CN101257481B - 一种预处理不连续配置多载波的削峰系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种预处理不连续配置多载波的削峰系统及方法，该系统包括：数字上变频装置、削峰装置；数字上变频装置包括多级插值滤波装置，其中，削峰装置位于任意两级插值滤波装置之间。该方法包括：对基带载波进行中频处理时，在对基带载波实行多级插值的任意两级之间进行削峰。采用本发明的技术方案，实现了对每个基带载波的单独削峰，这样在混频的时候载波频点可以在一定频率范围内任意配置；切削峰装置在上变频通道的中间，这个时候数据速率较低，信号带宽较宽，成型滤波器容易设计，可以较好地抑制成型脉冲在信号带外的噪声，保证削峰后信号的发射机的邻信道泄漏功率比不会有大的恶化。
Description
技术领域
本发明涉及3G(3th Generation，第三代无线通信)通信领域，尤其涉及到WCDMA和CDMA2000通信系统中功率放大器前端中频数字信号处理部分消除峰值信号功率的系统及方法。
背景技术
目前的3G无线通信系统都采用频谱利用率较高的QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等调制方式，这些调制方式对载波的相位和载波的幅度进行调制，因此，输出信号的瞬时功率会有较大的波动，产生有较大峰均比PAPR(Peak to Average Power Ratio，峰值功率与均值功率之比值)的非恒包络调制信号。
此外，在多载波通信系统的小区中，由于需要发射的多载波信号在数字中频将进行线性叠加合并，以便在后续的射频通道中共用一套发射机进行发射，因此在天线发射端还会出现由于峰峰叠加产生较强的信号峰均比。峰值功率太大，很容易使射频发射到非线性区，从而产生较强的ACLR(AdjacentChannel Leakage power Ratio，ACLR，发射机的邻信道泄漏功率比)，进而降低系统性能。如果不想造成非线性失真，发射信号的功率必须小于1dB压缩点，这就要求信号的平均功率降得很低，但是这种情况下，功放的效率就会降低，同时射频发送的信号功率不能达到物理层要求的dB数，从而使得基站的覆盖范围缩小，用户的信号功率受损。并且，高的峰均比会导致D/A转换器的动态范围变小，如果使用高阶数的D/A转换器，成本将会大大提高，如果使用阶数较低的D/A转换器，量化噪声会加大。
削峰顾名思义，就是通过一定的技术把非恒包络调制信号中的较大的峰值削去，提高功放的效率并且不影响功放线性化指标。一旦把信号峰均比降低后，可以把功放的输出功率提高，效率也就提高了，若功率提高量小于峰均比降低量时，可以让放大器工作在线性区，则放大器的线性指标(ACLR)也就更好了。
目前的削峰实现技术主要有峰值窗和基带编码、脉冲成型三种方法。
峰值窗算法是基于硬削峰的一种方法(硬削峰即直接将高于门限的峰值变成门限值实现峰值削减)，将高于门限的硬削峰脉冲经过滤波器平滑抑制带外频谱后得到削峰抵消脉冲，这种方法能一定程度上抑制带外频谱再生避免削峰后ACLR恶化，但是每个削峰脉冲经过滤波器后的增益是不一样的，成型脉冲的增益校正很困难。此外，因为抵消脉冲直接来自于信号，这种方法仅能实现对中频线性合波后信号的削峰，不能实现对多载波信号的每个载波进行削峰。
基带编码的方法跟基带调制方式和编码方式都有关，算法和实现都很复杂，在高速率多载波系统上应用不便。
