專利名稱：可降低耗電量的內含多個振蕩器的裝置與其相關方法
技術領域：
本發明是關于導航衛星系統，尤其是關于一種具有較低耗電量的內含多個 振蕩器的裝置與其相關方法。
背景技術：
衛星技術的快速發展也帶動了全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)，例如全5求定位系統(Global Positioning System, GPS)、伽利略導 航衛星系統(Galileo Satellite Navigation System)等的興起。上述的導航衛星系統 與環繞地球運行的衛星有關，其中衛星會發射無線信號至地球表面以讓接收器 判斷出他們的位置、速度和時間的相關信息。全球導航衛星系統接收器通過量 測衛星之間的無線信號的發射與接收的時間差，來實時地計算出全球導航衛星 系統接收器本身的位置，其中無線信號是以已知的速度來傳遞，因此，只要能 找出至少四顆衛星的位置和他們與全球導航衛星系統接收器之間的距離，就可 以計算出全球導航衛星系統接收器的位置。近年來，全球導航衛星系統的用途 和其相關的裝置已被廣泛地被應用在各個領域中。
基本上，導航衛星系統一般是使用具有兩個頻率系統的硬件配置，如圖1 所示。圖1所示是現有的全球導航衛星系統接收器100的硬件架構示意圖。全 球導航衛星系統接收器100具有第一時鐘110、第二時鐘120、射頻信號接收器 (RFreceiver)130、基帶模塊140以及處理器150。第一時鐘110通常是由高精確 度且具有數十兆赫茲(MHz)的振蕩器來產生的，且第一時鐘110是用來準確地同 步(Synchronize)及接收衛星信號。此外，第一時鐘110也可用于降頻轉換、偽距 離量觀'J(Pseudo Range Measurement^ 4言號獲耳又(Signal Acquisition)以及^言號追^宗 (Tracking)等工作上。在導航定位后，第一時鐘110的時鐘模型(Clock Model), 或時鐘模型與世界標準時間(Universal Time Coordinate, UTC)之間的關系，可以 從導航定位后的時間信息來求出。時鐘模型通常可以用一個二階的方程式來加 以表示，并在導航連續的定位過程中提供高精確度的時鐘。此外，第一時鐘IIO 及其時鐘模型通常可用于產生1PPS的輸出(one pulse per second output)以及在衛
星信號阻斷后，改善接收器重新獲耳又信號的能力。然而，由于第一時鐘110的 自身特性與用途，其在工作時也具有耗電量較高的缺點。第二時鐘120是導航
系統的另一實時時鐘(或輔助時鐘)，其通常^又具有32.768KHz的頻率,用來作為 處理器150的時間參考信息，如導航衛星系統接收器上的日歷表和年歷表，因 此在實用中第二時鐘120通常會具有比第一時鐘110較便宜和較低精確度的特 性。
第一時鐘110的時鐘模型通常設置在處理器150內部并由處理器150內的 程序來運算和維護。在現有的全^^導航衛星系統接收器上，并不會為第二時鐘 120再設置另 一個時鐘模型，即便在可導航定位的條件下也不會去計算精確的第 二時鐘模型，通常只是在第二時鐘誤差過大(如超過一秒)的情況下做校正。 一旦 全球導航衛星系統接收器100(或第一時鐘IIO)關閉，第一時鐘110的時鐘模型 就無法繼續維持，而當全球導航衛星系統接收器100(或第一時鐘110)重新啟動 時，全球導航衛星系統接收器100僅能依賴第二時鐘120所提供的粗估的時間 信息以及所存儲的輔助信息，如日歷表、年歷表和大約的位置信息(也就是存儲 在處理器150內的非易失性內存中的信息或從輔助網絡上取得的信息)來進行操 作。從現有技術可以得知，全球導航衛星系統接收器IOO重新啟動的性能(在導 航衛星系統上，其性能通常是指其^:感度和達成首次定位的時間(Time to First Fix, TTFF))會受限于上述的粗估時間信息。
