CN1235423C - 用于限幅宽带无线电信号的方法及其相应的发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于限幅宽带无线电信号的方法及其相应的发射机。本发明特别是涉及在提交宽带信号给功率放大器之前，为了消除信号溢出，用于限幅具有幅度高于预先确定的阈值的宽带信号的方法。按照本发明，该方法包括步骤：i.从宽带信号中减去与所述宽带信号同相的滤波脉冲，每个过滤的脉冲对应于一个溢出，每个过滤的脉冲的幅度依赖于对应的溢出的幅度，以及依赖于预先确定的阈值。ii对所述宽带信号至少重复两次连续的步骤i的迭代。

Description

用于限幅宽带无线电信号的方法及其相应的发射机
技术领域
本发明涉及通过无线电接口的宽带信号传输。
背景技术
通常，无线电通信网的发送链路包括一个功率放大器以便在通过无线电接口发射之前放大信号。
一方面，峰值与平均值之比(PAR)是提交给功率放大器的信号的一个重要的特征。峰值与平均值之比的定义是信号的最高的幅度和信号的平均幅度之间的比值。由多个使用扩频技术(例如CDMA信号)用户发射的信息叠加而成的宽带信号呈现具有严格的频谱掩码的邻近高斯频率分布，并且宽的动态包络调制导致高的峰值与平均值之比(PAR大约10dB)。
另一方面，功率放大器通常是以它的作为在放大器输出的信号功率和功率放大器的总功率消耗之间的比值限定的效率为特征的。
具有高的峰值与平均值之比的信号导致功率放大器的低效率。对于一个具有PAR大约为10dB的CDMA信号的标准应允的放大，同数量级的放大器链的过尺寸是必要的(通称为大约10dB的功率放大器补偿)。按照必要的能源供应或者适当的冷却装置，在无线电通信网(尤其是在基站)的发射机这样一个过尺寸造成大的损失。尽管如此未达到功率放大器特性的非线性的领域，这个过度尺寸是必需的。如果这发生，由于调制失真，信号中的峰值(在下文中称作溢出)使功率放大器饱和，在接收机引起高误码率。
对这个问题的一种公知的对策是限幅技术。它在于从信号中消除具有幅度高于按照功率放大器的特征确定的阈值幅度的溢出。这通常是通过使信号在这个幅度阈值饱和而获得的。阈值的选择是在功率放大器效率、传输信号的质量和接收机灵敏度之间的折衷。当然，该阈值设置的越低，从信号中除去的包含在溢出中的信息越多，以及接收机将恢复的因为限幅已经消除的信息越有效。
通常的限幅技术必须面对非线性滤波问题。一方面，在阈值使信号饱和产生宽带噪音不与按照频谱掩码设置给信号的必要条件兼容。甚至，通常的限幅技术导致信号频谱扩展超过允许的频谱掩码，造成在邻频信道中的干扰。另一方面当施行滤波以消除在允许的频谱掩码之外的噪音时，滤波的固有存储效应再产生高于期望的阈值的信号溢出。
当功率放大器共用于多个相邻的宽带载波以优化发射机的成本和尺寸时，这些缺点甚至很难去克服。在这种情况下，提供给放大器的信号是多个频率多路复用信号的总和。即使每个独立的信号已经通过通常公知的方法限幅，该信号倾向于再次具有Raleigh频率分布。Raleigh频率分步示出按照作为高斯分布溢出相同的缺点。
此外，一个可接受的功率放大器效率是仅仅以巨大的处理能力的代价提供，而不与通常的计算能力兼容。
发明内容
本发明的目的是以适当的处理能力提供一种按照限幅信号的频谱范围满足需要的限幅方法。
本发明的另一个目的是提供一种执行这个方法的发射机。
这些目的及其他在下面出现的目的，通过按照以下用于限幅宽带信号的方法和发射机实现。
一种限幅宽带信号(ISE)的方法，在提交所述宽带信号给功率放大器之前，用所述方法消除幅度高于预先确定阀值(THR)的信号溢出(OV1...OV7)，其特征在于，所述方法包括如下步骤：i从所述宽带信号中减去与所述宽带信号(ISE)同相的滤波脉冲(FPTE)，所述滤波脉冲的每一个对应于所述溢出的一个，所述滤波器脉冲每一个的幅度依赖于所述对应的溢出的幅度，以及依赖于所述预先确定的阀值(THR)；ii对所述宽带信号重复至少两次步骤i；在具有预先确定持续时间的时间窗口中选择预先确定数目的信号溢出；产生与所述信号同相的数字脉冲序列，当所述信号幅度高于预定幅度阀值时，每个数字脉冲的幅度等于所述信号溢出的幅度与所述预先确定的幅度阀值的差；由低通滤波器滤除所述脉冲序列；以及从所述宽带信号中减去所述过滤的脉冲序列。
