信號的非線性處理的制作方法

專利名稱：信號的非線性處理的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及信號的非線性處理，并且特別是涉及信號的多級 數字非線性處理。
背景技術：
在許多系統中，特別是在無線電通信中，需要非線性地處理信號。 目的通常是信號應當保持在某些恒定的或取決于信號的界限內。常常 期望信號還保持在某個帶寬內，以便信號并不溢出到相鄰信道中或超 出頻譜發射限制。高性能非線性處理通常要求多個處理級，這導致大量硬件使用和 高功耗。常常，還需要高采樣率，這進一步增加功率和硬件方面的要 求。以高采樣率采樣的每個樣本的許多操作要求大功率。此外，高采 樣率還要求大量數目的門，從而反過來導致大的芯片面積，即高硬件 消耗。 一些現有技術系統認識到，在某些應用中，這可能是一個問題， 并且已經提出了建議，這些建議導致減少數目的處理級和/或降低的所 要求的采樣率，但不顯著地降低信號質量，這些建議的目的在于將功 耗降低到更便于管理的程度。發明內容盡管有現有技術的努力，對于高速、高精度地數字實現多級非線 性處理和濾波仍存在普遍問題，即功耗太高以及所需硬件量將會大。本發明的一般目的是提供方法和設備，這些方法和設備提供信號 的改進的非線性處理。本發明的另一目的是提供具有降低功耗和/或減 少硬件需求的非線性處理方法和設備。通過根據所附的權利要求所述的方法和設備實現上述目的。 一般 而言，本發明在單獨的處理支路中以降低的精度執行信號的頻帶限制 的非線性處理和濾波。產生低精度版本的輸入信號，該輸入信號在施 加在非線性處理上的約束條件下非線性地被處理。通過精度恢復處 理，最終補償由低精度產生的量化誤差和/或其他假象。精度恢復處理
精度信號。由于對于2相同的采樣率和時鐘頻率，乘法器、加法器和其他硬 件的尺寸更小，所以低精度(即在數字信號中，針對每個值的低位數) 產生低功耗。例如，乘法器的大小(即門的數目)隨著平方的位數按 比例縮放。然而，對于信號樣本以及過濾閥使用低位數增加了量化噪 聲，這通常破壞輸出信號。在本發明中，通過在電路末端(在完成低 精度處理之后)恢復精度，避免高量化噪聲的有害效應。信號的統計 學屬性產生比在現有的解決方案中在本發明中更好地利用的量化噪聲 的有用屬性。本發明的優點是減少硬件要求以及降低功耗，同時保持原始方法的高性能。


通過參考結合附圖的下述描述，可以最好地理解本發明及其另外 的目的和優點，其中圖1A-B是圖解說明改變信號的數字表示中的精度的效果的圖示；圖2是現有技術的非線性處理系統的實施例的框圖；圖3是根據本發明的非線性處理系統的實施例的框圖；圖4是根據本發明的峰均比(PAR)降低系統的實施例的框圖；圖5A是包絡消除和恢復(EER)類型的放大器裝置的實施例的框圖；圖5B是適合于圖5A的放大器裝置的、根據本發明的電源電壓發 生器的實施例的框圖；圖6是希萊克斯(Chireix)放大器裝置的實施例的框圖；圖7是動態柵極偏置(dynamic gate bias)放大器裝置的實施 例的框圖；以及圖8是根據本發明的方法的實施例的主要步驟的流程圖。
具體實施方式
本發明減少信號的某些頻帶限制的非線性修改所需的功耗和門的 數目。這通過在單獨的處理支路中使用降低的精度并在最后通過使用 延遲的高精度信號來恢復精度而實現，在延遲的高精度信號已被濾波 來降低所允許的信道外的量化噪聲之后，只有所提取的修改被增加到 該延遲的高精度信號。當使用信號的表示時，由于分辯率不足而出現量化噪聲。這些問 題主要與數字信號有關，其中，通過某個位數來表示樣本。高位數允 許更精確地表示原始信號，而較低的位數通常引入較大的差異。在圖1A中，示出連續曲線IOO，該連續曲線100表示連續信號。使用沿豎 坐標軸表示的精度來數字化該信號，從而產生多個樣本102，這些樣本 102由小正方形表示。在該例子中，表示每個值的位數增加一。如容易 注意到的那樣，量化導致原始連續信號與數字值之間的某些差異。通 過使用更高的分辯率，即，量化中的更高精度，諸如圖1B中所示，誤 差變得更小。代表具有更高精度的數字值的小菱形104通常更接近真 實信號值。