CN1574806A - 全球移动通信系统演进增强数据速率限幅器峰均比降低 - Google Patents

Abstract

降低多载波信号的峰均比的方法包含步骤：根据多载波信号生成残留信号，该残留信号表示多载波信号与硬限幅多载波信号之间的差值。该方法也包含将最小二乘函数应用于多载波信号中的每个载波的残留信号，由此对每个载波生成最小残留信号并将最小残留信号与多载波信号混合的步骤。

Description

全球移动通信系统演进增强 数据速率限幅器峰均比降低

技术领域

本发明涉及降低功率放大器中发射信号的峰均比平均幅度(peak-to-mean average amplitude)，尤其涉及利用EDGE限幅器降低多载波通信系统的功率放大器的峰均值比平均幅度。

背景技术

例如GSM(全球移动通信系统)演进增强数据率(EDGE)系统的移动通信系统在无线收发基站的发射机中利用功率放大器发射信号。

众所周知，具有高峰均(平均)比(PAR)的信号对功率放大器的线性度提出了很高的要求，因此会降低功率放大器的有用功效并增加功率损耗。为了提高效率，利用算法来降低所发射的EDGE信号的峰均比。尽管如此，系统的要求仍然对可实现PAR降低产生限制。主要的发射要求是信号频率、峰值EVM(误差向量值)幅度和RMS(均方根)EVM。

限幅算法提供了一种降低PAR的方法，但却增加了发射信号的EVM。就WCDMA(宽带码分多址)信号而言，以前已经研究过不同的限幅算法，因此已经提出了某些算法以进行实现。在多载波EDGE信令的情况下，已经专门研究过限幅的课题。

面临的挑战是使PAR最小化，但最好不损害发射信号的频率要求、峰值EVM要求和RMS EVM要求。

现在正在讨论使EDGE传输中的峰均比(PAR)最小化的不同方法。使EDGE的PAR最小化可增强功率放大器的可实现效率。然而在已知的建议方案中，降低PAR的信号的时域特性会相当快速地恶化。

发明内容

本发明提供一种降低多载波信号峰均比的方法。该方法包含步骤：根据多载波信号生成残留信号，该残留信号表示多载波信号和硬限幅的多载波信号之间的差值；对多载波信号的每个载波的残留信号应用最小二乘函数，由此生成每个载波的最小残留信号；以及对该最小残留信号和多载波信号进行混合。

在最小残留信号混合步骤之前，该方法可进一步包含对每个最小残留信号进行滤波的步骤。

该方法可进一步包含延迟多载波信号的步骤，其中经过延迟的多载波信号与最小残留信号进行混合。

生成残留信号的步骤可包含将多载波信号限制在预定的电平以生成硬限幅多载波信号的步骤。

滤波步骤可以包含复滤波。滤波步骤可包含将残留信号乘以每个载波的跨度信号空间的投影矩阵的步骤。滤波步骤可包含对每个载波的残留信号应用矩阵函数、采样函数、滤波函数和插值函数的步骤。

该方法可以应用到移动通信系统中。

在进一步的实施例中，本发明提供降低多载波信号峰均比的设备。该设备包含：用于根据多载波信号生成残留信号的生成装置。该残留信号表示多载波信号和硬限幅多载波信号之间的差值。该设备包含用于对多载波信号的每个载波的残留信号的应用最小二乘函数，由此生成每个载波的最小残留信号的应用装置；和用于将最小残留信号和多载波信号混合的混合装置。

该设备可进一步包含用于在混合之前对每个最小残留信号进行滤波的装置。

该设备可进一步包含用于延迟多载波信号的装置，其中经过延迟的多载波信号与最小残留信号进行混合。

用于生成残留信号的装置可进一步包含用于将多载波信号限制在预定电平，由此生成硬限幅多载波信号的装置。

用于滤波的装置可进一步包含复滤波器。用于滤波的装置可进一步包含用于将残留信号乘以每个载波的跨度信号空间的投影矩阵的装置。

用于滤波的装置可进一步包含用于对每个载波的残留信号应用矩阵函数、采样函数、滤波函数和插值函数的装置。

在进一步的实施例中，本发明提供了一种移动通信系统，包含适于降低多载波信号峰均比的发射设备。该设备包含：用于根据多载波信号生成残留信号的生成装置。该残留信号表示多载波信号和硬限幅多载波信号之间的差异。该设备包含用于对多载波信号的每个载波的残留信号应用最小二乘函数，由此生成每个载波的最小残留信号的应用装置；和用于将最小残留信号和多载波信号混合的混合装置。

