CN1226889C - 用于缩放信号峰值点功率幅值的方法和相应发射机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在向功率放大器发送信号前，在发射机端缩放所述信号峰点功率幅值的方法，所述方法包括如下步骤：计算包括一组至少两个峰点的脉冲序列的缩放系数，其中峰点的功率超出预定阈值，所述缩放系数是针对一个峰点考虑了如果所述组中至少一个其他峰点使用缩放系数而产生的对于所述峰点影响的缩放系数；将所述计算出的缩放系数应用于所述组的所述各个峰点。

Description

用于缩放信号峰值点功率幅值的方法和相应发射机

技术领域

本发明涉及传输数字信号的系统和方法，尤其涉及在使用例如正交码分复用(OCDM)或者正交频分复用(OFDM)的系统中降低被传输信号峰均比(Peak to Average Ratio，PAR)的技术。

背景技术

通常，无线通信网络的传输链(transmit chain)包括功率放大器，以便在通过无线接口传输之前进行信号放大。PAR是被送入功率放大器的信号的一个重要的特性。PAR被定义为信号的最大幅值和信号的平均幅值之比。

利用扩频技术(例如OCDM，OFDM)由一个或几个用户传输的宽带多载波信号表现为具有可动态获得高峰均比(PAR约为12dB)的严格频谱罩(spectrum mask)和宽包络调制(envelope modulation)的准高斯频率分布。

功率放大器通常由效率来描述其特性，该效率被定义为功率放大器输出端的信号功率与功率放大器总功率消耗之比。

具有高峰均比的信号导致功率放大器效率变低。对于PAR约为12dB的CDMA信号的标准适应放大(standard compliantamplification)，需要相同顺序的超长放大器链(已知为约12dB的功率放大器补偿)。这种超长在无线通信网络的发射机端(尤其是在基站处)的所需电源或适当的冷却装置方面产生了很不利的后果。然而，该超长必须不进入功率放大器特性的非线性域。如果进入了非线性域，则信号的峰值点将由于调制失真使功率放大器达到饱和，在接收机端引起高比特误差率。

针对该问题的已知对策是箝位技术。该技术包括根据功率放大器的特性，从信号中去除具有超出预定幅值阈值幅值的峰值点。这通常通过令信号在该幅值阈值达到饱和得到。对阈值的选择是在功率放大器效率和被发送信号质量之间的折衷。事实上，将阈值设置得越低，包含在峰值点中的信息被从信号中去除的就越多，而信号的质量也就降低得越多。

通常的箝位技术不得不面对非线性滤波问题。一方面，令信号在阈值处达到饱和，产生与针对信号在频谱罩方面设置的要求不一致的宽带噪声。事实上，通常的箝位技术导致信号频谱超出允许的频谱罩，在相邻频率的信道中引起干扰。另一方面，当进行滤波以便去除被允许的频谱罩以外的噪声时，滤波固有的记忆作用将再次产生超出理想阈值的信号峰值点。

另一种已有方法包括当超过给定功率阈值时，通过从信号中减去预定箝位函数对信号进行箝位。为了确保箝位不会引起任何频带外干扰，选取具有与待箝位信号的带宽大致相同的函数。只要没有超出阈值的峰值点落入另一个峰值点箝位函数的范围之内，该方法就可以获得良好的结果。

图1a示出超出阈值的峰值点之间距离足够大，而不会在不同峰值点的箝位之间产生干扰的情况。图1a示例性示出对于距离相隔分别为Δ_1a，…，Δ_2a的三个峰值点峰值点1a，…，峰值点3a的箝位函数δ_1a(x)，…，δ_3a(x)。由于峰值点之间的距离足够大，使得箝位函数的相交发生在箝位函数显著降低了的域中，所以箝位函数δ_1a(x)，…，δ_3a(x)不会交叠。每个箝位函数δ_1a(x)….，δ_3a(x)根据峰值点幅值乘以缩放系数，并利用通常的方法进行计算。