在處理數字信號期間，出現類似的效果。具有高精度、即表示信 號的值中具有高分辯率的信號產生比具有較低精度的信號更可靠的結 果。這樣的量化噪聲總是存在于數字處理中，但當表示位的數目更低 時，這樣的量化噪聲變得更糟。在本發明中，以與非線性修改相同的方式處理由于非線性處理中 的低位數而引起的量化噪聲，因為在某些頻帶中允許更多量化噪聲。 通常，這些頻帶是原始信號占用的頻帶，即信道。因此，高量化噪聲 的問題被拆分成獨立解決的兩個問題，即帶內問題和帶外問題。另外，當非線性修改出現時，非線性修改本身是大規模的。因此， 原始方法的性能相對地不受大的帶內量化噪聲(也就是除了 ACPR和頻 譜發射以外的帶內量化噪聲)損害，該大的帶內量化噪聲與非線性修 改同時出現。因此，低精度并不對誤差矢量幅度或類似度量的大小增 加太多。峰值或類似特征的間歇屬性也是有用的，因為具有良好的實現方 案的間歇屬性產生間歇的量化噪聲，其中在大多數時間輸出中為零量 化噪聲。在信號峰值通過之后，濾波器(特別是FIR濾波器)的輸出 在大約濾波器長度的一半后衰減到零。因此，在許多應用中，濾波器 的大多數輸出將是零。這是非線性處理支路中的所需位數低于所期望 位數的原因。 圖2圖解說明根據現有技術的通用非線性處理設備的實施例。輸 入12接收具有相對高的精度的輸入信號14，即，具有表示每個樣本的 相當大的位數n的輸入信號。非線性處理部分10對n位信號起作用， 并且由于相對大的位數，非線性處理部分IO中的部件的大小必須相對 大。最終的處理過的n位信號16被提供給輸出18。圖3圖解說明根據本發明的非線性處理設備的實施例。在本實施 例中假定數字信號。輸入12接收由n位表示的輸入信號14。輸入信號 14被連接到提取器20。提取器2 0被設置用于提供代表輸入信號14的 低精度輸入信號22。因此，與輸入信號14相比，低精度輸入信號22 具有降低的精度，但表示相同的原始信號。由k位表示低精度輸入信 號22的樣本，其中，k〈n。在該圖中，傳送n位信號的連接被畫為粗 的未填充連接，而用單條窄線畫出傳送k位信號的連接。低精度非線性處理器11被連接到低精度輸入信號22。低精度非線 性處理器11被設置來在與圖2的非線性處理器IO相同的約束條件下 工作，然而，低精度非線性處理器ll對包含更少位的信號起作用。由 于低精度非線性處理器11對低精度信號起作用，所以該低精度非線性 處理器11可比圖2的非線性處理器10更小并且消耗更少功率。來自 低精度非線性處理器11的輸出產生非線性處理過的低精度信號24，該 非線性處理過的低精度信號24例如包括不同的量化噪聲。非線性處理過的低精度信號24和輸入信號14均被連接到精度恢 復處理器26。在這個精度恢復處理器26中，基于原始輸入信號14的 參考信號和非線性處理過的低精度信號24用來產生n位的精度恢復處 理過的信號l6。在優選的實施例中，非線性處理過的低精度信號24 與參考信號(在通常情況下為延遲版本的原始信號或者其函數)之間 的差值以高精度被濾波。然后，濾波過的差值被增加到參考信號上， 以便將處理過的n位信號16提供給輸出18。本發明的思想能有利地在許多不同的系統中實現。 一個例子是峰 均比(PAR)降低，也稱為減幅或限幅。(PAR)降低增加功率放大器 (PA)的效率和平均輸出功率。該目的是降低輸出信號的峰值振幅偏 移，同時將頻鐠展開保持在頻譜罩的指定限制和鄰道功率比(ACPR) 規格內。同時，將帶內誤差保持在指定限制內，例如保持在誤差矢量 幅度(EVM)規格內。 在圖4中示出PAR降低應用中的本發明的實現方案。輸入12接收 具有n位樣本的輸入信號14。輸入信號14被提供給提取器20，在該 實施例中，該提取器20包括提取n位輸入信號14中的k個最高有效 位(MSB)的塊21，從而產生低精度輸入信號22。低精度輸入信號22 被提供給低精度非線性處理器11，在該實施例中，該低精度非線性處 理器11執行信號限幅。非線性處理過的低精度信號24被提供給精度 恢復處理器26，該精度恢復處理器26恢復精度并在輸出18上產生處 理過的n位信號16。低精度非線性處理器ll在該實施例中包括多個連續的限幅濾波塊 13: 1-13: j。