數字值處理器的制作方法

專利名稱：數字值處理器的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于估算一個數字值的平方的一種數字值處理器，涉及使用這種數字值處理器的一種相應的方法和一種平均信號功率估算設備。
在數字通信系統中，在被傳送給發射機用以發射之前一個數字信號需要被模擬調制。如果想要監控發射機的輸出功率，直接的解決方法存在于測量模擬信號。然而，如果想在數字信號的基礎上測量或估算發射機的輸出功率，那么可以通過監控包含在數字信號中的數值的平方進行。例如，一個CDMA(碼分多址)信號包含所謂的加權碼片，所述的加權碼片是包含在一個數字信號中的數字值的一個樣本，并且加權碼片的同相位和正交相位分量的平方的監控給出發送所述CDMA數字信號的發射機的發射輸出功率的一個指示。
因此，為了估算一個數字信號的功率，要有計算數字值的平方的方法。將一個數與它自己相乘的基本操作是眾所周知的。有許多數值方法適于完成這樣一種乘法。此外，在可能的功率估算之前對輸入序列進行二次抽樣的不同方法是知道的。基于上面描述的思想的算法在許多設備中被實現，例如，在數字信號處理器中。
例如，DE4033507C2顯示一種用于整數數值乘的電路安排。在此文獻中描述的基本操作存在于首先計算一個對數，然后執行一個加操作，在然后與計算對數相反的操作。提到計算對數和相反的操作可以通過使用指數曲線的數學近似加快。依照該文獻，一種用于計算對數的編碼單元以這樣的方式逐漸地近似一個指數曲線，以至于線性部分的數至少等于各個整數的位數。與這種線性近似相聯系，文獻DE4033507C2提出一個基于復雜的真值表的操作。然而此文獻不是專門從事平方的計算。
也有計算一個平方和的平方根的方法，例如，在EP0811909A1中公開的，或用來估算一個均方值的方法，例如，在EP0205351A1中公開的。然而，即使這些方法涉及一個項的計算，該項分析上要求平方的計算，兩個方法實際上避免了計算一個數字值的平方。
本發明的目的是提供一種用于估算一個數字值的平方的數字值處理器和數字值處理方法，它們可以被簡單地實現，即，用很少的硬件消耗和沒有復雜的處理步驟。
這個目的被一種根據權利要求1的數字值處理器和根據權利要求14的一種數字值處理方法解決。優選地，根據本發明的數字值處理被用于估算一個數字信號的平均輸出功率。
本發明的基本思想在于使用2的冪來計算一個數字值xa的平方，在2的冪被用作平方函數y=x2的線性近似的定位點的意義上。更加具體地，首先兩個2的整數冪被確定，xa位于其間的，即2i≤xa<2i+1(1)然后2i被被用作第一處理值，3xa-2i+1被用作第二處理值，以計算一個估值ξa2。
過將一個數字值，它為一個二進制數，的平方的估值以上面描述的方式基于2的整數冪，可能通過移位操作和加操作進行所有計算，這導致簡單的處理步驟，使非常簡單的處理硬件成為可能。
根據一種優選實施例，估值ξa2作為第一和第二處理值的乘積被計算，即ξa2=2i·(3xa-2i+1)(2)這相當于利用在作為定位點的2的冪之間的線性插值來計算估值ξa2，如圖5所示。這一點在后面將被更加詳細地解釋。于是估值的計算可以優選地被進行，只需左移操作和加操作。
根據另一種優選實施例，在這種方案中平均估值誤差被減小，估值ξa2利用附加進行一次截斷操作被計算，即 ξa2=2i·2i-Q·[(3xa-2i+1)/2i-Q](3)其中 的意思是實數x的整數部分，即截斷操作。平均估值誤差以這種方式被減小。優選地計算操作只使用左移、右移和加操作被進行。