相反，图1b示出三个超出阈值的峰值点集中在一个小域中，当进行信号箝位时产生干扰的情况。图1b示例性示出对于距离相隔分别为Δ_1b，…，Δ_2b的三个峰值点峰值点1b，…，峰值点3b的箝位函数δ_1b(x)….，δ_3b(x)。在此情况下，箝位函数δ_1b(x)….，δ_3b(x)发生交叠。当对峰值点1b或对峰值点3b进行箝位时，第二个峰值点峰值点2b的功率已被降低。因此，在进行任何箝位之前，根据峰值点2b幅值计算的针对峰值点2b通常的缩放系数太大。如果忽略了该效果，峰值点2b将被过箝位(overclip)。

解决该不利方面的方法包括执行几次该箝位方法的迭代，在每次迭代时，只将间隔距离足够大(不会产生其箝位函数交叠)的最高峰值点进行箝位，而在另外的迭代中将剩余的其他峰值点进行箝位。该方法在欧洲专利申请EP1 195 892中进行了说明。

前述箝位方法的不便之处在于，仅有一个简化的相互作用模型用于处理交叠，从而导致峰值点码域误差增大和比特误差率增大。

本发明的目的在于提供一种能较好处理交叠衰减的用于缩放信号中峰值点功率幅值的方法。

本发明的另一个目的在于提供一种实施该方法的发射机。

发明内容

本发明的目的通过在将信号送入功率放大器之前，在发射机端将所述信号峰值点功率幅值进行缩放的方法得以实现，所述方法包括如下步骤：

计算脉冲序列的多个缩放系数，该脉冲序列包括至少两个峰值点组成的组，其中峰值点的功率超出预定阈值，针对组中一个峰值点的缩放系数考虑了组中其他峰值点应用该其他峰值点对应的缩放系数而产生的对于该组中一个峰值点的影响；将计算出的缩放系数应用于组的各个峰值点。

该目的还通过包含用于缩放信号峰值点功率的装置的发射机得以实现，所述发射机还包括用于放大所述信号的功率放大器，用于缩放信号峰值点功率的装置包括：缩放系数计算模块，用于计算脉冲序列的多个缩放系数，该脉冲序列包括至少两个相邻峰值点组成的组，其中峰值点的功率超出预定阈值，针对一个峰值点的缩放系数包括组中其他峰值点应用该其他峰值点对应的缩放系数而产生的对于脉冲序列的影响；将计算出的缩放系数应用于组中每个峰值点的装置。

根据本发明，该方法通过考虑相邻峰值点间的相互影响削弱了过箝位的作用。本方法的结果接近理论极限。

根据本发明的方法具有将如3GPP TS 25.141 v3.6.0第6.5.2.2段中定义的相邻信道泄漏功率比(Adjacent Channel Leakage PowerRatio，ACLR)保持在一个可接受的范围内的优点。

