CN1144410C - 改善数字通信中已调信号的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种数字已调信号被改善，如有利于放大。该数字已调信号来源于信息信号(110，115)，被映射到一种符号星图上产生一信道符号序列(125)。信道符号序列(125)经处理(410)提供改善后的信号(415)，该信号含避免信号包络幅度低于门限值的信号包络(500)。当信号包络在序列连续的信道符号间转换时，符号间隙最小值由表示信道符号序列的信号包络确定(510)。改善后的信号(415)由信号包络的局部调整代表，如，当特定符号间隙最小值低于门限值时，插入调整脉冲，增大该值(520，530，540，545，555)。

Description

改善数字通信中已调信号的方法和设备

技术领域

本发明一般涉及通信系统，尤其涉及改善数字已调信号，如用于放大目的。

背景技术

当代通信系统通常采用数字信号以使通信更有效。在典型数字无线通信设备中，被发射的原始信息由数字信息流表示。这种数字信息流被调制和放大以利于在通信信道中传输。许多复杂的数字调制方式已被开发出来，以便有效地通过通信信道传输信息。依赖所采用的数字调制方式，合成的发射信号会有一种伴随基本变化或动态范围的信号包络。被发射信号包络的动态范围影响发射前用于放大通信信号的功率放大器的设计和选择。

典型地，功率放大器必须适应信号包络的变化而不使发射信号失真。发射信号的失真会导致不良效果，例如信号能量进入相邻通信信道的频谱扩散以及接收灵敏度的降低。为避免信号失真，功率放大器被设计成在整个动态范围内线性地放大发射信号。

传统功率放大器的工作特性决定了放大器效率随信号包络值单调增加。恒定信号包络调制，如频率调制(FM)，允许功率放大器设计成持续工作在峰值效率。然而，当发射信号包络值随时间变化时，总的放大器效率将显著地低于峰值效率。在电池供电的通信设备中，这种放大器效率的降低导致电池寿命的缩短。与信号包络恒定的信号放大器相比，为了开发和生产适应大的信号动态范围的放大器也相对昂贵。

现知的功率放大技术，例如Doherty，Supply Modulation和LINC(含非线性组件的线性放大)，设计成放大含变化信号包络的信号而不产生失真，并同时提供改进了的功率效率。然而，使用这些放大技术，当保持良好性能时适应大动态范围的信号是昂贵的。由此，对变化信号包络使用特殊调制方式，可以解决价格和性能引起的特定放大器设计的选择问题。

功耗的降低已成为无线通信设备设计越来越重要的方面。对发射信号提供有效功率放大的装置是降低功耗的关键组件。然而，一些使频谱效率最大的调制方式会有60dB甚至更大的幅度动态范围，这限制了使用高效放大技术的能力。非常需要有利于已调信号的高效放大同时避免与现有技术设备相关的问题。

发明内容

根据本发明，提供了一种改善数字已调信号的方法，包括步骤：将数字信息流映射到符号星图上以产生信道符号序列；以及处理信道符号序列提供得到改善的信号，该信号含避免信号包络幅度低于最低门限的信号包络，该处理步骤包括：确定信号包络的符号间隙最小值，该信号为经频谱整形滤波器处理的信道符号序列的表示信号；以及当特定符号间隙最小值低于最低门限时，通过插入调整脉冲调整信道符号序列第一个和第二个信道符号间表示信号的信号包络，增大该符号间隙最小值，产生改善的信号。

根据本发明，提供了一种数字发射机，包括：一提供数字信息信号的数字信息源；一耦合到数字信息源的信道符号映射器，可根据符号星图将数字信息信号映射成信道符号序列，由此产生已调信号；一耦合到信道符号映射器的信号调节器，用于确定关于表示符号序列的信号包络，符号间隙最小值，其中符号间隙最小值相应于序列中相继出现的两个符号转换期间信号包络的最小值，信号调节器用于调整信号包络以避免符号间隙最小值低于最低门限，由此生成改善的信号；其中信号调节器包括一种脉冲注入器，它在所选的序列信道符号之间信号包络的转换过程中，在已调信号中选择性地插入调整脉冲。

