，發(fā)明名稱為“優(yōu)化的維特比解碼器和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器”的PCT申請(qǐng)進(jìn)入國(guó)家階段后申請(qǐng)?zhí)枮?00880119377.1的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及一種用于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的接收器，其包括用以解碼經(jīng)卷積編碼的數(shù)據(jù)的接收器。明確地說(shuō)，但不排他地說(shuō)，本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種能夠解碼由對(duì)地靜止的衛(wèi)星(如WAAS/EGNOS衛(wèi)星)發(fā)射的增強(qiáng)數(shù)據(jù)的GPL接收器，以及一種用于根據(jù)伽利略標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)卷積編碼的數(shù)據(jù)的伽利略接收器。
【背景技術(shù)】
[0004]在GPS中，現(xiàn)有的基于衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)的對(duì)地靜止的衛(wèi)星由不同國(guó)家操作，用于提供額外信息以增強(qiáng)可從便攜式GPS接收器裝置得到的GPS定位質(zhì)量和完整性。
[0005]所述信息提供關(guān)于大氣校正的額外信息，其可應(yīng)用于改進(jìn)定位的質(zhì)量和關(guān)于衛(wèi)星完整性的信息。
[0006]歸因于較大的軌道半徑和SBAS衛(wèi)星的對(duì)地靜止的軌道，已針對(duì)數(shù)據(jù)傳送使用較復(fù)雜的卷積編碼，這需要在接收器中具有較復(fù)雜的解碼能力，通常是維特比解碼器，這對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生增加的處理負(fù)荷。在SBAS實(shí)施方案的情況下，維特比解碼通常適用于單個(gè)SV且已知通過(guò)由通用處理器執(zhí)行的軟件解碼器來(lái)實(shí)施所述維特比解碼。此解決方案是簡(jiǎn)單的，但就速度和功率經(jīng)濟(jì)受到關(guān)注來(lái)說(shuō)為次優(yōu)的。
[0007]所提議的伽利略系統(tǒng)信號(hào)也將針對(duì)群集中的所有SV上的數(shù)據(jù)信道利用此卷積編碼機(jī)制，所述數(shù)據(jù)信道利用相同的基本卷積編碼技術(shù)，然而有可能使用不同的生成多項(xiàng)式和符號(hào)速率。
[0008]這種新的導(dǎo)航信號(hào)格式的效應(yīng)將顯著增加處理開(kāi)銷(xiāo)，因?yàn)樗鼋鉀Q方案中所使用的所有伽利略SV將要求同時(shí)操作維特比解碼算法，使得維特比解碼器對(duì)系統(tǒng)資源的負(fù)荷變得非常顯著。盡管理論上有可能以軟件來(lái)執(zhí)行所有這些，但處理開(kāi)銷(xiāo)和額外存儲(chǔ)器要求將對(duì)GNSS導(dǎo)航解決方案產(chǎn)生額外成本和功率要求，這直接與小尺寸、低功率和低成本的市場(chǎng)目標(biāo)沖突。
[0009]用于此問(wèn)題的一個(gè)解決方案是以硬件實(shí)施維特比解碼器以從處理器完全卸載處理。盡管這種處理方式減少了對(duì)主要處理器的負(fù)荷，但僅僅將成本和功率迀移到不同子系統(tǒng)中。
[0010]因此，需要提供一種低功率GNSS接收器，其能夠在不對(duì)系統(tǒng)資源產(chǎn)生高負(fù)荷的情況下解碼經(jīng)卷積編碼的信號(hào)。此外，本發(fā)明旨在提供一種低功率GNSS接收器，其可與此項(xiàng)技術(shù)中已知的接收器相比較快地且使用較少功率來(lái)解碼卷積編碼信號(hào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ] 本發(fā)明的目標(biāo)通過(guò)所附權(quán)利要求書(shū)的對(duì)象而獲得。在本發(fā)明的變型中，此目標(biāo)通過(guò)基于在處理器中實(shí)施的特殊指令集的軟件維特比解碼器而獲得，所述指令集使得其能夠在不顯著增加硬件復(fù)雜性的情況下以低得多的CPU負(fù)荷處置維特比處理。
