CN101662821A - 信号处理方法及通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种信号处理方法及通信系统。其中，通信系统包含：前置补偿器，用于依据至少一参数失真输入信号以产生失真的信号；放大器，耦接至前置补偿器，用于依据输入－输出特性放大失真的信号以产生输出信号；以及频域自适应校准模块，耦接至前置补偿器与放大器，用于依据输出信号的频率特性适应性调整至少一参数。本发明提供的通信系统以及信号处理方法，对前置补偿器的校准是于频域中执行，因此不必考虑群延迟问题，且电路及运算的复杂度均会降低。

Description

信号处理方法及通信系统

技术领域

本发明是关于一种通信系统及信号处理方法，特别是关于一种于频域中被校准的前置补偿器及信号处理方法。

背景技术

发射机中的最后一级处理通常是由功率放大器来完成，功率放大器控制发射机的功率级(power class)，并且功率放大器的质量大大影响系统效能。不幸地，功率放大器的输入-输出特性并不总是理想的：功率放大器具有饱和区(saturation region)，在饱和区中输入-输出特性是非线性的。通常，随着输入功率电平(power level)逐渐增大至最大输入功率电平，功率放大器会变得更加非线性。此类功率放大器会将带内失真(distortion)及带外失真引入至具有高的峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PARP)的信号，如正交频分多路复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，以下简称OFDM)信号，且由于OFDM信号具有较低的公差(tolerance)且容易受功率放大器的非线性失真的影响，因此，此类功率放大器会降低系统效能。系统因此需要在效能与错误向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)间找出平衡点。

对于降低(balancing off)功率放大器的非线性特性来说，预失真技术(Predistortion)为一种广泛应用且较低成本的技术。图1是例示内置有前置补偿器(predistorter)112与功率放大器114的发射机110的方框示意图。前置补偿器112应该具有与功率放大器114相反的特定输入-输出特性。因此，整体的系统特性能够变得更具线性。为达成此目标，回馈路径120包含时域校准电路122，回馈路径120用于校准前置补偿器112的输入-输出特性。时域校准电路122在时域中比较前置补偿器112输出的预失真信号S_pd与回馈信号S_fb，以检测功率放大器114的输入-输出特性，其中回馈信号S_fb是通过低噪声放大器(LNA)124、混频器126、滤波器127以及模数转换器(ADC)128处理功率放大器114的输出信号S_out而得。其中，混频器126、滤波器127以及模数转换器128是执行与混频器116、滤波器117以及数模转换器118相反的操作。依据所检测功率放大器114的输入-输出特性，时域校准电路122将前置补偿器112的特性调整为与功率放大器114的输入-输出特性相反。

尽管如此，在比较预失真信号S_pd与回馈信号S_fb之前，时域校准电路122需对回馈路径120中的电路所形成的群延迟(group delay)进行补偿。否则，前置补偿器112的性能将会因为预失真信号S_pd与回馈信号S_fb的不一致而降低。延迟时间是不确定的，以及估计误差必须小于0.3个取样周期，否则，前置补偿器112的性能将变得不能接受。因此，在时域校准电路122中需要复杂且精密的同步化硬件，以便进行群延时估计与补偿。

发明内容

为有效解决以上所述的技术问题，本发明提供了一种通信系统以及信号处理方法。

本发明提供了一种通信系统，包含：前置补偿器，用于依据至少一参数失真输入信号以产生失真的信号；放大器，耦接至前置补偿器，用于依据输入-输出特性放大失真的信号以产生输出信号；以及频域自适应校准模块，耦接至前置补偿器与放大器，用于依据输出信号的频率特性适应性调整至少一参数。

本发明提供了一种信号处理方法，包含：依据至少一参数失真输入信号以产生失真的信号；依据输入-输出特性放大失真的信号以产生输出信号；以及依据输出信号的频率特性适应性调整至少一参数。