另一优点是提供一种尤其是当功率放大器用于放大多载波信号时高效的箝位方法。

另一优点是为被箝位信号优化频谱纯度。因此，由于ACLR被保持在一个可接受的范围内，其提高了系统的容量。

在本发明的优选实施方式中，将缩放方法的后续迭代应用于信号，以便逐渐更多地抑止信号峰值点。

本发明的其他优点由从属权利要求限定。

附图说明

本发明的其他特点和优点将通过阅读下面由不构成限制的阐述给出的对优选实施方式的描述以及附图变得更明显，其中

图1示出不发生交迭的第一信号的图1a和发生交迭的第二信号的图1b；

图2示出根据本发明的箝位方法的一个可能的实现方法的流程图；

图3示出根据本发明的发射机的实施方式；

图4示出将根据本发明的箝位方法应用到一个信号上的结果；

图5示出当使用不同的箝位方法时得到的ACLR。

具体实施方式

下列描述用于单载波信号和单载波信号。

图2示出根据本发明的箝位方法的一个可能的实现方法的流程图。

下面，待被箝位信号s(t)在其同相I(t)和与正交Q(t)的分量上被分解，使得s(t)＝(I(t)，Q(t))。

如果峰值点最大值处的信号功率P_max大于预定阈值T_clip，即满足下式(i是参考峰值点的标号)，则根据现有技术执行箝位方法：

(1)P² _max(i)＝I² _max(i)+Q² _max(i)＞T_clip ²

标号为i的参考峰值点的缩放系数S(i)被应用于信号s的分量I和Q，其中

(2)S(i)＝1-T_clip/P_max(i)

以S(i)*I_max(i)和S(i)*Q_max(i)表示的迪拉克(Dirac)脉冲D_I和D_Q由下式示出，其中I_max(i)和Q_max(i)为每个信号分量I和Q上的最大峰值。

(3a)D_I(i)＝S(i)*I_max(i)，

(3b)D_Q(i)＝S(i)*Q_max(i)。

应用标号i的针对一个单独的被隔离峰值点计算出的缩放系数，由下式得到对信号中一个任意的采样(I，Q)的影响：

I_c＝I-D_I(i)*δ(Δ_i)

Q_c＝Q-D_Q(i)*δ(Δ_i)，

其中Δ_i是采样(I，Q)和峰值点(I_max(i)，Q_max(i))之间的距离。

当设置Δ＝0，δ(0)＝1时，得到对峰值点(I_max(i)，Q_max(i))自身的箝位：

(4a)I_max ^c(i)＝I_max(i)-D_I(i)*δ(Δ)＝I_max(i)-I_max(i)*S(i)

(4b)Q_max ^c(i)＝Q_max(i)-D_Q(i)*δ(Δ)＝Q_max(i)-Q_max(i)*S(i)

对S(i)的选择确保：

(5)[I_max ^c(i)]²+[Q_max ^c(i)]²＝T_clip ²

现在，由对m个峰值点的连续箝位引起的对信号的任意采样(I，Q)产生的影响由下式给出：

$I_c=I-{\∑}_{j=1}^m{D}_I{\left(j\right)}^{*}\mathrm{\δ}\left({\mathrm{\Δ}}_j\right)$

$Q_c=Q-{\∑}_{j=1}^m{D}_Q{\left(j\right)}^{*}\mathrm{\δ}\left({\mathrm{\Δ}}_j\right)$

其中Δ_j是采样(I，Q)和峰值点j之间的距离。

将相应的缩放系数应用到所有m个峰值点引起的对一个峰值点(I_max(i)，Q_max(i))产生的影响由下式得到：

$I_{\max }{\left(i\right)}^c=I_{\max }\left(i\right)-{\∑}_{j=1}^m{D}_I{\left(j\right)}^{*}\mathrm{\δ}\left({\mathrm{\Δ}}_j\right)$

${Q_{\max }}^c\left(i\right)=Q_{\max }\left(i\right)-{\∑}_{j=1}^m{D}_Q{\left(j\right)}^{*}\mathrm{\δ}\left({\mathrm{\Δ}}_j\right)$

对于本领域内的技术人员很明显，在此情况下，不满足[I_max(i)^c]²+[Q_max ^c(i)]²＝T_clip ²的条件。

如果第一峰值点(I(1)，Q(1))和第二峰值点(I(2)，Q(2))相隔距离Δ，则得到下面的被箝位信号：

I_max ^c(1)＝I_max(1)-[D_I(1)*δ(0)+D_I(2)*δ(Δ)]

Q_max ^c(1)＝Q_max(1)-[D_Q(1)*δ(0)+D_Q(2)*δ(Δ)]

I_max ^c(2)＝I_max(2)-[D_I(1)*δ(Δ)+D_I(2)*δ(0)]

