CN1248096A - 信号峰值限制装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种限制信号峰值的方法和装置。这一装置和方法根据削波阈值电压隔离输入信号的峰值,生成代表峰值隔离信号的局部极值的极值信号。根据适当的脉冲滤波响应对极值信号滤波而生成滤波器信号,并将滤波器信号和延迟预定时段的输入信号相加以生成一个脉冲削波信号。这一脉冲削波信号具有减小的P/A比,并且没有显著的带外频谱异常信号。

Description

信号峰值限制装置和方法
本发明涉及限制信号峰值的装置和方法，特别是涉及可减小输入信号的峰值对平均值(P/A)的比而又不生成显著的带外发射的装置和方法。
功率放大器具有非线性特性。功率放大器的成本由其线性区的的大小决定。通常的功率放大器的非线性特性引起带外频谱异常信号，即频谱畸变，邻带干扰，频谱扩展等等。通过减小输入到功率放大器的信号峰值，可减小输入信号的P/A比而使放大器可以输出大平均功率。
硬削波过程是减小输入信号P/A比常用的方法中的一种。硬削波过程的效果是在输入信号上加上一个类噪声信号而生成硬削波信号。硬削波信号的的算法如下：
IfVin≥Vclip，thenVout＝Vclip，or
IfVin≤-Vclip，thenVout＝-Vclip，
elseVout＝Vin
其中Vin代表输入信号，Vclip代表削波阈值信号，而Vout代表硬削波信号。
硬削波信号具有陡沿和锐峰。硬削波过程的突变本性和削波边缘的短暂持续时间会生成显著的带外频谱异常信号，如频谱畸变，邻带干扰，频谱扩展等等。例如，当具有示于图1的频谱的输入信号的峰值受到通常的硬削波过程的限制时，在频域中的效果是将图2A所示的类噪声信号加到图1的输入信号频谱上。硬削波过程的最后结果的频谱就如图2B所示。尽管输入信号的频率响应在大约0.3频率单位以外很低，硬削波信号的频谱在大约0.3频率单位以外比输入信号的高很多。因此，硬削波过程在降低输入信号的P/A比上一般不理想。
在美国专利No.5,287,387中讨论的窗口削波过程是另外一种降低信号P/A比的通常方法。在窗口削波过程中衰减窗口信号与输入信号相乘而生成一个衰减信号。与输入信号峰值区域相对应的衰减窗口信号的部分具有的值小于1，而所有其余部分具有的值等于1。所以，当衰减窗口信号与输入信号相乘时，输入信号的峰值区减小，而所有其余区保持不变。然而，将时域中的信号相乘等效于将输入信号的频谱与频域中的窗口频谱卷集。其结果是产生更宽的频谱，即频谱扩展。窗口削波过程引入不希望的频谱扩展，而试图减小输入信号的邻带干扰和P/A比就不能充分地处理通常的削波过程的问题。
本发明旨在提出一种改进的限制输入信号峰值的方法和装置。这一方法和装置根据削波阈值电压隔离输入信号的峰值，生成代表峰值隔离信号的局部极值的极值信号，对极值信号滤波而生成滤波器信号，并将滤波器信号和延迟了预定时段的输入信号相加以生成一个脉冲削波信号。这一脉冲削波信号具有减小的P/A比，并且没有显著的带外频谱异常信号。
本发明可通过下面给出的详细描述和附图而得到完全理解，但其中的描述和附图都仅仅是示例性质，其中的标号代表各附图中的相应的部件，附图中：
图1示出示例性输入信号的频谱；
图2A示出根据通常的硬削波过程的示例性的类噪声信号的频谱；
图2B示出根据通常的硬削波过程将图1和图2A的频谱相加而得出的硬削波信号的频谱；
图3示出根据本发明的一个实施例的示例性的输入信号峰值限制装置的框图；
图4A-4E示出在图3所示装置的各不同级生成的信号的示例；
图5示出图3所示的装置的峰值隔离单元的示例性逻辑电路；
图6示出图3所示的装置的局部极值隔离单元的示例性逻辑电路；