由于這樣的事實對于大數字值，在上面描述的基于2的整數冪的近似中估值誤差的幅值增大，本發明的設備和方法優選用于大數值出現的可能性較小的數字信號。這是根據對模擬發射機的最大輸出功率的限制產生的數字信號的典型情況。
根據優選實施例的以下詳細描述，本發明的更多特點和優點將變得顯而易見，描述將參照附圖進行，其中

圖1展示本發明的一種實施例的一個方框圖；圖2展示本發明的另一種實施例的一個方框圖；圖3展示基于圖1中提到的實施例的本發明的一種實施例；圖4展示基于圖2中提到的實施例的本發明的一種實施例；圖5解釋基于2的整數冪估值xa的平方的基本思想；圖6展示對于上面提到的實施例作為幅度xa的函數的近似誤差；圖7展示本發明的基本方法的流程圖。
圖1展示本發明的第一種實施例的一個方框圖。數字值xa被輸入到一個決定裝置10中，它決定兩個2的冪，xa位于兩冪之間，即2i≤xa＜2i+1(4)決定裝置10輸出第一處理值2i，然后它被用在計算裝置20中。計算裝置20適當地計算第二處理值(3xa-2i+1)。最后，估值ξa2從所述的第一和第二處理值被計算。
應當注意為了較清楚和較簡單地描述的目的在這里和下面的描述中假設xa為非負值。自然，本發明也能用于估算負數字值的平方。在這種情況下，即，如果xa為負值的可能性存在，那么如果需要輸入到決定裝置10的數值必須被適當地處理為正值。這可以以任何合適的方式做，例如，在決定裝置10和計算裝置20之前放置一個裝置，它總是輸出數值xa的幅值，這樣只有非負值被輸入到裝置10和20中。作為選擇，以適當的方式將決定裝置10和計算裝置20一般化是可能的，這樣非負和負值可以被輸入到裝置10和20中。這種改造可以以任意期望或便利的方式進行，在那里它的影響是如果xa為負值，上面描述的決定和計算(等式(1)～(4))將基于幅值｜xa｜而不是xa進行。
如已經提到的，為了清楚的目的下面的描述將假設xa非負，但是應當理解在xa為負值的情況下，描述的方法和設備必須簡單地被調整，調整實質上是用｜xa｜代替xa。換句話說，如果負值xa可以出現，那么使用附加的裝置確保2i實質上基于2i≤｜xa｜＜2i+1被決定，第二處理值實質上為(3｜xa｜-2i+1)。“實質上”的意思是幅值本身不需要被計算，但是具有這個實質的結果應該被達成。然而，達到該目的的最簡單和因而優選的方式是提供一個裝置，該裝置輸出數值xa的幅值，它的平方將到上面描述的裝置10和20中被估值。
但是調整裝置10和20本身是同樣可能的，要么它們確定輸入值xa的幅值，要么使用相應地調整的計算項的板本，例如，2i、2i+1和/或3xa的負值。后面的可能性可以，例如，被一種系統實現，在此系統中首先確定xa是否為非負或負，并且第一和第二處理值由下式計算2i≤xa＜2i+1(1)和ξa2＝2i·(3xa-2i+1) (2)如果xa是非負的，和由下式計算-2i+1＜xa≤-2i(1a)和ξa2＝2i·(-3xa－2i+1)＝-2i·(3xa＋2i+1) (2a)如果xa是負值。
顯然，這和基于2i≤｜xa｜＜2i+1決定第一處理值，基于(3｜xa｜-2i+1)決定第二處理值的結果是相同的。本發明企圖包含具有這種結果的所有可能性。
調整裝置10和20的可能性是很多的，對于本技術領域的技術人員是很容易發生的，因而沒有進一步解釋的必要。