附图说明

图1是部分现有技术通信设备的方框图，能使用正交幅度调制(QAM)信号发射数字信息。

图2为描述脉冲整形，对基于QAM的数字已调信号滤波效果的图示由图1所示的现有技术设备处理。

图3为描述脉冲整形滤波器时域响应的图形。

图4是一种通信设备中数字线性发射机的方框图，根据本发明，该发射机包括一个脉冲符号注入器。

图5是根据本发明的操作脉冲符号注入器的过程流程图。

图6是根据本发明的带有和没有脉冲符号注入器时信号的轨迹比较图示。

具体实施方式

本发明提供对数字已调信号的改善，如增强数字发射机中放大机的性能。对于数字调制，数字信息流映射到一个符号星图(constellation)上产生一信道符号序列。该信道符号序列被处理以提供一种改善了的信号，该信号含避免信号包络幅度低于最小门限值的信号包络。优选地，符号间隙最小值决定于表示信道符号序列的信号包络。符号间隙最小值是序列中相继出现的两个符号转换期间信号包络的最小值。改善后的信号反映为避免符号间隙最小值低于最低门限而对信号包络所做的调整。在优选实施方式中，信号包络由在被选择的信道符号间插入调整符号或脉冲来修正。

参照图1，所示一种现有技术通信设备100，该设备包括提供数字已调信号线性发射的设备的常见组件。通信设备100包括一个数字信息源110，如声音编码器，它产生数字信息流115。信道符号映射器120被耦合到信息流115并提供数字调制。在所示例子中，一种线性调制方案如正交幅度调制(QAM)被采用。QAM信号方式同时使用载波信号的相位和幅度发射信息，并有较高的峰值对平均值功率比。信道符号映射器120输出包括信道符号序列125的已调信号，该已调信号被耦合到脉冲整形滤波器130。脉冲整形滤波器130提供带宽限制功能限制信号频谱。滤波器130输出经过滤波的数字信号135，该信号最终被耦合到放大器140。放大器140输出经过放大的信号145，该信号通过天线150发射出去。

图2示出现有技术通信设备100中脉冲整形滤波器效果的图形表示200。为了说明方便，假定采用π/4四相移相键控(QPSK)调制方式。由于本领域中公用，π/4 QPSK调制方示的符号星图可图示为表示相位和幅度的2维结构中一套符号。图框210是含值{0，1，6，7}的一个信道符号序列表示，该序列由信道符号映射器120产生，表示一个样本数字信息流。注意在这种调制方示中，连续符号的直线转换不经过原点，即，没有这样的转换，它的幅度和相位有零值点(0)。

象采用π/4 QPSK调制方式的典型设备一样，滤波器130是含预定义的滚降因数的升余弦滚降脉冲整形滤波器。图3是显示滤波器130时域响应的曲线图300。期望滤波器130的输出包括滤波器对多路信道符号的重叠响应。假定符号序列有一表示连续符号之间时间的符号周期Ts。脉冲整形滤波器输出的脉冲在符号周期Ts的倍数时通过零点，并且在Ts的倍数时复合信号的值将等于相应于该符号时间的信道符号。信号包络的最小值将出现在符号变换间。

图框220是一种信号包络或信号轨迹表示，该轨迹代表信道符号{0，1，6，7}由脉冲整形滤波器130处理后的序列。当脉冲整形滤波应用于信道符号序列以限制信号频谱时，一些符号变换能引起信号包络有一个很小的值。这主要是由于脉冲整形滤波器特有的阻尼振荡，它导致信号相位和幅度在符号变换中是多个符号的函数。因此，信道符号间的直接变换，由图210显示，由随机非线性变换代替，该变换产生极小的信号包络值。这种滤波效果随滤波器滚降因数或信号带宽的降低而增加。

在所示例子中，符号序列{0，1，6，7}的信号包络占据一条通路，该通路在从信道符号{1}到{6}的变换中经过原点附近。极小的信号包络值使高效线性放大技术如提供调制LINC的使用产生困难，并且，当接收机采用特定差分检测技术处理被传送信号时易造成解码错误。

为讨论方便，出现在一个信道符号与其相继信道符号间变换时期的信号包络部分，这里称为符号间隙。对于一特定符号间隙的符号间隙最小值定义为特定符号间隙内信号包络的最小值。这个最小值由该符号间隙内从原点到信号包络轨迹的最小距离确定。

根据本发明，已调信号被处理或改善，优选地基于对已调信号滤波的频谱整形滤波器的效果，以避免已调信号包络值低于特定的最低门限。这种信号改善有利于要求受限的信号动态范围的高效线性放大技术的使用。

图4是根据本发明的一数字通信设备发射机部分的方框图。就象现有技术设备100(图1)一样，设备400包括一个数字信息源110，一个信道符号映射器120，一个滤波器130，和一个天线150，含前面所述的所有功能。设备400还包括一个数字模拟转换器(DAC)420，被耦合到滤波器130的输出。一个射频(RF)混合器430被耦合在DAC 420的输出，一个高效线性放大器440，如LINC放大器，被耦合到RF混合器430的输出。放大器440的输出被耦合到天线150。