图7A示出图3所示的装置的滤波器的示例性结构；
图7B示出图3所示的装置的滤波器单元的示例性逻辑电路；
图8示出图3所示的装置的硬限幅单元的示例性逻辑电路；
图9示出比较通常技术的硬削波信号和根据本发明的脉冲削波信号的示例性曲线；
图10示出比较通常硬削波过程的类噪声信号和本发明的峰值消除信号的示例性曲线；
图11示出根据本发明的峰值消除信号的频谱；
图12示出根据本发明的脉冲削波信号的频谱。
下面的详细描述涉及利用根据本发明的脉冲削波过程的输入信号峰值限制装置和方法。
图3示出根据本发明的信号峰值限制装置的框图。如图3所示，装置100包括用于生成削波阈值信号VCL的削波阈值发生器10，用于接受输入信号S(t)并根据削波阈值信号VCL生成输入信号S(t)的峰值信号P(t)的峰值隔离单元20，用于接受峰值信号P(t)并根据峰值信号P(t)生成极值信号E(t)的的局部极值隔离单元30，用于对根据滤波器40的适当的脉冲响应对极值信号E(t)滤波并生成峰值消除信号F(t)的滤波器40，用于将输入信号S(t)延迟一个预定时段的延迟单元50，以及用于使延迟的输入信号S(t)与峰值消除信号F(t)结合并生成具有减小的P/A比和改进的频谱响应的脉冲削波信号I(t)的加法器60。
削波阈值发生器10，峰值隔离单元20，局部极值隔离单元30，滤波器40，延迟单元50及加法器60组成本发明的一个单个脉冲削波级。通过将多个单个脉冲削波级1，1’，1”…相加可提供任选的脉冲削波多级装置。另外，也可以在装置100中提供任选的硬限幅单元70用来根据阈值信号硬限幅脉冲削波信号I(t)以防止在脉冲削波信号I(t)中形成小峰值。在脉冲削波信号I(t)中这些小峰值很少见，但是如果出现，硬限幅单元70就可以很容易地将其消除。另外一个削波阈值发生器80可为硬限幅单元70提供阈值信号。
图4A-4E示出从图3示出的装置100的部件输出的不同信号的示例。峰值隔离单元20接受输入信号S(t)，其一例示于图4A。根据一定的削波阈值信号VCL，峰值隔离单元20隔离输入信号S(t)的峰值以生成峰值信号P(t)，其一例示于图4B。局部极值隔离单元30接受峰值信号P(t)并且还隔离峰值信号P(t)的局部极值以生成极值信号E(t)。极值信号E(t)类似脉冲信号，极值信号E(t)的一个示例示于图4C。滤波器40从局部极值隔离单元30接受极值信号E(t)并对其滤波以生成峰值消除信号F(t)，其一例示于图4D。加法器60从延迟的输入信号S(t)减去峰值消除信号F(t)以生成脉冲削波信号I(t)，其一例示于图4E。
峰值信号P(t)定义为：
0若-削波阈值≤S(t)≤削波阈值
P(t)＝(S(t)-削波阈值)若S(t)＞削波阈值
(S(t)+削波阈值)若S(t)＜-削波阈值。
极值信号E(t)定义为：
E(t)＝δ(t-τpeak)xP(t)若|P(t-τpeak-Δ)|和|P(t-τpeak+Δ)|两者都≤|P(t-τpeak)|
其中τpeak为局部极值出现的时间，而Δ代表一定的时间单位。
峰值消除信号F(t)的定义为：
F(t)＝G(t)*E(t)
其中G(t)代表滤波器40的脉冲响应，而“*”代表由滤波器40执行的卷积运算。
最后，脉冲削波信号I(t)定义为：
I(t)＝S(t)-F(t)。
下面参考图5-8对图3示出的装置100的部件进行详细描述。应当理解，这些附图仅仅是用来说明这些部件，并且也可以采用技术中公知的其他结构和配置来完成同样的动作。
图3的削波阈值发生器10生成削波阈值信号VCL。削波阈值信号VCL为一定的电压值，在该值时输入信号S(t)被削波。此值可以是存储于削波阈值发生器10中的固定值，或是由削波阈值发生器10或其他外部装置控制的可编程参数。削波阈值发生器10可由CPU或其他处理器控制而使削波阈值信号VCL根据预定条件而变化，这些条件，比如，可以是系统负载或系统运行情况，