一种在无线电接口上发射宽带信号的发射机，所述发射机包括信号合成模块，为消除高于预先确定的阀值信号溢出的限幅模块，以及功率放大器，所述发射机其特征在于，所述限幅模块包括：脉冲发生器，用来产生与所述宽带信号同相的滤波脉冲，所述滤波脉冲的每一个对应于所述溢出的一个，所述滤波脉冲每一个的幅度依赖于所述对应的溢出的幅度；减法器，用于从所述宽带信号中减去所述滤波脉冲；以及回路，用于通过所述限幅模块至少重复两次所述宽带信号的处理。
按照本发明的方法具有提供一个有效限幅方法的优点，尤其是当功率放大器共用于几个相邻的宽带载波时。为了逐渐地抑制信号从最大到最小的溢出，在该信号上连续迭代使用该限幅方法。这些实施例具有进一步降低为适当地限幅该信号所必需的处理功率和将有用信号的失真减到最少的优点。
这个方法的另一个优点是优化用于限幅信号的频谱纯度。因此，因为降低了相邻信道干扰，它增加了系统容量。
这个方法的另一个优点是与在该领域公知的限幅方法相比较，对于相同的功率消耗，提高了功率放大器输出功率或者同时的用户数目。从另一个角度来看，由于比在该领域公知的限幅方法获得更高的功率放大器效率，每个发射的瓦特的成本降低了。
在另一个优选实施例中，被限幅的信号以预先确定的高取样因子重复取样，以便更精确地跟踪信号的溢出。
本发明的更多的有益的特点在从属权利要求中限定。
附图说明
通过阅读非限制性的说明以及从伴随的附图给定的下面优选实施的说明将显现本发明的其他特性和优点，其中：
图1示出按照本发明的限幅模块的一个实施例；
图2示出按照本发明的发射机的一个实施例；
图3示出用于按照本发明的限幅方法的可能的实施流程图；
图4示出一个按照本发明的限幅方法施加于信号上的例子；
图5示出由按照本发明限幅的相邻的载波组成的多载波信号的功率频谱。
具体实施方式
按照本发明，提出的限幅模块消除信号溢出高于预先确定的阈值，即它产生与被限幅的信号同相的滤波脉冲，每个滤波脉冲对应于一个溢出，每个滤波脉冲的幅度是依赖于所述相应的溢出的幅度。
图1示出按照本发明的限幅模块的一个实施例。限幅模块10包括一个信号包络检波器11、一个溢出检测器12、一个溢出选择器13、一个脉冲序列发生器14、一个低通滤波器15和一个减法器16。限幅模块接收基带信号作为输入，该基带信号由同相部分输入I和正交部分输入Q组成。最好是，该基带信号以数字形式表示，以便限幅模块10执行数字处理。
信号的同相输入I和正交输入Q部分连接到信号包络检测器11，它确定该信号的包络(即，通过在复数空间中确定具有作为实部的同相值和作为复数部分的正交值矢量的模块)。
该信号包络被提交给溢出检测器12，它比较信号包络的幅度和预先确定的阈值CLIP。溢出检测器12确定不同的溢出幅度和位置。最好是，溢出检测器12按照一个预先确定的函数规范溢出的幅度。这个函数在于溢出幅度和除以溢出幅度的阈值CLIP之间的差值。
峰值选择器13选择应该考虑进一步处理的溢出。一个可允许的选择标准是在预先确定持续时间的时间窗口中被留作进一步处理的溢出的数目N。然后选择在时间窗口中最高的N溢出。另外一个选择标准是在两个连续溢出之间的距离。这个距离应该比预先确定的距离更高。可以设想其他的溢出选择标准。
有关在时间窗口中选择的溢出幅度和位置的信息被提交给脉冲序列发生器14，它产生一个与输入信号输入I、输入Q同相的脉冲序列。当由溢出选择器13已经选择没有相应的溢出时，最好脉冲序列的幅度等于零，当由溢出选择器13已经选择了一个溢出时，脉冲序列的幅度等于在溢出幅度和阈值之间的差值。
