CN1972263A - 一种多载波通信系统 - Google Patents

Abstract

一种多载波通信系统，包括一多载波信号产生装置与一多载波削波装置，所述多载波削波装置用于减少所述多载波信号产生装置产生的多载波信号的波峰均比；所述多载波信号产生装置包括若干路单载波信号产生模块和求和累加模块，若干路单载波信号产生模块形成的载波中频信号通过求和累加模块进行合并以产生多载波合路输出信号；所述多载波削波装置包括：根据阈值发生器产生的阈值对多载波合路信号进行硬削波的硬限幅装置；用于产生峰值抵消信号的求和累加装置；用于产生匹配滤波器系数的匹配滤波器系数发生器装置；对峰值抵消信号进行匹配滤波处理的匹配滤波处理装置；以及对滤波后的峰值抵消信号与多载波合路信号进行混合的求和累加装置。

Description

一种多载波通信系统

【技术领域】

本发明涉及一种通信系统，特别是一种降低进入功率放大器的信号峰均比的多载波通信系统。

【背景技术】

众所周知，移动通信系统中无线基站的发信机利用功率放大器来发射信号，以补偿因传播距离而带来的信号衰减。功率放大器具有一定的线性区域，功率放大器的成本由其线性区的大小决定。具有高峰均比的信号会降低功率放大器的效率并增加功率消耗，这对功率放大器的线性度提出了很高的要求。为了保证功率放大器工作在线性区域以提高其效率，因此要求进入功率放大器的信号峰均比在一定范围以下。

在移动通信系统中，常使用削波技术来降低进入功率放大器的信号峰均比，但不幸的是削波技术的引入，可能会带来一定程度的信号失真、带外频谱扩展或邻道干扰等发射性能。对宽带码分多址接入(WCDMA)系统而言，用误差矢量幅度和峰值码域误差来衡量信号的失真程度，用邻道功率泄漏比来基站发射机的带外频谱扩展程度。

通常削波技术以分为基带削波技术和数字中频(DIF)削波技术两大类。基带削波技术的突出优点是其处理在脉冲成型滤波器之前的基带进行，因此不会带来任何带外频谱扩展或邻道功率泄漏比性能。其缺点是削波信号经过DIF多级插值滤波器后的峰均比将会增加，使得对信号峰均比的抑制性能很不理想。此外，基带削波造成对信号的失真较大，表现为误差矢量幅度和峰值码域误差发射性能下降。因此，在满足误差矢量幅度和峰值码域误差发射性能指标的前提下，基带削波技术很难使得经过DIF处理后的信号峰均比达到要求。

DIF削波技术是指基带信号经过DIF的多级插值滤波器之后进行削波处理，常用的DIF削波技术有硬削波和匹配滤波削波等技术。DIF的硬削波技术的优点是硬件实现较为简单，缺点是其直接进行DIF硬限幅削波处理将导致严重的带外频谱扩展和邻道功率泄漏现象。若要保证满足邻道功率泄漏比性能指标条件下，此时，DIF硬削波技术则很难达到预期的峰均比性能。

另一种DIF削波技术是匹配滤波削波技术，中国专利申请号03800497.3的发明专利使用的技术就属于DIF匹配滤波削波技术，该技术是针对多载波信号削波情况。若仅仅使用缩放器来调整匹配滤波器增益，以使得在满足期望的误差矢量幅度、峰值码域误差和邻道功率泄漏比等发射性能条件下获得预期的峰均比。但是，当各载波的发射功率不相同时，该削波技术使用相同的缩放系数来调整各个载波的匹配滤波器系数，多载波合路信号经过硬削波后的峰值抵消信号均通过此匹配滤波器系数，这将会使发射功率电平低的载波误差幅度矢量和峰值码域误差发射性能严重恶化。因此，在满足系统误差矢量幅度、峰值码域误差和邻道功率泄漏比指标要求下，其削波后信号的峰均比不能取得令人满意的结果。

此外，该技术方案在设计滤波器系数时，考虑了个载波匹配滤波器系数产生时对其增益进行适当的调整，以取得比仅仅使用缩放器进行增益调整更好的性能。不幸的是，该技术发明专利没有说明具体如何对各载波匹配滤波器系数进行增益调整，以及如何实时地对各载波匹配滤波器系数进行调整，尤其是在系统实现中该如何调整各匹配滤波器增益。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种降低进入功率放大器的信号峰均比的多载波通信系统。