移动通信系统可以是GSM EDGE移动通信系统。

附图说明

这里将通过参照附图的方式描述本发明，其中：

图1举例说明的是本发明实施例中的示例性实现；

图2举例说明的是根据本发明的实施例，图1中部分实施的示例性实现；

图3举例说明的是根据本发明的实施例，图1中部分实施的示例性实现；

图4举例说明的是根据本发明的实施例，本发明的实施例的另一示例性实现；

图5举例说明的是根据本发明的实施例，图4中部分实施的示例性实现。

具体实施方式

在这里将通过参照本发明的具体实施例的例子对本发明进行描述。尤其是将通过参照多载波EDGE系统中包含功率放大器的实现描述本发明。在所描述的实施例中，举例说明了具有4个载波的系统。然而，本发明可以用于具有任意多个载波的多载波系统中。

首先考虑系统的模型。被估计信号可以建模为如下复包络的形式：

等式(1)

其中A(t，i)是由载波调制定义的项，e^(jωit+i)描述了多载波频带中的单载波信号的频率位置和它们之间的相差，i表示多载波频带内的第i个载波。

根据本发明的一个实施例，目的在于使所发射信号的峰均比最小。PAR可以定义如下：

$\mathrm{PAR}=\sqrt{\frac{\max \left({\left|y\left(t\right)\right|}^2\right)}{\mathrm{mean}\left({\left|y\left(t\right)\right|}^2\right)}}$

如上所述，重要的是使PAR最小但不影响某些其它发射要求，即载波的频率要求、该载波的EVM峰值幅度和该载波的RMS EVM。

所发射载波的频率要求主要要求误差信号必须和实际信号位于的相同频带内。这是因为误差信号是所发射信号的一部分，因此它必须满足发射机要求。

根据GSM(全球移动通信系统)的规定，按200个脉冲串测量，最大峰值EVM与平均峰值相比不得超过22％以上。

在正常工作条件下不影响无源混合器的RMS EVM要求是7％。

通过对等式(1)所定义的信号模型进行检查，可以看出对于降低输出信号的PAR，实际存在三种不同的可选方式。对于第一种选择，可以修正项A(t，i)，使得PAR最小。这种选择被认为是“限幅”，因为对项A(t，i)的修正在输出信号产生幅度误差(EVM)。对于第二种选择，可以对每个载波的频率ω_i项进行调整。然而，这将引起所发射信号的频率误差，而且对该项进行修正的能力同样受到系统规定的限制。第三种选择是调整每个载波的相差Φ_i。如果这样的调整是以脉冲串的方式进行的，它不会给发射信号带来任何误差。

由于第二种选择引入了频率误差，对于使PAR最小化而言，它不是实际可行的选择。然而，第一种和第三种选择都提供了使PAR最小化的可选方法。第三种选择最好被考虑为限幅算法的可选或支持选择。

一种最优且没有任何限制(对于系统参数：频率响应、峰值EVM，RMS EVM)的限幅方法可以描述成为一个最优化问题的解，即：

J＝min_y(|r-y|²)+λ(|y|≤A)        等式(2)

其中J是限幅函数，r是参考信号，y是由限幅器产生的输出信号，A描述的是幅度限制，λ是拉格朗日乘子。可以看出，实现此功能的信号包络的最优限幅器是一种硬限幅器，它限制了基带信号的复包络的幅度。

“实”限幅器具有其必须满足的附加限制。如上讨论的，这些限制包含频谱限制和峰值EVM限制，也许还包含RMS EVM限制。因为这些附加的限制与上面等式(2)提供的结果相比肯定使限幅器所能达到的理论性能发生退化，因此实限幅器不可避免地提供了比等式(2)的理想解更差的性能。