由于便攜式導航衛星產品的電池供電量有限，因此，為了節省耗電量，延 長產品連續定位的時間，在定位工作達成后將第一時鐘110暫停以節省能源， 并在二次定位需求前，快速地恢復導航能力的做法就成為此領域的一項挑戰。 因此，本發明中揭露了一種在導航定位狀態下建立第二時鐘120的第二時鐘模 型的方法和裝置，通過第二時鐘模型來提升重新啟動的性能，以符合上述的省 電趨勢。
發明內容
因此，本發明的目的之一在于提供一種可降低耗電量的內含多個振蕩器的 裝置與其相關方法，以解決上述全球導航衛星系統接收器重新啟動時性能受限 與耗電量高的技術問題。
依據本發明的實施例，其揭露一種可降低耗電量的內含多個振蕩器的裝置。 裝置包含第一振蕩器、第一計數器、第二振蕩器、第二計數器以及處理器。第
一計數器耦合于第一振蕩器，用來計數第一振蕩器所產生的信號的周期以產生 第一振蕩器的周期數；第二計數器耦合于第二振蕩器，用來計數第二振蕩器所
產生的信號的周期以產生第二振蕩器的周期數；以及處理器耦合于第 一計數器 和第二計數器，用來依據第二振落器的周期數確定方程式以模型化(model傳一 振蕩器的周期數，并利用方程式和第二振蕩器的目前周期數來獲得第一振蕩器 的預期的目前周期數。
依據本發明的另一實施例，其另揭露一種應用于具有第一振蕩器和第二振 蕩器的裝置內的方法。包含有下列步驟計數第一振蕩器所產生的信號的周期 以產生第一振蕩器的周期數；計數第二振蕩器所產生的信號的周期以產生第二 振蕩器的周期數；依據第二振蕩器的周期數確定方程式以模型化第一振蕩器的 周期數；以及利用方程式和第二振蕩器的目前周期數來獲得第一振蕩器的預期 的目前周期數。
本發明的裝置及方法與現有技術相比較，其有益效果包括通過暫時關閉 第一振蕩器，可降低功率消耗，延長電池壽命；通過參考第二振蕩器以及方程 式，第一振蕩器所中斷的周期數仍然可以正確地計算出來，當重新啟動第一振 蕩器時，大幅降低第一振蕩器的時間不確定因素，以提升接收器的接收性能。
圖1是現有的全球導航衛星系統接收器的硬件架構示意圖。 圖2是依據本發明實施例的可減少電源消耗的裝置的示意圖。 圖3是依據本發明另一實施例應用于具有第一、第二振蕩器的裝置內的方 法的流程圖。
具體實施例方式
在本說明書以及權利要求當中使用了某些詞匯來指稱特定的元件，本領域 的技術人員應可理解，硬件制造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件，本 說明書及權利要求并不以名稱的差異作為區分元件的方式，而是以元件在功能 上的差異作為區分的準則，在通篇說明書及權利要求書當中所提及的"包含，， 是開放式的用語，故應解釋成"包含有但不限定于"，此外，"耦合" 一詞在此 包含任何直接及間接的電氣連接手段，因此，若文中描述第一裝置耦合于第二 裝置，則代表第一裝置可以直接電氣連接于第二裝置，或通過其它裝置或連接手段間接地電氣連接至第二裝置。
閱讀了下文對于附圖所示優選實施例的詳細描述之后，本發明對所屬技術 領域的技術人員而言將顯而易見。
為了改善系統重新啟動時的性能以及減少具有多個振蕩器的系統的耗電 量，本發明提供了一種較好的具有多個振蕩器的系統與其相關方法。如圖1所 示，現有的全球導航衛星系統接收器中的第一時鐘110 —直保持開啟的狀態， 且同時消耗大量的電流來提拱持續的導航服務。舉例來說，若產生第一時鐘110
的是一個溫度補償的石英振蕩器(Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO)，則此振蕩器就可能消耗1.5mA至2mA的電流。雖然使用者也希望可能 將第一時鐘110關閉，使其進入待機模式(StandbyMode)來達到節省功率消耗的 目的，但是這是非常難以實現的，主要是因為如此做的話就不會有一個有效的 時鐘模型來確保系統快速重新啟動的性能。因此，本發明就提供了一種裝置和 其相關方法，允許暫時關閉第一時鐘，以降低暫時停止接收后快速重新啟動的 系統設計的復雜度，如此一來，就可以大幅度地減少耗電量并提供應用上更大 的彈性。