本发明提供的通信系统以及信号处理方法，对前置补偿器的校准是于频域中执行，因此不必考虑群延迟问题，且电路及运算的复杂度均会降低。

附图说明

图1是例示内置有前置补偿器与功率放大器的发射机的方框示意图。

图2是例示依据本发明实施例的通信系统的示意图。

图3是例示OFDM信号。

图4是在对数域中显示放大器的输入-输出特性的效能估计的示意图。

图5是自输出信号S_out的功率谱密度方面显示另一效能估计的示意图。

图6是例示依据本发明一实施例的包含基于查找表的前置补偿器的通信系统的示意图。

图7是例示所提出的一种多项式-查找表-混合前置补偿器。

具体实施方式

图2是例示依据本发明实施例的通信系统200的示意图。通信系统200与图1所示的结构相比具有较低复杂度。通信系统200包含前置补偿器210、数模转换器215、滤波器220、混频器225以及放大器230(请注意，通信系统中可包括放大器230，230可为构成发射机的部分的功率放大器，通信系统中也可不包括放大器230，以上并非为对本发明的限制)、低噪声放大器235、混频器240、滤波器245、模数转换器250以及频域自适应校准模块260。通信系统200包含的上述电路一并构成一回馈路径。前置补偿器210通过一个无记忆(memoryless)多项式来模型化，为方便说明，多项式的阶数为有限，因此在本实施例中，前置补偿器210的输入-输出特性是以如下等式(1)来表示：

y(n)＝(1+a₁·|x(n)|²+a₂·|x(n)|⁴+a₃·|x(n)|⁶)·x(n)    等式(1)

其中a₁-a₃表示前置补偿器210的参数，并被赋予初始值；x(n)表示前置补偿器210的输入信号，并被选定为用于前置补偿器校准功用的预设多音频训练(multi-tone training)信号；y(n)表示前置补偿器210的输出信号。

前置补偿器210输出的前置信号y(n)是通过数模转换器215、滤波器220、混频器225以及放大器230依序处理，并于放大器230的输出端产生输出信号S_out。如上述，放大器230的输入-输出特性是非线性的，且回馈路径尝试通过调整前置补偿器210的参数a₁-a₃来使前置补偿器210及放大器230的总体特性变得更具线性。

通过回馈路径，输出信号S_out是通过低噪声放大器235、混频器240、滤波器245与模数转换器250来处理，而混频器240、滤波器245与模数转换器250是执行与混频器225、滤波器220以及数模转换器215相反的操作。因此处理后的结果(也就是：回馈信号S_fb)仅保留放大器230产生的影响，因为放大器230是非线性的，回馈信号S_fb为具有多个特定音调的多音频信号，其中特定音调，例如泛音(harmonictone)。这些泛音会导致带内与带外失真。频域自适应校准模块260随后依据回馈信号S_fb适应性调整前置补偿器210的参数a₁-a₃。不同于先前技术，频域自适应校准模块260检测并利用回馈信号S_fb的频率特性来校准前置补偿器210，而并非于时域中的特性。如此便使得频域自适应校准模块260不必考虑群延迟问题，因而不需复杂且精准的同步硬件。

以OFDM信号为例，如图3所示，循环前缀(Cyclic Prefix，CP)的内容为OFDM符号(symbol)末端内容的复本，此循环前缀是位于OFDM符号的前端。循环前缀可起到克服多路径效应以及去除符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)的作用。于接收OFDM信号之后，通过去除OFDM信号中的循环前缀可去除符号间干扰。由于错误的估计OFDM信号的起点而产生的时移(time shift)可被视为一种多路径效应，循环前缀也有益于频域自适应校准模块260对抗群延迟问题。基于这一特性，只要频域自适应校准模块260定义的起点与实际起点两者间的差异是在循环前缀的范围内，正交性仍被保留灾估计的OFDM信号中，并且将仅引入一线性相位。因为线性相位不会对调整性能造成影响，频域自适应校准模块260具有用于延时估计的最多至64样本(循环前缀的长度)的宽误差范围，使得估计过程相比于时域中更加简单。因此在频域中，群延迟问题成为非关键性问题。