具体体现削波阈值的削波阈值信号VCL是输出到峰值隔离单元20。图5示出图3的峰值隔离单元20的逻辑电路的一个示例。如图5所示，峰值隔离单元20包含多个加法器21和22，比较器23及乘法器24。第一个加法器21将削波阈值信号VCL与输入信号S(t)相加并将相加的结果输出到乘法器24的“1”输入端口。第二个加法器22从输入信号S(t)减去削波阈值信号VCL并将结果输出到乘法器24的“2”输入端口。乘法器24包含“2”输入端口，“1”输入端口和接地的“0”输入端口。
峰值隔离单元20的比较器23接受削波阈值信号VCL及输入信号S(t)分别作为THRESHOLD和IN输入。比较器23将IN和THRESHOLD互相比较。如IN＞THRESHOLD，则比较器23生成一个选择信号用来选择乘法器24的“2”输入端口。如IN＜-THRESHOLD，则比较器23生成一个选择信号用来选择乘法器24的“1”输入端口。否则比较器23生成一个选择信号用来选择乘法器24的“0”输入端口。乘法器24根据比较器23发出的选择信号输出来自“2”、“1”和“0”输入端口的信号中的一个以生成峰值信号P(t)。
峰值信号P(t)输入到图3的局部极值隔离单元30。图6示出局部极值隔离单元30的一个示例性逻辑电路。如图6所示，局部极值隔离单元30包含多个延迟元件31和32，多个与延迟元件31和32耦合的比较器33a-33c及34a-34c，多个与比较器33a-33c及34a-34c耦合的“与”门35和36，与“与”门35和36耦合的“或”门37，以及与第一延迟元件31和“或”门37耦合的乘法器38。
第一延迟元件31将输入到局部极值隔离单元30的峰值信号P(t)延迟一预定的时间。第二延迟元件32再将经第一延迟元件31延迟的信号延迟一个预定的时间。比较器33a接受第一延迟元件31的输出和峰值信号P(t)，判断第一延迟元件31的输出是否大于或等于峰值信号P(t)，并且在判断为“是”时生成高电平信号，在判断为“否”时生成低电平信号。第二比较器33b比较第一和第二延迟元件31和32的输出。如第一延迟元件31的输出大于或等于第二延迟元件32的输出，则第二比较器33b生成高电平信号。否则第二比较器33b生成低电平信号送往“与”门35。第三比较器33c判断第一延迟元件31的输出是否大于零，并且在判断为“是”时生成高电平信号，在判断为“否”时生成低电平信号。第一“与”门35对第一、第二和第三比较器33a-33c的输出进行“与”运算，并生成输出到“或”门37的输出信号。比较器33a-33c处理峰值信号P(t)的正值取样，而比较器34a-34c处理峰值信号P(t)的负值取样。
第四比较器34a判断第一延迟元件31的输出是否小于或等于峰值信号P(t)，并且在判断为“是”时生成高电平信号，在判断为“否”时生成低电平信号。第五比较器34b判断第一延迟元件31的输出是否小于或等于第二延迟元件32的输出，并且在判断为“是”时生成高电平信号，在判断为“否”时生成低电平信号。第六比较器34c判断峰值信号P(t)输出值是否为负，并且在判断为“是”时生成高电平信号，在判断为“否”时生成低电平信号。第四、第五和第六比较器34a-34c的输出输出到第二“与”门36。第一和第二“与”门35和36的输出由“或”门37接受，并且“或”门37根据“或”门的逻辑生成高电平信号或低电平信号。如“或”门37生成高电平信号送往乘法器38，则乘法器38选择第一延迟元件31的输出作为其输出。如“或”门37生成低电平信号送往乘法器38，则乘法器38选择低电压作为其输出。因此，局部极值隔离单元30隔离峰值信号P(t)的局部极值以生成极值信号E(t)。
