CN1106103C - 调节峰值功率与带宽的无线电装置与方法 - Google Patents

Abstract

一个通信装置(300)包括一个数字调制器(301)，一个数字信号处理器(306)，以及一个放大器(312)。该数字调制器(301)包括一个信息发生器(304)以及一个峰值抑制装置(402)。该峰值抑制装置(402)包括一个符号映射器(404)以及一个符号标定器(406)。借助于该符号映射器(404)，将该发生器(401)所产生的信息映射到一张星座图上。然后在该标定器(406)中对该映射信息进行标定，以便降低在该放大器(312)输入端的信号的峰值功率对平均功率的比值。

Description

调节峰值功率与带宽的无线电装置与方法

本发明一般地涉及通信装置，特别是涉及具有有效的调节功能的通信装置。

在一维的数字通信系统中，通过加入基本脉冲波形的时间偏移的变体来形成发送波形。按照被传送的数据(例如二进制相移键控)来调整该脉冲的振幅。在多维的数字通信系统(例如正交振幅调制)中，根据该数据产生多组脉冲序列。为了使该发送波形的带宽减到最小并从而保证该发射波形不干扰工作于邻近(颇率)信道的其他系统，所使用的该脉冲波形应当具有跨越几个符号间隔的时间宽度。这就使得跟一个数据符号有关的该脉冲将重叠于跟相邻的诸数据符号有关的诸脉冲。某些数据序列会使这些重叠的脉冲彼此相加从而在发送波形中产生若干较大的峰值，而其他的数据序列则会使这些重叠的脉冲互相抵消从而在发送波形中产生若干较小的数值。当该信号保持在一个相当恒定的电平时，用以在发送之前增加该发射信号功率的诸放大器工作得最好。在该发射信号中大的峰值导致该功率放大器的低效率运用，从而浪费宝贵的电池寿命。

用电池工作的诸通信装置使用多种节省电池能量的技术以使延长电池的工作寿命。设计人员用以延长通信装置工作寿命的一种技术就是提高诸功率放大器的效率。另一种节省电池能量的方案是使用另一种省电的调制技术。各种调制技术具有不同的峰值功率对平均功率之比。一般来说，人们都希望得到一个尽可能地接近于OdB的峰值功率对平均功率之比。然而，若干现有的调制方式导致相当高的峰值功率对平均功率之比。两种常用的调制方式分别是相移键控(PSK)和正交振幅调制(QAM)。前者使用一个信号星座，其中所有的数据符号都具有相同的幅度，而后者则同时改变每一个数据符号的相位和幅度。二进制信令就是PSK(即BPSK)的一个特例。在这两种调制方式中，该峰值功率与平均功率之比取决于所使用的脉冲波形。

正交振幅调制(QAM)利用载频的相位和振幅来发送信息，因此有可能产生较高的峰值功率对平均功率的比值。的确，实验已经表明，例如，一个由16个符号组成的PSK星座相对于一个16QAM信号来说，在峰值功率对平均功率的比值方面可以得到3～4dB的改进。然而，在效率改进方面的这种受益伴随着在灵敏度方面4dB的损失。由于这种灵敏度方面的损失，使得许多系统设计人员宁可使用QAM调制方式，而把它在峰值功率对平均功率比值方面的降低置于不顾。

参看图1，图中所表示的是一种目前可以买到的通信装置。图2表示一个复合基带8PSK信号的相位与幅度矢端轨迹。换句话说，该图表示当所产生的数据改变其状态时，从一个符号跳变到下一个符号的情形。参考标记202表示用以限制边带噪声的滤波器所产生的不良希望有的过冲。该过冲202使峰值功率增加，后者导致峰值功率对平均功率比值的增加。峰值功率对平均功率比值的增加迫使设计人员去设计一种能承受最大峰值功率的放大器，这又使得该功率放大器的生产成本更加昂贵。此外，峰值功率对平均功率比值的增加使该功率放大器的电源效率降低。

在便携式通信装置的设计中，设计人员的目标是以可能最低的价格去使用诸有效部件。从传统上来看，功率放大器已经成为通信装置中最昂贵的部件，并且已经阻碍了各种旨在降低其成本的企图的实现。直接关系到放大器成本的一个参数就是峰值功率对平均功率的比值。这是因为设计人员被迫去使用一种能处理显著地大于平均功率的峰值功率的放大器。因此，在不降低其他性能参数的前提下尽可能多地降低峰值功率对平均功率的比值，这已经成为设计人员的目标。因此，需要一种在不降低其他性能的前提下，能将峰值功率对平均功率的比值降到最低的调制方案。

