CN101399792B - 用于降低发射信号峰均比的削峰装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于降低发射信号峰均比的削峰装置，包括硬削峰单元、滤波器单元、衰减单元及延时单元，经基带合并后的原始中频信号分成两路，一路依次经过硬削峰单元、滤波器单元、防溢出单元及衰减单元，另一路信号则直接经延时单元后进入衰减单元。采用上述装置的降低发射信号峰均比的削峰方法，主要包括：对原始中频信号进行求模计算，进行门限值判断，产生衰减脉冲，滤波处理及对原始中频信号进行衰减运算等一系列步骤。本发明不仅能减少系统的延时，而且能提高整机性能，为后续的数字预失真处理提供更宽的可调节动态范围。

Description

用于降低发射信号峰均比的削峰装置及其方法

技术领域

本发明涉及射频拉远单元和数字直放站的信号处理领域，具体是指用于降低发射信号峰均比的削峰装置及其方法。

背景技术

我国提出的TD-SCDMA(时分同步码分多址接入)标准的商用实验正在逐步展开，与恒包络的GSM信号不同，TD-SCDMA采用的是扩频多码道QPSK调制技术，其峰均比较高。在实际的应用中，运营商可能都会使用多载波技术来进行处理，然而多载波信号也同样具有较高的峰均比。在经过信号叠加后，峰均比将进一步增高。信号的峰均比越高，这也就要求发射信号的功率放大器要具备更好的线性和更高的转换效率，从而会大幅度的提高功率放大器的成本。

削峰技术和数字预失真技术都是本领域技术人员公知的提高功率放大器转换效率和线性的重要技术手段。在专利公开号为CN1702964A的中国发明专利中公开了一种采用预处理技术的多载波信号削峰装置及方法，该装置包括单载波削峰单元和多载波合路削峰单元，所述的单载波削峰单元用于对接收的各个载波的基带信号进行根升余弦成形滤波、数字上变频和单载波限幅削峰，最后将各个单载波削峰后的信号合路为多载波信号，而多载波合路削峰单元则用于对接收的多载波信号进行多载波限幅削峰、数字下变频和回复各个载波的基带信号数字上变频单元，用于对接收的各个载波的基带信号上采样后进行根升余弦成形滤波和数字上变频，合路形成削峰后的多载波合路信号并且输出。

该发明专利提出的先成形上变频，然后针对单载波硬削峰，合成多载波信号后再削一次，然后下变频，整形滤波，最后上变频发送的一系列步骤，此方法存在以下缺点：1、由于要通过上变频，削峰，合成多载波，削峰，下变频，整形，上变频等至少七个步骤，延时必然增大，会对整机尤其是数字直放站和射频拉远单元产生不良影响；2、在最后的整形滤波的过程中，滤波器将会使信号峰均比增大，这就抵消了前面削峰的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的缺点与不足，提供一种用于降低发射信号峰均比的削峰装置，该装置不仅能减少延时，而且能提高整机性能，为后续的数字预失真处理提供更宽的可调节动态范围。

本发明的另一目的是提供采用上述装置的降低发射信号峰均比的削峰方法。

本发明的目的通过下述的技术方案来实现：用于降低发射信号峰均比的削峰装置，包括硬削峰单元、滤波器单元、衰减单元及延时单元，所述硬削峰单元、滤波器单元、衰减单元依次连接，延时单元与衰减单元连接，硬削峰单元与延时单元同时外接原始中频信号；所述的硬削峰单元包括中频信号求模单元、门限值判断单元及衰减脉冲产生单元，所述的中频信号求模单元依次与门限值判断单元、衰减脉冲产生单元相连；所述的滤波器单元包括预运算单元、前向滤波器、反向滤波器及防溢出单元，所述预运算单元与前向滤波器的输入端、反向滤波器的输出端相连，防溢出单元与前向滤波器的输出端、反向滤波器的输入端相连。

所述的前向滤波器、反向滤波器均采用对称滤波器系数的FIR滤波器，其输出表达式为：

Windowing_Iout(n)＝cliping_I(n)

Coefficient(length_win)

Windowing_Qout(n)＝cliping_Q(n)

Coefficient(length_win)

其中，Windowing_Iout(n)表示上述滤波器的I路输出削峰信号，Windowing_Qout(n)表示上述滤波器的Q路输出削峰信号，

表示卷积；cliping_I(n)表示I路硬削峰信号，cliping_Q(n)表示Q路硬削峰信号，Coefficient(length_win)表示滤波器系数，length_win表示滤波器阶数或长度。