图3的滤波器40通过具有预定脉冲响应的滤波器对局部极值隔离单元30的极值信号E(t)卷集(滤波)。图7A示出滤波器40的一个示例。如图7A所示，滤波器40包含一个具有一定特性的有限脉冲响应(FIR)滤波器41。有限脉冲响应滤波器单元41可提供脉冲响应，如包含Kaiser(凯塞)窗口、Hamming(汉明)窗口、Hanning(汉宁)窗口或任何其他具有所需的低通滤波器的频谱特性的脉冲响应的窗口函数。
图7B示出图7A的有限脉冲响应(FIR)滤波器单元41的示例性逻辑电路。如图7B所示，有限脉冲响应滤波器单元41包含多个互相串联的延迟元件42a-42f，多个与延迟元件42a-42f连接的乘法器44a-44g，以及一个与多个乘法器44a-44g连接的加法器46。此处延迟元件42a-42f最好是将其输入信号延迟同样的时间。乘法器44a-44g将极值信号E(t)及延迟元件42a-42f的输出与相应的滤波器系数g0-g6相乘。
第一乘法器44a将输入到有限脉冲响应滤波器单元41的极值信号E(t)与第一滤波器系数g0相乘。第一延迟元件42a使极值信号E(t)延迟一个预定时段，并且将经过延迟的极值信号E(t)输出到第二延迟元件42b和第二乘法器44b。第二乘法器44b将经过延迟的极值信号E(t)与第二滤波器系数g1相乘。与此类似，第二、第三、第四、第五和第六延迟元件42b-42f也分别使极值信号E(t)延迟一个预定时段，并且将经过延迟的极值信号E(t)输出到第三、第四、第五、第六和第七延迟元件42c-g。尽管已经示出和描述的是6个延迟元件和7个乘法器，但有限脉冲响应滤波器单元41可包含任意数量的延迟元件和乘法器以提供所需的滤波器特性。
乘法器44a-44g的输出由加法器46相加并由加法器46将相加结果作为峰值消除信号F(t)输出。
图3中的延迟单元50使输入信号S(t)延迟一个预定时段以补偿峰值隔离单元20、局部极值隔离单元30和滤波器40的处理延迟。延迟单元50可由多个移位寄存器构成，或为数字存储，数据可在预定时段之后读出。延迟单元50可采用CCD(电荷耦合器件)延迟、RC延迟或其他技术中公知的延迟。
图3的加法器60使经过延迟单元50廷迟的输入信号S(t)和由滤波器40生成的-(负号)峰值消除信号F(t)相加。另外的方法是加法器60可从经过延迟的输入信号S(t)减去滤波器40的峰值消除信号F(t)。在技术中此种加法器和其类似装置是公知的。
图8示出图3的硬限幅单元70的示例性逻辑电路。如图8所示，硬限幅单元70包含比较器71，反向器72及乘法器73。反向器72使从削波阈值发生器80生成的削波阈值信号VCL反向。削波阈值发生器80可与削波阈值发生器10相同，并且输入到峰值隔离单元20和硬限幅单元70的削波阈值信号VCL可相同。比较器71接受削波阈值信号VCL和脉冲削波信号I(t)分别作为THRESHOLD和IN输入。比较器71判断IN是否大于或等于THRESHOLD，并在判断为“是”时生成一个选择信号用来选择乘法器73的“2”输入端口。如IN小于-THRESHOLD，则比较器71生成一个选择信号用来选择乘法器73的“1”输入端口。否则，比较器71生成一个选择信号用来选择乘法器73的“0”输入端口。
乘法器73分别接受削波阈值信号VCL，反向器72的输出，以及其“2”、“1”和“0”输出端口上的脉冲削波信号I(t)。根据比较器71的选择信号，选择乘法器73的“2”、“1”和“0”输入端口中的一个。从而生成经过进一步限制峰值的脉冲削波信号I’(t)。本装置100的脉冲削波信号I(t)或I’(t)是具有减小的P/A比而又不生成显著的带外频谱异常信号的峰值限制信号。