脉冲成型方法需要先搜索出高于削峰门限的峰值，然后对这个峰值进行处理产生抵消成型脉冲，即由预估中频信号的瞬时功率搜索超过削峰门限的峰值位置，然后由该峰值位置信号的瞬时峰值功率值计算或者查表得到峰值系数，即根据削峰电平门限由DSP处理器预先计算得到一个峰值系数表，表的内容是
然后将这个表下载到FPGA的一个RAM(可读写存贮器)里面，FPGA计算得到瞬时峰值功率值
后查询这个表得到峰值系数。峰值和成型脉冲一般都由线性合波后的多载波信号得到，然后再对合载波信号进行削峰，这样对多载波信号的频点配置产生了一定限制，不能将载波配置到不连续的频点上。
脉冲成型方法目前也有对单独不连续配置载波进行削峰的技术，专利EP1802065A1描述了在混频之后线性合波之前进行削峰，这个方法中由合载波得到抵消脉冲，将得到的抵消脉冲又混频到零频，然后进行成型滤波得到成型脉冲，再将成型抵消脉冲混频还原到载波所在频点得到各个载波的抵消成型脉冲。这在硬件上增加了两次混频，硬件开销很大，且在对信号进行削峰的时候信号的数据速率较高，信号带宽很窄，成型滤波器很难设计，难以保证削峰后信号的ACLR和EVM(Error Vector Magnitude，误差矢量幅度)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种预处理不连续配置多载波的削峰系统和方法，削峰装置位于基带载波成型滤波后的数字上变频通道的任意两级插值滤波装置中间，在保证削峰后信号质量(即ACLR和EVM)的同时节省了硬件开销。
为了解决上述问题，本发明提供了一种预处理不连续配置多载波的削峰方法，包括：
对基带载波进行中频处理时，在对所述基带载波实行多级插值的任意两级之间进行削峰，所述削峰包括对各载波进行N倍插值、混频及合波，得到预估中频合波信号，其中N倍插值采用2阶级联积分梳状滤波器实现；根据预估中频合波信号的功率及削峰电平门限计算硬削峰系数，对所述硬削峰系数进行峰值搜索、峰值扩展与抽取及峰值系数滤波得到峰值系数；对峰值系数进行增益调整，并对调整增益后的峰值系数与延时后的各载波的I或者Q数据相乘的结果进行成型滤波器得到成型脉冲，再用延迟匹配后的I或者Q数据减去该成型脉冲即得到削峰后的输出信号。
进一步地，在对各载波进行混频前采用2阶级联积分梳状滤波器对各载波进行N倍插值提高信号的采样速率。
进一步地，所述峰值系数计算部分包括：根据预估中频信号的功率及削峰电平门限计算硬削峰系数，再对所述硬削峰系数进行峰值搜索、峰值扩展与抽取及峰值系数滤波得到峰值系数。
进一步地，所述根据预估中频信号的功率和削峰电平门限计算硬削峰系数是指：当所述预估中频信号功率的平方大于所述削峰电平门限的平方时，所述硬削峰系数的值为：1-Voltage_gate/Pyugu，其中Voltage_gate为削峰电平门限，Pyugu为预估中频信号的功率；当所述预估中频信号功率的平方小于或等于削峰电平门限的平方时，所述硬削峰系数的值为0。
进一步地，对所述硬削峰系数进行两次峰值搜索，其中第二次峰值搜索是对第一次峰值搜索后的结果使用一个滑动窗口再搜索一次峰值，在所述滑动窗里保留最大的峰值而将其余峰值都变为零。
本发明还提供一种预处理不连续配置多载波的削峰系统，包括：数字上变频装置、削峰装置；所述数字上变频装置包括多级插值滤波装置，其特征在于：
所述削峰装置位于任意两级插值滤波装置之间。
所述削峰装置包括峰值预估计算模块、峰值系数计算模块、延时模块及峰值消减模块；
所述峰值预估计算模块，包括2阶级联积分梳状滤波器、混频单元及线性合波单元，其中2阶级联积分梳状滤波器对各载波进行N倍插值；