本发明的目的通过以下技术方案来实现的：一种多载波通信系统，包括一多载波信号产生装置与一多载波削波装置，所述多载波削波装置用于减少所述多载波信号产生装置产生的多载波信号的波峰均比；所述多载波信号产生装置包括若干路单载波信号产生模块和求和累加模块，若干路单载波信号产生模块形成的载波中频信号通过求和累加模块进行合并以产生多载波合路输出信号；所述多载波削波装置包括：根据阈值发生器产生的阈值对多载波合路信号进行硬削波的硬限幅装置；用于产生峰值抵消信号的求和累加装置；用于产生匹配滤波器系数的匹配滤波器系数发生器装置；对峰值抵消信号进行匹配滤波处理的匹配滤波处理装置；以及对滤波后的峰值抵消信号与多载波合路信号进行混合的求和累加装置。

所述单载波信号产生装置包括串接的进行成型滤波的脉冲成型插值滤波器、提高数字中频信号采用速率的半带插值滤波器、用于增强对信号在频域内镜像抑制的层叠积分梳妆插值滤波器、用于混频的数控振荡器。

所述多载波削波装置在产生硬限幅信号之前，进一步包括根据多载波信号和阈值参数产生用于硬限幅操作的阈值发生器装置。

所述多载波削波装置的匹配滤波器系数发生器装置进一步包括：对基带IQ复信号进行功率估计的载波功率估计装置；根据各载波对应的频率对源滤波器系数进行频率调制处理的混频装置；根据估计的载波功率电平对频率调制后的各载波匹配滤波器系数进行幅度调制的增益调整装置；用于多载波对应的合路匹配滤波器系数的求和累积装置。

所述多载波削波装置进一步包括对多载波合路信号进行延迟的装置，其中延迟后的多载波合路信号与滤波后的峰值抵消信号进行混合。

所述多载波削波装置进一步还包括对峰值抵消信号进行多级匹配滤波处理的迭代装置。

本发明根据各载波的功率估计值对相应载波的匹配滤波器系数进行增益调整，对合路后的多载波信号进行数字中频匹配滤波削波处理，避免了对功率不同的载波使用相同匹配滤波器增益带来额外的信号失真现象。本发明在满足相同误差矢量幅度、峰值码域误差和邻道功率泄漏比的条件下，能够取得更好的削波效果，即可以使削波后的多载波合路信号具有更低的峰均比，从而提高了功率放大器的效率。

本发明可以根据实际通信系统设计中的硬件资源和性能要求进行适当的修改和裁剪。比如，数字中频处理时，若在取得更高的采样速率的同时，又考虑到硬件资源的节约，可以使用两级半带插值滤波器。若在满足误差矢量幅度、峰值码域误差和邻道功率泄漏比条件下，希望获取更低的峰均比性能，可以适当使用多级匹配滤波处理方法来实现。本发明提供的方案，其数字信号处理采用顺序处理方式，不涉及任何反馈处理模块，从而很方便在实际硬件系统中实现。

【附图说明】

图1是本发明中多载波信号产生装置以及多载波峰值削波装置所处位置的示意图；

图2是本发明中多载波通信系统中的多载波削波装置实现的基本结构图；

图3是实现图2所示的多载波削波装置基本结构的一种具体结构图；

图4是图3所示的具体结构图中对应的匹配滤波器系数的幅频响应；

图5是实现图2所示的多载波削波装置基本结构的另一种具体实现结构图。

【具体实施方式】

本发明可以通过下面提供的结合附图的详细描述可以得到完全的解释和理解，本发明的特征、性质和优点将变得更加明显。

在无线通信系统的无线发射机中，使用削波技术来减少进入功率放大器的多载波信号峰均比，以提高功率放大器的效率和降低功率放大器的成本。

请参考图1。该图是本发明中多载波信号产生装置300以及多载波削波装置400所处位置的示意图。多载波信号是由多路单载波信号叠加而成的，对每路单载波信号而言，其产生过程都是相同的，所以只以其中一路单载波信号的产生过程作说明。对每路单载波信号，其基带复信号通过脉冲成型插值滤波器(PSF)11进行成型滤波，经过半带插值滤波器(HBF)12以提高DIF信号的采用速率，再通过层叠积分梳妆插值滤波器(CIC)13以增强对信号在频域内的镜像抑制，并与数控振荡器(NCO)14进行混频，以形成单载波数字中频信号输出。最后，各路单载波数字中频信号在求和器40中进行合并以产生多载波合路输出信号。更进一步地，若需要取得更高的采样速率和减少硬件实现复杂度，在数字中频处理可以使用两级半带插值滤波器(HBF)。

