減小調制信號動態范圍同時不增大帶外功率的系統和方法

專利名稱：減小調制信號動態范圍同時不增大帶外功率的系統和方法
技術領域：
本發明涉及在不增大帶外功率的情況下減小調制信號動態范圍的系統和方法。
背景技術：
諸如碼分多址接入(CDMA)、寬帶CDMA或正交頻分復用(OFDM)之類的現代RF調制標準可以產生具有極高波頂因子(crestfactor)的信號。術語波頂因子一般指信號中的波峰功率與平均功率之比。例如，如果信號的平均功率為1瓦，但其偶然峰值為10瓦，則波頂因子為10dB。圖1例如示出可從小區基站發射的單載波寬帶CDMA波形的互補累積分布函數(CCDF)圖100。與隨機分布曲線104相比，曲線102以dB為單位示出了超出平均功率電平的信號功率的分布。圖100示出，對于大約0.01％的樣本，波峰功率超出平均功率10dB。圖100還表明，CDMA信號非常類似于噪聲的隨機分布。
CDMA信號波形中功率的大尖峰(spike)會給RF電子器件(尤其是放大器)帶來麻煩，這是因為系統必須被設計成在不損害波峰或帶來不想要的失真的情況下處理波峰，失真會導致不想要的信號泄漏到相鄰信道中，其中信道對應于頻率通信頻帶。對于放大器的情況，建立能夠使大波峰通過而又不會帶來有問題的失真的放大器的成本可能很高。例如，如果需要將波頂因子為10的1瓦平均功率信號放大10dB，則放大器可能需要能夠產生100瓦(不僅僅是10瓦)才能夠處理大波峰。
另一解決方案是對信號進行處理來減小波頂因子。該過程被稱為限幅(clipping)，其中限幅用于減小波形中的波峰功率，以使其不會超過預定的限幅電平。最簡單的方法是將信號功率限制到某個預定電平。用于簡單地阻擋功率峰值中超過限幅電平的部分的方法被稱為硬限幅，硬限幅的問題在于它產生了大量超過原始信號頻帶的不想要的信號功率。硬限幅的這種效果有時被稱為頻譜泄漏。圖2A和2B示出單載波CDMA波形在特定時刻的基帶頻譜202，以及同一波形202在被硬限幅為將波峰信號功率減小到平均值以上8dB之后的基帶頻譜204。頻帶線206用于示出下一更高頻率通信信道的較低頻率，一般而言，每個載波的所需帶寬大約為5MHz。通過參考信號202和204所示，硬限幅過程極大地增大了帶外功率，在硬限幅過程中，所有超過限幅電平的功率都被簡單地從波形中切掉。在本文中，帶外功率指的是5MHz通信頻帶以外的功率，而帶內功率是在大約5MHz的通信頻帶內的功率，并且硬限幅充當一個極大地改變了原始信號的頻率特性的非線性操作，尤其成問題的是非線性效果之一是極大地增大了分配給該通信信道的頻帶以外的頻譜中的功率。硬限幅過程減小了信號的動態范圍，但是它極大地增大了帶外能量。
另一限幅方法是軟限幅，其中信號通過一非線性操作被處理，該非線性操作使小幅信號以固定增益通過，但隨著信號幅度增大，表現出的增益越來越小。該方法基本上是與硬限幅的折衷。它具有較小的頻譜泄漏，但不能完美地限幅。在某些早先的情況下，為了減小限幅操作生成的帶外功率，已經使用了限幅后濾波器。然而，使用濾波器可能增大波頂因子。因此，滿足減小波頂因子但不生成帶外功率的雙重需求成為一個麻煩的問題。


圖1是可從小區基站發射的CDMA信號的CCDF圖。
圖2A和2B是示出單載波WCDMA波形的基帶頻譜以及對WCDMA波形應用硬限幅的效果的圖。
圖3示出本發明的系統的實施例的框圖。
圖4是示出本發明的波頂信號處理系統的實施例的框圖。
圖5A-5B示出時域和頻域中的限幅小波。
圖6示出本發明的方法，其中限幅小波是基于超過限幅閾值的波峰的特性來確定的。