所述峰值削减模块，用于对峰值系数进行增益调整，并对调整增益后的峰值系数与延时后的各载波的I或者Q数据相乘的结果进行成型滤波器得到成型脉冲，再用延迟匹配后的I或者Q数据减去该成型脉冲即得到削峰后的输出信号。
所述峰值预估计算模块包括2阶级联积分梳状滤波器，所述2阶级联积分梳状滤波器用于对各载波进行N倍插值提高信号的采样速率。
进一步地，所述峰值系数计算模块包括功率计算单元、硬削峰系数计算单元、峰值搜索单元、峰值扩展与抽取单元、系数滤波器；
所述功率计算单元用于计算预估中频信号的功率；所述硬削峰系数计算单元用于根据所述预估中频信号的功率及削峰电平门限计算硬削峰系数；所述峰值搜索单元用于对所述硬削峰系数进行两次峰值搜索，其中第二次峰值搜索是对第一次峰值搜索后的结果使用一个滑动窗口再搜索一次峰值，在所述滑动窗里保留最大的峰值而将其余峰值都变为零；所述峰值扩展与抽取单元将经过两次峰值搜索后的硬削峰系数峰值扩展到N个点，对扩展后的硬削峰系数峰值每隔N个点抽取；所述系数滤波器用于对抽取后硬削峰系数峰值进行滤波即得到峰值系数。
进一步地，所述硬削峰系数计算单元用于根据所述预估中频信号的功率及削峰电平门限计算硬削峰系数是指：当所述预估中频信号功率的平方大于所述削峰电平门限的平方时，所述硬削峰系数的值为：1-Voltage_gate/Pyugu，其中Voltage_gate为削峰电平门限，Pyugu为预估中频信号的功率；当所述预估中频信号功率的平方小于或等于削峰电平门限的平方时，所述硬削峰系数的值为0。
综上所述，本发明提供一种预处理不连续配置多载波的削峰系统和方法，本发明具有如下优点：
a)实现了对每个基带载波的单独削峰，这样在混频的时候载波频点可以在一定频率范围内任意配置；
b)削峰在上变频通道的中间，这个时候数据速率较低，信号带宽较宽，成型滤波器容易设计，可以较好地抑制成型脉冲在信号带外的噪声，保证削峰后信号的ACLR不会有大的恶化；
c)处理方式比较简单，容易由FPGA(Filed Programmable Gate Array，可编程门阵列)实现。
附图说明
图1是本发明的削峰装置在中频处理中的位置示意图；
图2是本发明的削峰结构示意图；
图3是本发明的峰值预估计算结构示意图；
图4是本发明的峰值系数计算结构示意图；
图5是本发明的峰值削减结构示意图；
图6是本发明的硬削峰系数、峰值与扩展峰值图；
图7是本发明的峰值系数与系数滤波后的峰值系数图；
图8是本发明的滤波前后的成型脉冲图。
具体实施方式
本发明提供一种预处理不连续配置多载波的削峰系统和方法，对基带载波进行中频处理时，在对基带载波实行多级插值的任意两级之间进行削峰。
本实施例提供一种预处理不连续配置多载波的削峰系统，如图1所示，该系统包括：成型滤波装置、数字上变频装置、削峰装置、预失真装置、D/A转换器及射频通道；其中数字上变频装置包括多级插值滤波装置，本例中该数字上变频装置包括一M倍插值滤波装置、一N倍插值滤波装置及一L倍插值滤波装置；削峰装置位于任意两级插值滤波装置之间，设位于M倍插值滤波装置与N倍插值滤波装置之间。削峰后的信号经过内插N滤波后混频，线性叠加成中频信号。如在一个CDMA2000的下行发射系统中，M＝8，N＝4，L＝2，总的插值倍数为64，也就是削峰装置在64倍插值的上变频通道的8倍插值后面。最后的一级内插L滤波一般是可选的，如果前面的两级内插倍数已经达到系统要求，那么这一级就不是必要的。因为混频和线性合波是在削峰之后实现的，所以可以对多个载波在一定带宽内任意配置。
如图2所示为削峰装置结构示意图，包括峰值预估计算模块、峰值系数计算模块、延时模块及峰值消减模块；其中，
