説明

一般的なデジタル・インターフェースを用いたGPSフロントエンド

全地球測位システム(GPS)アプリケーションのための無線周波数集積回路は、外部ソースからの無線周波数GPS信号を4foよりも低い所定の中間周波数と混合する。一実施形態において、その中間周波数は、1.5foに選択されている。そして、中間周波数フィルタは、中間周波数のGPS信号を帯域制限し、2.5MHzの付近でロールオフして、3.5−4.0MHzでの十分な減衰を実現する。自動利得制御回路は、フィルタリングされた中間周波数のGPS信号を適切な電圧レベルまで増幅する。そして、増幅された中間周波数のGPS信号は、アナログ/デジタル変換器によって、その中間周波数の2倍以上の所定のサンプリング・レートでデジタル化されて、所定のビット数のサンプルを提供する。それらのサンプルは、業界標準のシリアル・バスを介して、汎用マイクロプロセッサによるベースバンド処理のために提供される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、無線周波数(RF)信号処理集積回路とベースバンド・プロセッサの間のインターフェースに関する。特に、本発明はGPSアプリケーションのためのRF信号処理集積回路と、モバイル機器の汎用デジタル信号プロセッサまたは汎用マイクロプロセッサによって実装されたベースバンド・プロセッサの間のインターフェースに関する。
【背景技術】
【0002】
GPS受信機は通常、RFフロントエンド集積回路(RFIC)と、デジタル信号処理集積回路(ベースバンド・プロセッサ)を備えている。このベースバンド・プロセッサは、しばしば特定用途向け集積回路(ASIC)で実装されるか、1つまたはそれ以上のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)でプログラムされる。RFICはアンテナを介してGPS衛星からの信号を受信し、そのGPS信号を中間周波数へダウンコンバートし、ダウンコンバートされた信号をフィルタリングし、フィルタリングされた信号を規定のサンプリング・データ・レートでデジタル化する。そしてRFICはデジタル化されたサンプルをベースバンド・プロセッサに提供する。ベースバンド・プロセッサは、デジタル化されたサンプルから、1つまたはそれ以上のGPS衛星(捕捉された衛星)の信号を捕捉する(すなわち、検出する)。捕捉された衛星の信号は、受信機と捕捉された衛星のそれぞれの間の間隔(距離)を計算するために用いられる。そして、捕捉された衛星の距離は、受信機の位置を決定するために用いられる。
【0003】
最近まで、ベースバンド・プロセッサは、しばしば、GPSアプリケーションにおいて要求される高速デジタル信号処理(すなわち、相関エンジン)のために特別に設計された専用の集積回路であって、ハードウェアとソフトウェアの両方のコンポーネントを備えていた。各GPS衛星の信号は、搬送波信号を変調する固有の符号ベクトルによって特徴付けられている。一実施形態では、その符号ベクトルは1023ビットの疑似乱雑雑音であって、その符号はミリ秒毎に(すなわち1.023MHzのチッピング・レートで)繰り返す。従来より、共通の周波数fo=1.023MHzが、これは2つのGPS周波数1575.42MHzおよび1227.6MHzの公約数であるが、GPSアプリケーションの設計パラメータとして用いられている。従来技術では、4foの中間周波数が通常用いられており、この場合エイリアシングに起因する副産物を除去するために16foのサンプリング・レートを必要とする。従って、従来技術では、サンプリング・レートは通常は16foで提供されている。2ビットあるいは3ビットのサンプリング解像度(すなわち、サンプル毎に、符号ビットと1あるいは2の絶対値ビット)の場合、デジタル化されたサンプルはデジタル信号処理集積回路に少なくとも32−48メガビット毎秒(Mbs)のビット・レートで配信される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