圖7顯示本發明的基本方法的一個流程圖。第一步S1，讀一個數字值xa。然后在第二步S2中整數i被決定，對于i有2i≤xa＜2i+1。再然后第一處理值2i在第三步S3被計算，之后第二處理值(3xa-2i+1)在第四步被計算。最后基于第一和第二處理值估值ξa2在第五步S5被計算。
上面提到的與圖1和圖7有關的處理可以以任意合適的或合意的方式被執行。應該注意例如步驟S2和S3也可以合并成一步，例如通過確定數字值中最高有效位，然后簡單地輸出該最高有效位，而令所有其它位等于零，以作為正確的2的冪。
優選地，決定第一和第二處理值的處理如圖1中更詳細地顯示的那樣被執行。更加明確地，決定裝置10實際上找出數字值xa的最高有效位(MSB)，它以二進制表示被給出，然后將發現的位位置設為用于確定2的兩個冪的整數i，xa位于兩個冪之間。對于一個數字數的任意給定二進制表示(符號/幅值，一/二補數)，MSB的決定在本領域中是眾所周知的，不需要在這里解釋。然后決定裝置10通過保留MSB并將所有其它較低有效位設為0輸出值2i的一個二進制表示。結果，基于2的整數冪的一個數字值的平方的估值提供了對定位點2i的簡單決定過程的優點，因為這些定位點可以通過簡單地找出一個數字值xa中最高有效位來容易地決定。優選地，計算裝置20被這樣安排，第二處理值通過左移和加操作被計算。更加具體地，如圖1所示，計算裝置20優選地有一個左移裝置21，一個左移裝置22和一個加法器24。如看到的那樣，第二處理值(3xa-2i+1)可以通過在左移裝置22中將數字值xa乘以2和在加法器24中將乘的結果與數字值本身相加，從而產生3xa，在加法器24中從3xa中減去2i+1，其中2i+1通過在左移裝置21中將決定裝置10的輸出值2i乘以2生成。
在估值中使用2的冪作為定位點的優點在這里再一次變得明顯，因為包含乘2的操作可以在二進制數上進行簡單的左移操作進行。在左移裝置21和22的情況下，乘2通過一個左移被完成。在本領域中執行這種左移操作的電路是眾所周知的，因此這里不需要描述了。數字數的加裝置也是眾所周知的。
優選地，計算電路20通過將第一和第二處理值相乘計算估值ξa2，即ξa2＝2i·(3xa-2i+1)(5)該乘操作也可以被一個簡單的左移裝置23執行，它再一次是優選的，其中將第二處理值乘以2i以i次左移來完成。然后計算電路20輸出估值ξa2以便進一步處理。
注意盡管利用移位裝置和加裝置的處理是優選的，因為這導致非常簡單的硬件實現，可以使用其它進行該處理的裝置。
圖5展示了利用2的整數冪作為定位點對函數y＝x2的線性近似的基本思想，可以看出，數字值xa位于xi＝2i和xi+1＝2i+1之間，通過在點xi和xi+1之間假設曲線y＝x2的一個線性近似，xa的平方被估算。換句話說ξa2=xi2+xa-xixi+1-xi·(xi+12-xi2)]]>=xi2＋(xa－xi)·(xi+1＋xi)(6)=xaxi+1－xixi+1＋xaxi=xa2xi－xi2xi＋xaxi=xi·(3xa－2xi)=2i·(3xa－2i+1)可以看到，在為2的整數冪的定位點之間y=x2的線性近似直接導致估值ξa2的確定為第一和第二處理值的乘積。
圖2顯示了本發明的另一種實施例。圖2中和與圖1有關已經解釋過的元件相同的的元件具有相同的參考數，不再描述。圖2的實施例和圖1的實施例的差別在于圖2的安排另外有一個掩蔽電路25，用于在上面提到的第二處理值(3xa-2i+1)的基礎上產生一個調整的第二處理值。更具體地，掩蔽裝置從它的輸入端數字值中掩蔽一個預先確定的數i-Q的較低有效位，這樣以來這些較低有效位都被復位。