如图3所示峰值预估计算模块结构示意图，包括CIC2滤波器(2阶级联积分梳状滤波器)、混频单元及线性合波单元；CIC2滤波器可以使用最小的硬件开销对各载波进行N倍插值以提高信号的采样速率。
如图4所示峰值系数计算模块结构示意图，依次包括功率计算单元、硬削峰系数计算单元、峰值搜索单元、峰值扩展与抽取单元及系数滤波器；
功率计算单元用于根据Iyugu和Qyugu计算得到
为预估中频信号的功率，Iyugu和Qyugu分别为经峰值预估后得到的预估中频信号的两路正交预估中频数据。功率计算单元还将计算的Pyugu 2发送到硬削峰系数计算单元。
硬削峰系数计算单元用于根据Pyugu及Voltage_gate(削峰电平门限)计算Hcoef(硬削峰系数)。即：硬削峰系数计算单元首先比较Pyugu 2和Voltage_gate2的大小，若Pyugu 2大于Voltage_gate2，硬削峰系数的值为：1-Voltage_gate/Pyugu；若Pyugu 2小于或等于Voltage_gate2，Hcoef为0。Voltage_gate为削峰电平门限，该削峰电平门限是由主控芯片(CPU或者DSP处理器)按照系统需要传递给削峰装置的一个参数值。1/Pyugu可以是预先计算好并存储在硬削峰系数计算单元的一ROM(只读存储器)表，与削峰电平门限无关，不需要像现有技术需要由DSP处理器根据削峰电平门限的改变而实时计算峰值系数表并下载到FPGA，这样稳定性和可靠性更高，调试更方便。
峰值搜索单元用于对硬削峰系数Hcoef进行两次峰值搜索，其中第二次峰值搜索是对第一次峰值搜索后的结果使用一个滑动窗口再搜索一次峰值，在所述滑动窗里保留最大的峰值而将其余峰值都变为零。
系数滤波器用于对抽取后的峰值进行滤波，此处系数滤波的目的是为了抑制峰值系数在信号带外远端的噪声，减轻峰值消减部分成型脉冲滤波器的设计压力，这个系数滤波器阶数较低。
峰值消减模块用于将得到的峰值系数分配给每个载波的I和Q两路数据以实现峰值消减，如图5所示，峰值消减模块用于对峰值系数进行增益调整，并对调整增益后的峰值系数与延时后的I或者Q数据相乘的结果进行成型滤波器得到成型脉冲，再用延时匹配后的I或者Q数据减去该成型脉冲即得到削峰后的输出信号。峰值消减模块的具体操作同现有技术，对于每个载波，其I、Q分配的峰值系数是一样的。
本实施例还提供一种预处理不连续配置多载波的削峰方法，如图2所示，各基带载波经过成型滤波和插值M滤波后进入削峰引擎，数据首先进入峰值预估计算，预估出中频合波信号，由这个中频合波信号计算峰值系数，峰值系数分配给每个载波，实现峰值削减。数据延时模块延时的周期数与峰值预估和峰值系数计算的处理时延相当。
图3为峰值预估计算部分，对应图2中的201。这一部分实现对信号的预估上变频，并混频合波，功能上和图1中的104、105和106是相似的。其中，CIC2为内插N倍的2阶CIC(Cascaded Integrator Comb，级联积分梳状)滤波器，可使用最小的硬件开销提高信号的采样速率。因为只关心预估中频信号的峰值，所以这里使用的内插滤波器为CIC2，实现简单，硬件开销小。这一部分的计算位宽也比图1所示的主计算通道(即N插值部分)要少，以便节省硬件资源。
图4所示的峰值系数计算部分，对应图2中的202，首先计算预估中频信号的功率的平方：
然后根据这个预估中频信号的功率和削峰电平门限计算硬削峰系数Hcoef：若Pyugu 2大于Voltage_gate2，硬削峰系数的值为：1-Voltage_gate/Pyugu；若Pyugu 2小于或等于Voltage_gate2，Hcoef为0。Iyugu、Qyugu及Hcoef均是关于时间的函数。
