CN100417041C - 调节传输信号的功率电平的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括为了最小化失真而调节传输信号的功率电平的设备和方法。本方法包括调制传输信号。基于已调制传输信号的包括调制速率和调制阶数中的至少一种的调制参数处理已调制传输信号以已调制传输信号的减小峰值与平均值比。根据已调制传输信号的峰值与平均值比调节已调制传输信号的功率电平。该传输信号被放大并发送。

Description

调节传输信号的功率电平的系统和方法

技术领域

本发明通常涉及无线通信。更特别地，本发明涉及一种调节传输信号的功率电平以最小化传输信号失真的方法和系统。

背景技术

无线通信系统通常包括携带已调制载波信号的信息，该信号从传输源(如基地收发信机站)无线传输到在一个区域或范围内的一个或多个接收机(如用户单元)。

图1显示无线蜂窝网络系统中一个蜂窝单元的一部分。基地收发信机站110向多个用户单元120、130、140提供无线连接。这种基地收发信机站通常连接到提供因特网入口的网络。图1所示的蜂窝单元通常重复地形成蜂窝网络。基地收发信机站110和用户单元120、130、140包括允许基地收发信机站110与用户单元120、130、140之间双向通信的一个或多个天线。

图2显示无线发射机或收发信机的典型传输链路200。发射机接收将被传输的数据流(输入数据)。调制器210用数据流调制传输信号。通过在混频器220将已调制载波信号与本地振荡(LO)信号混合典型地上变频已调制信号。在通过传输天线T传输之前，该上变频信号通常被功率放大器230放大。

已调制传输信号通过传输链路200的失真会降低从发射机到接收机的信号传输效率。如果已调制传输信号的振幅过大，功率放大器230会引起已调制传输信号的失真，从而降低信号传输效率。

图3显示一个典型的已调制传输信号的例子，其中已调制传输信号的振幅随时间而改变。该已调制信号典型地包括波峰310、320，其表示在整个感兴趣的时间周期内最大已调制传输信号振幅。虚线330表示已调制传输信号的平均信号振幅。峰值与平均值比(PAR)被定义为信号振幅峰值与信号平均振幅的比率。

通常，希望能够保持一个特定的平均功率电平。例如，平均功率电平能确保已接收传输信号的理想信噪比。因此，通常在波峰310、320时功率放大器230会导致已调制传输信号的失真。

图4显示一个典型的曲线图400，表示功率放大器230的输入信号振幅与输出信号振幅之间的关系曲线。曲线图400开始是典型的直线，直到输出信号功率大到功率放大器230开始饱和。虚线410粗略地表示功率放大器从理想的线性范围到非线性范围过渡的点。随着输入信号幅度增加到超过虚线410时，输出信号振幅开始压缩并不再线性增长。功率放大器在非线性范围内的操作使得已调制传输信号失真。

从图3和图4中清楚地看到，需要最小化已调制传输信号的PAR。另一点很清楚，应该调节具有一给定PAR值的已调制传输信号的功率电平，使得已调制传输信号的峰值不会引起无线发射机的功率放大器饱和，和由此导致发射机的已调制传输信号失真。

已调制传输信号的PAR的减小提供两点优势特征。首先，减小的PAR允许传送更大的平均传输信号功率电平。这样提供了提高信噪比的优势。第二，减小的PAR允许对给定平均传输信号功率电平使用一个典型的更廉价的功率放大器。换句话说，通常能在比廉价功率放大器更低的输出功率电平处达到功率放大器的非线性区域。因此，降低传输信号的振幅峰值通常允许对给定传输信号功率电平使用一个更廉价的功率放大器。