根据本发明，通信设备包括一个脉冲符号注入器410，优选地被插入信道符号映射器120和滤波器130间。脉冲符号注入器410扩大由信道符号映射器120生成的信道符号序列125，这是由于在某些信道符号间选择性地插入脉冲或脉冲符号产生改善后的符号序列，该序列包括信道符号和脉冲。这个改善后的符号序列415用作滤波器130的输入。在优选实施方式中，脉冲符号注入器410工作，选择性地在序列内，被选择的表示数字已调信号的序列125的信道符号之间插入调整或脉冲符号。优选地，调整脉冲部分地基于预期的频谱整形滤波器130的响应，该滤波器在优选实施方式中是升余弦滚降脉冲整形滤波器。

执行信号改善以抵消对已调信号的信号包络滤波的影响。能够证实，在信道符号变换期间信号包络部分的幅度可由在那之间插入调整脉冲修改。调整脉冲被选择来改变过渡信号包络而没有显著地，如果有，影响相邻信道符号。

假定数字线性调制信号方式使用2维RF信号格式，它能写成：

$s\left(t\right)=\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(x_k\cos \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)-y_k\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right))p(t-{\mathrm{kT}}_s)$

$=\mathrm{Re}\left[d\left(t\right)\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\right]$

其中d(t)是s(t)的混合包络，由

$d\left(t\right)=\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{k}p(t-k{T}_s);$

给出；其中d_k＝x_k+jy_s，p(t)是脉冲波形，Ts是符号持续时间，x_k和y_k分别是第k个信道符号d_k的同相(I)和正交(Q)项。s(t)中瞬时信号幅度P_s(t)可表示为：

$P_s\left(t\right)=\left|\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{k}p(t-{\mathrm{kT}}_s)\right|\≤\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left|d_k\right|p(t-{\mathrm{kT}}_s)$

其中，如果信道符号的相位使得每一项累计增加，不等号变成等号。求和只需包括在给定点对信号值有贡献的符号。求和包含的符号数目由脉冲整形滤波器响应中阻尼震荡的持续时间决定。

依靠在所选信道符号中包括一个或多个含小幅度和适当相位的调整脉冲，所选信道符号间的信号包络幅度受到影响，而所选信道符号的信号包络相对地保持不变。相应地，脉冲符号注入器410工作，插入调整脉冲，影响降至低于预选门限值的信号包络最小值，以使信号包络幅度增加。

图5是优选实施方式中脉冲符号注入器的过程流程图500。概括地，数字信息流首先映射到一个符号星图上产生一个信道符号序列，例如使用π/4 QPSK调制方式。接下来，对于一个表示信道符号序列的信号包络，该程序运行来确定相应于序列相继的信道符号间信号转换的符号间隙最小值。于是，经过改善的已调信号由至少在序列的一些信道符号间插入调整脉冲符号产生，以避免符号间隙最小值低于最低门限。

脉冲符号注入器确定特定符号间隙的符号间隙最小值Min_s，步骤510。优选地，符号间隙最小值相应于连续出现的两个信道符号间的特定转换。当Min_s小于特定的最低门限Min_d时，步骤515，调整脉冲符号的幅度和相位决定于脉冲整形滤波器或处理信道符号序列的其他频谱整形滤波器的预期响应，步骤520，530，540。优选地，生成调整脉冲符号的幅度(振幅)至少部分基于特定符号间隙最小值与最低门限的差，步骤520。在优选实施方式中，调整脉冲符号幅值M＝(Min_d-Min_s)。

调整脉冲符号的相位Ph_adj也被确定，步骤530。相位Ph_adj基于符号相位值Ph_s和信号相位旋转Ph_r，Ph_s由与特定符号间隙最小值相邻的信道符号确定，Ph_r相应于在特定信道符号和相继信道符号间转换时的信号包络。在优选实施方式中，相位Ph_adj由式Ph_adj＝Ph_s+Ph_r/2计算。优选地，幅度M相位Ph_adj的调整脉冲符号被插入相邻信道符号的中间位置，步骤540。

在一个特定信道符号序列中，所有符号间隙最小值低于最低门限的符号间隙都检测出来，调整脉冲符号被插入适当的地方。选择调整脉冲符号使其对原始信道符号的影响最小。可执行附加的处理，如归一化改善后的信号使保持预调信号的平均功率，步骤550。整个过程反复地重复执行，直到不再有符号间隙最小值低于最低门限为止。这个过程的结果是在原点附近产生一个“洞”，即信号包络在原点及其附近不存在交点。