脉冲序列发生器14检测基带信号输入I、输入Q的相位，并且产生一个具有该相同相位的脉冲序列。为了说明的目的，该脉冲序列由两个部分组成，同相部分FPT I和正交部分FPT Q，FPT I是通过由溢出选择器13给定的每个样品乘输入信号的实部输入I而获得的，FPT Q是通过由溢出检测器13给定的每个样品乘输入信号的复数部分输入Q而获得的。
该脉冲序列的两个部分然后由低通滤波器15滤波。最好，低通滤波器是一个以其长度为特征的均方根升余弦(RRC)数字滤波器。RRC滤波器的系数最好存储在未在图1中表示的存储器中。如本领域的技术人员所公知，RRC滤波器的系数可以以不同的方式选择，而不限制于本发明的范围内。在CDMA信号中对溢出的统计分析允许在滤波器实施中的最佳化。
在减法器16中滤波脉冲序列的同相部分FPT I从输入信号的同相部分输入I中减去，其正交部分FPT Q从其正交部分输入Q中减去。最好，在用于减法器16之前，为了考虑需要产生滤波脉冲序列FPT I、FPT Q以及固有滤波器组延迟的处理时间，输入信号的两个部分输入I、输入Q提交给数字式延迟17。减法器16的输出表示限幅的信号输出I、输出Q。
与通常公知的限幅方法相反的是使溢出在阈值饱和，按照本发明的方法在于从滤波的脉冲输入信号中减去在相位和幅度上预调谐的脉冲，它尽可能精确地模仿选择的溢出以除去。按照本发明的方法比通常的限幅方法更多地考虑输入信号的频谱掩码。
为了逐渐地施行限幅，从而降低限幅模块的复杂度，本发明的一个优选实施例在于级联几个限幅级10。
图2示出按照本发明的发射机的一个实施例，其中级联有几个限幅级。发射机20包括一个信号合成模块21、一个第一限幅级101、一个第二限幅级102、一个通常限幅模块22和一个功率放大器23。
信号合成模块21相应于被发射的信息构成数字信号流。在这个模块中，对那些本领域技术人员来说公知的纠错码、调制、多用户叠加以及其他的通常的信号处理以数字形式被执行。信号流最好是具有预先确定码片速率的CDMA载波，并且代表使用不同的正交扩展序列的几个用户的叠加。
信号流也可以是至少两个相邻的CDMA载波的叠加。当在一个基站中放大链共用于相邻的CDMA载波时，后者的例子尤其是正确的。
在本发明的一个优选实施例中，信号合成模块也包括一个重复取样模块，去以比信号的码片速率更高的速率重复取样(例如重复取样速率＝32*码片速率)数字信号流。在信号溢出的情况下，这具有更准确地跟踪信号幅度的突然变化的优势。
按照本发明，在信号合成模块21的输出端的重复取样信号被提交给第一限幅级101，执行第一限幅迭代。按照本发明，限幅信号被提交给第二限幅级102，执行第二限幅迭代。第一限幅步骤用于除去第一组溢出(例如，最高的N个)，同时第二限幅步骤用于除去剩余的部分。对于那些对本领域技术人员来说很清楚，连续的限幅级的数目不局限于两个。任意数目的连续的限幅级可以级联，而不限制本发明的范围。
在本发明的一个优选实施例中，在第二限幅级102的输出端的限幅信号在进入功率放大器23之前被提交给硬(hard)限幅级22以除去剩余的次要溢出。硬限幅级22使用一种在本领域公知的通常的限幅方法，例如使在第二限幅级102的输出端的信号在阈值限幅饱和。由于大多数的溢出通过在两个限幅级101和102减去滤波脉冲序列已经被除去，在剩余的溢出的幅度和阈值之间的差值变为很小。
图3示出用于按照本发明的限幅方法的可能的实施流程图。
一种推荐的按照本发明的限幅方法的实施包括顺序的步骤31到36。
步骤31在于确定基带信号包络。
步骤32在于检测具有幅度高于预先确定阈值的信号包络溢出的位置和幅度。
步骤33在于选择每一时间窗口预先确定的数目的溢出。
步骤34在于仅通过考虑溢出的位置、相位和幅度产生一个与基带信号同相的脉冲序列。
步骤35在于以低通滤波器滤波该脉冲序列。中心滤波的中心系数等于一，使得在对应于溢出位置的滤波脉冲序列的幅度等于信号溢出的幅度和预先确定的阈值之间的差值。
步骤36在于从信号中减去该滤波脉冲序列。为了保持信号和滤波脉冲序列的同步，最好，信号应该通过一个等于要求产生滤波脉冲序列的处理时间的延迟来延迟。