在每個限幅濾波塊13: 1-13: j中，低精度k位輸入信號 22連續地適合于目標限幅的信號形狀。然而，在每個限幅濾波塊 13: 1-13: j中，引入量化噪聲。精度恢復處理器26接收處理過的低精度信號24。最后的峰值提取 塊28從處理過的低精度信號24中減去n位輸入信號14，從而產生差 值信號38。在濾波器30中使用所有n位，精度濾波該差值信號，從而 產生峰值抑制信號40。最后，通過在加法塊32中將輸入信號14和峰 值抑制信號40相加，產生處理過的n位信號16。第一延遲塊52使n位輸入信號14與最終峰值提取塊28的非線性 處理過的/濾波過的信號24同步。第二延遲塊56進一步延遲n位信 號，以便與加法塊32處的峰值抑制信號40同步，該加法塊32將最終 輸出信號16合在一起。可替換地，在kMSBs塊之后獲得的并適當延遲的低精度(k位)信 號22能被用于最終峰值提取。然后，在用于最終峰值提取之前，在第 一延遲塊52之后獲得的n位信號能被轉換成k位(或一些其他位數， 諸如k+2位)形式。本發明也能有利地在動態漏極偏置系統(dynamic drain bias system)中實現。這種系統中的目的是使漏極端電壓保持在稍高于最 大化效率所需的最小值，同時限制其帶寬。最小漏極通常主要與放大 過的信號的包絡成比例。較低帶寬在漏電壓放大器中產生增加的效 率，這通常為開關模式。在圖5A中示出了通用的動態漏極偏置系統3。在輸入端"輸入" 接收要被放大的輸入信號。輸入信號被提供給非線性處理單元，在該
實施例中，該非線性處理單元為包絡信號單元69。通常在包絡放大器 70中放大包絡信號。動態補償器72處理該輸入信號，以便產生要被放 大的信號。放大過的包絡信號被用作針對要被放大的信號的放大器74 中的漏電壓。動態補償器72在這個實施例中優選地動態補償要被放大 的信號的振幅和相位的包絡信號中的變化，以便通常獲得線性放大過 的輸出信號。根據本發明，有利地設計包絡信號單元69。在圖5B中示出這種非 線性處理包絡信號單元1的實施例。給輸入12供給n位的輸入信號 15。輸入信號15被提供給包絡檢測器17，該包絡檢測器17檢測輸入 信號15的包絡信號14。包絡信號14被提供給處理器46，從而產生為 信號包絡14的函數F2的信號。該函數輸出信號構成該裝置的其他部 分的種子信號。在濾波器48中對該函數輸出信號進行濾波，從而產生 種子信號5 0。包絡信號14也被提供給提取器2 0，其中，在第一提取 塊21:1中，n位信號被減少到k位信號(k<n) 22:1。低精度k位信 號被提供給處理器42，從而產生為低精度版本的信號包絡14的函數 Fl的信號。然后，在延遲單元44中延遲來自處理器42的輸出，以便 與參考信號50同相。來自延遲單元44的輸出信號是低精度參考信號 22:3，該低精度參考信號22:3充當用于產生所請求的輸出信號的目 標。還給提取器20供給種子信號50，該種子信號50被連接到第二提 取塊21: 2，從而產生表示種子信號50的低精度k位參考信號22: 2。低精度參考信號22:3和低精度種子信號22:2被供給低精度非線 性處理器11，從而產生低精度輸出信號24。低精度非線性處理器11 優選地包括多個級聯處理步驟，以便找到適當的輸出信號。在延遲單 元52中將種子信號50延遲對應于由低精度非線性處理器11引起的延 遲的時間，從而產生時間同步的種子信號54。時間同步的種子信號54 和低精度輸出信號24被提供給精度恢復處理器26。精度恢復處理器26接收低精度輸出信號24。最終峰值提取塊28 從低精度輸出信號24中減去n位種子信號54，從而產生差值信號。在 濾波器30中使用所有n位，精度濾被該差值信號，從而產生峰值抑制 信號40。最后，通過在加法塊32將種子信號54和濾波過的差值信號 40相加，產生處理過的n位信號16，并在輸出18處呈現該處理過的n 位信號16。在延遲單元56中進一步延遲種子信號54，以與濾波過的
差值信號40同相。