希望具有一种提供减小传输信号的PAR的装置和方法。另外还希望提供调节传输信号的平均功率电平，使得传输信号的发射机的功率放大器不会使传输信号过度失真。

发明内容

本发明包括一种用于减小传输信号的PAR的装置和方法，从而最小化传输信号的失真。本发明进一步包括调节传输信号的功率电平。

本发明的一个实施例包括为最小化失真而调节传输信号的功率电平的方法。该方法包括调制传输信号。基于已调制传输信号的包括调制速率和调制阶数中的至少一种的调制参数处理已调制传输信号，以减小已调制传输信号的峰值与平均值之比。依据已调制传输信号的峰值与平均值之比调节已调制传输信号的功率电平。该传输信号被放大并发送。

本发明还提供种为最小化失真而调节传输信号功率电平的装置，包括：用于调制传输信号的装置；用于处理已调制的传输信号的装置，其基于已调制的传输信号的包括调制速率和调制阶数中的至少一种的调制参数来减小已调制的传输信号的峰值与平均值比，其中处理已调制的传输信号包括调制传输信号的开窗口时间抽样；用于根据已调制的传输信号的峰值与平均值比来调节已调制的传输信号的功率电平的装置；用于放大传输信号的装置；用于发送传输信号的装置。

通过以下结合附图的详细描述，借助实例举例说明本发明的原理，本发明其它方面的优点将变得显而易见。

附图说明

图1显示现有技术中包含收发信机和多个用户单元的无线通信系统。

图2显示一个典型的无线发射机的传输链路。

图3显示表示典型传输信号振幅的波形图

图4显示表示发射机的典型功率放大器的输入信号振幅与输出信号振幅的关系曲线

图5显示本发明的一个实施例

图6显示已调制传输信号的时间抽样图

图7显示窗口化前后的已调制信号的抽样波形图

图8显示本发明的另一个实施例

图9显示包括在本发明实施例中的步骤流程图

具体实施方式

如用于举例说明的图中所示，本发明具体实施为一种减小传输信号的PAR值以最小化传输信号失真的方法和系统。本发明进一步包括调节传输信号的功率电平。

参考图形详细描述本发明的具体实施例。本发明的技术可以在各种不同类型的无线通信系统中实施。特别适于蜂窝无线通信系统。基站通过无线信道向多个用户传输下行链路信号。另外，用户通过无线信道向基站传输上行链路信号。因此，用于下行链路通信的基站是发射机，用户是接收机，而用于上行链路通信的基站是接收机，用户是发射机。用户可以是移动或固定的。代表性的用户包括如便携式电话、车载电话，以及如固定地点的无线调制解调器这样的固定接收机的设备。

本发明的技术应用于单点对多点系统，并不局限于这种系统，而是应用于在无线通信中至少有两个设备的任何无线通信系统。因此，为了简化，下面的描述将集中于对单个发射机-接收机对的应用，尽管我们知道它可以应用于具有任何数量的这种对的系统。

本发明的单点对多点应用可以包括各种形式的多路存取方案。这种方案包括，但不局限于，时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)、正交频分多址(OFDMA)和波分多址。

传输可以是时分双工(TDD)。换句话说，下行链路传输可以占据与上行链路传输相同的信道(相同的传输频率)，但是在不同的时间发生。替换地，传输可以是频分双工(FDD)。换句话说，下行链路传输可以处于与上行链路传输不同的频率。FDD允许下行链路传输和上行链路传输同时发生。

典型地，各种无线信道导致上行和下行信号经历衰减的波动程度、干扰、多路径衰退和其它有害影响。另外，多信号路径(由于传播环境中的建筑物的反射和其它障碍)的出现导致在频率带宽上的信道响应的偏差，而且这种偏差也可以随时间而变化。因此，在如数据容量、频谱效率、吞吐量和信号质量参数如信号干扰和噪声比(SINR)和信噪比(SNR)的信道通信参数中存在暂时变化。

使用各种可能传输模式中的一种通过无线信道传输信息。对于本申请，传输模式被定义为一种特定的调制类型和调制速率，一种特定的编码类型和编码速率，还包括传输的其它受控方面，例如使用天线分集或空间多路复用。使用一种特定的传输模式，将通过无线信道通信的数据被编码、调制和传送。典型的编码模式的例子是卷积和分组码，更具体地，本领域已知的码，如Hamming码、循环码和Reed-Solomon码。典型的调制模式的例子是圆形星座如BPSK、QPSK和其它m-阵列PSK，正方形星座如4QAM、16QAM和其它m-阵列QAM。其它流行的调制技术如GMSK和m-阵列FSK。在通信系统中对这些多种传输模式的实施和使用都是本领域公知的。