图1表示一种目前可以买到的通信装置的诸有关部件的方框图。

图2表示图1的通信装置的一组复合基带信号的幅度与相位矢端轨迹。

图3表示一种根据本发明的通信装置的各有关部分。

图4表示一种根据本发明的峰值抑制算法的各部分。

图5表示一组根据本发明的复合基带信号的幅度与相位矢端轨迹。

图6表示根据本发明的通信装置的性能的眼图。

参看图3，图中示出了一个根据本发明的通信装置300的各有关部件。传声器302产生一段模拟信号，它被连接到语音编码器304，在那里它被转换为数字信号。该语音编码器304产生一组数字信息信号，并把它施加到一个数字信号处理器(DSP)306。该语音编码器304以及该数字信号处理器306的组合形成一个数字调制器301。该数字信号处理器306根据本发明的诸原理处理该数字信息信号。除了进行峰值和瞬时功率测量之外，还跟踪诸峰值的出现时间以及组合该I和Q诸分量；所用的方法是业内人士所熟知的，该数字信号处理器306对信号进行标定。关于数字信号处理器306的工作的更多的细节，将结合图4加以讨论。在数字信号处理器306的输出端，经过处理的信号在被施加到一个射频混频器310之前，被连接到一个数模转换器308，在那里该信号被转换，回到模拟形式。混频器310可以是一个正交混频器，它将该模拟信号跟本地振荡器产生的信号(LO)相混合，该混频器的输出被连接到放大器312，后者对该混频信号进行放大，然后经由天线314发射出去。

参看图4，图中示出了根据本发明的数字信号处理器306的各主要部分。本质上，一个随机的二进制数据发生器401被连接到一个峰值抑制算法(方框)402。该发生器可以是任何一种数字数据源，例如语音编码器304。该峰值抑制算法包括一个符号映射环节404以及一个符号标定环节406。由401产生的数字信息被映射到星座图404以产生诸数据符号，其中的每一个都具有一个符号间隔以及一个起点。这些数据符号用诸矢量405来表示，其中的每一个都分别具有同相(I)和正交(Q)信号分量。换句话说，诸数据符号是用具有正交关系的诸矢量分量来表示的。要注意的是，该峰值抑制算法也能运用于一维信号的情形(例如二进制相移键控BPSK)。信号分量I和Q共同地表示该矢量405的幅度和相位。每一个矢量代表一个符号间隔，其内容取决于在每一瞬时所处理的位(比特)的数目。的确，各数据符号是在某一速率下进行处理的，该速率在各数据符号的起点处经过一个符号间隔把它们分隔开。例如，在一个3位系统中，该矢量405代表3位，具有8种可能的状态。在一个4位系统中，一个矢量代表4位，并且该信号星座图具有16个符号位置。在本优选实施例中，以及为了便于理解本发明的诸原理，采用3位的符号。

一旦完成了诸符号的映射，一个符号标定过程就开始进行。作为这个过程的一部分，I和Q分量的幅度将根据一个算法发生改变，该算法能使在随后的滤波步骤中出现的过冲减到最小。滤波步骤在一个脉冲波形滤波器408中实施。这个滤波器的目标是在诸符号被发射出去之前减小其高频成分。然而，由于它的特性，在从一个符号跳变到另一个符号时，该滤波器倾向于产生一些信号峰值。这些信号峰值向该放大器312提出了附加的峰值功率要求。这些峰值的大小取决于诸符号序列以及该滤波器特性这两个因素。本发明谋求以这样一种方式去调整或标定这些矢量(即405)，以便补偿或减小诸信号峰值。这种补偿使该放大器避免在不必要的峰值上工作，同时保持系统的完整性。

诸数据符号的标定(Scaling)可以仅在幅度方面实施、或在幅度与相位两方面同时实施。换句话说，可以用这样的方法去改变I和Q诸分量的幅度，以便使矢量405的相位保持恒定。另一方面，也可以独立地去改变I和Q诸分量的幅度，使该矢量405的幅度和相位都发生变化。

在图5中用虚线圆502来表示未经标定的诸符号的幅度。该圆表示由随机的二进制数据发生器401以及符号映射器404所产生的诸符号的幅度。在理想情况下，该放大器312必须放大这些恒定幅度的信号。但由于脉冲波形滤波器的作用，这些信号的幅度被增加到这样的程度，使得在该脉冲波形滤波器的输出端形成该同心圆504。这个外圆504表示出现在放大器312的过冲的范围。的确，这两个同心圆502和504之间的直径的距离代表了滤波前和滤波后的诸符号之间的幅度差值。这种差值被直接地转变为不希望有的峰值功率。对这些符号的标定相当于这个圆的直径的缩小，因而对该放大器312的峰值功率要求也随之降低。