采用上述用于降低发射信号峰均比的削峰装置的降低发射信号峰均比的削峰方法，包括以下步骤：

(1)在中频信号求模单元中对由基带合并后的原始中频信号进行求模计算，即先对中频信号中的I、Q两路输入值分别求平方得到I²及Q²，然后进行加法运算得到I²+Q²的值；

(2)在门限值判断单元中将求模计算得到的I²+Q²的值与预设的门限值或者实时输入的门限值相减，结果为正，则判断为超出门限值，结果为负，则判断为未超出门限值；

(3)当步骤(2)中的判断结果为正，即超出门限值时，衰减脉冲产生单元就结合步骤(1)中所求取的I²+Q²值，通过查表的方法来产生衰减脉冲，同时，经过延时单元的原始中频信号进行延时处理；

(4)产生的衰减脉冲在预运算单元中与反向滤波器的输出信号相减得到预处理衰减脉冲信号，再将该预处理衰减脉冲信号输入到前向滤波器中进行滤波处理；

(5)经前向滤波器滤波后的衰减脉冲进入防溢出单元，进入防溢出单元后的脉冲分成两路，一路直接进入衰减单元，另一路进入反向滤波器进行滤波后作为反馈信号进入预运算单元；在进入防溢出单元后的衰减脉冲实际变成增益脉冲时，则防溢出单元就输出保持信号；如果进入防溢出单元的衰减脉冲不是增益脉冲时，则防溢出单元输出衰减脉冲信号；

(6)在衰减单元中将防溢出单元输出的信号和从延时单元输出的原始中频信号进行乘法运算，得到最后的输出信号，如果防溢出单元输出的是保持信号，则在衰减单元中就不需要对原始中频信号进行衰减，保持原始中频信号的幅度和相位；如果防溢出单元输出的是衰减脉冲，则在衰减单元中对原始中频信号进行衰减。

所述步骤(3)中的查表方法，包括以下步骤：

(a)表地址的生成，即利用中频信号求模的结果，经过截取高位的方法得到简化的查表地址；

(b)表内容的安排，即查表地址与输出结果的关系，输出结果是指门限值与中频信号的模的比值；

(c)表输出的处理，即根据计算精度的需要，截取查表的输出位数的一部分，并结合表内容的安排进一步精简查找表的内容，降低查找表的复杂度，减少硬件资源的占用。

所述步骤(3)中的延时处理，包括以下步骤：

(d)对原始中频信号从输入到中频信号求模单元到防溢出单元输出衰减脉冲这期间需要经过的时钟节拍进行前期的仿真评估；

(e)在延时单元中设置寄存器对原始中频信号进行缓冲处理，其寄存器的深度以前期仿真的结果为准。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明专门针对多载波系统的合路信号进行削峰处理，延时极小，非常适合于射频拉远系统和数字直放站等对延时要求高的场合，相对其他装置，本发明扩宽了应用领域；

(2)本发明采用查表方式产生削峰脉冲，降低了处理延时和处理算法的复杂度，使得稳定性更高，而且针对不同系统精度要求很容易调整，仅仅调整表的大小即可，通过实际测试非常少的资源使用即可使最终削峰性能达到3Gpp指标要求；

(3)本发明使用经过特别优化的滤波器结构，使得滤波器处理需要的运算量大为降低，硬件结构简单，更容易实现和应用；

(4)本发明硬件架构经过多种优化处理，结构精简，因此处理速度可以很高，能够直接对DAC前端数据速率高的信号进行处理，不再需要在其后加内插单元。

附图说明

图1是现有技术的基带削峰示意图；

图2是现有技术的中频削峰示意图；

图3是本发明用于降低发射信号峰均比的削峰装置的整体结构框图；

图4是现有技术中未经优化的FIR滤波器结构图；

图5是本发明中经优化后的FIR滤波器结构图；

图6是本发明整个滤波器单元的归一化的频域响应图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1及图2是常用的两种削峰处理结构图，图1为基带削峰处理结构图，削峰处理在成形滤波之前。基带削峰只有硬削峰模块，对基带IQ信号求模判断是否超过门限值后产生削峰脉冲，利用削峰脉冲对基带IQ信号进行衰减，然后通过公知的成形滤波技术和上变频技术把基带IQ信号转变到合乎要求的数字中频上去。此优点是削峰处理对ACLR指标没有任何影响，缺点是在成形滤波和多载滤波合成之后，峰均功率比会有所上升。图2为中频削峰结构图，该削峰处理在成形滤波和多载滤波之后，中频削峰就是对已经成形滤波和上变频的中频IQ信号执行求模，门限值判断，削峰脉冲产生，削峰脉冲的滤波这几个步骤的处理，直接输出合乎要求的数字中频信号。优点是没有频谱再生现象，缺点是ACLR指标会变差和处理频率较高。