良好な衛星の捕捉をサポートするために必要とされるこの高いサンプリング・レートに起因して、全くの業界標準のシリアル・データ・インターフェース、あるいは汎用マイクロプロセッサのインターフェースが、32−48Mbsの高いデータ・レートをサポートしていないので、汎用のマイクロプロセッサ、あるいは市販の(すなわち業界標準の)デジタル信号プロセッサは利用されていない。このような汎用プロセッサには複雑な高速データ・インターフェースが存在するにも関わらず、これらの複雑なインターフェースはRFICに、インターフェースのためのかなりの論理資源を要求する。従って、従来技術においては、GPS信号のベースバンド・プロセッサとして、特注設計の信号処理集積回路が推奨されていた。通常は、このような特注設計の信号処理集積回路は、専用のデータ・インターフェースを用いて、RFICからの高いデータ・レートでの連続的なデータ転送を扱っている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一実施形態では、全地球測位システム(GPS)アプリケーションのための無線周波数集積回路は、外部ソースからの無線周波数のGPS信号を4foよりも低い所定の中間周波数と混合する。一実施形態において、混合動作のためにイメージ除去ミキサが設けられている。その中間周波数は、例えば、1.5foに選択されている。そして、中間周波数フィルタは、中間周波数のGPS信号を帯域制限し、その中間周波数から期待される帯域幅の半分にあたる周波数(例えば、2MHzの帯域幅を有するベースバンドGPS信号については、3.5MHzの付近)でロールオフする。自動利得制御回路は、フィルタリングされた中間周波数のGPS信号を適切な電圧レベルまで増幅する。そして、増幅された中間周波数のGPS信号は、アナログ/デジタル変換器によって、その中間周波数の2倍以上の所定のサンプリング・レートでデジタル化されて、所定のビット数のサンプルを提供する。それらのサンプルは、業界標準のシリアル・バス(例えば、同期式周辺バス)を介して、汎用マイクロプロセッサによるベースバンド処理のために提供される。
【0006】
一実施形態では、所定のサンプリング・レートは、実質的に6foである。
【0007】
一実施形態では、中間周波数フィルタの通過帯域を設定する較正回路が設けられている。
【0008】
一実施形態では、所定のサンプリング・レートと所定のビット数の積は、業界標準のシリアル・バスのデータ・レート以下である。
【0009】
一実施形態では、所定の周波数は、2MHzの帯域幅フィルタについては3.5MHzで十分に減衰し、1MHzの帯域幅フィルタについては4.0MHzで十分に減衰する。
【0010】
一実施形態では、無線周波数集積回路は複数の省電力状態のもとで動作する。
【0011】
本発明は、汎用マイクロプロセッサにおいて見られる汎用のあるいは業界標準のインターフェースを用いる。このような汎用のインターフェースでは、汎用マイクロプロセッサにおいても、RF集積回路においても、最小限のピン数しか要求されない。
【0012】
本発明は、以下の詳細な説明と添付の図面を検討することによって、よりよく理解される。
【0013】
なお、図面の相互参照を容易とするために、図面中の同一の構成要素には同一の参照符号が付されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
本発明は汎用マイクロプロセッサあるいはデジタル信号プロセッサを用いて全地球測位システム(GPS)アプリケーションを実行するモバイル機器を提供する。ここで、デジタル化されたGPS信号は、従来のデータ・インターフェースを通して、無線周波数信号処理回路から、その汎用マイクロプロセッサあるいはデジタル信号プロセッサに提供される。
【0015】
図1は本発明の一実施形態に係る、GPSアプリケーションをサポートするモバイル機器のハードウェア構造100のシステムブロック図である。図1に示すように、ハードウェア構造100は、(i)アンテナ114を介して衛星からGPS信号を受信する付加的な帯域通過フィルタ101、(ii)低雑音増幅器(LNA)102、(iii)付加的な帯域通過フィルタ103、(iii)増幅された衛星信号をダウンコンバートしデジタル化する無線周波数(RF)フロントエンド集積回路(RFIC)104、(iv)本実施形態では汎用マイクロプロセッサあるいはデジタル信号プロセッサによって実装されるベースバンド・プロセッサ105、を備えている。ベースバンド・プロセッサ105はGPSアプリケーションのためのデジタル信号処理を実行する。