[0012]通過(guò)謹(jǐn)慎地應(yīng)用SV導(dǎo)航特有的適當(dāng)設(shè)計(jì)約束并分析維特比算法，可實(shí)現(xiàn)用于有效地將維特比加速邏輯嵌入到GNSS芯片組中的優(yōu)化架構(gòu)。
[0013]此外，通過(guò)硬件與軟件之間的緊密整合，這可在不顯著增加系統(tǒng)資源的情況下通過(guò)擴(kuò)展常規(guī)RISC處理器的指令集來(lái)執(zhí)行。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1表示網(wǎng)格狀態(tài)圖。
[0015]圖2說(shuō)明圖1的圖中的最低成本路徑。
[0016]圖3表示漢明距離的計(jì)算。
[0017]圖4說(shuō)明成本分布。
[0018]圖5說(shuō)明累積狀態(tài)成本圖。
[0019]圖6示意性展示維特比算法中的不同數(shù)據(jù)存取方法。
[0020]圖7說(shuō)明與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的指令架構(gòu)。
[0021]圖8和圖9涉及與本發(fā)明相關(guān)的指令的隱式尋址。
[0022]圖10說(shuō)明所發(fā)射位的序列。
[0023]圖11和圖12表示圖10的位序列的解碼。
[0024]圖13示意性說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一方面的以特殊指令集操作處理器。
【具體實(shí)施方式】
[0025]維特比編碼和解碼算法是此項(xiàng)技術(shù)中一般已知的且在技術(shù)文獻(xiàn)中有所描述。在下文中，將僅論述GNSS實(shí)施方案特有的若干方面。
[0026]在維特比實(shí)施方案中必須考慮若干準(zhǔn)則:符號(hào)大小、符號(hào)解譯、生成多項(xiàng)式和長(zhǎng)度以及符號(hào)速率。對(duì)于GNSS應(yīng)用，約束長(zhǎng)度K = 7 (存儲(chǔ)器m = 6)，其意味著所發(fā)射符號(hào)隨當(dāng)前數(shù)據(jù)位和先前六個(gè)數(shù)據(jù)位而變，碼速率位為2，其意味著對(duì)于每一數(shù)據(jù)位，發(fā)射兩個(gè)符號(hào)，符號(hào)速率大體上在250或500符號(hào)/秒左右，且生成多項(xiàng)式可變化。
[0027]維特比為對(duì)路徑成本表進(jìn)行操作的卷積編碼和解碼技術(shù)，所述路徑成本表基于先前接收的符號(hào)的潛在解譯而計(jì)算處于特定狀態(tài)的最大概率。由于多項(xiàng)式的長(zhǎng)度為7，所以實(shí)施方案需要表示先前六個(gè)數(shù)據(jù)位的62個(gè)狀態(tài)。
[0028]所使用的卷積碼針對(duì)所發(fā)射的每一數(shù)據(jù)位產(chǎn)生兩個(gè)位符號(hào)，所述數(shù)據(jù)位被表示為兩個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，且具有64個(gè)狀態(tài)(K = 7)，從每一狀態(tài)開(kāi)始，具有由兩個(gè)潛在符號(hào)表示的兩個(gè)可能的下一狀態(tài)，且對(duì)于每一狀態(tài)，具有可永不被發(fā)射的兩個(gè)潛在符號(hào)。針對(duì)數(shù)據(jù)位發(fā)射的實(shí)際符號(hào)由生成多項(xiàng)式確定且隨先前6個(gè)數(shù)據(jù)位與正被發(fā)射的位而變。
[0029]因此，對(duì)于每一數(shù)據(jù)狀態(tài)，符號(hào)由多項(xiàng)式確定，且狀態(tài)可如下預(yù)測(cè):如果位為“1”，則下一狀態(tài)為32+(current_state/2)，否則其僅為current_state/2，因此不需要狀態(tài)轉(zhuǎn)變表。
[0030]在發(fā)射每一符號(hào)時(shí)，所述表示因此由七個(gè)數(shù)據(jù)位確定，且當(dāng)接收到所述符號(hào)時(shí)，由解碼器基于多項(xiàng)式和先前六個(gè)數(shù)據(jù)位來(lái)對(duì)其進(jìn)行解譯。在接收每一符號(hào)時(shí)，其被解譯并被賦予概率值，所述概率值是基于其與潛在有效的符號(hào)的相似性且用以計(jì)算特定符號(hào)序列解譯為正確的概率。
[0031]為了實(shí)現(xiàn)此，維特比解碼器保持記錄針對(duì)所有可能狀態(tài)找到的最低成本路徑，且針對(duì)每一可能狀態(tài)，其記錄正被接收的先前最可能的符號(hào)序列及其累積成本。