请参考图2。该图是根据本发明的一种用于降低多载波信号峰均比的多载波削波装置400的基本结构。如图2所示，多载波削波装置400包括一个阈值发生器110、一个硬限幅模块120、两个延迟模块130、一个匹配滤波器系数发生器160、一个匹配滤波器处理模块150和两个求和累加模块140与180。阈值发生器110根据预先设定的阈值参数和输入多载波合路信号计算用于硬限幅的阈值。硬限幅模块120根据阈值对输入多载波合路信号进行硬限幅处理，以产生硬限幅信号。此时，经过延迟模块130后的多载波合路信号减去硬限幅信号，以产生峰值抵消信号。匹配滤波器处理模块150则根据匹配滤波器发生器产生的对应各载波频率匹配滤波器系数合路信号，对峰值抵消信号进行匹配滤波处理以获得滤波后的峰值抵消信号。最后，经过延迟模块130的原多载波合路信号减去滤波后的峰值抵消信号以产生多载波削波信号。

本发明的多载波削波装置400不仅可应用于多载波通信系统，也可应用于单载波通信系统。下面通过该装置在多载波通信系统中的应用进一步，对本发明的技术方案作进一步阐述。

请参考图3。该图是图2所示的多载波削波装置400基本结构的一种三载波削波处理的具体实现结构图，图3中进一步描述了匹配滤波系数发生器160的具体实现结构图。图3中匹配滤波器系数发生器装置160进一步包括：对基带IQ复信号进行功率估计的载波功率估计装置161；根据三载波对应的频率对源滤波器系数进行频率调制处理的混频装置163、165、167；根据估计的载波功率电平对频率调制后的三载波匹配滤波器系数进行幅度调制的增益调整装置168、169、172；用于三载波对应的合路匹配滤波器系数的求和累积装置174。

首先考虑三载波通信系统的数学模型，进入三载波削波模块之前的三载波合路复信号可以建模为：

$y\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\left(k\right)\·e^{({2\mathrm{\πf}}_{i}k+{\mathrm{\φ}}_i)}$ 式l

式1中，A_i(k)、f_i和φ_i为分贝对应第i个载波DIF输出信号采样的复包络、NCO频率和相位偏移。

阈值发生器110根据输入三载波合路信号y(k)和阈值参数thr(dB值)产生硬限幅的线性阈值linear_thr。硬限幅模块120再根据线性阈值，对进行y(k)硬限幅处理并得到限幅后的信号clip(k)，其处理过程可以用下面表达式来表示：

$\mathrm{clip}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}y\left(k\right),& \left|y\left(k\right)\right|\≤\mathrm{linear}\_\mathrm{thr}\\ \mathrm{linet}\_\mathrm{thr}*e^{j*\mathrm{angle}\left(y\left(k\right)\right)},& \left|y\left(k\right)\right|>\mathrm{linear}\_\mathrm{thr}\end{array}\right.$ 式2

延迟后的三载波合路信号与硬限幅后的信号进行混合，以产生峰值抵消信号c(k)。

c(k)＝y(k)-clip(k)    式3

假设源滤波器系数h(n)长度为N，每个源滤波器系数与对应载波的NCO进行混频，得到对应第i个载波频率的匹配滤波器系数matched_h(n)。

$\mathrm{matched}\_h\left(n\right)=h\left(n\right)\·e^{({2\mathrm{\πf}}_{i}k+{\mathrm{\φ}}_i)},n=\mathrm{1,2},......,N$ 式4

载波功率估计模块161周期地对各载波的基带信号进行功率估计，得到各自的功率估计值PE_i，并此功率估计和最大发射功率P_max(满功率)计算增益调整G_i。

$G_i={10}^{\frac{P{E}_i-P_{\max }}{20}}$ 式5

因此，对应三载波的匹配滤波器系数可以表示为：

$\mathrm{combinet}\_h\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i\·h\left(n\right)\·e^{(2\mathrm{\π}{f}_{i}k+{\mathrm{\φ}}_i)}$

$=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{10}^{\frac{{\mathrm{PE}}_i-P_{\max }}{20}}\·h\left(n\right)\·e^{(2\mathrm{\π}{f}_{i}k+{\mathrm{\φ}}_i)}$ 式6