本実施形態では、RFIC104は第1の電源電圧(Vana)を端子106で受信し、第2の電源電圧(VDD)を端子108で受信し、入力−出力電源電圧(VIO)を端子107で受信する。入力−出力に対して要求される電圧レベルが電圧VDDと互換性がある場合には、電圧VIOは必要とされない。第1の電源電圧Vanaと第2の電源電圧VDDは、分離されていることが好ましい。RFIC104は、随意に、端子109で外部基準クロック信号を受信してもよい。代替案として、クロック信号が端子109と端子110に接続された外部水晶発振器114によって提供されてもよい。外部水晶発振器114は、例えば、16.369MHz(≒16fo)の水晶発振器コンポーネントによって実装することができる。
【0016】
本実施形態では、汎用マイクロプロセッサ105は、例えば、カリフォルニア州サンタクララのIntel社から入手可能なXscaleマイクロプロセッサの1つによって実装することができる。Xscaleプロセッサは、ハンドヘルド機器(例えば、セルラー電話やPDA)の設計者に人気のある中央処理装置である。Xscaleプロセッサで利用可能な従来のシリアル・インターフェースは、業界標準の同期式周辺インターフェース(SPI)であって、図1では参照符号113で示されている。SPIはベースバンド・プロセッサ105からのフレーミング信号(FRM)、クロック信号(SCLK)、RFID104へのシリアル・データ入力信号(DI)と、ベースバンド・プロセッサ105へのシリアル・データ出力信号(DO)を有している。双方向の運用においては、RFIC104から第2クロック信号(MCLK)が提供される。本実施形態では、データがRFID104からベースバンド・プロセッサ105へ転送される場合に、信号MCLKがRFIC104からベースバンド・プロセッサ105へ提供される。そして、ベースバンド・プロセッサ105は、信号MCLKから出力クロック信号SCLKを導出する。本実施形態では、ベースバンド・プロセッサ105はMCLK信号の周波数を2分周し、その結果として生じる信号をSCLK信号として用いるようプログラムされている。さらに、同期リセット(RST_N)およびチップ選択(CS)信号がベースバンド・プロセッサ105の汎用入力−出力端子111および112から提供される。
【0017】
RFIC104は、OFFと、STANDBYと、ONの3つの動作状態を有する。ON状態においては、RFIC104はSPIバス113の部分的なバス・マスタであって、ベースバンド・プロセッサ105が信号CSをアサートしている場合に、データとクロック信号MCLKをベースバンド・プロセッサ105に提供する。STANDBY状態においては、ベースバンド・プロセッサ105はSPIバス113のバス・マスタであって、データと信号SCLKをRFIC104に提供する。ベースバンド・プロセッサ105はリセット信号RST_Nとソフトウェアを用いて、RFIC104の状態を制御する。ベースバンド・プロセッサ105は、RST_N信号をアサートすることによって、RFIC104をOFF状態あるいはON状態の何れからでもSTANDBY状態にすることができる。OFF状態においては、RFIC104は省電力状態にあって、RFIC104の大部分の電力が落とされている。
【0018】
RFIC104をSTANDBY状態からON状態に移行させるためには、ベースバンド・プロセッサ105はRFIC104の内部レジスタにコマンドを書き込み(GRFS_ON_ENビットを設定し)、信号FRMをアサートして、RFIC104にバス・スレーブ・モードから部分的なマスタ・モードへ移行するように信号を送る。そして、ベースバンド・プロセッサ105は、信号MCLKから信号SCLKを提供するように移行する。ベースバンド・プロセッサ105が信号FRMのアサートを停止すると、RFIC104はON状態へ移行する。
【0019】
RFIC104をSTANDBY状態からOFF状態に移行させるためには、ベースバンド・プロセッサ150はRFIC104の内部レジスタにコマンドを書き込み、RFIC104において電力を落とすシーケンスを開始する。
【0020】
ベースバンド・プロセッサ105は、SPIバス113を介してRFIC104をSTANDBY状態に設定することができる。このような構成とすることによって、RFIC104とベースバンド・プロセッサ105の間で要求される接続の本数が少ないもので済む。