如圖5B中所示，優選地在生成和濾波種子信號50之后完成將作 為低精度處理的輸入的包絡信號本身轉變成低精度。通過延遲單元52 和56，以高精度形式延遲濾波過的種子信號50，如圖5B中所示。延 遲單元52之后的信號被用于最終特征提取，并且延遲單元56將種子 信號54延遲來在最后的組件(加法器)處同步。在非線性函數Fl之 前，參考信號(通常是最小包絡信號)能被改變成k位形式，如圖5B 所示。到k位的轉變可替換地放置在處理器42和延遲單元44之后， 由此這兩個單元相反地必須對高精度信號起作用。
根據現有技術思想的動態漏極偏置原理的PAR降低和放大要求相 對大的電源。對于在與其他基帶或中間頻率處理相同的ASIC中或相同 的FPGA中共同放置例如PAR降低或動態漏極偏置處理，將要求甚至更 低的功耗。這能通過應用本發明的思想來實現。
存在其中能有利地應用本發明的多個系統的其他例子。在多爾蒂 (Doherty)和希臬克斯PA系統中，例如能顯著地增加效率。圖6圖 解說明希萊克斯PA系統4。輸入信號輸入端經由控制網絡被連接到兩 個功率放大器76、 78。希萊克斯放大器4的控制網絡通常包括信號分 量分離器80，從而產生相位調制過的恒定振幅信號。在功率放大器76、 78中放大這些信號之前，在濾波器82、 84中向上變換這些信號。組合 器網絡86將單個放大過的信號組合成(提供給負載輸出的)輸出信號， 在該實例中，該負載輸出被連接到天線88。選擇這些恒定振幅的信號 的相位，以便來自希萊克斯組合器網絡86中的這些矢量總和的結果產 生所需振幅。能用這種方式獲得從零至全振幅的所有振幅以及負振 幅。
放大器漏極端的展平電壓應當顯示出最小過沖。根據本發明，通 過使用非線性設備82、 84，能制造滿足該條件并保持在有限帶寬內、 以及進一步增加效率的非線性放大器信號。能使用與用在PAR降低(圖 4)中類似的配置和處理。界限是恒定的并施加到復合信號的振幅。由 于界限是恒定的，所以不需要附屬的參考非線性信號。
動態柵極偏置系統是適合于本發明的思想的另一應用。圖7圖解 說明動態柵極偏置系統5的一個實施例。意圖放大被提供給該系統5 的輸入信號，并將該輸入信號提供為射頻輸出信號。輸入信號被連接
到輸入檢測器94，該輸入檢測器94被設置來確定輸入的瞬時(包絡) 大小度量。輸入檢測器94的輸出被連接到偏置信號發生器92，該偏置 信號發生器92生成要被用于提供實際放大操作的偏置信號。因此，偏 置信號發生器92提供取決于輸入信號的偏置信號。該偏置信號發生器 通常還包括偏置放大器。取決于輸入信號的信號被提供為驅動信號。 在匹配單元96中匹配該驅動信號和偏置信號，并將該驅動信號和偏置 信號提供給放大器98 (例如功率晶體管)，從而根據所選擇的驅動信 號和偏置信號來執行實際放大。預失真單元90被連接到輸入信號以及 輸入檢測器的輸出端，用于實現輸入信號的適當的預失真，通常用于 提供線性輸出信號。因此提供輸出信號。通過以取決于輸入信號的大 小的適當方式來選擇預失真和偏置，能實現有效放大。
功率晶體管98的理想柵偏置通常是輸入振幅的非單調函數。驅動 放大器的輸出功率的限制給偏置函數提供嚴格界限，并且偏置生成和 放大電路中的帶寬限制也對帶寬施加限制。通過應用和修改用于動態 漏極偏置(圖5B)的技術，偏置信號發生器92能更有效地提供信號， 反過來產生更有效的放大。
在如上所述的實施例中，已經假定數字信號。然而，本發明也能 用于模擬信號。當以低精度非線性處理模擬信號時，由于低精度而產 生不同的假象。模擬應用中的精度恢復旨在去除任何這種與精度相關 的假象。
本發明的主要優點是大大地降低計算成本。特別地，級聯非線性/ 濾波器步驟中的濾波器處理級要求對每個信號樣本執行大量乘法和加 法。如果維持相同的時鐘速率，在處理中將位數減少到一半(其是用 于實際實現的典型形象)而將乘法器的大小減小四倍。功率消耗通常 與大小成比例，例如與門的數目成比例，因此，通過本發明能顯著地 降低芯片面積和功耗。在電路末端需要額外的過濾級來恢復精度，但 這與通過處理支路中的降低精度所獲得的相比通常具有邊緣成本。