Q_max ^c(2)＝Q_max(2)-[D_Q(1)*δ(Δ)+D_Q(2)*δ(0)]

利用δ(0)＝1，设置s_i(Δ)＝S(i)*δ(Δ)，s_i(0)＝S(i)*δ(0)＝S(i)取代D_I(i)＝S(i)*I_max(i)，和D_Q(i)＝S(i)*Q_max(i)(从等式3a，3b)，得到均衡系统：

I_max ^c(1)＝I_max(1)-[s₁(0)*I_max(1)+s₂(Δ)*I_max(2)]

Q_max ^c(1)＝Q_max(1)-[s₁(0)*Q_max(1)+s₂(Δ)*Q_max(2)]

I_max ^c(2)＝I_max(2)-[s₁(Δ)*I_max(1)+s₂(0)*I_max(2)]

Q_max ^c(2)＝Q_max(2)-[s₁(Δ)*Q_max(1)+s₂(0)*Q_max(2)]

s₁(Δ)和s₂(Δ)两项分别表示第二峰值点对第一峰值点的影响，以及第一峰值点对第二峰值点的影响。

根据本发明，考虑了其他信号影响的被校正信号(I_max(1)^*，Q_max(1)^*)和(I_max(2)^*，Q_max(2)^*)由下列方法计算：

I_max(1)^*＝I_max(1)-D_I(2)^*δ(Δ)

Q_max(1)^*＝Q_max(1)-D_Q(2)^*δ(Δ)

I_max(2)^*＝I_max(2)-D_I(1)^*δ(Δ)

Q_max(2)^*＝Q_max(2)-D_Q(1)^*δ(Δ)

根据本发明，为应用箝位方法而使用这些被校正的信号(I_max(1)^*，Q_max(1)^*)和(I_max(2)^*，Q_max(2)^*)。

当峰值点以小于预定距离的距离Δ被分隔开时，该方法尤其具有优势。预定距离优选地等于两个峰值点的卷积范围(即箝位函数的范围)。

因为峰值点的箝位函数δ(x)从其最大值处随着距离的加大而迅速降低(见图1a)，最通常的形式是那些两个或者三个峰值点互相影响的情况。但是，对于本领域内的技术人员将很明显，根据本发明的方法可以被推广至考虑了时域中存在N个峰值点并相互影响的情况。

在两个峰值点相互影响的情况下，根据本发明的方法的实现优选地包括如下步骤：

步骤21包括不考虑相邻峰值点的影响而计算缩放系数：

S(i)＝1-T_clip/P_max(i)  (等式2)

步骤22包括确定迪拉克脉冲：

D_I(i)＝S(i)^*I_max(i)，(等式3a)

D_Q(i)＝S(i)^*Q_max(i)，(等式3b)

步骤22包括针对i＝1，2计算被校正的信号(I(i)^*，Q(i)^*)。

I_max(1)^*＝I_max(1)-D_I(2)^*δ(Δ)

Q_max(1)^*＝Q_max(1)-D_Q(2)^*δ(Δ)

I_max(2)^*＝I_max(2)-D_I(1)^*δ(Δ)

Q_max(2)^*＝Q_max(2)-D_Q(1)^*δ(Δ)

步骤24包括计算被校正信号(I(i)^*，Q(i)^*)的功率：

P(i)^*2＝I(i)^*2+Q(i)^*2

步骤25包括对应被校正信号并由此考虑峰值点之间的相互影响而计算缩放系数T(i)：

T(i)＝1-T_clip/P(i)^*

步骤26包括分解下列均衡系统，以得到迪拉克脉冲D_I(i)，D_Q(i)。

D_I(1)＝D_I(2)^*δ(Δ)+[I_max(1)-D_I(2)]T(1)

D_Q(1)＝D_Q(2)^*δ(Δ)+[Q_max(1)-D_Q(2)]T(1)