为了更充分地考察什么是实约束的最优硬限幅器实现，等式(2)的费用函数被修改以提供通过下列函数逼近的费用函数：

J＝min_y(|r-y|²)+λ(|y|≤A)+∑ρ_i((r-y)^HP(r-y)≤b_i)+∑ξ_i(|r_i-y_i|≤p)，等式(3)

其中J是限幅函数，项∑ρ_i((r-y)^HP(r-y)≤b_i)分别定义了每个子带的频谱限制，最后项定义了峰值EVM限制。因此等式(3)表示经过修改以考虑频谱和峰值EVM限制的等式(2)的函数。

如果该系统没有附加的限制，本发明的上述分析表明，“硬限幅器”实现提供了最优解。如果存在附加的限制，则不能获得“硬限幅器”的最优解。

等式(3)的费用函数仅是实限制的逼近，这里用于说明“良好限幅器”的特性。

使用Kuhn-Tucker条件可以求出等式(3)的费用函数的解，但这导致相当复杂的限幅算法。因此不建议使用Kuhn-Tucker条件。而是考虑到附加限制、频谱和峰值EVM(和RMS EVM)对误差信号e的特性的影响。为了考虑该误差信号，有必要只考虑这样的信号的特性，而不是它的数学构造。

如上所讨论的，频谱(域)要求主要要求误差信号必须与实际信号位于相同频带内。如果考虑等式(3)中费用函数J的频率限制，根据Kuhn-Tucker条件可知，当每个限制是0或是b_i(这取决于信号的特性)时，该函数达到最小。因为该限制是相对严格的，很有可能当∑(ρ_i(r-y)^Hp(r-y)＝b_i而不是0时，求出最优解。另一方面，这意味着“最优”误差信号必须是尽可能宽带的信号。从更实际的观点考虑同一问题，可以得出同样的结论：允许误差信号的带宽越宽，则误差信号的脉冲响应的峰值比重也越大(peak-heavy)，因此与个别峰值的情形中的硬限幅器相比，频率要求导致附加EVM更小。

就上述基于GSM规定的峰值EVM来说，最大峰值EVM近似为22％，并且被测量为至少200个脉冲串的平均峰值。在等式(3)的费用函数中使用的项给出的是峰值误差的绝对极限值，因此费用函数并不严格地遵守GSM标准。

根据本发明，提供一种技术，其中通过产生硬限幅器残留信号，同时获得所希望的频率响应，从而形成限幅信号。可以取得最小二乘意义下的拟合。于是，最小二乘限幅器试图仿效理想硬限幅器的行为。实际上，目的在于生成一信号，使得所形成的复合信号尽可能地类似于硬限幅器类型的残留信号y_T，下面将对其进行讨论。

下面将在这里参照附图对本发明进行进一步的详细讨论，这些附图举例说明的是本发明的示例性实现。

图1举例说明的是根据本发明的示例性实现的方框图。实现包含脉冲发生器102、延迟元件104和一组复滤波器106a至106d。脉冲发生器102和延迟元件104都接收线路300上发送的多载波信号。线路122a至122d上的每个复滤波器的输出信号都在加法器124a至122c中进行相加。相加过的输出信号被加法器126加入到线路120上的延迟元件的输出中。线路128的加法器126的输出作为功率放大器(没有示出)的输入提供。

图1中的结构总体上可以被认为是PAR最小化设备的结构，并且实际是前置功率放大器级段。待发射的多载波信号出现在线路300上。

脉冲发生器102和复滤波器106的目的在于将误差信号加到线路300的多载波信号中，使得输出的PAR最小。加法器124a输出端的线路123上的误差信号被输入到混频器126的第二个输入端，在这里将该误差信号加入到线路120上混频器126的第一个输入端的多载波信号的延迟版本中。延迟模块104仅仅补偿脉冲发生器和复滤波器的处理延迟，它们一起作为误差模块101。