优选实施方式的脉冲符号注入器应用的算法可概述如下：

1.确定Min_s，在第i个符号间隙，即第i和i+1个符号之间。

2.如果Min_s小于Min_d，那么：

(a)设置脉冲符号幅度M＝(Min_d-Min_s)。

(b)确定第i个时间间隔的信号相位旋转phr。

(c)确定第i个符号的相位Ph_s。

(d)设置调整相位Ph_adj＝Ph_s+Ph_r/2。

(e)在第i和i+1个符号间插入一个幅度为M，相位为Ph_adj的脉冲符号。

3.对所有符号间隙重复步骤1和2。

上述过程的功能在数字信号处理器中可由算法实现，如与一个查找表相连，其对硬件设计，调制系统设计等影响极小。而且，对信号传输带宽等性能参数的不利影响可忽略。

图6是根据本发明采用脉冲符号注入器时，经过脉冲整形滤波后信号包络变换的方框表示600。图610示出当不用脉冲符号注入器时，通过符号序列{0，1，6，7}转换的脉冲整形滤波后的信号包络。图620示出当使用脉冲符号注入器时，通过相同符号序列{0，1，6，7}转换的脉冲整形滤波后的信号包络。从图610可以看出，当在符号间隙{1，6}间转换时，信号包络通过离原点很近的地方。由此，信号包络的最小值，即符号间隙最小值，对于符号间隙{1，6}接近于零。

根据本发明，脉冲符号注入器插入一个或多个调整脉冲符号625来补充序列的信道符号，以避免符号间隙最小值有低于特定最低门限的值。在优选实施方式中，当符号间隙最小值低于最低门限时，调整脉冲符号被插入被调整的特定的符号间隙最小值旁边的两个信道符号之间。调整脉冲符号基于滤波器的响应。所讨论的例子中，一个调整脉冲符号被插入信道符号{1}和{6}之间，该符号含不影响这些信道符号的幅度和相位。因此，当信号包络在两个符号{1，6}之间转换时，合成的信号包络经过调整脉冲符号，而不经过原点或其附近，由此避开原点至少最低门限的量。

本发明提供一种消除经过滤波的数字已调信号极小信号包络值的技术，这是由调整信道符号特性来实现的，优选地在使用频谱整形滤波器之前。在优选实施方式中，在相邻信道符号中插入补充脉冲来修改信道符号。尽管讨论以π/4 QPSK调制方式为例，这里讲述的概念同样适用于其他数字线性调制方式，并且不限于任何特定形式的频谱整形滤波器。考虑本概念可用于多信道或使用多个信道发射信息的调制方式。在这样一个系统中，组合信号包络会在符号时间或其附近经历最小值，脉冲插入算法将相应被修改以分配和调整这些最小值。

极小的信号包络最小值的消除有很大益处。如，原点周围信号包络“洞”的形成，有利于LINC功率放大器技术的使用。这个洞消除了对极其准确的相位分辨率的要求，并降低了LINC放大器中对带宽的要求。另一个有益的例子是，在接收机中处理根据本发明的生成信号方便了信号解码。有时用在接收机中的差分相位检测器对噪声很敏感，当噪声推动符号转换到原点的另一侧时就会导致错误，将信号包络移离原点，这种类型错误的可能性减小了。

Claims (5)

1.一种改善数字已调信号的方法，包括步骤：

将数字信息流映射到符号星图上以产生信道符号序列；以及

处理信道符号序列提供得到改善的信号，该信号含避免信号包络幅度低于最低门限的信号包络，该处理步骤包括：

确定信号包络的符号间隙最小值，该信号为经频谱整形滤波器处理的信道符号序列的表示信号；以及

当特定符号间隙最小值低于最低门限时，通过插入调整脉冲调整信道符号序列第一个和第二个信道符号间表示信号的信号包络，增大该符号间隙最小值，产生改善的信号。

2.权利要求1的方法，其中调整脉冲的幅度至少部分基于特定符号间隙最小值与最低门限的差，调整脉冲的相位调整至少部分基于第一和第二个信道符号之间过渡时信号包络的信号相位旋转，并基于第一个信道符号的符号相位。

3.权利要求2的方法，其中第一和第二个信道符号在序列中相继出现。

4.一种数字发射机，包括：

一提供数字信息信号的数字信息源；

一耦合到数字信息源的信道符号映射器，可根据符号星图将数字信息信号映射成信道符号序列，由此产生已调信号；

一耦合到信道符号映射器的信号调节器，用于确定关于表示符号序列的信号包络，符号间隙最小值，其中符号间隙最小值相应于序列中相继出现的两个符号转换期间信号包络的最小值，信号调节器用于调整信号包络以避免符号间隙最小值低于最低门限，由此生成改善的信号；

其中信号调节器包括一种脉冲注入器，它在所选的序列信道符号之间信号包络的转换过程中，在已调信号中选择性地插入调整脉冲。

5.权利要求4的发射机，还包括一个频谱整形滤波器，该滤波器连接到脉冲注入器并响应改善的信号生成经过滤波的已调信号。

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