该标定算法查看诸符号构成的序列，并且确定由该数据发生器401产生的每一个符号所需要的变化。在这个确定的过程中，该算法利用了该滤波器的诸特性。图5表示经过标定之后的若干符号的幅度相位矢端轨迹。未经标定的诸符号用506来表示，而经过标定的相对物则用508来表示。在本例中我们假定被发送的符号为5个。第一个符号501不发生改变，因为峰值尚未产生。下一个符号沿半径方向被向下标定以避免出现信号峰值，由于经过延时的滤波后诸符号之间的交互作用，通常会导致这样的信号峰值。第3个符号类似地被向下标定以避免出现一个信号峰值幅度。第4个也类似地被向下标定。由于在从第4个符号开始的跳变过程中出现小信号幅度，因此第5个符号被向上标定。信号的标定以这样一种方式来完成，使该符号的完整性得以保持，并避免丢失信息。

该峰值抑制算法在每一段符号间隔中测定该基带信号的瞬时功率。在测定峰值功率及其在该符号间隔中的时间位置之后，紧接着对该信号进行标定。在这种情况下，与该基带信号有关的平均功率也被测定。在得到该峰值功率信息之后，该算法测定该复合的基带信号峰值功率出现的时间。随后，跟相邻的符号间隔有关的该符号的I和Q分量被改变。这些分量的幅度仅在该复合信号的幅度发生变化时才被均等地径向标定。对I和Q信号进行独立的和不均等的标定也是可能的，这将导致该复合信号的相位和幅度的标定。

概括地说，通过该峰值抑制算法对由语音编码器304和符号映射器404产生的诸数字数据符号进行处理，以便从本发明的诸原理中得到好处。作为这种映射的结果而产生的诸数据符号用它们的I(同相)和Q(正交)分量来表示。然后，借助于该峰值抑制算法方框402中的符号标定部分406，对该I和Q分量进行动态的标定。该I和Q分量的标定期待于该脉冲波形滤波器408所发生的滤波作用。该符号标定简单地跟踪于该基带信号(由该I和Q分量组成)的幅度与相位矢端的轨迹。正如前面所讨论的那样，现有技术中存在的问题是该脉冲波形滤波器在符号发生跳变时产生若干信号峰值。本发明提供一个使峰值信号问题最小化的方法。通过对诸数据符号的I和Q分量进行标定，本发明的目标在于使诸信号峰值的幅度最小化，从而降低对该放大器312的峰值功率要求。

在本优选实施例中所使用的算法，接受由该星座映射器404产生的诸数据符号，对诸符号进行处理，并把它们输出到该脉冲波形滤波器408。特别是，该算法顺序地将诸数据符号装载到一个输入数据块里面，以便进行迭代处理。完成处理之后，该输入数据块被拷到一个输出数据块，并且经过标定的诸符号也顺序地输出到该脉冲波形滤波器408。为了保持恒定的符号速率，新来的诸数据符号被转移到已腾空的输入数据块，而经过标定的诸符号则被移出该输出数据块。因此，假定该处理时间可以忽略不计，则由该算法产生的转输延迟大约等于(块的大小)/(符号速率)秒。块的大小应当足够大，以保证存储在块里面的诸符号能精确地表示所发送的全部数据符号序列的诸统计特性。

在成功地掌握了输入数据符号块的整体情况之后，该算法开始对该输入符号块所规定的每一个符号间隔进行若干数值的测定。这些数值是：(1)所发送的峰值信号幅度，(2)该峰值的时间位置，以及(3)用于该峰值幅度的峰值标定因子。通过将该脉冲波形滤波函数施加于适当的诸数据符号，该算法在一个符号间隔之内测定这些数值。在一个特定的符号间隔内被用来计算该信号的数据符号的数目，取决于该脉冲波形滤波函数的冲击响应。在这些计算中，应当包括跟在感兴趣的符号间隔内用以产生重要的信号幅度的脉冲波形有关的所有符号。该脉冲波形滤波器408的冲击响应也决定了在相继的符号块之间应当有多少个符号发生重叠。