请参考图4。该图给出了对三载波合路信号进行削波处理的匹配滤波器的幅频响应图。将各载波的功率进行归一化，即满功率发射时，其功率归一化到0dB。对应各载波的匹配滤波器系数增益则根据估计到的载波功率相对于满功率的偏移值(-5dB、0dB和-3dB)进行调整。图中所示为各载波分别以-5dB、0dB和-3dB的功率(归一化功率值)进行发射时，对应匹配滤波器系数的幅频响应。

最后，经过匹配滤波处理后的峰值抵消信号与延迟的三载波合路信号进行混合，并得到输出的三载波削波信号z(n)。

z(k)＝y(k)-filter(c(k)，combiner_h)    式7

上式7中，filter(·)表示峰值抵消信号c(k)通过匹配滤波器combiner_h处理的操作。

请参考图5。该图是图2所示的多载波削波装置400的基本结构的另一种三载波削波处理的具体实现结构图。图5的具体实现与图3不同之处是，系统设计时可以根据系统性能要求和硬件资源情况，增加由匹配滤波处理模块组成的N级迭代滤波装置150’，对峰值抵消信号进行多次匹配滤波处理操作，使得在满足系统误差矢量幅度、峰值码域误差和邻道功率泄漏比指标条件下，取得更优的峰均比性能，即保证多载波削波信号具有更小的峰均比。

本发明可以根据实际通信系统设计中的硬件资源和性能要求进行适当的修改和裁剪。比如，数字中频处理时，若在取得更高的采样速率的同时，又考虑到硬件资源的节约，可以使用两级半带插值滤波器。若在满足误差矢量幅度、峰值码域误差和邻道功率泄漏比条件下，希望获取更低的峰均比性能，可以适当使用多级匹配滤波处理方法来实现。本发明提供的方案，其数字信号处理采用顺序处理方式，不涉及任何反馈处理模块，从而很方便在实际硬件系统中实现。

这里已经通过具体的实施例子对本发明进行了详细描述，提供上述实施例的描述为了使本领域的技术人员制造或适用本发明，这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是容易理解的。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 (6)

1、一种多载波通信系统，包括一多载波信号产生装置与一多载波削波装置，所述多载波削波装置用于减少所述多载波信号产生装置产生的多载波信号的波峰均比；所述多载波信号产生装置包括若干路单载波信号产生模块和求和累加模块，若干路单载波信号产生模块形成的载波中频信号通过求和累加模块进行合并以产生多载波合路输出信号；所述多载波削波装置包括：根据阈值发生器产生的阈值对多载波合路信号进行硬削波的硬限幅装置；用于产生峰值抵消信号的求和累加装置；用于产生匹配滤波器系数的匹配滤波器系数发生器装置；对峰值抵消信号进行匹配滤波处理的匹配滤波处理装置；以及对滤波后的峰值抵消信号与多载波合路信号进行混合的求和累加装置。

2、如权利要求1所述的多载波通信系统，其特征在于：所述单载波信号产生装置包括串接的进行成型滤波的脉冲成型插值滤波器、提高数字中频信号采用速率的半带插值滤波器、用于增强对信号在频域内镜像抑制的层叠积分梳妆插值滤波器、用于混频的数控振荡器。

3、如权利要求1所述的多载波通信系统，其特征在于：所述多载波削波装置在产生硬限幅信号之前，进一步包括根据多载波信号和阈值参数产生用于硬限幅操作的阈值发生器装置。

4、如权利要求1所述的多载波通信系统，其特征在于：所述多载波削波装置的匹配滤波器系数发生器装置进一步包括：对基带IQ复信号进行功率估计的载波功率估计装置；根据各载波对应的频率对源滤波器系数进行频率调制处理的混频装置；根据估计的载波功率电平对频率调制后的各载波匹配滤波器系数进行幅度调制的增益调整装置；用于多载波对应的合路匹配滤波器系数的求和累积装置。

5、如权利要求1所述的多载波通信系统，其特征在于：所述多载波削波装置进一步包括对多载波合路信号进行延迟的装置，其中延迟后的多载波合路信号与滤波后的峰值抵消信号进行混合。

6、如权利要求1所述的多载波通信系统，其特征在于：所述多载波削波装置进一步还包括对峰值抵消信号进行多级匹配滤波处理的迭代装置。

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