請參考圖2，圖2所示是本發明用來減少電源消耗的裝置200的示意圖。裝 置200包含有第一振蕩器210、第一計數器230、第二振蕩器220、第二計數器 240以及處理器250。第一計數器230耦合于第一振蕩器210，用來計數第一振 蕩器210所產生的信號的周期以產生第一振蕩器210的周期數。第二計數器240 耦合于第二振蕩器220,用來計數第二振蕩器220所產生的信號的周期以產生第 二振蕩器220的周期數。處理器250耦合于第一計數器230和第二計數器240。 此外，在本發明的另一實施例中，更包含電源管理裝置260,其耦合于第一振蕩 器210和處理器250之間。
裝置200中的第一計數器230和第二計^:器240作為定時器(例如準確至毫 秒(millisecond)的定時器)，其會依據處理器250的處理工作而計數不同的時間。 在導航定位狀態時，處理器250所執行的應用軟件(或者通過硬件的方式)可以計 算出第一計數器230和世界標準時間(Universal Time Coordinate, UTC)之間的第 一時鐘模型，第一時鐘模型可用來協助接收器在衛星信號暫時阻斷后的搜尋能
力。換句話說，在第一振蕩器210處于暫時關閉狀態下維持第一時鐘模型有助 于加速重新啟動時與衛星的聯系。如在現有才支術中所描述的，第一振蕩器210 必須一直維持啟動的狀態，但是一旦第一振蕩器210停止運作，處理器250內
的第一時鐘模型就會自動消失。另一方面，將振蕩器維持在振蕩狀態也可以持 續地鎖住正確的追蹤時間，因此，準確的計數值就成為縮小重新獲取衛星信號 的搜尋范圍的必要條件，這也是現有技術中需要維持振蕩器一直開啟的原因。
在以下段落中將更詳細描述本發明裝置200如何暫停第一振蕩器210的運作以
節省耗電量的操作。
在正常的才喿作中，裝置200內所有的元件均處于工作狀態，此時處理器250 會依據第二振蕩器220的周期數確定一個方程式，以i"更才艮據第二振蕩器220的 周期數來模型化(model)第一振蕩器210的周期數。如此一來，第一計數器230 就可以利用第二計數器240對第二振蕩器220所計數的周期數來計數出第一振 蕩器210的預測周期數。 一旦計數出預測周期數之后，處理器250就可以依照 使用者的特定應用來關閉第一振蕩器210，例如停止第一振蕩器210的操作或暫 時調整第一振蕩器210進入待機模式以節省電源。然而，在第一振蕩器210處 于待機模式時，第二振蕩器220和第二計數器240仍然維持啟動狀態，也就是 說，第二計數器240會持續正常地計數第二振蕩器220的周期數。依據本發明 所揭露的一個實施例，當第一振蕩器210需要重新啟動時(例如要接收來自衛星 系統的衛星信號時)，處理器250就會依據方程式和第二振蕩器220的目前的周 期數來加載第一計數器230，接著再啟動第一4^蕩器210，如此一來，第一計數 器230就會從處理器250所加載的數值開始，恢復計數第一振蕩器210的周期 數。由于第一計數器230所載入的數值是根據方程式以及第二振蕩器220的目 前的周期數所預測出來的周期數，因此預測的周期數理論上與第一振蕩器210 沒有受到中斷的計數值會是接近的，換句話說，由于本發明實施例中裝置200 在需要重新運作時就會更新第一計數器230的計數值，因此就可以在適當的時 機關閉和開啟第一振蕩器210的運作，并保持較小的衛星信號搜尋范圍。