上述實施例應當被理解為本發明的幾個示例性例子。本領域的技 術人員將理解，在不背離本發明的范圍的情況下，可以對這些實施例 做出各種修改、組合和改變。特別地，不同實施例中的不同部分解決 方案能結合在其中在技術上是可能的其他配置中。然而，本發明的范 圍由隨附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種用于非線性處理受約束的信號的方法，該方法包括以下步驟從輸入信號(14)中提取與輸入信號(14)相比具有降低的精度的低精度版本的輸入信號(22，221-3)；非線性處理受約束的低精度信號(22，221-3)；以及精度恢復非線性處理過的低精度信號(24)。
2. 如權利要求l所述的方法，其中，精度恢復的步驟包括處理非 線性處理過的低精度信號(24)與參考信號(54)之間的差值，用于 降低由低精度處理引入的假象，以及將處理過的差值增加到參考信號(54)。
3. 如權利要求2所述的方法，其中，參考信號(54)取決于輸入 信號(14)。
4. 如權利要求1至3中的任何一個所述的方法，其中，非線性處 理的步驟依次包括級聯的處理級(13: l-j )。
5. 如權利要求1至4中的任何一個所述的方法，其中，受約束的 信號的非線性處理與峰均比降低相關聯。
6. 如權利要求1至4中的任何一個所述的方法，其中，受約束的 信號的非線性處理與多爾蒂和/或希萊克斯放大器系統(4)中的信號 調節相關聯。
7. 如權利要求1至4中的任何一個所述的方法，其中，受約束的 信號的非線性處理與動態漏極偏置系統(3)中的信號調節相關聯。
8. 如權利要求1至4中的任何一個所述的方法，其中，受約束的 信號的非線性處理與動態柵極偏置放大器系統(5)中的信號調節相關聯。
9. 如權利要求1至8中的任何一個所述的方法，其中，輸入信 號(14)是數字信號。
10. —種用于非線性處理受約束的信號的設備，該設備包括 提取器(20)，該提取器(20)被連接到輸入信號(14)，該提取器(20)被設置用于提供與輸入信號(14)相比具有降低的精度的 低精度版本的輸入信號(22， 22:1-3);非線性處理器(11)，該非線性處理器(11)被連接到代表低精 度信號(22， 22:1-3)的信號，該非線性處理器(11 )被設置來在約 束條件下操作，以便產生非線性處理過的低精度信號(24);以及精度恢復處理器(26)，該精度恢復處理器(26)被連接到代表 非線性處理過的低精度信號(24)的信號。
11. 如權利要求10所述的設備，其中，精度恢復處理器(26)被 設置用于處理非線性處理過的低精度信號(24)與參考信號(54)之 間的全精度差值，用于降低由低精度處理引入的假象，以及將處理過 的差值增加到參考信號(54)上。
12. 如權利要求11所述的設備，進一步包括參考信號發生器(46 )， 該參考信號發生器(46)被連接到代表輸入信號(14)的信號。
13. 如權利要求10至12中的任何一個所述的設備，其中，非線 性處理器(11 )依次包括級聯的處理器級(13: l-j )。
14. 如權利要求10至13中的任何一個所述的設備，其中，輸入 信號(14)是數字信號。
15. 用于峰均比降低的系統，其包括如權利要求10至14中的任 何一個所述的設備(1 )。
16. 多爾蒂和/或希萊克斯型的放大器系統(4)，其包括如權利 要求10至14中的任何一個所述的設備。
17. 動態漏極偏置放大系統(3)，其包括如權利要求10至14中 的任何一個所述的設備。
18. 動態柵極偏置放大器系統(5 )，其包括如權利要求10至14 中的任何一個所述的設備。
全文摘要
在非線性處理系統中，在單獨的支路中，以低精度執行主要的非線性處理和濾波。在提取器(20)中產生輸入信號(14)的低精度版本(22)，該輸入信號(14)的低精度版本(22)在被施加到非線性處理的約束條件下在低精度非線性處理單元(11)中非線性地被處理。最終，使用全精度信號(14)在精度恢復單元(26)中通過精度恢復處理來去除通過使用低精度信號產生的量化誤差或其他假象。
文檔編號H03F1/00GK101128976SQ200580048688
公開日2008年2月20日 申請日期2005年2月25日 優先權日2005年2月25日
發明者R·希爾伯格 申請人:艾利森電話股份有限公司