優選地掩蔽裝置25包含一個除和截斷裝置251和一個乘裝置252，如圖2所揭示的那樣。更具體地，第二處理值(3xa-2i+1)被輸入到除和截斷裝置251中，除和截斷裝置251通過對第二處理值執行(i-Q)次右移執行除以2i-Q，以從而截斷i-Q個最低有效位。然后乘裝置執行乘以2i-Q以將最高有效位恢復到它的原位置。在一次這優選地通過移位操作進行，在這種情況下(i-Q)次左移。該操作的結果是一個調整的第二處理參數 2i-Q[(3xa-2i+1)/2i-Q] (8)其中 指示截斷操作。應當注意掩蔽裝置25的掩蔽操作可以以任意合適的或合意的方式被執行或實現，但是上面描述的元件251和252的特定操作是優選的，因為它允許簡單的操作步驟和簡單的硬件。
圖6顯示了由簡單地將第一和第二處理值相乘決定的ξa2的，和由將第一和調整的第二處理值相乘決定的ξa2的近似誤差xa2-ξa2。圖6中所示結果使用的截斷參數Q是2。可以看出，無論xa的實際值是多大，平方值的簡單線性近似的誤差曲線(虛線)總是導致零或負近似誤差。這從圖5很容易理解，因為在xi和xi+1之間的線性近似總是位于曲線y＝x2的上方，因此估值ξa2總是大于xa2。當附加進行與圖2相聯系解釋的掩蔽操作時近似誤差在圖6中顯示為實線。可以看出，由于掩蔽操作近似誤差xa2-ξa2的值更加平衡，因為也出現了正值。這具有下面的效果如果多個數字值的平方被估算，估值的平方的平均數與數字值的平均數將更加精確地匹配。
在這一關系中應注意掩蔽操作掩蔽了i-Q個最低有效位。這意味著掩蔽的位數依賴于xa的幅值如果xa大，那么許多位被掩蔽，如果xa小，那么少數幾個或沒有位將被掩蔽。這種效應在圖6中是明顯的。
測量顯示最好的性能通過使用截斷參數Q＝2被獲得。
從圖6也可以看出，一般近似誤差的幅值隨著xa的幅度變大而變大。這是由于以下事實在較高振幅值xa的情況下定位點2i變得較為稀疏。換句話說，這是由于以下事實定位點不是沿著x軸均勻分布的。由于這個事實，本發明的數字值處理器和數字值處理方法基本上很好地應用于這樣的數字信號，其中較大幅值的數字值的出現與較小數字值相比較不頻繁或較不可能。在這種情況下，大幅值的較大近似誤差對一個估值ξa2的累積和平均數沒有大影響。
優選地，上面描述的實施例被用于估算一個數字信號的平均發射功率的功率估算設備，其中所述的數字信號正被提供給發射機。圖3顯示了圖1的數值處理器在這種功率估算電路中的應用，圖4顯示圖2的數字值處理器在這種功率估算電路中的應用。
圖3顯示，在各個幅值決定裝置60和60’中接收兩個分量的一種平均信號功率估算設備，兩個分量即一個同相分量和一個正交相位分量。應注意，圖3使用和圖1相同的參考數。其中添加的撇號“’”與處理正交相位分量的電路有關。可以看出，電路23和23’的同相分量平方的估值和正交相位分量的估值被加起來并被供給累積器30，累積器30被設置成累積有關預先確定的數目的估值。然后累積值在一個平均電路40中被平均。最后，為了產生一個平均功率估值，通過一個適當的查詢表，來自電路40的平均結果被變換成dBm或任何其它合適的測量單位。
圖4顯示一個基于圖2的數字值處理器的平均信號功率估算設備。考慮到兩個數值處理器，分別用于同相分量和正交相位分量，和考慮到一個累積電路30、一個平均裝置40和一個查詢表50，圖4的實施例與圖3的基本上類似。圖4和圖3的安排的差別在于以下事實圖4額外包含了掩蔽裝置25和25’。