【0021】
ベースバンドGPS信号の帯域幅は約2MHzと認められる。SPIバス113を利用できるようにするために、そしてベースバンド・プロセッサを特注する費用を取り除くために、本実施形態では、従来の中間周波数4foではなく、中間周波数(IF)を1.5foに選択する。1.5foの中間周波数は、依然としてGPS信号に約2MHzの帯域幅を許容している。そして、エイリアシングによる副産物を除去するために、6foのサンプリング・レートが選択される。このような構成のもと、符号ビットと1ビットあるいは2ビットの量子化を用いると、サンプリングされた信号データはそれぞれ6あるいは12MHzのデータ・レートでSPIバス113上に提供される。
【0022】
本発明に用いることができる他の1つの適切な業界標準の通信バスとして、Texas Instruments社から入手可能なOMAPデジタル信号プロセッサにおいて利用可能なマルチチャネル・バッファード・シリアル・ポート(McBSP)がある。McBSPにおける信号伝達規則は、SPIバスについて上述した信号伝達規則と同様であるから、McBSPを用いた実施形態についての詳細な説明は省略する。
【0023】
図2は本発明の一実施形態に係るRFIC104のブロック図である。図2に示すように、RF増幅器201はRFIC104内に受信された(例えば付加的な帯域通過フィルタ103からの)入力GPS信号を増幅する。そして、増幅された信号はイメージ除去ミキサ202において電圧制御発振器(VCO)203からの信号と混合されて、1.5foの中間周波数のベースバンド信号が取得される。イメージ除去ミキサ202は、VCO203からの直交ローカル発振器入力を用いて実現され、30dBより良好なイメージ除去を実現する。VCO203は数値制御PLLシンセサイザ213と内部ループ・フィルタ214を備える位相ロック・ループ(PLL)の一部である。N/R位相ロック・ループ(PLL)シンセサイザ213は、NとRの2つのパラメータ値を受信する。それぞれ、Nはループの分周比を示し、Rは水晶発振器114からの基準信号の分周比を示す。N/R PLLシンセサイザ213は、後述するように、サンプリングのために6foの周波数を、またベースバンド・プロセッサ105に信号MCLKを提供する際に使用される、24foの周波数を提供する。代替案として、N/R PLLシンセサイザ213の代わりにフラクショナルNシンセサイザを用いて、必要な周波数を提供してもよい。
【0024】
そして、上記の中間周波数は、図3に示す一般的な形状を用いて、IFフィルタ204によってフィルタリングされる。IFフィルタ204のパラメータは、1.5foの中心周波数と、約2MHzの帯域幅と、2.5MHzの上側3dB帯域幅と、エイリアシング対策を目的として3.5MHzでの減衰を備えている。そして、フィルタリングされた信号は約50dBの増幅利得の自動利得制御増幅器(AGC)206に提供されて、サンプリングに適した電圧レベルが実現される。IFフィルタ204の上側3dB帯域幅をプロセスの変動にわたって確実に維持するために、較正スキームが実装されていてもよい。特に、テスト・ポイント−これらは製造プロセスにおける最終テスト段階でアクセスされる−はIFフィルタ204の入出力端子と、AGC206の出力端子に準備されている。上側3dB帯域幅はSPIバス113を介して較正ビットを設定することによって実現される。そして、AGC206からの増幅された信号は、アナログ/デジタル(A/D)変換器207に提供されて、絶対値部分と符号ビットに量子化される。上述のように、絶対値部分は要望に合わせて1ビットあるいは2ビットに量子化される。本実施形態では、AGC206はAGC制御ループ205によってA/D変換器206においてその時点で約40%の大きな絶対値ビットを生成するような動作範囲に設定される。(一実施形態では、大きな絶対値のパーセンテージは、25%以下から50%以上にわたってプログラムされる。)
【0025】
エイリアシング雑音を抑制するために、本実施形態では、IFフィルタ204の帯域幅を較正する。フィルタ較正回路211はオンチップ・フィルタ較正発振器212を用いてIFフィルタ204を較正および設定し、図3に示すように、約2MHzのフィルタ帯域幅で、約3.5MHzで十分な減衰が実現されるようにする。代替案として、1MHzのフィルタ帯域幅で、4.0MHzで十分な減衰が実現されてもよい。