该算法利用在一个特定的符号间隔内所发送的峰值信号幅度去确定该间隔的峰值标定因子。一个峰值标定函数被施加于该信号峰值。该峰值标度函数被这样定义，使得：若该峰值幅度大于某个参考值，则产生一个负的峰值标定因子，若它小于该参考值，则产生一个正的峰值标定因子。该标定因子的大小随着该峰值幅度与该参考值之间的差值的增加而增加。该参考值通常被设置为跟所期望的峰值幅度相等。该算法用两个独立的矢量来存储每一个符号间隔的峰值标定因子以及相应的峰值时间位置。这些数值将相继地被用来确定块内诸符号的符号标定因子。

在成功地确定诸峰植标定因子及其相关的诸时间位置之后，该算法接着为每一个数据符号计算其符号标定因子。为了确定一个特定的符号标定因子，该算法利用来自紧邻于一个特定符号的两个符号间隔的峰值信息。这两个间隔将被称为左方和右方间隔。该符号标定函数用该峰值相对于该特定符号的时间距离来加权该左方峰值标定因子。同样地，用它相对于该特定符号的距离来加权该右方峰值标定因子。然后，将这两个加权后的标定因子相加，得到一个单一的数值，用以确定该符号标定因子。这样一来，靠近一个特定符号的信号峰值对该符号的标定因子具有较大的影响。

在每一个符号标定因子都已经被确定之后，该算法对诸符号标定因子进行归一化处理以保持所期望的平均功率。假定该脉冲波形具有同一的平均能量，同时假定各个个别的符号都是独立的并具有相同的分布，则通过简单地求出已标定的符号幅度的均方值，就能计算出该平均功率(Ps)。所期望的平均功率通常等于未标定的发射信号(Pu)的平均功率。因此，该归一化因子等于(Pu/Ps)的平方根。在一个具有相同的符号幅度的圆形PSK星座的实例中，Ps简单地等于诸符号标定因子的平均值。

该算法按照某一特定的迭代次数重复上述的符号处理步骤，或者一直重复下去，直到获得某个作为目标的峰值功率对平均功率的比值为止。在满足了这些条件之一以后，该算法用适当的最终符号标定因子来标定诸数据符号，并将已标定的诸符号拷贝到该输出块。然后，该算法将已标定的诸符号按顺序地输出到该脉冲波形滤波器，并同时将来自该星座映射器的新的、未标定的诸符号装载到输入块里面去。

在一个变通的实施例中，该峰值抑制算法环绕每一个数据符号各产生一个虚拟的球面，以便建立一个用以标定它们的边界。这个球形边界有助于建立针对相位与幅度变动以及标定的极限。这种标定再一次地促进对该放大器312的峰值功率要求的最小化。

简单地说，该标定算法查看由语音编码器304和符号映射器404所产生的诸符号的的相位和幅度，并估算将出现在该滤波器408输出端的诸信号峰值的幅度(过冲的程度)。在确定必须实施于每一个符号的标定的电平和方向时，这种对信号峰值的估算是必须考虑的。在这样做的时候，送往滤波器408的该I和Q分量都得到充分的补偿，以便使不可避免的诸信号峰值的影响最小化。这种补偿使对放大器312的峰值功率要求最小化。人们将懂得，如果不是受益于本发明，那么该放大器312必须能够处理由圆504所代表的峰值功率要求。这种附加的要求大大地增加了放大器312的成本。这种峰值功率相对于平均功率的增加从反面影响了放大器312的效率。从附加的效率降低这个角度来看，对便携式无线电装置来说，这更是一个显著的缺点。

本发明的诸原理提供了一种在发送的波形被放大之前抑制其峰值的一般方法。根据相邻诸符号的数值以及脉冲波形滤波器的响应对数据符号的幅度稍加调整。其结果是发送波形保持更加恒定的幅度电平。该算法在数据块的基础上进行工作(最好的工作情况通常是每次装入50到500个符号)。下面简要地说明该峰值抑制算法：

步骤1：基于块内的诸数据符号，以及所使用的脉冲波形，构成该发送波形。

步骤2：对该发送波形中的每一个符号间隔，计算该间隔中该波形的峰值，该峰值的位置，以及该峰值标定因子。

步骤3：基于诸峰值标定因子以及诸峰值的位置，重新标定每一个数据符号的高度。

步骤4：使用已标定的诸数据符号重复步骤1～3。继续重复这个过程，直到没有更多的(或者非常少)峰值需要抑制为止。在某些情况下，使用这种峰值抑制算法能使功率放大器的效率提高一倍，或者等效地在便携式无线电装置中将电池寿命延长一倍。