上式中Voltage_gate为削峰电平门限，该削峰电平门限是由主控芯片(CPU或者DSP处理器)按照系统需要传递给削峰装置的一个参数值，具体确定方法同现有技术。
然后对得出的硬削峰系数进行峰值搜索，本发明进行两次峰值搜索，第一次搜索准则是这样的：从硬削峰系数每相邻的几个点中找出值最大的为峰值，可以但不限于是从四个点中查找，例如，A、B、C、D这四个点，如果B大于A，D不大于C，则认为B和C中的较大值为一个峰值，上述第一次峰值搜索同现有技术。因在后面的处理中需要对硬削峰峰值系数滤波，然后与削峰输入信号相乘再成型滤波，如果峰值搜索后硬削峰系数的峰值距离很近，在滤波器窗内出现很多个峰值，那么成型脉冲会和理想情况相差很远，会极大地影响削峰后信号的EVM，所以第一次峰值搜索后使用一个预设的滑动窗口再搜索一次峰值，在这个滑动窗里保留最大的峰值而将其余峰值都变为零。二次峰值搜索主要是为了避免滤波器窗内出现多个峰值的时候对削峰后信号EVM的急剧恶化，也就是说这是为了取得削峰后信号的EVM和PAPR的均衡，在保证削峰后信号EVM情况下尽量取得较好的削峰效果。
二次峰值搜索的滑动窗口长度由下列因素确定：1)系统的载波带宽，载波带宽越窄，如CDMA2000系统，则后面的脉冲成型滤波器的阶数越高，在成型滤波器窗口长度内出现多个峰值的几率越大，这个滑动窗口就需要较长的长度；2)载波配置的个数，载波配置越多，那么峰值的密集程度会越高，比如单载波系统和四载波系统，单载波系统的滑动窗口长度比四载波系统小很多；3)载波的频点配置，载波在频域不连续配置比连续配置的时候峰值密集程度高，滑动窗口长度相应也需要大一些。实际测试情况看，这个滑动窗口长度不宜超过32，否则削峰后信号的峰均比会有较大的恢复。
经过两次峰值搜索后的硬削峰系数峰值扩展到N个点，N即图3所示的CIC2中内插N倍滤波的插值倍数，也就是采样速率降低到与M倍插值后相同。硬削峰系数与峰值、扩展峰值的对应关系如图6所示。对扩展后的硬削峰系数峰值每隔N个点抽取，得到的低速率的硬削峰系数峰值分配给每个载波。图4中峰值扩展与抽取部分的操作同现有技术。
抽取后的硬削峰系数峰值经过系数滤波器对峰值进行滤波即得到最后的峰值系数，这个峰值系数分配给每个载波的I和Q两路数据，对于每个载波，其I、Q分配的峰值系数是一样的。系数滤波的目的是为了抑制峰值系数在信号带外远端的噪声，减轻峰值消减部分成型脉冲滤波器的设计压力，这个系数滤波器阶数较低，这个滤波器仅保证带外抑制20-30dB即可，对于窄带系统，如CDMA2000系统，大约的阶数为20-30阶，对于宽带系统，如WCDMA，大约的阶数为10-20阶。图7所示的为峰值系数与系数滤波后的峰值系数。
峰值削减部分对每个载波的I和Q两路数据的处理过程都是一样的，图5所示的仅为某载波的I或者Q单路数据的处理流程。峰值系数需要根据载波的增益和系数滤波器以及成型滤波器的增益调整增益，然后与延时后的I或者Q相乘，经过成型滤波器得到成型脉冲。延时匹配后的数据减去这个成型脉冲即得到削峰后的输出信号。图8为成型滤波前的峰值系数和滤波后的成型脉冲。成型滤波器的作用是抑制抵消脉冲在信号带外的噪声造成的频谱泄漏，抑制信号带外频谱再生，避免削峰后信号的ACLR的严重恶化。
Claims (5)
1.一种预处理不连续配置多载波的削峰方法，其特征在于：