當加載第一計數器230并啟動第一振蕩器210時，第一振蕩器210的周期 數的準確度由方程式、第一振蕩器210的上一次停止的時間點以及第二振蕩器 220的精確度(或第二計數器240的精確度)決定。請注意，熟悉此項技術者應可 了解，在實作上第一計數器230也許會有一些誤差，然而若與完全不利用參考 時間的現有技術相比較，這些誤差顯然是可以忽略的。因此，通過將方程式適 當模型化后，就可以減少系統的不確定性以及改善系統在重新啟動時信號搜尋 的性能。另一方面，其它的誤差，例如同步誤差(Synchronization Error)、短時間 時鐘抖動(Short Term Clock Jitter)與來自實時時鐘的長時間抖動(long term jitter)
等也會對第一計數器230造成整體性的計數誤差，因此，在選擇一個適當的方 程式時，上述問題都必須要考慮到才能將潛在的誤差降低到最小。
在本發明的一個實施例中，當第一振蕩器210啟動時，方程式利用一個二 階的多項式(Polynomial)來加以模型化。二階多項式可用如下方程式(l)來表示 Fi = aF22 + bF2 + c, (1) 在方程式(l)中，Fi代表第一振蕩器210的周期數，F2代表第二振蕩器220 的周期數，而a、 b及c都是通過取樣決定出來的常數值。舉例來說，當裝置200 在正常操作時，取樣出三組周期數(F,，尸1499511, F2，尸375), (F1)2=l999022, F2，2=1375)， (F1>3=2498534, F2，3=2375)。接著，,人方程式(l)可以得到上述的a、 b 及c的數值，即3=0.0000005〕=499.510125，以及。=1312194.6328125。最后，將 a、b及c的值代入方程式(l)之后，就可以輸入一個已知的F2值而得到Fi的數值。 因此，在第一振蕩器210進入待才;Mi式時，如果想要得到在一個時間點下對應 于第一振蕩器210的計數值，假若此時F2,4 = 32768，則處理器250就會依據方 程式(l)來載入F"即Fw-l073741824)至第一計數器230,也就是說，當第二振 蕩器220目前的周期數為F2,4 = 32768時，第一振蕩器210目前的周期數為FM = 1073741824。
換句話說，在方程式的確定上，可以在任^f可三個不同的時間點上同時對第 一振蕩器210的周期數以及第二振蕩器220的相應周期數進行取樣以取得三對 周期數，而這三對周期數就可以用來適當地計算出方程式。因此，通過這三對 周期數得出的方程式就會滿足依據第二振蕩器220的周期數來取得第一振蕩器 210的周期數的條件。另一方面，上述三個取樣點之間的時間差可以決定模型化 后的精確度。請注意，依據本發明的精神所在，若要以更高或更低階數的多項 式的方程式來模型化，可以相對應的增加或減少取樣的周期對的數目。
在本發明的其它實施例中，也可以對裝置200加入各種不同的功能，也就 是說，處理器250可以在預定的條件下才啟動第一振蕩器210，其中預定條件可 以是一個特定的啟動時間(wakeup time)，其可與一個需要使用第一振蕩器210 的特定功能同步。第一振蕩器210可以用一個溫度補償的石英振蕩器 (Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO)來實現，或者依照實際應用的 不同而改用別種振蕩器。第二振蕩器220用作裝置200內的實時時鐘。
此外，電源管理裝置260耦合于處理器250和第一振蕩器210之間，其中 處理器250會使用電源管理裝置260來開啟或關閉第一振蕩器210。另一方面，
為了讓裝置200在處于待機狀態時仍然具有基本的電源供應，也將電池(未顯示) 耦合于第二振蕩器220和第二計數器240，以在裝置200的系統電源關閉時，提 供備用電源給第二振蕩器220和第二計數器240,如此一來，處理器250就可以 直接關閉裝置200的系統電源來關用第一振蕩器210。