图5显示本发明的一个实施例。该实施例包括发射机链路500。

发射机链路500包括接收数据流的调制器510。该调制器按照前面提到的任何典型的调制模式用数据流调制载波信号。

峰值与平均值比(PAR)处理模块520处理已调制的传输信号。该PAR处理模块520通常减小已调制的传输信号的PAR值。处理至某种程度依赖于调制参数，如调制阶数或调制速率。因此，该PAR处理模块520也从调制模块510接收调制阶数信息。

功率电平调节器530改变PAR处理后的已调制传输信号的振幅。该功率电平调节器530可以是一个可变衰减器。如后面将要提到的，处理后的已调制传输信号的PAR在某种程度上依赖于调制参数。因此，该功率电平调节器530的最佳设置在某种程度上依赖于调制参数。

振幅控制器525控制功率电平调节器530。如前面所述，已调制的传输信号的调制参数影响已调制的传输信号的PAR。因此，振幅控制器525接收调制信息(阶数或速率)以助于控制功率电平调节器530。

已调制传的输信号从传输天线T传输之前先被功率放大器540放大。如前面所述，当已调制的传输信号的峰值幅度过大时，功率放大器540会使已调制的传输信号失真。

PAR处理

PAR处理块520接收已调制的传输信号并减小已调制的传输信号的PAR。减小PAR可以提供前面提到的允许更高的平均传输信号功率电平或使用更廉价的功率放大器的好处。

本发明的一个实施例包括已调制的传输信号的开窗口抽样来减小PAR。例如，图6显示已调制的传输信号的时间抽样。这些时间抽样可以被开窗口来减小PAR。开窗口引入已调制的传输信号受限制的或受控制的失真，并阻止传输链路使得已调制的传输信号基本失真。

已调制的传输信号的抽样间隔Ts由已调制的传输信号的最大频率分量决定。通常，选择抽样周期Ts是已调制的传输信号的过抽样的一至四倍。更高的抽样速率具有优势，因为不太可能遗漏已调制的传输信号的峰值。

图7显示被开窗口之后的抽样已调制的传输信号的波形710，和开窗口之前的波形720。如图所示，开窗口减小了已调制的传输信号的PAR。

开窗口的长度W通常取决于已调制的传输信号的数据带宽。典型地，数据带宽越大，窗口长度越大。

本发明的基于开窗口的PAR减小方案可以根据发射机的无线系统的要求适应性地调节窗口长度W。如前面所述，开窗口引入了已调制的传输信号的受控制的失真。该引入的信号失真既可以是频带内的也可以是频带外的。

频带内失真通常涉及在传输信号的传输频带内的传输信号的失真。频带内的失真通常应该满足一定要求以确保特定的传输信号的比特差错率(BER)。越小的窗口长度导致越小的频带内失真，但是导致更多的频带外失真，反之亦然。

频带外失真通常涉及在传输信号的传输频带外的传输信号的失真。频带外失真会干扰其它的传输信号。频带外失真通常应该满足一个标准，例如由FCC确立的标准。典型地，较大的窗口长度用于最小化频带外失真。

开窗口可以包括几种可能的窗口中的任何一种。例如，一些已知的窗口包括Hamming、Hanning、Chebychev和Gaussian窗口。

本发明的一个实施例包括为每个发射机可用的每个信号带宽确定窗口长度的查找表(LUT)。通常，该实施例在硬件中实现。选择窗口的长度，使得能够满足每个传输带宽的频带外失真标准。因此，当随时间向传输分配或者较多或者较少的带宽时，使用较长或较短的窗口减小传输信号的PAR。一个实施例中包括只储存最长的窗口，并通过子抽样最长的窗口来得到较小的窗口。