对基带载波进行中频处理时，在对所述基带载波实行多级插值的任意两级之间进行削峰，所述削峰包括对各载波进行N倍插值、混频及合波，得到预估中频合波信号，其中N倍插值采用2阶级联积分梳状滤波器实现；根据预估中频合波信号的功率及削峰电平门限计算硬削峰系数，对所述硬削峰系数进行峰值搜索、峰值扩展与抽取及峰值系数滤波得到峰值系数；对峰值系数进行增益调整，并对调整增益后的峰值系数与延时后的各载波的I或者Q数据相乘的结果经过成型滤波器得到成型脉冲，再用延迟匹配后的I或者Q数据减去该成型脉冲即得到削峰后的输出信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述根据预估中频信号的功率和削峰电平门限计算硬削峰系数是指：当所述预估中频信号功率的平方大于所述削峰电平门限的平方时，所述硬削峰系数的值为：1-Voltage_gate/Pyugu，其中Voltage_gate为削峰电平门限，Pyugu为预估中频信号的功率；当所述预估中频信号功率的平方小于或等于削峰电平门限的平方时，所述硬削峰系数的值为0。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述硬削峰系数进行两次峰值搜索，其中第二次峰值搜索是对第一次峰值搜索后的结果使用一个滑动窗口再搜索一次峰值，在所述滑动窗口里保留最大的峰值而将其余峰值都变为零。
4.一种预处理不连续配置多载波的削峰系统，包括：数字上变频装置、削峰装置；所述数字上变频装置包括多级插值滤波装置，其特征在于：
所述削峰装置位于任意两级插值滤波装置之间，所述削峰装置包括峰值预估计算模块、峰值系数计算模块、延时模块及峰值削减模块；
所述峰值预估计算模块，包括2阶级联积分梳状滤波器、混频单元及线性合波单元，其中2阶级联积分梳状滤波器对各载波进行N倍插值；所述峰值预估计算模块用于对各载波进行N倍插值、混频及合波，得到预估中频合波信号；
所述峰值系数计算模块，包括功率计算单元、硬削峰系数计算单元、峰值搜索单元、峰值扩展与抽取单元、系数滤波器：
所述功率计算单元用于计算预估中频信号的功率；
所述硬削峰系数计算单元用于根据所述预估中频信号的功率及削峰电平门限计算硬削峰系数；
所述峰值搜索单元用于对所述硬削峰系数进行两次峰值搜索，其中第二次峰值搜索是对第一次峰值搜索后的结果使用一个滑动窗口再搜索一次峰值，在所述滑动窗口里保留最大的峰值而将其余峰值都变为零；
所述峰值扩展与抽取单元将经过两次峰值搜索后的硬削峰系数峰值扩展到N个点，对扩展后的硬削峰系数峰值每隔N个点抽取，N是所述2阶级联积分梳状滤波器的插值倍数；
所述系数滤波器用于对抽取后的硬削峰系数峰值进行滤波得到峰值系数；
所述峰值削减模块，用于对峰值系数进行增益调整，并对调整增益后的峰值系数与延时后的各载波的I或者Q数据相乘的结果经过成型滤波器得到成型脉冲，再用延迟匹配后的I或者Q数据减去该成型脉冲即得到削峰后的输出信号。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：
所述硬削峰系数计算单元用于根据所述预估中频信号的功率及削峰电平门限计算硬削峰系数是指：当所述预估中频信号功率的平方大于所述削峰电平门限的平方时，所述硬削峰系数的值为：1-Voltage_gate/Pyugu，其中Voltage_gate为削峰电平门限，Pyugu为预估中频信号的功率；当所述预估中频信号功率的平方小于或等于削峰电平门限的平方时，所述硬削峰系数的值为0。
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