D_I(2)＝D_I(1)^*δ(Δ)+[I_max(2)-D_I(1)]T(2)

D_Q(2)＝D_Q(1)^*δ(Δ)+[I_max(2)-D_Q(1)]T(2)

将获得的迪拉克脉冲与箝位函数δ(x)的系数相乘产生加权的箝位函数系数。优选地，箝位函数包括256个系数。但是，本发明的结构也可以使用任何现有技术中已知的箝位函数。

步骤27包括从输入信号(I(1)，Q(1))，(I(2)，Q(2))中减去加权的箝位函数系数(根据均衡系统I_c(i)＝I(i)-D_I(i)^*δ(Δ_i)，Q_c(i)＝Q(i)-D_Q(i)^*δ(Δ_i))。

根据本发明，该方法确保不会发生交迭，并确保被箝位信号达到预定阈值T_CLIP。

在本发明的优选实施方式中，重复执行几次该方法的迭代以便提高根据本发明的箝位方法的性能。

在本实施方式中，重复步骤23到26，直到达到迭代的数目。

优选地，两次或者三次迭代得到较好的结果。

在本发明的另一个优选实施方式中，对已经根据本发明的方法进行了几次迭代的被箝位信号应用硬箝位(hard clipping)的步骤。

对于本领域内的技术人员很明显，根据本发明的方法可以被推广为一种具有N个相互影响的峰值点的方法。其表现为对前面等式的直接推广并产生了一个具有D_I(i)的均衡系统，1＜＝i＜＝N的D_Q(i)作为参数，其应该根据通常的均衡系统的解决方法进行处理，对该解决方法不再进行进一步的描述。

图3示出根据本发明的发射机的实施方式。

该发射机包括具有信号功率计算模块11的箝位模块10、峰值点检测器12以及缩放系数计算模块13。箝位模块10接收包括同相部分——输入I和与正交的部分——输入Q的基带信号作为输入。该基带信号被以数字形式表示，以便箝位模块10进行数字处理。

信号的各个部分，即同相部分——输入I和与正交的部分——输入Q，与确定信号大小(即，在复数域中确定以同相值作为实部，以与正交的值作为虚部的向量的模)的信号功率计算模块11相连。

该信号功率被送入峰值点检测器12，峰值点检测器12将信号大小的幅值与预定阈值T_CLIP相比较。峰值点检测器12确定不同的峰值点幅值P_max、相应I和Q坐标的I_max，Q_max以及峰值点位置T_max。

峰值点检测器12选择考虑进行进一步处理的幅值大于阈值T_CLIP的峰值点。另一个选择标准是选择在预定时长的时窗中待进行进一步处理的峰值点的数目N。另一个选择标准是两个连续峰值点间的距离。该距离优选地是小于预定距离(例如，箝位函数(脉冲响应)的卷积范围)的距离。也存在其他峰值点选择标准。

被选峰值点幅值I_max、Q_max、P_max，、T_max的信息被送入考虑了位于该峰值点卷积范围内的其他峰值点的影响DI_previous、DQ_previous和T_maxprevious后计算待应用于每个峰值点的缩放系数的缩放系数计算模块13。在此情况下，N个峰值点相互影响，在计算缩放系数时考虑所有N个峰值点的影响。

缩放系数计算模块13还根据图2中步骤26计算迪拉克函数以获得D_I和D_Q。

利用计算出的迪拉克函数D_I和D_Q加权箝位函数系数，并从信号输入I和输入Q中减去该箝位函数系数，如现有技术中通常操作的一样(I_c＝I-D_I(i)^*δ(Δ_i)，Q_c＝Q-D_Q(i)^*δ(Δ_i))。应当注意，如本领域内的技术人员已知的，输入信号应当被延迟适当的时间。