图3为本发明的整体结构框图，本发明由硬削峰单元、滤波器单元、延时单元及衰减单元组成。经基带的多载波信号合并后的原始中频信号分成两路进入不同的单元，一路信号依次进入硬削峰单元、滤波器单元及衰减单元，另一路信号通过延时单元后直接进入衰减单元。进入硬削峰单元的原始中频信号要依次通过中频信号求模单元，门限值判断单元和衰减脉冲产生单元，在硬削峰单元中产生衰减脉冲后再进入滤波器单元。进入滤波器单元的衰减脉冲在预运算单元中同反向滤波器输出反馈信号进行减运算，从而得到进入前向滤波器的预处理衰减脉冲。该预处理衰减脉冲在前向滤波器中进行完滤波处理后进入到防溢出单元。经过防溢出单元输出的衰减脉冲分为两路，一路直接输入到衰减单元，另一路则反馈到反向滤波器中进行滤波处理。进入到衰减单元的衰减脉冲与经过延时单元进行延时处理的原始中频信号进行乘法运算，最后得到所需的整体输出信号。

将原始中频信号转变成衰减脉冲的硬削峰单元包括以下步骤：

1、在中频信号求模单元中完成求模运算，即将合并后的原始中频信号送入到中频信号求模单元中进行求模运算，由于该原始中频信号为复信号，有IQ两路，所以中频信号求模单元首先对IQ两路的输入值分别求平方得到I²和Q²，然后再进行加法运算得到I²+Q²的值，从而完成求模运算。

2、判断是否超出门限值，即在完成求模运算以后，门限值判断单元将该求模的结果与预先设置好的门限值或者实时输入的门限值进行比较，得出是否超过门限值的结果。在对原始中频信号进行完求模运算以后，将该运算结果送入门限值判断单元进行门值判断，中频信号求模单元运算得到的I²+Q²的值与预设的门限值或者实时输入的门限值相减，如果结果为正，则超出门限值，还需要对进入延时单元的原始中频信号进行削峰处理；如果结果为负，则没有超出门限值，不需要对经过延时单元中的原始中频信号进行削峰处理。

3、通过求模结果来产生衰减脉冲。即衰减信号脉冲产生单元在门限值判断的结果为正时，结合求模运算得到的I²+Q²的值，通过查表的方法来得到衰减脉冲。同时，延时单元对输入的原始中频信号进行延时处理，以便同产生的衰减脉冲同步。该衰减脉冲产生单元通过查表方法得到衰减脉冲，该查表方法包括以下的步骤：表地址的生成，即首先利用中频信号求模的结果，经过截取高位的方法得到简化的查表地址，从而避免直接使用求模结果来做查表地址所导致的占用资源过多的后果；表内容的安排，即查表地址与输出结果的关系，输出结果是指门限值与中频信号的模的比值，这个比值利用外部的计算器得到，然后固化在硬件电路中；表输出的处理，即根据计算精度的需要，截取查表的输出位数的一部分，并结合表内容的安排进一步精简查找表的内容，降低查找表的复杂度，减少硬件资源的占用。

延时单元进行延时处理时包括以下步骤：对原始中频信号从输入到中频信号求模单元到防溢出单元输出衰减脉冲这期间需要经过的时钟节拍进行前期的仿真评估；在延时单元中设置寄存器对原始中频信号进行缓冲处理，其寄存器的深度以前期仿真的结果为准。

滤波器单元的主要功能是对硬削峰单元生成的衰减脉冲进行滤波处理，包括以下步骤：

1、将产生的衰减脉冲送入预运算单元与反向滤波器的输出信号相减得到预处理衰减脉冲信号，该预处理衰减脉冲信号再输入到前向滤波器进行滤波处理，得到滤波后的衰减脉冲。该前向滤波器采用FIR滤波器，能抑制ACLR的恶化，减少带外泄露，降低对相邻信道的干扰。