请再参考图2，为了抑制回馈信号S_fb的泛音，频域自适应校准模块260包含频率特性产生电路262用于处理回馈信号S_fb以获得泛音的频率特性(例如振幅或功率)，以及自适应调整电路264用于依据泛音的频率特性适应性调整参数a₁-a₃。

在一实施例中，频率特性产生电路262包含快速傅立叶变换电路，快速傅立叶变换电路将回馈信号S_fb从时域变换至频域，以获得回馈信号S_fb的频率分布。在另一实施例中，频率特性产生电路262包含相关器，用以于每一泛音相关性计算回馈信号S_fb以获得每泛音的频率特性。请注意，频率特性产生电路262并不限制于以上实施例，其它可用于发现泛音的频率特性的电路也可实施于频率特性产生电路262。

随后，将检测到的频率特性传递至自适应调整电路264以进行前置补偿器校准。自适应调整电路264以某种方式适应性调整这些参数，以使泛音的振幅或功率减少至预设范围之内(例如：尽可能趋于零)。自适应调整电路264定义对应于泛音的振幅或功率的成本函数(costfunction)，以及通过利用自适应算法(例如：有限差分算法(finitedifference algorithm)或割线算法(secant algorithm))获得参数调整量，此参数调整量减少成本函数的成本数值。此成本函数是泛音的功率的总和，泛音的加权功率的总和、或泛音的最大功率等。以下是显示自适应调整电路264运作的范例。

自适应调整电路264首先依据所选择的最佳化准则(criterion)来定义效能指标(performance metric)，例如：

$J_o\left(\stackrel{\‾}{P}\right)=\underset{k\∈2...M}{\max {\left|c\left(k\right)\right|}^2}$

其中，P表示前置补偿器210的系数(P＝[a_1，r，a_1，i，a_2，r，a_2，i，a_3，r，a_3，i])，以及c(2)，c(3)，…，c(M)表示于f＝2·f_x，3·f_x，...，M·f_x时泛音的功率，其中f_x是传输的音调。可通过求解等式

找到系数的最佳解。然而，却很难分析最佳解。因此采用一种有限差分方法以获得一个近似最佳解。简要来说，有限差分方法将第一组P代入至等式(2)以获得第一成本数值(cost value)，并将第二组P代入至等式(2)以获得第二成本数值，其中第二组P是通过第一组P与细微差异(slightdifference)相加而得。通过比较第一成本数值与第二成本数值，确定斜率。自适应调整电路264随后依据此斜率确定P的收敛方向(convergence direction)。多次反复之后，可建立P的收敛。本领域中普通技术人员应可理解如何利用有限差分方法或其它方法来找到最佳解(或近似最佳解)，因此，不再详细说明。本发明并不限制成本函数及自适应算法，其它不同于以上实施例中的成本函数或自适应算法同样应属于本发明的范围内。

于自适应调整电路264已经依据P的收敛调整了前置补偿器210的参数a1-a3之后，放大器230的非线性(nonlinearity)被平衡。在此模拟中，前置补偿器210的存在使得于64QAM 3/4以及低于-30dB的情况下，可将放大器230的可用最大功率自22.5dBm提升至27.5dBm。图4显示了对数域中放大器230的输入-输出特性的效能估计的示意图。如图示，具有前置补偿器210时，放大器230的输入-输出特性接近于理想曲线(即，理想放大器的曲线)。由于前置补偿器210，于P1dB点处同样被改善了4.75dB，也就是：(20□l0g(0.57/0.33)＝4.75dB)，其中P1dB点处输出功率与理想值间有1dB的差。图5是从输出信号S_out的功率谱密度(power spectral density，PSD)方面显示另一效能估计的示意图。因为有前置补偿器210存在，非线性放大器230导致的频谱重新成长(regrowth)的问题被抑制，因此带内及带外干扰会减少。