PAR减小同样在被传输的信号中引起频带内失真。该失真是多种参数作用的结果，例如后处理(输出)PAR、窗口类型、窗口长度，输入信号抽样的概率分布。然而最有影响的参数是输出PAR。所要求的输出PAR越小，失真越大。在不显著降低接收机的SINR或系统BER性能的情况下能够容忍的失真数量是一个关于调制阶数的函数。如16QAM和64QAM的较高阶数的调制典型地需要针对适当操作的较高的接收机的SINR，因此，只能容忍较低的失真。如4QAM的较低阶数的星座要求较低的SINR，可以容忍较高的失真。

本发明的一个实施例包括自适应调制和编码，其中PAR处理通常应当只引入少量的PAR失真。因此，接收机的合成的信号-干扰与噪音-失真比(SINDR)仅稍稍低于没有进行PAR处理的信号-干扰与噪音-失真比，如0.1到1dB。同样地，PAR处理可以这样：在解码之后接收机BER存在一个最小限度的上升。实施包括一个查找表，该查找表被用于确定输出PAR为调制阶数或调制阶数和编码速率的函数。通常，越高阶数的调制包括越高的输出PAR，越低阶数的调制包括越低的输出PAR。因为无线信道随时间改变，可以调节调制阶数和可能的编码速率以最优化接收机的性能。从而，可以基于LUT中指定的输出PAR调节PAR处理。

本发明包括查找传输信号的峰值、确定窗口中心，确定窗口的幅度。峰值被定义为振幅大于阈值的信号抽样。该阈值是想要的输出PAR的直接函数。即，阈值＝AX_rms，其中 $A={10}^{\mathrm{PA}{R}_{\mathrm{OUT}}/20}$ ；而且X_rms是传输信号的均方根值。峰值可以按照群出现，尤其是当信号过抽样时。采用一种技术来确定一组(群)峰值的局部最大值，衰减窗口在局部最大值处居中。该技术在减小输出PAR到期望的水平时并非总是成功的，因为将窗口居中在局部最大值处可能并不能减小远离局部最大值的峰值，因为波峰值并没有同样多的衰减。而且，硬件中很难实现识别一个峰值群。

本发明的一个实施例包括一个“广义的峰值群”，并且包括一种选择窗口中心和窗口幅度以使得在广义群中所有的峰值同时减小到低于PAR阈值的方法。

一个广义的峰值群被定义为一组P抽样，其中P抽样中的第一个抽样超过PAR阈值。基于波峰统计值和希望的硬件复杂度来预定对P的选择。数值P＝1对应于群组的长度为1，并要求每个波峰值被独立地开窗口，其包括巨大的硬件复杂度。如果期望的输出PAR低，会出现大量的超过PAR阈值的波峰。理想的是同时减小一组波峰值以简化硬件执行。这可以通过选择P值大于波峰群的最大长度或多重的相邻波峰群(也就是广义波峰群)来实现。广义波峰群的长度典型地依靠于传输信号过抽样的程度以及信号抽样的统计分布。

P值越大，在硬件中需要执行的窗口越少。然而，随着P值增加、窗口的幅度增加，导致输入抽样更多的衰减，并因而导致更多的失真。典型地，P被选择作为窗口长度的分数(1/8，1/4等)。然而，P也可以跟窗口长度相等以简化硬件复杂度。

数学上，如下表示广义波峰减小的问题。假设窗口固定的g(n)，窗口幅度α和窗口中心β可以这样确定，使得当作为结果的PAR减小窗口

w(n)＝1-αg(n-β)

与传输信号x(n)相乘时，在长度为P的波峰群内没有波峰出现。即

y(n)＝x(n)[1-αg(n-β)]