2、经前向滤波器滤波后的衰减脉冲进入防溢出单元，进入防溢出单元后的脉冲分成两路，一路直接进入衰减单元，另一路进入反向滤波器进行滤波后作为反馈信号进入预运算单元。在进入防溢出单元后的衰减脉冲实际变成增益脉冲时，则输出保持信号，以保持原中频信号的幅度和相位；如果进入防溢出单元的衰减脉冲不是增益脉冲时，则防溢出单元输出衰减脉冲信号。

最后，在衰减单元中将防溢出单元输出的信号和从延时单元输出的原始中频信号进行乘法运算，得到最后的输出信号。如果防溢出单元输出的是保持信号，则在衰减单元中就不需要对原始中频信号进行衰减，保持原始中频信号的幅度和相位；如果防溢出单元输出的是衰减脉冲，则在衰减单元中对原始中频信号进行衰减。

图4、图5分别是未经过优化的FIR滤波器和经过优化的FIR滤波器。所谓优化的滤波器结构，指的是采用对称的滤波器系数，对相同的乘法单元合并，对滤波器的处理运算化简，减少了乘法运算，达到减少计算量和提高速度的目的。反向滤波器结构同该优化了的FIR滤波器结构一样，只是系数作了改变。

如图5所示的经过优化的FIR滤波器的输出表达式为：

Windowing_Iout(n)＝cliping_I(n)

Coefficient(length_win)

Windowing_Qout(n)＝cliping_Q(n)

Coefficient(length_win)

其中，Windowing_Iout(n)表示经过优化的滤波器的I路输出削峰信号，Windowing_Qout(n)表示经过优化的滤波器的Q路输出削峰信号，

表示卷积；cliping_I(n)表示I路硬削峰信号，cliping_Q(n)表示Q路硬削峰信号，Coefficient(length_win)表示滤波器系数，length_win表示滤波器阶数或长度。

如图6所示，通过滤波器单元，把硬削峰单元对原始中频信号的ACLR指标的影响降低。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.用于降低发射信号峰均比的削峰装置，其特征在于，包括硬削峰单元、滤波器单元、衰减单元及延时单元，所述硬削峰单元、滤波器单元、衰减单元依次连接，延时单元与衰减单元连接，硬削峰单元与延时单元同时外接中频信号；

所述的硬削峰单元包括中频信号求模单元、门限值判断单元及衰减脉冲产生单元，所述的中频信号求模单元依次与门限值判断单元、衰减脉冲产生单元相连；

所述的滤波器单元包括预运算单元、前向滤波器、反向滤波器及防溢出单元，所述预运算单元与前向滤波器的输入端、反向滤波器的输出端相连，防溢出单元与前向滤波器的输出端、反向滤波器的输入端相连；

所述削峰装置在降低发射信号峰均比时，步骤如下：

(1)在中频信号求模单元中对由基带合并后的原始中频信号进行求模计算，即先对中频信号中的I、Q两路输入值分别求平方得到I²及Q²，然后进行加法运算得到I²+Q²的值；

(2)在门限值判断单元中将求模计算得到的I²+Q²的值与预设的门限值或者实时输入的门限值相减，结果为正，则判断为超出门限值，结果为负，则判断为未超出门限值；

(3)当步骤(2)中的判断结果为正，即超出门限值时，衰减脉冲产生单元就结合步骤(1)中所求取的I²+Q²值，通过查表的方法来产生衰减脉冲，同时，经过延时单元的原始中频信号进行延时处理；

(4)产生的衰减脉冲在预运算单元中与反向滤波器的输出信号相减得到预处理衰减脉冲信号，再将该预处理衰减脉冲信号输入到前向滤波器中进行滤波处理；

(5)经前向滤波器滤波后的衰减脉冲进入防溢出单元，进入防溢出单元后的脉冲分成两路，一路直接进入衰减单元，另一路进入反向滤波器进行滤波后作为反馈信号进入预运算单元；在进入防溢出单元后的衰减脉冲实际变成增益脉冲时，则防溢出单元就输出保持信号；如果进入防溢出单元的衰减脉冲不是增益脉冲时，则防溢出单元输出衰减脉冲信号；

(6)在衰减单元中将防溢出单元输出的信号和从延时单元输出的原始中频信号进行乘法运算，得到最后的输出信号，如果防溢出单元输出的是保持信号，则在衰减单元中就不需要对原始中频信号进行衰减，保持原始中频信号的幅度和相位；如果防溢出单元输出的是衰减脉冲，则在衰减单元中对原始中频信号进行衰减；