计算出的迪拉克函数D_I和D_Q被存入缩放系数计算模块13中，当计算下一个峰值点的迪拉克函数时被用作DI_previous，DQ_previous。

与通常已知的包括令峰值点在阈值处达到饱和的箝位方法相反，根据本发明的方法，包括将缩放系数应用于幅值大于预定阈值T_CLIP的峰值点，尽可能准确地考虑位于峰值点卷积范围内的其他峰值点的影响以使得不会产生交迭效果。利用根据本发明的方法和利用普通箝位方法相比，输入信号的频谱具有较小的失真。

图4示出根据本发明的箝位方法的结果。图中的x轴表示时间或者更准确地是表示时窗中信号的采样数目，图中的y轴表示信号大小的幅值。

本例是利用单载波信号实施的，但是，对于本领域内的技术人员很明显，对于多载波信号可以得到相同的结果。

图4所示信号41的部分对于忽略幅值大于预定阈值T_CLIP的相邻峰值点之间相互影响的方法一般会产生问题。曲线42示出利用根据本发明的方法迭代一次后并利用两个峰值点的方法获得的被箝位信号。

图5示出对使用不同箝位方法得到的ACLR进行比较的例子。图中的x轴表示被箝位信号的PAR，图中的y轴以dB表示ACLR。

曲线51示出当应用根据本发明的箝位方法3次迭代后得到的ACLR。

曲线52示出当不考虑邻近峰值点的相互作用，应用现有技术的箝位方法迭代3次后得到的ACLR。

对于大于约4dB的PAR，曲线52的ACLR显著上升。相反，应用根据本发明的方法，ACLR在相同的域中只有略微上升，并保持比ACLR阈值小，以确保在电信网络的峰值点码域误差和比特误差率方面具有较好的特性。

根据本发明的箝位方法的结果使得几乎不变的ACLR上升为等于约4dB的峰均比。

Claims (10)

1.一种缩放信号峰值点功率幅值的方法，用于在向功率放大器发送信号前，在发射机端缩放所述信号峰值点功率的幅值，所述方法包括如下步骤：

计算脉冲序列的多个缩放系数，该脉冲序列包括至少两个峰值点组成的组，其中峰值点的功率超出预定阈值，针对所述组的一个峰值点的所述缩放系数考虑了所述组中其他峰值点应用该其他峰值点对应的缩放系数而产生的对于该所述组的一个峰值点的影响；

将所述计算出的缩放系数应用于所述组的所述各个峰值点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述影响取决于所述峰值点和所述至少一个其他峰值点之间的距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述计算缩放系数步骤包括如下子步骤：

考虑其他峰值点的影响，针对每个峰值点计算被校正的信号；

从所述被校正的信号开始计算每个峰值点的缩放系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述脉冲序列的所述缩放系数确保属于所述组的被缩放峰值点的功率达到所述预定阈值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述脉冲序列的所述缩放系数确保在所述信号的峰值点功率的幅值被缩放后得到的信号的平均功率大于预定阈值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中将所述方法的至少2次迭代依次应用于所述信号，之后执行硬箝位步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号是包括多个由几个CDMA信号叠加构成的单载波信号的信号。

8.一种发射机，包括用于缩放信号峰值点功率的装置，所述发射机还包括用于放大所述信号的功率放大器，所述用于缩放信号峰值点功率的装置包括：

缩放系数计算模块，用于计算脉冲序列的多个缩放系数，该脉冲序列包括至少两个相邻峰值点组成的组，其中峰值点的功率超出预定阈值，针对一个峰值点的所述缩放系数包括所述组中其他峰值点应用该其他峰值点对应的缩放系数而产生的对于所述脉冲序列的影响；

将所述计算出的缩放系数应用于所述组中所述每个峰值点的装置。

9.根据权利要求8所述的发射机，其中所述用于缩放峰值点功率的装置在数字信号处理器DSP或者现场可编程门阵列FPGA中实现。

10.根据权利要求8所述的发射机，其中该发射机在CDMA无线通信网络的基站中使用。

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