图9示出对通常技术的硬削波信号H(t)和根据本发明的脉冲削波信号I(t)进行比较的曲线。输入信号S(t)用点划线表示，硬削波信号H(t)用实线表示，而脉冲削波信号I(t)(或I’(t))用短划线表示。硬削波信号H(t)表示根据通常的硬削波过程进行硬削波的输入信号S(t)。脉冲削波信号I(t)表示根据本发明的脉冲削波操作进行峰值限制的输入信号S(t)。脉冲削波信号I(t)明显地具有较硬削波信号H(t)平滑的峰沿，从而降低由于削波所引起的带外频谱异常信号。
图10示出对通常硬削波过程的类噪声信号N(t)和本发明的峰值消除信号F(t)进行比较的示例。在本发明中是与输入信号S(t)结合的峰值消除信号F(t)具有比类噪声信号N(t)更宽和更平滑的峰。图11示出峰值消除信号F(t)的频谱，显示出通频带域(等于为0.3频率单位)外部的频谱发射减小。
图12示出根据本发明将输入信号S(t)与峰值消除信号F(t)相加而得出的脉冲削波信号I(t)的频谱。图12显示出通频带域(大约为0.3频率单位)外部的频谱发射大为减小，并且大部分的脉冲削波信号I(t)限制在通频带域的内部。与此相对，通常的硬削波过程的硬削波信号H(t)的频谱，如图2B所示，在其通频带域外部具有显著高的频谱发射。
下面参考图3和图4A-4E对根据本发明的脉冲削波操作的输入信号的峰值限制方法进行介绍。
由削波阈值发生器10生成削波阈值信号VCL并输入到峰值隔离单元20。峰值隔离单元20隔离如图4A所示的输入信号S(t)的峰值以生成如图4B所示的峰值信号P(t)。峰值信号P(t)的局部极值由局部极值隔离单元30隔离以生成如图4C所示的极值信号E(t)。根据滤波器40的脉冲响应对极值信号E(t)滤波以生成如图4D所示的峰值消除信号F(t)。峰值消除信号F(t)与经过延迟的输入信号S(t)相加以生成根据本发明的如图4E所示的脉冲削波信号I(t)。另外，脉冲削波信号I(t)可由硬限幅单元70硬削波以生成进一步限制的脉冲削波信号I’(t)。脉冲削波信号I(t)和I’(t)与通常技术的硬削波信号相比具有更低的P/A比，并且与通常技术的窗口削波信号相比具有更低的带外频谱异常信号。
根据本发明，模拟和数字信号都可以得到处理而限制其峰值同时又不会引起在通常的方法中引起的不可容许的邻带干扰，噪声或其他的特性。

Claims (22)

1.一种信号峰值限制装置，包括：
信号隔离单元，用于接受输入信号和参照信号，并根据参照信号生成输入信号的极值信号，此极值信号与输入信号的峰值对应；
滤波器，用于从信号隔离单元接受极值信号，并根据预定的滤波器响应对极值信号滤波而生成滤波器信号；以及
结合单元，用于将滤波器信号与经过延迟预定时段的输入信号结合而生成脉冲削波信号。
2.如权利要求1的发明，还包括：
向信号隔离单元提供参考信号的削波阈值发生器。
3.如权利要求1的发明，还包括：
延迟单元，用于将输入信号延迟一个预定时段，并将经过延迟的输入信号输出到结合单元。
4.如权利要求1的发明，其中信号隔离单元包括：
峰值隔离单元，用于接受参照信号，并根据参照信号隔离输入信号的峰值以生成峰值信号。
5.如权利要求4的发明，其中峰值隔离单元包括：
第一加法器，用于将输入信号与参照信号相加以生成第一加法器信号；
第二加法器，用于从输入信号减去参照信号以生成第二加法器信号；
比较器，用于将输入信号与参照信号比较，并根据比较结果生成选择信号；以及
乘法器，与比较器耦连，此乘法器根据选择信号输出第一加法器信号、第二加法器信号及接地信号中的一个信号。
6.如权利要求4的发明，其中信号隔离单元还包括：
