原创 移动通信系统与GPS系统接收机

2012-8-5  记录

最近对GPS定位系统的终端进行了一些研究，以移动通信系统终端的眼光去看定位接收机系统，微微有些感触。

首先，GPS定位接收机只是接收信号，这一点跟移动通信终端很不相同。单纯的接收，显然在时序控制上简单很多，但并不因为这一点就认为gps接收机比移动通信终端好做。

捕获，不要以为这只是gps接收机才有的概念，其实任何制式的移动通信终端都有这个过程。捕获是在对某个系统信号进行时域和频域的搜索同步的过程。gps是一个cdma系统，所有的卫星都发射同一个频点的信号。但是由于卫星相对接收机的位置和速度不同，存在不同大小的doppler频移，所以必须是频域上和时域（即cdma扩频码片序列的起始位）都完全对上时，才能正确地接收gps的信号。而移动通信系统里，在刚开机或者失去基站信号之后，需要在整个频段逐个搜索基站的信号，并找到基站信号中的一些特殊信号以确定时域的位置，而且这个过程同样存在doppler频移等因素，所以也是在频域和时域两个维度同时进行捕获的。这个概念，可能认为cdma系统跟gps很相似，比较容易理解。但实际上gsm也是这样的。只不过，gsm里面，没有扩频通信的码片概念，但时域的同步同样是需要的，他就依靠对FCB的频点和位置来确定了频域和时域的信号捕获与否。

跟踪，同理也不是gps才有的概念。在通信系统中，终端要保持一直能正确地接收基站的信号，必须要跟踪与基站信号之间的频差和时差。因为频差和时差是必然存在的，而且是时变的，所以跟踪就是在能够容忍的变化范围内，一直保持这样的关系。例如移动通信终端，总是需要在系统规定的某些固定周期的时隙里接收系统可能发来的paging信号。终端因为需要省电，所以一般都处于睡眠状态。那么为了接收这个paging，需要醒来的时间很短，所以如果在时间上没有很好的跟踪算法，起来的时间片可能就错过了paging的接收时间片。这个算法主要需要考虑的在这个睡眠周期内可能发生的时间偏移，并确保通过一些补偿的手段可以弥补这种时间偏移。gps的跟踪算法里面DLL，FLL，PLL几个环路的参数求取与环路稳定性的保证，其实在移动终端里变化成了时间的调整和频率调整AFC，以及信道估计与均衡。

但这两个系统确实又很不相同。gps强调的是弱信号下，通过将不断重复的信号反复积分能获得很好的捕获和跟踪的灵敏度。移动通信系统强调的却是，尽量高效地利用频谱带宽，在有限的带宽内传递尽量多的信息。gsp的系统信息是不停重复的，移动通信系统里除了用于系统初始同步（捕获）用的某些特殊信号外，其他信号都是不断变化的。所以，在移动通信里很重要的信道估计和均衡的算法在gps系统里却几乎没有这样的概念。

再增加一小段理解，在具体系统设计过程中跟其他同学讨论，发现这些理解对于新进入这个领域的人还是颇有帮助。通常的移动通信系统，以GSM为例，终端的设计中，主要是捕获和跟踪一个最强的基站信号。具体跟踪的算法，从时间上来说会调整本地的计时的时钟的相位和频率来实现跟基站的同步点对齐。这里的算法也是一个环路，但是只是跟一个基站信号形成的环路，于是就可以完全同步在这个基站的信号上。而GPS系统，对于接收机接收到的信号而言，包含了所有可能的卫星信号，而每颗卫星的到接收机的同步点都是完全不同的。于是接收机需要针对每颗卫星信号做环路的跟踪，而这个跟踪只能每颗卫星做自己的，调整本地接收机产生的码序列和频率序列的相位来实现。这一点具体的处理算法的方案上，跟移动通信系统的基础算法上确实是有区别的。

当然，移动终端基带软件里，除了物理层算法外，还有逻辑复杂的上层协议栈软件的部分。这构成了整个移动终端软件很丰富的移动性管理，数据通信的有效性和可靠性的管理，身份和安全的管理等等。这些部分，在gps这样的接收机里那就完全是空白了。gps除了捕获与跟踪这样基础的算法，就是根据基础跟踪的数据进行定位解算的部分。当然这里面，其实还是可以引入很多移动通信里的方法，例如干扰的判断，假星的判断等等，以提高定位的精度和速度。

总之，还都是通信系统吧，目的不同，方法相同。要想做好，需要深入。不过很有意思的一件事情是，市场上貌似没有gps的IP提供商（专业的），不像wifi和蓝牙之类的。各家的gps基带模块貌似都是自家做的，或者就买别人的模块（sirf，ublox，mstar，mtk...），这是为什么，我还没想出个所以然来，慢慢思考吧~~~