线路123上加入的误差信号必须满足上述的频率限制、峰值和RVS EVM限制。如上所讨论的那样，“硬限幅器”提供了理想结果。因此，线路123上的信号应当在满足附加的限制的同时尽可能地进行逼近。

参照图3，其中举例说明的是图1的误差脉冲发生器模块102的示例性实现。线路300上的信号作为模块302的输入，模块302产生线路304上的单个残留信号。线路304上的残留信号是线路300上的原发射信号和“硬限幅信号”之间的差值。因此，它表示与硬限幅有关的误差。

通过把线路300上待发射的信号的最大幅度限制到预定限制值，可以生成硬限幅信号本身。这样的硬限幅信号的导出将在本领域技术人员熟知范围之内。因此通过简单地从原信号中减去硬限幅信号即可获得残留信号。于是图3中的模块302包含硬限幅器和减法器，它们对线路300上的信号进行处理以产生线路304上的残留信号。

因此所生成的残留信号不满足上述频率限制(或其它限制)。为了满足该频率限制，使用最小二乘技术以便找到尽可能接近该残留信号同时又满足频率限制的信号。

线路304上的残留信号y_T形成最小二乘拟合功能模块306的输入。最小二乘拟合功能模块306生成线路308a至308d上的一系列输出。线路308a至308d上的最小二乘拟合模块的输出是一组生成的脉冲向量x₁，K，x_{nro_of_carriers}。脉冲向量的个数与多载波信号中的载波个数相对应，本例中示出的是4个。

使用图3的模块306的最小二乘拟合为每个载波的“硬限幅器”残留信号求出最佳拟合，使得每个载波频率的频率限制得到满足。在所描述的实现中，拟合准则是使均方差最小(即最小二乘的最优解)。

因此，线路308a至308d上的脉冲向量x₁，K，x₄最好通过复滤波器106a至106d生成，其被分别标识为g₁，K，g₄。硬限幅滤波器g_i针对每个载波进行专门的设计，使得每个载波与所发射的信号频率特性相同。实际上，通过将发射机的滤波器的脉冲上变到每个载波的频率来形成复滤波器的系数。在线路122a至122d上分别提供滤波器106a至106d的输出。

图2示出的是图1的复滤波器中的一个(例如滤波器106a)的示例性实现。每个滤波器包含发射机滤波器202，其输入由线路308a上滤波器的输入形成，其在线路206上的输出形成混频器204的输入。根据线路208上的上变换频率，混频器204对线路206上的信号进行上变换。混频器204的输出构成线路122a上的滤波器的输出。

图1至图3所示的实现的数学分析如下。

原理是使费用函数最小，费用函数表示了“硬限幅器”残留信号和最小二乘拟合模块的输出之间的均方距离。即，最小二乘拟合模块的输出应当尽可能地逼近“硬限幅器”残留信号。因此通过尝试使费用函数最小：

J＝|y_T-Gx|²

其中G＝(G₁G₂KG_{nro_of_carriers})，G_i是卷积矩阵，其列由g_i来定义，x＝(x₁x₂Kx_{nro_of_carriers})^T是脉冲向量中的一个向量，从而得到下列式子：

x_min＝(G^HG)^-1G^Hy_T。

众所周知，G_i ^HG_j＝ O(零矩阵)，当i≠j时，因此

x_i＝(G_i ^HG_i)^-1G_iy_T。

下面描述对上面矩阵求解的方案。虽然这个解对于实际实施而言太复杂，但是它是为了举例说明的目的而提出的。这个方案说明了如何对于上述给定的x来求解结果矩阵。

图4举例说明的是对图1至3的结构的修正，其中复滤波器106用复滤波器404进行替代。

生成的硬限幅器类型的残留信号，并且乘以每个载波的跨度信号空间的投影矩阵G_i(G_i ^HG_i)^-1G_i ^H。信号被加起来，并按前述方式从发射信号中减去。这由图4来表示。硬限幅器类型的残留信号由模块400根据多载波信号生成，该模块与图3中的模块300相对应。硬限幅器类型的残留信号形成多个复滤波器404a至404d中的每个的输入，其中在复滤波器中用投影矩阵进行相乘运算。滤波器404a至404d的输出在加法器406a至406c中相加，随后由加法器408对进行相加以生成线路410上的驱动功率放大器的多载波信号。