局部极值隔离单元，与峰值隔离单元耦合，此局部极值隔离单元从峰值隔离单元接受极值信号，比较峰值信号与经过延迟的峰值信号以检测峰值信号的局部极值，并生成代表所检测到的峰值信号的极值信号。
7.如权利要求6的发明，其中局部极值隔离单元包括多个延迟元件，多个与延迟元件耦合的比较器，多个与比较器耦合的逻辑门，以及与逻辑门耦合的乘法器。
8.如权利要求6的发明，其中局部极值隔离单元包括：
第一延迟元件，用于将峰值信号延迟一个预定时段以生成第一延迟峰值信号；以及
第二延迟元件，用于将第一延迟峰值信号延迟一个预定时段以生成第二延迟峰值信号。
9.如权利要求8的发明，其中局部极值隔离单元还包括：
与第一和第二延迟元件耦合的多个比较器，这些比较器比较第一延迟峰值信号与从峰值隔离单元输出的峰值信号，比较第二延迟峰值信号与第一延迟峰值信号，以及比较第一延迟峰值信号与零值。
10.如权利要求9的发明，其中局部极值隔离单元还包括：
多个“与”门，用于接受多个比较器的输出；
一个“或”门，用于接受“与”门的输出并且根据接受的“与”门的输出生成选择信号；以及
一个乘法器，用于根据“或”门的选择信号输出第一延迟峰值信号、第二延迟峰值信号及接地信号中的一个信号。
11.如权利要求1的发明，还包括：
硬限幅单元，用于根据参照信号限制加法器的输出信号的峰值。
12.如权利要求1的发明，其中结合单元从延迟输入信号减去滤波器信号。
13.一种信号峰值限制方法，其构成步骤包括：
提供输入信号，参照信号，以及延迟输入信号；
根据参照信号生成输入信号的极值信号，此极值信号与输入信号的峰值信号对应；
根据预定的滤波器响应对极值信号滤波以生成滤波器信号；
结合滤波器信号与延迟输入信号以生成脉冲削波信号。
14.如权利要求13的发明，其中所述提供步骤包括的一个步骤为：
使输入信号延迟一个预定时段以生成延迟输入信号。
15.如权利要求13的发明，其中所述生成极值信号步骤包括的一个步骤为：
根据参照信号隔离输入信号的峰值以生成峰值信号。
16.如权利要求15的发明，其中所述隔离峰值步骤包括的步骤为：
将输入信号与参照信号相加以生成第一加法器信号；
从输入信号减去参照信号以生成第二加法器信号；
比较输入信号与参照信号并根据比较结果生成选择信号；及
根据选择信号输出第一加法器信号，第二加法器信号和接地信号中的一个信号。
17.如权利要求15的发明，其中所述生成极值信号步骤还包括的步骤为：
检测峰值信号的局部极值；以及
生成代表检测到的峰值信号的局部极值的极值信号。
18.如权利要求15的发明，其中所述生成极值信号步骤还包括的步骤为：
使峰值信号第一次延迟一个预定时段以生成第一延迟峰值信号；以及
使第一延迟峰值信号第二次延迟一个预定时段以生成第二延迟峰值信号。
19.如权利要求18的发明，其中所述生成极值信号步骤还包括的步骤为：
比较第一延迟峰值信号与峰值信号，比较第二延迟峰值信号与第一延迟峰值信号，以及比较第一延迟峰值信号与零信号。
20.如权利要求19的发明，其中所述生成极值信号步骤还包括的步骤为：
对从所述比较步骤得出的输出进行“与”运算；
对从所述“与”运算步骤得出的输出进行“或”运算；以及
根据“或”运算步骤得出的输出生成第一延迟峰值信号，第二延迟峰值信号及接地信号之一。
21.如权利要求13的发明，还包括：
根据参照信号对从所述结合步骤得出的输出信号的峰值进行硬限制。
22.如权利要求13的发明，其中在所述的结合步骤中从延迟输入信号减去滤波器信号。
CN99110553A 1998-07-31 1999-07-29 信号峰值限制装置和方法 Pending CN1248096A (zh)

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