中，然而本發明其中之一優選實施例是應用在導航衛星系統中，也就是說，裝 置200可視為全球導航衛星系統接收器。如現有技術所述，全球導航衛星系統 接收器為雙振蕩器的設計，其中第一振蕩器為了接收來自衛星的信號而必須一 直保持啟動狀態。如今，在導航衛星系統中使用本發明實施例的裝置200之后， 第一振蕩器就可以暫時地關閉(在省電模式下)以節省耗電量。在本實施例中，處 理器250會提前開啟第一振蕩器210以便成功地接收到來自衛星的信號。另一 方面，處理器250也可以計算出上述兩計數器之間最新的方程式并將方程式的 參數存儲到非易失性內存RAM內，以及接收來自使用者的指令來關閉全球導航 衛星系統接收器(除了第二振蕩器220和第二計數器240之外)，然后再依據第二 振蕩器220的目前周期數以及所存儲的方程式來精確地重新開啟全球導航衛星 系統沖妻收器。除此之外，在本發明的另一實施例中，處理器250也可以在進行 衛星導航時判定出方程式、關閉第一振蕩器210以進入省電模式、啟動第一振 蕩器210以返回正常操作模式以及通過處理器250中軟件程序的執行來補償第 一計數器230的計數值的不連續性(即偏移量(Offset))。
請參考圖3，圖3所示是依據本發明的實施例，應用于具有第一、第二振蕩 器的裝置內的方法300的流程圖。請注意，為了更清楚描述本發明的精神所在， 本實施例結合上述實施例的裝置200來加以描述。另一方面，若可以得到大致 相同的結果，本發明提供的方法300的步驟不一定要完全照以下的次序執行， 也不一定要是連續的，換句話說，當中還可插入其它的步驟。方法300包含有 下列步驟
步驟310:計數第一振蕩器210的周期以產生第一振蕩器210的周期數;
步驟320:計數第二振蕩器220的周期以產生第二振蕩器220的周期數；
步驟330:依據步驟310及320的周期數集合確定一個方程式以模型化第一 振蕩器210的周期數；以及
步驟340:利用方程式和第二振蕩器220的目前周期數來獲得第一振蕩器 210的目前周期數。
請注意，上述所揭露的方法300也可以用來減少內含第一、笫二振蕩器的 裝置的耗電量，主要是因為可以在省電模式或停止服務模式時關閉第 一振蕩器。
依據本發明，當第一振蕩器210在省電模式或停止服務模式結束后啟動時， 或在預定條件下啟動時，本發明的裝置與方法就會重新對方程式的參數進行模 型化，例如計算出前述的方程式(l)的a、 b以及c值。請注意，方程式的參數是 與方程式的階數(order)有關的，因此，本發明的裝置與方法在第一振蕩器210啟 動時會更新方程式。
由以上描述可以得知，本發明所揭露的裝置和方法可以降低具有多個振蕩 器的系統的耗電量，也就是說，通過暫時關閉具有多個振蕩器的系統中的第一 振蕩器，功率消耗便可隨之減少，如此一來，就可以延長具有多個振蕩器的系 統的電池壽命。另一方面，通過參考第二振蕩器以及方程式，第一振蕩器的中 斷的周期數仍然可以正確地計算出來，也就是說，當系統需要啟動第一振蕩器 時，第一振蕩器的輸出所代表的時間不確定性可有效P爭低。
所屬技術領域的技術人員可輕易完成的均等改變或潤飾均屬于本發明所主 張的范圍，本發明的權利范圍應以權利要求書所限定的范圍為準。
權利要求
1.一種可降低耗電量的內含多個振蕩器的裝置，包含第一振蕩器；第一計數器，耦合于該第一振蕩器，用來計數該第一振蕩器所產生的信號的周期以產生該第一振蕩器的周期數；第二振蕩器；第二計數器，耦合于該第二振蕩器，用來計數該第二振蕩器所產生的信號的周期以產生該第二振蕩器的周期數；以及處理器，耦合于該第一計數器和該第二計數器，用來依據該第二振蕩器的該周期數確定方程式以模型化該第一振蕩器的該周期數，并利用該方程式和該第二振蕩器的目前周期數來獲得該第一振蕩器的預期目前周期數。