【0026】
サンプルの符号および絶対値はSPI論理ブロック209を介してベースバンド・プロセッサ105に送信される。本実施形態では、RFIC104の動作電圧は1.8Vから3.0Vの間である。RFIC104がSPIバス113の従来の電圧レベルとインターフェースすることを許容するために、SPI出力ドライバおよびレベル・シフタ208とSPI入力レベル・シフタ210が設けられている。
【0027】
図4はRFIC104とSPI113をインターフェースするSPI制御回路400の一実施形態を示している。図4に示すように、論理回路400は32ビット・シフト・レジスタ401を備えている。32ビット・シフト・レジスタ401は、バス409を介してレジスタ・バンク404の複数のレジスタの1つから並列にロードする。レジスタ・バンク404の複数のレジスタは何れも、バス408を介して32ビット・シフト・レジスタ401からロードすることができる。カウンタ・デコーダ403は、信号SCLKによって増分するが、レジスタ・バンク404の複数のレジスタの1つを選択するためにアドレスを生成する。動作中、端子405のシリアル入力信号D1であるシリアル・データは、32ビット・シフト・レジスタ401にシフト・インする。同時に、32ビット・シフト・レジスタ401内のシリアル・データは、端子406でシリアル・データ信号DOとしてシフト・アウトする。ベースバンド・プロセッサ105からの128ビット・コマンドは、提供されてメッセージ・デコーダにラッチされて、SPI制御回路400の動作を制御する。
【0028】
本実施形態では、RFIC104はIFフィルタ104の入力端子とAGC206の出力端子を選択的にアサートする端子TPを備えている。
【0029】
上記の詳細な説明は、本発明の具体的な実施形態を説明するためのものであり、これに限定することを意図するものではない。本発明の範囲内で数多くの変更形態や改良形態が可能である。本発明を添付の特許請求の範囲に記す。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】図1は本発明の一実施形態に係るGPSアプリケーションをサポートするモバイル機器のハードウェア構造100のシステム・ブロック図である。
【図2】図2は本発明の一実施形態に係るRFIC104のブロック図である。
【図3】図3は3.5MHz付近の周波数で十分に減衰するIFフィルタ204の通過帯域301を示す。
【図4】図4はRFIC104をSPI113にインターフェースさせるSPI制御回路400の一実施形態を示す。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
全地球測位システム(GPS)アプリケーションのための無線周波数集積回路であって、
外部ソースから無線周波数のGPS信号を受信するインターフェースと、
前記GPS信号を16foよりも低い所定の中間周波数にダウンコンバートするミキサと、
前記中間周波数のGPS信号を受信してフィルタリングする中間周波数フィルタと、
前記フィルタリングされた中間周波数のGPS信号を増幅する自動利得制御回路と、
所定のビット数のサンプルを提供するために、前記フィルタリングされて増幅された中間周波数のGPS信号を、所定のサンプリング・レートでデジタル化するアナログ/デジタル変換器と、
業界標準のシリアル・バスを介してベースバンド・プロセッサに前記サンプルを提供するインターフェースを備える無線周波数集積回路。
【請求項2】
前記中間周波数フィルタの通過帯域を設定する較正回路をさらに備える、請求項1の無線周波数集積回路。
【請求項3】
前記ミキサがイメージ除去ミキサを備える、請求項1の無線周波数集積回路。
【請求項4】
前記所定のサンプリング・レートと前記所定のビット数の積が、前記業界標準のシリアル・バスのデータ・レート以下である、請求項1の無線周波数集積回路。
【請求項5】
前記所定の中間周波数が実質的に1.5foである、請求項1の無線周波数集積回路。
【請求項6】
前記所定のサンプリング・レートが実質的に6foである、請求項5の無線周波数集積回路。