不包括大于PAR阈值的振幅值，A_x≡AX_rms，其中n＝p，p+1，...，p+p_-1。

假设长度为P的波峰群内只有1个波峰，通过定义，波峰必须在第一个抽样n＝p。α和β的最佳选择为

$\mathrm{\α}=1-\frac{A_X}{\left|x\left(p\right)\right|},\mathrm{\β}=p.$

假设在抽样n＝p和n＝m时波峰群内有2个峰值。那么α和β的最优选择由最小化以下表达式来决定，β的值在p≤β≤m范围内：

$\max [\frac{{\mathrm{\α}}_p}{g(p-\mathrm{\β})},\frac{{\mathrm{\α}}_m}{g(m-\mathrm{\β})}],$

其中对于抽样k的峰值将变量α_k定义为 ${\mathrm{\α}}_k=1-\frac{A_x}{\left|x\left(k\right)\right|}.$ 最小化公式的β值是窗口中心，相应的表达式的最小值是窗口的幅度α。

一般而言，假设长度为P的波峰群内有多个峰值，例如抽样n＝p，n＝m，...，和n＝1。那么通过最优化以下最小-最大判断式获得α和β的最优选择

$\mathrm{\α}=\underset{p\≤\mathrm{\β}\≤l}{\min }\left[\max \right[\frac{{\mathrm{\α}}_p}{g(p-\mathrm{\β})},\frac{{\mathrm{\α}}_m}{g(m-\mathrm{\β})},...,\frac{a_l}{g(m-l)}\left]\right]$

并且β是产生最小-最大判断式中最小值的数值。

最小-最大判断式的硬件实现在P值很大的时候会很复杂。一个实施例包括仅在峰值而不是在整个β范围内求值表达式最小-最大判断式。另一个实施例包括在已选的一组峰值时求值最小-最大判断式，其中峰值选择可以基于某种期望的标准。在一个实施例中，最小-最大判断式只在两个峰值n＝r和n＝s时求值，其中n＝r对应于波峰群前半段的最大峰值，n＝s对应于波峰群后半段的最大峰值。该方法是次最佳的，虽然没有正好达到最理想的输出PAR，但是已经很接近了。

一个实施例包括PAR减小方案，所描述的PAR减小方案结合一个线性化发射机放大器的振幅特征的线性化方案。该方案的一个例子是前置补偿器在放大器放大之前预先校正其响应曲线中的非线性特征。可以通过预先特征化放大器的响应来数字化地实施前置补偿。该响应会随时间而改变，所以应该测量该响应和补偿该响应的自适应。因为放大器只在线性范围内操作，所以PAR减小与功率放大器线性化的结合产生功率放大器的有效利用并且没有附加的失真。

图8显示本发明的另一个实施例。该实施例包括第一发射机链路和第二发射机链路。可以包括附加的发射机链路。

第一发射机链路包括编码器810、调制器820和上变频器850。

第二发射机链路包括编码器830、调制器840和上变频器860。

加法器870接收并且合并来自第一发射机链路和第二发射机链路的已调制发射信号。

按照本发明的PAR处理器875提供前面提到的PAR处理。数-模(D/A)转换器880在数字信号传输之前将其转换为模拟信号。

振幅调节器885由振幅控制器895控制以便在通过发射机天线T发射传输信号之前提供对传输信号振幅的调节。

多个发射机链路与对应的传输信号的组成通常增加组合的已发送信号的PAR。对应于不同发射机链路的传输信号每个可以包括不同的调制速率，和/或不同的编码。每个传输链路的LO可以对多个载波传输系统有不同的频率。对于多编码码分多址(CDMA)系统，通过每个发射机链路包括不同的编码产生发射机信号。对于这种系统，每个链路的LO可以相同，因此，位于加法器870与PAR处理器875之间。多编码CDMA可以被用于增加与传输信号关联的数据率。

前面描述的处理技术可以被用于减少传输信号的PAR。PAR处理应基于要求最小失真的发射机链路中的信号调制参数。

图9显示包含在本发明实施例中的步骤流程图。第一步骤910包括调制传输信号。第二步骤920包括处理已调制的传输信号，根据已调制传输信号的调制参数减小已调传输信号的峰值与均值比。第三步骤930包括依据已调制传输信号的峰值与均值比来调节已调制传输信号的功率电平。第四步骤940包括放大传输信号。第五步骤950包括发送传输信号。