矩阵方案可以通过图5中所例举的滤波器进行简化。图5表示图4中的滤波器404a至404d的实现的实际方案。图5举例说明的是图4中的滤波器的近似。即使当该限幅器变得可行时，它仍然对该结果有微小的损害。

如图5所示，每个滤波器404a至404d可以包含矩阵函数502a至502d、采样函数504a至504d、滤波器506a至506d和插值函数508a至508d。残留信号经过复共轭矩阵(即匹配滤波器)G的转置运算，由模块502a至502d来表示。在这些解中，矩阵求逆(G_i ^HG_i)^-1由ISI消除滤波器_x，y替代，由模块506a至506d来表示。

这里已经通过参照特殊的例子对本发明进行了描述。本发明并不限于这些例子，或其中的某些方面。本发明的范围通过附加的权利要求进行详细说明。

Claims (16)

1.一种降低多载波信号的峰均比的方法，包括步骤：

根据多载波信号生成残留信号，该残留信号表示多载波信号与硬限幅多载波信号之间的差值；

将最小二乘函数应用于多载波信号中的至少一个载波的残留信号，由此生成至少一个载波的最小残留信号；以及

将最小残留信号与多载波信号混合。

2.如权利要求1所述的方法，在混合最小残留信号的步骤之前，进一步包括对至少一个最小残留信号进行滤波的步骤。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括延迟多载波信号的步骤，其中经过延迟的多载波信号与最小残留信号混合。

4.如权利要求1所述的方法，其中生成该残留信号的步骤包含将多载波信号限幅到预定电平，由此生成硬限幅多载波信号的步骤。

5.如权利要求2所述的方法，其中滤波的步骤包括复滤波。

6.如权利要求5所述的方法，其中滤波的步骤包括使残留信号乘以至少一个载波的跨度信号空间的投影矩阵的步骤。

7.如权利要求5所述的方法，其中滤波的步骤包含将矩阵函数、采样函数、滤波函数和插值函数应用于至少一个载波的残留信号的步骤。

8.一种用于降低多载波信号的峰均比的设备，该设备包括：

生成装置，用于根据多载波信号生成残留信号，该残留信号表示多载波信号与硬限幅多载波信号之间的差值；

应用装置，用于将最小二乘函数应用于多载波信号的至少一个载波的残留信号，由此生成至少一个载波的最小残留信号；和

混合装置，用于将最小残留信号与多载波信号混合。

9.如权利要求8所述的设备，进一步包括用于在混合步骤实施之前对每个最小残留信号进行滤波的装置。

10.如权利要求9所述的设备，进一步包括用于延迟多载波信号的延迟装置，其中经过延迟的多载波信号与最小残留信号混合。

11.如权利要求9所述的设备，其中用于生成该残留信号的生成装置包含用于将多载波信号限幅到预定电平以生成硬限幅多载波信号的装置。

12.如权利要求10所述的设备，其中滤波装置包括复滤波器。

13.如权利要求12所述的设备，其中滤波装置包括用于将残留信号乘以至少一个载波的跨度信号空间的投影矩阵的相乘装置。

14.如权利要求13所述的设备，其中滤波装置包含用于将矩阵函数、采样函数、滤波函数和插值函数应用于至少一个载波的残留信号的装置。

15.一种包含为降低多载波信号的峰均比而配置的发射机设备的移动通信系统，该移动通信系统包括：

生成装置，用于根据多载波信号生成残留信号，该残留信号表示多载波信号和硬限幅多载波信号之间的差值；

应用装置，用于将最小二乘函数应用于多载波信号中的至少一个载波的残留信号，由此生成至少一个载波的最小残留信号；和

混合装置，用于将最小残留信号和多载波信号混合。

16.如权利要求15所述的移动通信系统，其中在GSM EDGE移动通信系统中实现所述生成装置、所述应用装置和所述混合装置。

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