所述步骤(3)中的查表方法，包括以下步骤：

(a)表地址的生成，即利用中频信号求模的结果，经过截取高位的方法得到简化的查表地址；

(b)表内容的安排，即查表地址与输出结果的关系，输出结果是指门限值与中频信号的模的比值；

(c)表输出的处理，即根据计算精度的需要，截取查表的输出位数的一部分，并结合表内容的安排进一步精简查找表的内容，降低查找表的复杂度，减少硬件资源的占用；

所述步骤(3)中的延时处理包括以下步骤：

(d)对原始中频信号从输入到中频信号求模单元到防溢出单元输出衰减脉冲这期间需要经过的时钟节拍进行前期的仿真评估；

(e)在延时单元中设置寄存器对原始中频信号进行缓冲处理，其寄存器的深度以前期仿真的结果为准。

2.根据权利要求1所述用于降低发射信号峰均比的削峰装置，其特征在于，所述的前向滤波器、反向滤波器均采用对称滤波器系数的FIR滤波器，其输出表达式为：

$\mathrm{Windowing}\_\mathrm{Iout}\left(n\right)=\mathrm{cliping}\_I\left(n\right)\⊗\mathrm{Coefficient}(\mathrm{length}\_\mathrm{win})$

$\mathrm{Windowing}\_\mathrm{Qout}\left(n\right)=\mathrm{cliping}\_Q\left(n\right)\⊗\mathrm{Coefficient}(\mathrm{length}\_\mathrm{win})$

其中，Windowing_Iout(n)表示上述滤波器的I路输出削峰信号，Windowing_Qout(n)表示上述滤波器的Q路输出削峰信号，

表示卷积；cliping_I(n)表示I路硬削峰信号，cliping_Q(n)表示Q路硬削峰信号，Coefficient(length_win)表示滤波器系数，length_win表示滤波器阶数或长度。

3.采用权利要求1～2任一项所述用于降低发射信号峰均比的削峰装置的降低发射信号峰均比的削峰方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在中频信号求模单元中对由基带合并后的原始中频信号进行求模计算，即先对中频信号中的I、Q两路输入值分别求平方得到I²及Q²，然后进行加法运算得到I²+Q²的值；

(2)在门限值判断单元中将求模计算得到的I²+Q²的值与预设的门限值或者实时输入的门限值相减，结果为正，则判断为超出门限值，结果为负，则判断为未超出门限值；

(3)当步骤(2)中的判断结果为正，即超出门限值时，衰减脉冲产生单元就结合步骤(1)中所求取的I²+Q²值，通过查表的方法来产生衰减脉冲，同时，经过延时单元的原始中频信号进行延时处理；

(4)产生的衰减脉冲在预运算单元中与反向滤波器的输出信号相减得到预处理衰减脉冲信号，再将该预处理衰减脉冲信号输入到前向滤波器中进行滤波处理；

(5)经前向滤波器滤波后的衰减脉冲进入防溢出单元，进入防溢出单元后的脉冲分成两路，一路直接进入衰减单元，另一路进入反向滤波器进行滤波后作为反馈信号进入预运算单元；在进入防溢出单元后的衰减脉冲实际变成增益脉冲时，则防溢出单元就输出保持信号；如果进入防溢出单元的衰减脉冲不是增益脉冲时，则防溢出单元输出衰减脉冲信号；

(6)在衰减单元中将防溢出单元输出的信号和从延时单元输出的原始中频信号进行乘法运算，得到最后的输出信号，如果防溢出单元输出的是保持信号，则在衰减单元中就不需要对原始中频信号进行衰减，保持原始中频信号的幅度和相位；如果防溢出单元输出的是衰减脉冲，则在衰减单元中对原始中频信号进行衰减；

所述步骤(3)中的查表方法，包括以下步骤：

(a)表地址的生成，即利用中频信号求模的结果，经过截取高位的方法得到简化的查表地址；

(b)表内容的安排，即查表地址与输出结果的关系，输出结果是指门限值与中频信号的模的比值；

(c)表输出的处理，即根据计算精度的需要，截取查表的输出位数的一部分，并结合表内容的安排进一步精简查找表的内容，降低查找表的复杂度，减少硬件资源的占用；

所述步骤(3)中的延时处理包括以下步骤：

(d)对原始中频信号从输入到中频信号求模单元到防溢出单元输出衰减脉冲这期间需要经过的时钟节拍进行前期的仿真评估；

(e)在延时单元中设置寄存器对原始中频信号进行缓冲处理，其寄存器的深度以前期仿真的结果为准。

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