2. 如權利要求1所述的可降低耗電量的內含多個振蕩器的裝置，其特征在 于，該處理器更同時對該第 一振蕩器的該周期數和在同 一時間點下的該第二振 蕩器的該周期數進行取樣以產生一對周期數，并在多個不同的時間點下重復地 進行取樣以取得多對周期數，以及依據該多對周期數確定該方程式以模型化該 第一振蕩器的該周期數。
3. 如權利要求1所述的可降低耗電量的內含多個振蕩器的裝置，其特征在 于，該第一振蕩器在預定時間內是關閉的，以及當啟動該第一振蕩器時，該處 理器會利用該方程式來獲得該第一振蕩器的該預期目前周期數。
4. 如權利要求1所述的可降低耗電量的內含多個振蕩器的裝置，其特征在 于，該第一振蕩器是應用在信號處理領域中的石英振蕩器。
5. 如權利要求1所述的可降低耗電量的內含多個振蕩器的裝置，其特征在 于，該第二振蕩器是用來作為時間參考的石英振蕩器。
6. 如權利要求1所述的可降低耗電量的內含多個振蕩器的裝置，其特征在 于，更包含有電源管理裝置，耦合于該處理器和該第一振蕩器，其中該處理器 更通過該電源管理裝置來關閉或啟動該第一振蕩器。
7. 如權利要求1所述的可降低耗電量的內含多個振蕩器的裝置，其特征在 于，該裝置為導航衛星系統。
8. 如權利要求7所述的可降低耗電量的內含多個振蕩器的裝置，其特征在 于，該處理器在進行衛星導航時確定該方程式，接著關閉該第一振蕩器以使該 第一振蕩器進入省電模式或停止服務模式，并在預定條件下依據該方程式以及 該第二振蕩器的該目前周期數來加載該第 一計數器，以及啟動該第 一振蕩器來 重新進行衛星導航。
9. 一種應用于具有第一振蕩器和第二振蕩器的裝置內的方法，包含有 計數該第一振蕩器所產生的信號的周期以產生該第一振蕩器的周期數； 計^l該第二振蕩器所產生的信號的周期以產生該第二振蕩器的周期數； 依據該第二振蕩器的該周期數確定方程式以模型化該第一振蕩器的該周期數；以及利用該方程式和該第二振蕩器的目前周期數來獲得該第一振蕩器的預期目 前周期數。
10. 如權利要求9所述的應用于具有第一振蕩器和第二振蕩器的裝置內的 方法，其特征在于，更包含同時對該第一振蕩器的該周期數和在同一時間點 下的該第二振蕩器的該周期數進行取樣以產生一對周期數，并在多個不同的時間點下重復地進行取樣以取得多對周期數，以及依據該多對周期數確定該方程 式以模型化該第一振蕩器的該周期數。
11. 如權利要求9所述的應用于具有第一振蕩器和第二振蕩器的裝置內的 方法，其特征在于，更包含在預定時間內關閉該第一振蕩器，以及當啟動該 第一振蕩器時，利用該方程式來獲得該第一振蕩器的該預期目前周期數。
12. 如權利要求9所述的應用于具有第一振蕩器和第二振蕩器的裝置內的 方法，其特征在于，更包含在進行衛星導航信號處理時確定該方程式，接著 關閉該第一振蕩器以使該第一振蕩器進入省電模式或停止服務模式，并在預定 條件下依據該方程式以及該第二振蕩器的該目前周期數計算出該第一振蕩器的 該目前周期數，以及啟動該第一振蕩器來繼續計數以重新進行衛星導航信號處 理。
全文摘要
本發明提供一種可降低耗電量的內含多個振蕩器的裝置，其包含第一振蕩器、第一計數器、第二振蕩器、第二計數器以及處理器。第一計數器耦合于第一振蕩器，用來計數第一振蕩器所產生的信號的周期以產生第一振蕩器的周期數；第二計數器耦合于第二振蕩器，用來計數第二振蕩器所產生的信號的周期以產生第二振蕩器的周期數；以及處理器耦合于第一計數器和第二計數器，用來依據第二振蕩器的周期數確定方程式以模型化第一振蕩器的周期數，并利用方程式和第二振蕩器的目前周期數來獲得第一振蕩器的預期目前周期數。本發明所提供的裝置可降低功率消耗，延長電池壽命，并大幅降低第一振蕩器的時間不確定因素，提升了接收器的接收性能。
文檔編號G01S1/04GK101369011SQ20081013251
公開日2009年2月18日 申請日期2008年7月15日 優先權日2007年8月13日
發明者葉信忠 申請人:聯發科技股份有限公司