再次参看图5，内圆上的诸点506表示未经滤波的诸符号的幅度。为了避免这些符号以任何方式越出由外圆504所表示的边界，如508所示那样，对它们进行标定。正如大家所看到的那样，一些符号通过标定变小，而另外一些则通过标定变大，其目的是为了使误码以及峰值信号幅度最小化。

经过标定的诸符号降低了峰值功率需求并从而改进了该放大器的效率。此外，该功率放大器的峰值功率对平均功率的比值的要求也降低了。这种降低直接地转化为该放大器312的成本降低。

在完成系统性能改进的过程中，对调制精度的影响是最小的。图6表示峰值受到抑制后的解调信号的眼图。图中显示的眼孔具有充分宽广的开度，以便保持低误码性能。因为当可利用的解调技术为高度精确时，只有一种调制技术是令人满意的，所以这一点显得特别重要。除了利用相位或振幅的调制方式以外，本发明的诸原理也可应用于正交振幅调制(QAM)系统，该系统同时利用信号的相位和振幅来传送信息。

Claims (15)

1、一种用于调制一组数字信息的方法，包括：产生该数字信息；

将该数字信息映射到一份星座图上以产生诸数据符号，其中每一个数据符号都具有一个起点；

以一种速率处理诸数据符号，在该速率下借助于一个符号间隔在其各自的起点处将各数据符号分隔开；

对I和Q信号分量进行滤波、以便使频谱效率最大化并产生基带I和Q信号的步骤，将基带I和Q信号加以组合、以产生一组复合的基带信号的步骤；

用I和Q诸信号分量来表示诸数据符号；对I和Q诸信号分量进行标定，以减小峰值功率并使平均功率保持不变。

2、根据权利要求1所述方法，其中的处理步骤包括对I和Q诸信号分量进行滤波、以便使频谱效率最大化并产生基带I和Q诸信号的步骤。

3、权利要求2所述方法，还包括测定该基带I和Q诸信号的平均功率的步骤。

4、权利要求2所述方法，还包括测定在每一个符号间隔中该基带I和Q诸信号的瞬时峰值功率的步骤。

5、权利要求4所述方法，还包括测定在每一个符号间隔中该基带I和Q诸信号的瞬时峰值功率的出现时间的步骤。

6、权利要求2所述方法，还包括将该基带I和Q诸信号加以组合、以产生一组复合的基带信号的步骤。

7、权利要求6所述方法，还包括测定该复合的基带信号的平均功率的步骤。

8、权利要求6所述方法，还包括测定在每一个符号间隔中的复合基带信号的峰值功率的步骤。

9、一个数字调制器，包括：

一个数字信息发生器；

将该数字信息映射到一份星座图以产生诸数据符号的装置，其中的每一个数据符号都具有一个符号间隔；

用I和Q诸信号分量来表示诸数据符号的装置；以及

滤波器，用以产生具有最大频谱效率的基带I和Q信号；组合器，用以组合该基带I和Q信号以产生一个复合的基带信号；

用于动态地改变I和Q诸信号分量的幅度、以便降低峰值功率对平均功率的比值的装置。

10、权利要求9所述的数字调制器还包括一个滤波器，用以产生具有最大频谱效率的基带I和Q诸信号。

11、权利要求10所述的数字调制器还包括用于测定该基带I和Q诸信号的平均功率的装置。

12、权利要求10所述的数字调制器还包括用于测定在每一个符号间隔中该基带I和Q诸信号的瞬时峰值功率的装置。

13、权利要求12所述的数字调制器还包括一个定时器，用以测定在每一个符号间隔中该基带I和Q诸信号峰值功率的出现时间。

14、权利要求10所述的数字调制器还包括一个组合器，用以组合该基带I和Q诸信号以产生一个复合的基带信号。

15、一个通信装置，包括：

一个数字调制器，包括：

一个数字信息发生器；

将该数字信息转换到一个至少是一维的信号星座、以便产生诸数据符号的装置，其中的每一个数据符号都具有一个幅度值；以及

用于动态地对该数据符号进行标定的装置，以避免在符号跳变时出现不希望有的峰值功率并从而将峰值功率对平均功率的比值最小化；

一个放大器，用于放大诸数据符号；以及

滤波器，用以产生具有最大频谱效率的基带I和Q信号；组合器，用以组合该基带I和Q信号以产生一个复合的基带信号；

一个天线，用于发送诸数据符号。

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