除了图2所示的基于多项式的前置补偿器210，前置补偿器可通过查找表(Look-Up Table，LUT)来模型化。请参考图6，是例示依据本发明一实施例的包含以查找表为基础的前置补偿器的通信系统600的示意图。前置补偿器610已建立了振幅映射表612与相位映射表614，每一映射表包含多个项目(entry)。前置补偿器610检测输入信号x(n)的振幅，在振幅映射表612与相位映射表614中查找，并找到振幅与相位的映射值。前置补偿信号y(n)是由|A(|x(n)|)|*exp(j*∠A(|x(n)|))来表示。

类似于图2的结构，振幅映射表612与相位映射表614的项目都是通过频域自适应校准模块660依据回馈信号Sfb的频率特的来校准。频率特性产生电路662及自适应调整电路664的功能与频率特性产生电路262及自适应调整电路264的功能大致相同。频率特性产生电路662，例如快速傅立叶变换电路或相关器，处理回馈信号S_fb以获得泛音的频率特性，以及自适应调整电路664自适应调整前置补偿器610的参数(本实施实施例中的映射项目)，以便减少回馈信号S_fb的泛音。因为前置补偿器的校准是在频域中执行，频域自适应校准模块660不必考虑群延迟问题，并且电路及运算的复杂度皆相较于先前技术要减少。

基于图2与图6所示的电路结构，图7是例示所提出的一种多项式-查找表-混合前置补偿器。多项式-查找表-混合前置补偿器710包含决定单元712用于检测输入信号x(n)的振幅(或功率)。在本实施例中，当输入信号x(n)的振幅(或功率)是处于第一范围时，耦接至决定单元712的复用器714将输入信号x(n)输入至基于多项式的前置补偿器模块720，以便依据多项式y(n)＝(1+a₁·|x(n)|²+a₂·|x(n)|⁴+a₃·|x(n)|⁶)·x(n)失真输入信号x(n)。否则，复用器714将输入信号x(n)输入至基于LUT的前置补偿器模块730并依据查找表格失真输入信号x(n)。系数a 1-a3及表格都可调整。当输入信号x(n)是处于第一范围时，自适应调整电路(未显示)调整多项式中至少一系数，以及当输入信号x(n)是处于第二范围时，调整查找表中至少一项目。阅读以上描述后，本领域中普通技术人员应了解如何实施电路结构以及前置补偿器校准，因此不再过多描述。

最后，上述实施例利用频率特性产生电路262/662以获得回馈信号S_fb的泛音的频率特性，以及利用自适应调整电路264/664分析对应于泛音的频率特性的成本函数并调整参数(例如：多项式中的系数及查找表中的项目)以抑制泛音成分。通过以上方法，放大器230具有前置补偿器210时，其部输入-输出特性总体上是线性的，且不需要估计与补偿时域中由回馈路径产生的群延迟。

而且，需注意快速傅立叶变换电路与相关器都是无线通信系统(例如：WiMAX系统)中现有电路中普遍使用的电路，以及自适应调整电路可由数字信号处理来实现，频域自适应校准模块易于实施。因此，在不会损耗效能的情况下，可减少系统复杂度以及生产成本。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的范围内，可以做一些改动，因此本发明的保护范围应与权利要求所界定的范围为准。

Claims (18)