在本发明的一个优选实施例中，步骤31到36重复预先确定的次数。
图4示出一个按照本发明的限幅方法施加于信号上的例子。
曲线图的横座标x代表时间，更确切地说是在时间窗口中信号的样本数，曲线图的纵座标y代表信号包络的幅度。
在该曲线图上表示有输入信号包络ISE、阈值THR、脉冲序列PT、滤波脉冲序列包络FPTE以及限幅信号包络CSE。
输入信号包络溢出OV1...OV7对应于具有幅度高于阈值TRH的输入信号包络ISE的峰值。
脉冲序列PT是从输入信号包络ISE中推导出的，即脉冲是与溢出的最大值点相关的。脉冲序列的所有其他的值设置为零。在该脉冲序列中的一个脉冲的幅度等于溢出幅度和阈值之间的差值。因为数字处理，最好该脉冲是狄拉克脉冲。在本发明的框架中可以设想其他的脉冲形式。滤波脉冲序列包络FPTE是通过由具有一个中心系数的低通滤波器滤波脉冲序列PT而获得的。限幅信号包络CSE是通过从输入信号包络ISE中减去滤波脉冲序列包络FPTE而获得的。
图5示出由按照本发明限幅的相邻的载波组成的多载波信号的功率频谱。信号频谱SpectSig代表合成该信号(横座标x)的频率范围和这个频率的幅度(纵座标y)。频谱掩码SpectMask代表通常由无线电通信标准化主体设置的必要条件，信号频谱应该满足应允的标准。
按照本发明的限幅方法，在超出允许频带的频率范围中的信号幅度低于频谱掩码需要，并且作为应允的标准。这在将相邻信道干扰减到最少方面占优势，并且因此提高无线电通信系统的容量。

Claims (8)

1.一种限幅宽带信号(ISE)的方法，在提交所述宽带信号给功率放大器之前，用所述方法消除幅度高于预先确定阀值(THR)的信号溢出(OV1...OV7)，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
i从所述宽带信号中减去与所述宽带信号(ISE)同相的滤波脉冲(FPTE)，所述滤波脉冲的每一个对应于所述溢出的一个，所述滤波器脉冲每一个的幅度依赖于所述对应的溢出的幅度，以及依赖于所述预先确定的阀值(THR)；
ii对所述宽带信号重复至少两次步骤i；
在具有预先确定持续时间的时间窗口中选择预先确定数目的信号溢出；
产生与所述信号同相的数字脉冲序列，当所述信号幅度高于预定幅度阀值时，每个数字脉冲的幅度等于所述信号溢出的幅度与所述预先确定的幅度阀值的差；
由低通滤波器滤除所述脉冲序列；以及
从所述宽带信号中减去所述过滤的脉冲序列。
2.按照权利要求1所述的限幅宽带信号的方法，其特征在于，还包括以预先确定的重复取样比率重复取样所述宽带信号的步骤，所述脉冲序列是以所述重复取样比率而产生的。
3.按照权利要求1所述的限幅宽带信号的方法，其特征在于，在上述所有步骤完成之后，还包括硬限幅步骤。
4.按照权利要求1所述的限幅宽带信号的方法，其特征在于，所述宽带信号是CDMA信号。
5.按照权利要求1所述的限幅宽带信号的方法，其特征在于，所述宽带信号是通过在相邻的载波上叠加多个CDMA信号而组成的多载波信号。
6.一种在无线电接口上发射宽带信号的发射机，所述发射机包括信号合成模块，为消除高于预先确定的阀值信号溢出的限幅模块，以及功率放大器，所述发射机其特征在于，所述限幅模块包括：
脉冲发生器，用来产生与所述宽带信号同相的滤波脉冲，所述滤波脉冲的每一个对应于所述溢出的一个，所述滤波脉冲每一个的幅度依赖于所述对应的溢出的幅度；
减法器，用于从所述宽带信号中减去所述滤波脉冲；以及
回路，用于通过所述限幅模块至少重复两次所述宽带信号的处理。
7.按照权利要求6所述的发射机，其特征在于，所述限幅模块在数字信号处理器或者现场可编程门阵列上实现。
8.按照权利要求6所述的发射机，其特征在于，所述发射机用于CDMA无线电通信的基站中。
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