【請求項7】
前記所定の周波数フィルタが2.5MHzの近傍でロールオフする、請求項5の無線周波数集積回路。
【請求項8】
前記中間周波数フィルタおよび前記アナログ/デジタル・フィルタのパワー・スペクトルが、3.5MHz以上の周波数で十分に減衰する、請求項6の無線周波数集積回路。
【請求項9】
前記業界標準のシリアル・バスが同期式周辺バスを備える、請求項1の無線周波数集積回路。
【請求項10】
前記業界標準のシリアル・バスがマルチチャネル・バッファード・シリアル・ポートを備える、請求項1の無線周波数集積回路。
【請求項11】
前記無線周波数集積回路がON状態、STANDBY状態およびOFF状態を備える、請求項1の無線周波数集積回路。
【請求項12】
前記ベースバンド・プロセッサが汎用マイクロプロセッサを備える、請求項1の無線周波数集積回路。
【請求項13】
前記ベースバンド・プロセッサが業界標準のデジタル信号プロセッサを備える、請求項1の無線周波数集積回路。
【請求項14】
前記無線周波数集積回路が前記業界標準のシリアル・バスを通して設定可能である、請求項1の無線周波数集積回路。
【請求項15】
全地球測位システム(GPS)アプリケーションのための無線周波数集積回路を汎用マイクロプロセッサとインターフェースする方法であって、
外部ソースから無線周波数のGPS信号を受信する工程と、
前記GPS信号を16foよりも小さい所定の中間周波数にダウンコンバートする工程と、
前記中間周波数のGPS信号をフィルタリングする工程と、
前記フィルタリングされた中間周波数のGPS信号を増幅する自動利得制御回路を提供する工程と、
所定のビット数のサンプルを提供するために、前記フィルタリングされて増幅された中間周波数のGPS信号を、所定のサンプリング・レートでデジタル化する工程と、
業界標準のシリアル・バスを介してベースバンド・プロセッサに前記サンプルを提供する工程を備える方法。
【請求項16】
前記中間周波数フィルタの通過帯域を較正する工程をさらに備える、請求項15の方法。
【請求項17】
前記ミキサがイメージ除去ミキサを備える、請求項15の方法。
【請求項18】
前記所定のサンプリング・レートと前記所定のビット数の積が、前記業界標準のシリアル・バスのデータ・レート以下である、請求項15の方法。
【請求項19】
前記所定の中間周波数が実質的に1.5foである、請求項15の方法。
【請求項20】
前記所定のサンプリング・レートが実質的に6foである、請求項19の方法。
【請求項21】
前記所定の周波数フィルタが2.5MHzの近傍でロールオフする、請求項19の方法。
【請求項22】
前記中間周波数フィルタおよび前記アナログ/デジタル・フィルタのパワー・スペクトルが、3.5MHz以上の周波数で十分に減衰する、請求項19の方法。
【請求項23】
前記業界標準のシリアル・バスが同期式周辺バスを備える、請求項15の方法。
【請求項24】
前記業界標準のシリアル・バスがマルチチャネル・バッファード・シリアル・ポートを備える、請求項15の方法。
【請求項25】
前記無線周波数集積回路がON状態、STANDBY状態およびOFF状態を備える、請求項15の方法。
【請求項26】
前記ベースバンド・プロセッサが汎用マイクロプロセッサを備える、請求項15の方法。
【請求項27】
前記ベースバンド・プロセッサが業界標準のデジタル信号プロセッサを備える、請求項15の方法。
【請求項28】
前記業界標準のシリアル・バスを通して前記無線周波数集積回路を設定する工程をさらに備える、請求項15の方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公表番号】特表2009−503499(P2009−503499A)
【公表日】平成21年1月29日(2009.1.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−523873(P2008−523873)
【出願日】平成18年5月9日(2006.5.9)
【国際出願番号】PCT/US2006/018007
【国際公開番号】WO2007/081380
【国際公開日】平成19年7月19日(2007.7.19)
【出願人】(501382085)サーフ テクノロジー インコーポレイテッド (26)
【Fターム(参考)】