如前面已經提到過的，本發明的設備和方法優選應用于幅值非均勻地分布在整個幅值范圍的信號的功率測量。展示這種行為的數字信號是，例如，由所謂的加權碼片組成的CDMA(碼分多址)信號。這些信號將典型地具有幅值集中在平均值附近的幅值分布，這是由于碼片在發射機的最大輸出功率給定的限制的條件下被計算的事實。換句話說，一個特定幅值的加權碼片的出現率對于接近平均幅值的幅值增大。根據中心極限定理，越多的單個(CDMA)信號被加起來，越滿足高斯分布。
盡管本發明基于具體的實施例被描述，本發明決不局限于此，本發明寧可被附加的權利要求定義。權利要求中的參考符號和參考數是試圖使得權利要求較容易理解，不限制發明的范圍。
權利要求
1.一種用于估算一個數字值(xa)的平方的數字值處理器，包括一個決定裝置(10)，它用于決定一個整數(i)，使得所述數字值(xa)位于2的所述整數(i)次冪和2的所述整數(i)加1次冪之間，和用于計算一個作為2的所述整數(i)次冪的第一處理值(2i)，和一個計算裝置(20)，它用于計算一個第二處理值(3xa-2i+1)，它等于3乘以所述數字值(xa)和2的所述整數(i)加1次冪的差，其中所述數字值(xa)的平方的一個估值(ξa2)在所述第一和第二處理值的基礎上被確定。
2.根據權利要求1的數字值處理器，其特征在于所述決定裝置(10)被安排成檢測所述數字值(xa)的幅值的最高有效位，和在所述最高有效位的基礎上決定所述整數(i)。
3.根據權利要求1或2的數字值處理器，其特征在于所述計算裝置(20)包括加裝置(24)和左移裝置(21，22)，和被安排僅僅在加操作和左移操作的基礎上執行所述第二處理值(3xa-2i+1)的計算。
4.根據權利要求1到3中任意一項的數字值處理器，其特征在于所述計算裝置(20)被安排作為所述第一處理值(2i)和所述第二處理值(3xa-2i+1)的乘積計算所述估值(ξa2)。
5.根據權利要求4的數字值處理器，其特征在于所述計算裝置(20)被安排通過左移操作(23)計算所述第一處理值(2i)和所述第二處理值(3xa-2i+1)的乘積。
6.根據權利要求1到3中任意一項的數字值處理器，其特征在于所述計算裝置(20)包括一個掩蔽裝置(25)，用于掩蔽所述第二處理值(3xa-2i+1)的較低有效位以產生一個調整的第二處理值2i-Q[(3xa-2i+1)/2i-Q]，和所述計算裝置(20)被安排作為所述第一處理值(2i)和所述調整的第二處理值2i-Q[(3xa-2i+1)/2i-Q]的乘積計算所述估值(ξa2)。
7.根據權利要求6的數字值處理器，其特征在于所述掩蔽裝置(25)被安排進行截斷操作。
8.根據權利要求7的數字值處理器，其特征在于所述掩蔽裝置(25)包括一個右移裝置(251)和一個左移裝置(252)，和被這樣安排，從而所述截斷操作包括在所述右移裝置(251)中將所述第二處理值(3xa－2i＋1)除以2的所述整數(i)與一個截斷參數(Q)的差次冪，以便產生一個截斷值[(3xa-2i+1)/2i-Q]和在所述左移裝置(252)中將所述截斷值乘以2的所述整數(i)與一個截斷參數(Q)的差次冪，以便產生所述調整的第二處理值2i-Q[(3xa-2i+1)/2i-Q]。
9.根據權利要求8的數字值處理器，其特征在于所述的截斷參數(Q)等于2。
10.一種平均信號功率估算設備，它用于估算一個將送給發射機的數字信號的發射功率，其中所述數字信號包括許多數字值(xa)，設備包括根據權利要求1到9中任意一項的數字值處理器，用于估算數字值的平方，一個累積裝置(30)，用于累積所述數值的一個預先確定數個估值的平方，和一個平均裝置(40)，用于平均累積的數值。