[0032]—旦已接收到足夠的符號(hào)，便通過(guò)挑選最低成本狀態(tài)且回顧歷史以確定最可能被發(fā)射以產(chǎn)生所述狀態(tài)的數(shù)據(jù)位序列來(lái)解碼所述數(shù)據(jù)。
[0033]維特比編碼和解碼的原則一般為熟悉卷積編碼機(jī)制的人員所理解，且可用的分析表明這些方案所獲得的整體SNR改進(jìn)均受益于向每一符號(hào)賦予一潛在值范圍，而非簡(jiǎn)單的二進(jìn)制決策，且通常可用針對(duì)每一符號(hào)的高達(dá)八級(jí)解譯來(lái)實(shí)現(xiàn)顯著增益。
[0034]對(duì)于K = 7，在可針對(duì)最佳性能、針對(duì)保持表示處于特定狀態(tài)的累積成本的至少兩組狀態(tài)信息所需要的此處理，并針對(duì)保持記錄產(chǎn)生所述用于獲得最佳解碼性能的狀態(tài)的通常先前34個(gè)轉(zhuǎn)變(數(shù)據(jù)位)所需要的每一狀態(tài)而提取第一數(shù)據(jù)位之前，常用的維特比解碼算法需要處理至少35個(gè)符號(hào)。
[0035]在給定這些約束的情況下，可首先選擇適當(dāng)?shù)淖钚?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示維特比解碼狀態(tài)且接著優(yōu)化這些狀態(tài)以用于嵌入式實(shí)施方案，假定特定考慮HW/SW交互和處理器子系統(tǒng)架構(gòu)。
[0036]在每一潛在當(dāng)前狀態(tài)中，存在由兩個(gè)符號(hào)編碼表示的兩個(gè)有效狀態(tài)轉(zhuǎn)變(分支)，且存在表示無(wú)效轉(zhuǎn)變的兩個(gè)符號(hào)編碼，因此針對(duì)每一狀態(tài)，僅存在兩個(gè)潛在后續(xù)者狀態(tài)和兩個(gè)潛在前驅(qū)者狀態(tài)。這些狀態(tài)可由圖1的網(wǎng)格圖表示。
[0037]依據(jù)每一潛在當(dāng)前狀態(tài)，有效和無(wú)效分支由不同符號(hào)指示，因此對(duì)于每一狀態(tài)，需要知道兩個(gè)潛在的下一狀態(tài)(其可以一般方式進(jìn)行計(jì)算)和與所述分支相關(guān)聯(lián)的適當(dāng)符號(hào)，所述符號(hào)也可使用專用邏輯來(lái)計(jì)算，但可更易于從表中加載，因此采用與多項(xiàng)式無(wú)關(guān)的實(shí)施方案。
[0038]由于正在實(shí)施軟決策解碼器，所以首先需要針對(duì)根據(jù)所接收符號(hào)的強(qiáng)度而加權(quán)的所有潛在符號(hào)對(duì)來(lái)確定成本因素，且由于針對(duì)所有狀態(tài)的所有有效狀態(tài)轉(zhuǎn)變具有相等的概率，所以此加權(quán)與當(dāng)前狀態(tài)無(wú)關(guān)且僅取決于所接收符號(hào)對(duì)以及所接收符號(hào)對(duì)與和所述分支相關(guān)聯(lián)的實(shí)際符號(hào)對(duì)之間的漢明距離。這意味著對(duì)于每一符號(hào)，軟件必須計(jì)算與漢明距離相關(guān)聯(lián)的加權(quán)表，且這可接著應(yīng)用于所有狀態(tài)和使用漢明距離與狀態(tài)之間的映射進(jìn)行的分支成本計(jì)算。
[0039]基本的維特比算法因此將針對(duì)所接收的每一符號(hào)對(duì)執(zhí)行以下計(jì)算序列，實(shí)際的實(shí)施方案將使這些過(guò)程并行，以通過(guò)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和實(shí)施自定義指令(在適當(dāng)時(shí))來(lái)最小化負(fù)荷/存儲(chǔ)量和復(fù)雜指令序列。
[0040]對(duì)于所接收的符號(hào)對(duì)，計(jì)算與符號(hào)對(duì)解譯與四個(gè)可能的所發(fā)射符號(hào)對(duì)之間的漢明碼相關(guān)聯(lián)的一組四個(gè)成本。漢明成本表實(shí)際上是表示與解譯每一可能路線中的實(shí)際所接收輸入符號(hào)對(duì)相關(guān)聯(lián)的成本的四個(gè)值(即，00、01、10、11)的表。
[0041]對(duì)于每一潛在當(dāng)前狀態(tài)(64個(gè)狀態(tài))，針對(duì)所接收符號(hào)對(duì)的兩個(gè)潛在解譯中的每一者計(jì)算達(dá)到下一狀態(tài)中的每一者的成本(分支成本)，這是基于狀態(tài)當(dāng)前成本和針對(duì)所接收