尽管已经描述和阐述了本发明的特定实施例，但是本发明并不局限于这些特定形式或者前面描述或举例过的部分的组合。本发明仅由所附权利要求来限定。

Claims (19)

1. 一种为最小化失真而调节传输信号的功率电平的方法，包括：

调制传输信号；

处理已调制的传输信号，基于已调制的传输信号的包括调制速率和调制阶数中的至少一种的调制参数减小该已调制的传输信号的峰值与平均值比；

根据已调制的传输信号的峰值与平均值比来调节已调制的传输信号的功率电平；

放大传输信号；和

发送传输信号。

2. 如权利要求1所述的调节传输信号功率电平的方法，其中处理已调制的传输信号包括调制传输信号的开窗口时间抽样。

3. 如权利要求2所述的调节传输信号功率电平的方法，其中开窗口时间抽样是基于已调制的传输信号的带宽。

4. 如权利要求2所述的调节传输信号功率电平的方法，其中开窗口时间抽样包括基于时间抽样的特征使开窗口居中。

5. 如权利要求2所述的调节传输信号功率电平的方法，其中开窗口的幅度是基于时间抽样的特征。

6. 如权利要求1所述的调节传输信号功率电平的方法，其中根据已调制的传输信号的峰值与平均值比来调节已调制的传输信号的功率电平，对于已调制的传输信号的调制参数的改变是自适应的。

7. 如权利要求1所述的调节传输信号功率电平的方法，其中处理已调制的传输信号来减小已调制的传输信号的峰值与平均值比对于已调制的传输信号的调制参数的改变是自适应的。

8. 如权利要求1所述的调节传输信号功率电平的方法，其中发送已调制的传输信号通过的传输信道是自适应的。

9. 如权利要求2所述的调节传输信号功率电平的方法，其中开窗口包括Hamming、Hanning、Chebychev和Gaussian窗口中的至少一种。

10. 如权利要求2所述的调节传输信号功率电平的方法，其中开窗口包括通过使用查找表确定的窗口长度。

11. 如权利要求10所述的调节传输信号功率电平的方法，其中查找表基于一个希望的传输信号频带外失真来提供窗口长度。

12. 如权利要求2所述的调节传输信号功率电平的方法，其中通过使用查找表确定输出PAR水平。

13. 如权利要求12所述的调节传输信号功率电平的方法，其中查找表基于传输信号的调制阶数来提供输出PAR水平。

14. 如权利要求10所述的调节传输信号功率电平的方法，其中查找表基于传输信号的调制阶数和编码速率来提供输出PAR水平。

15. 如权利要求1所述的调节传输信号功率电平的方法，进一步包括：

在发送传输信号之前使放大已调制的传输信号的发射机放大器线性化。

16. 如权利要求15所述的调节传输信号功率电平的方法，其中线性化发射机放大器包括：

通过前置补偿已调制的传输信号来预校正发射机放大器的非线性特征。

17. 如权利要求16所述的调节传输信号功率电平的方法，其中前置补偿对于发射机放大器伴随时间在非线性特征方面的改变是自适应的。

18. 如权利要求1所述的调节传输信号功率电平的方法，其中传输信号包括来自多个传输链路的信号。

19. 一种为最小化失真而调节传输信号功率电平的装置，包括：

用于调制传输信号的装置；

用于处理已调制的传输信号的装置，其基于已调制的传输信号的包括调制速率和调制阶数中的至少一种的调制参数来减小已调制的传输信号的峰值与平均值比，其中处理已调制的传输信号包括调制传输信号的开窗口时间抽样；

用于根据已调制的传输信号的峰值与平均值比来调节已调制的传输信号的功率电平的装置；

用于放大传输信号的装置；

用于发送传输信号的装置。

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