11.根據權利要求10的平均信號功率估算設備，其特征在于一個用于將平均的數值變換成一個絕對功率值的變換裝置(50)。
12.根據權利要求10或11的平均信號功率估算設備，其特征在于被并入到一個CDMA系統中，其中所述的數字值(xa)是加權的碼片。
13.根據權利要求10到12中任意一項的平均信號功率估算設備，其特征在于所述數字信號是這樣的所述數字信號中一個特定幅值的數字值的出現率相對于接近所述數字信號中數值的平均幅值的幅值增大。
14.根據權利要求10到12中任意一項的平均信號功率估算設備，其特征在于所述數字信號是這樣的所述數字信號中一個特定幅值的數字值的出現率相對于增大的幅值減小。
15.一種用于估算一個數字值(xa)的平方的數字值處理方法，包括決定(S2)一個整數(i)，使得所述數字值(xa)位于2的所述整數(i)次冪和2的所述整數(i)加1次冪之間，計算(S3)一個作為2的所述整數(i)次冪的第一處理值(2i)，計算(S4)一個第二處理值(3xa-2i+1)，它等于3乘以所述數字值(xa)和2的所述整數(i)加1次冪的差，和在所述第一和第二處理值的基礎上決定(S5)所述數字值(xa)的平方的一個估值(ξa2)。
16.根據權利要求15的方法，其特征在于通過檢測所述數字值(xa)的幅值的最高有效位決定步驟(S2)被做，和在所述最高有效位的基礎上決定所述整數(i)。
17.根據權利要求15或16的方法，其特征在于僅僅在加操作和左移操作的基礎上執行所述第二處理值(3xa-2i+1)的所述計算。
18.根據權利要求15到17中任意一項的方法，其特征在于作為所述第一處理值(2i)和所述第二處理值(3xa-2i+1)的乘積計算所述估值(ξa2)。
19.根據權利要求18的方法，其特征在于通過左移操作(23)計算所述第一處理值(2i)和所述第二處理值(3xa-2i+1)的乘積。
20.根據權利要求15到17中任意一項的方法，其特征在于所述計算步驟(S5)包括一個掩蔽步驟，用于掩蔽所述第二處理值(3xa-2i+1)的較低有效位以產生一個調整的第二處理值2i-Q[(3xa-2i+1)/2i-Q]和作為所述第一處理值(2i)和所述調整的第二處理值2i-Q[3xa-2i+1)/2i-Q]的乘積計算所述估值(ξa2)。
21.根據權利要求20的方法，其特征在于所述掩蔽步驟包括一個進行截斷操作的截斷步驟。
22.根據權利要求21的方法，其特征在于所述截斷操作包括將所述第二處理值(3xa-2i+1)除以2的所述整數(i)與一個截斷參數(Q)的差次冪，以便產生一個截斷值[(3xa-2i+1)/2i-Q]和將所述截斷值乘以2的所述整數(i)與一個截斷參數(Q)的差次冪，以便產生所述調整的第二處理值2i-Q[(3xa-2i+1)/2i-Q]。
23.根據權利要求22的方法，其特征在于所述的截斷參數(Q)等于2。
全文摘要
本申請涉及用于處理一個數字值從而確定所述數字值的平方的一個估值的一種設備和方法。在定位點的幫助下通過對平方函數進行線性近似實現了該估值,這些定位點為2的冪,這樣在第一處理值文檔編號G06F7/53GK1328663SQ99813894
公開日2001年12月26日 申請日期1999年11月3日 優先權日1998年11月30日
發明者M·舒利斯特 申請人:艾利森電話股份有限公司