1.一种通信系统，包含：

前置补偿器，用于依据至少一参数失真输入信号以产生失真的信号；

放大器，耦接至该前置补偿器，用于依据输入-输出特性放大该失真的信号以产生输出信号；以及

频域自适应校准模块，耦接至该前置补偿器与该放大器，用于依据该输出信号的频率特性适应性调整该至少一参数。

2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，该频域自适应校准模块包含：

频率特性产生电路，耦接至该放大器，用于处理该输出信号以获得该输出信号的至少一特定音调的频率特性；以及

自适应调整电路，耦接至该频率特性产生电路与该前置补偿器，用于依据该特定音调的该频率特性适应性调整该至少一参数。

3.根据权利要求2所述的通信系统，其特征在于，该频率特性产生电路包含耦接至该放大器的快速傅立叶变换电路，用于变换该输出信号以获得该特定音调的该频率特性。

4.根据权利要求2所述的通信系统，其特征在于，该频率特性产生电路包含耦接至该放大器的相关器，于该特定音调相关性计算该输出信号以获得该特定音调的该频率特性。

5.根据权利要求2所述的通信系统，其特征在于，该自适应调整电路自适应调整该至少一参数以使该特定音调的该频率特性处于预设范围内。

6.根据权利要求5所述的通信系统，其特征在于，该自适应调整电路自适应调整该至少一参数以降低该特定音调的振幅或功率。

7.根据权利要求6所述的通信系统，其特征在于，该自适应调整电路定义对应于该特定音调的振幅或功率的成本函数，以及通过利用自适应算法获得参数调整量，该参数调整量减少该成本函数的成本数值。

8.根据权利要求2所述的通信系统，其特征在于，该输入信号为多音频信号，以及该特定音调为该多音频信号的泛音。

9.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，该前置补偿器为多项式-查找表-混合前置补偿器，当该输入信号处于第一范围时，该多项式-查找表-混合前置补偿器依据多项式失真该输入信号；以及当该输入信号处于第二范围时，该多项式-查找表-混合前置补偿器依据查找表失真该输入信号，当该输入信号处于该第一范围时，该自适应调整电路调整该多项式的至少一系数；以及当该输入信号处于该第二范围时，该自适应调整电路调整该查找表的至少一项目。

10.一种信号处理方法，包含：

依据至少一参数失真输入信号以产生失真的信号；

依据输入-输出特性放大该失真的信号以产生输出信号；以及

依据该输出信号的频率特性适应性调整该至少一参数。

11.根据权利要求10所述的信号处理方法，其特征在于，所述适应性调整该至少一参数的步骤包含：

处理该输出信号以获得该输出信号的至少一特定音调的频率特性；以及

依据该特定音调的该频率特性适应性调整该至少一参数。

12.根据权利要求11所述的信号处理方法，其特征在于，所述处理该输出信号的步骤包含：利用快速傅立叶变换电路来变换该输出信号以获得该特定音调的该频率特性。

13.根据权利要求11所述的信号处理方法，其特征在于，所述处理该输出信号的步骤包含：在该特定音调相关性计算该输出信号以获得该特定音调的该频率特性。

14.根据权利要求11所述的信号处理方法，其特征在于，所述适应性调整该至少一参数的步骤包含：自适应调整该至少一参数以使该特定音调的该频率特性处于预设范围内。

15.根据权利要求14所述的信号处理方法，其特征在于，所述自适应调整该至少一参数以使该特定音调的该频率特性处于预设范围内的步骤包含：自适应调整该参数以降低该特定音调的振幅或功率。

16.根据权利要求15所述的信号处理方法，其特征在于，所述自适应调整该至少一参数以降低该特定音调的振幅或功率的步骤包含：定义对应于该特定音调的振幅或功率的成本函数；以及通过利用自适应算法获得参数调整量，该参数调整量减少该成本函数的成本数值。

17.根据权利要求11所述的信号处理方法，其特征在于，该输入信号为多音频信号，以及该特定音调为该多音频信号的泛音。

18.根据权利要求10所述的信号处理方法，其特征在于，所述依据至少一参数失真输入信号以产生失真的信号的步骤包含：当该输入信号处于第一范围时，则依据多项式失真该输入信号；以及当该输入信号处于第二范围时，则依据查找表失真该输入信号，以及所述依据该输出信号的频率特性适应性调整该至少一参数的步骤包含：当该输入信号处于该第一范围时，调整该多项式的至少一系数；以及当该输入信号处于该第二范围时，调整该查找表的至少一项目。

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