圖7是示出對CDMA信號應用本發明的方法的實施例的效果的CCDF圖。
圖8A-8C是對比在CDMA波形上應用硬限幅和高斯限幅的效果的頻譜圖。
圖9是示出本發明的方法的實施例的流程圖。
圖10是本發明的系統的實施例的框圖。
圖11是本發明的系統的另一實施例的框圖。
具體實施例方式
這里本發明的系統和方法的實施例用于處理信號，該處理減小了信號的波頂因子，有利的是，該處理不會增大帶外功率。該操作用于識別信號波形中超過限幅閾值的波峰，并分析波形特性，包括識別波形中的各個波峰，然后向波形添加小波。小波一般是具有受限的頻帶并具有受限的持續時間的波形。這種小波的添加提供了處理后的波形，該波形具有比原始波形更低的波頂因子，并且這種波頂因子的減小是在不產生額外帶外功率的情況下實現的。這之所以是可能的是因為整個操作完全是線性的，并且添加的小波的頻譜質量是基于波形中各個波峰的特定特性和分配的信道帶寬來選擇的。
因為該操作是線性的，因此通常與非線性限幅操作相關聯的頻譜泄漏問題不存在。被添加到原始波形用以減小波峰信號幅度的有限持續時間的小波可以根據被限幅的波形的類型來具體修剪(tailor)。通過提供頻帶受限的波形，向相鄰通信信道添加不想要的帶外功率的問題得以避免。如下面將更詳細論述的，添加的小波可以按需計算，或者它們可以被預先計算并被存儲在查找表中，查找表提供了多個不同小波的庫，該庫將被按需訪問。在一個實施例中，系統可以被實現在可編程的數字硬件中，因為與某些使用模擬硬件執行某些限幅任務的其他限幅技術不同，這里的過程可以完全使用數字處理來實現。
圖3示出本發明的實施例的通信系統300的高級視圖。該通信系統例如可被用在蜂窩電話系統中，或無線通信網絡中。通信系統300包括數據源302。數據源可以提供語音信號信息或者可以是某種其他數據源，數據信號304被數據源302輸出。調制器306隨后按多種現有調制方案之一對信號進行調制。在某些情況下，調制器306輸出的調制后的信號可被表示為具有同相分量(I)308和正交分量(Q)310的復信號。I/Q信號分量被輸入到波頂減小信號處理系統312。注意，輸入的I/Q信號可以被信號處理系統312的模數轉換器(未示出)轉換，并且信號處理系統312的操作可以使用數字處理硬件和軟件來實現。信號處理系統312進行操作，利用不會增大帶外功率的線性操作將輸入的信號分量的波峰減小到限幅閾值以下。波頂信號處理系統312的操作下面將更詳細論述。在信號處理器312已減小了信號的波頂因子之后，處理后的I/Q信號314和316被輸入到調制器/放大器318，調制器/放大器318用于將信號314和316上變頻到RF發射頻率，并將放大的RF信號320提供到發射設施322以待發射。
圖4示出波頂信號處理系統400的一個實施例。實施例400可被實現在現場可編程門陣列(FPGA)或ASIC或其兩者的組合中。另外，當較低處理速度就足夠時，可以考慮使用通用數字信號處理器和存儲器，它們被編程為實現這里描述的功能。圖中示出了對應于輸入到系統400的數據信號的數據流中的同相(I)和正交(Q)分量信號402和404，這些不同分量中的每一個被臨時存儲在相應管道(pipeline)406和408中。這些管道406和408可被實現為一系列寄存器，這些寄存器存儲輸入波形樣本的足夠集合，來輔助在存儲的波形中的大信號波峰的搜索與分類。這些管道充當存儲器模塊，在某些實施例中，這些存儲器模塊可以存儲不同時間點上與輸入信號相對應的多個波形，其中每個不同波形對應于輸入信號的一部分。在系統400中，狀態機410被配置為執行分類操作，并且基于分類操作，狀態機410確定存儲在小波庫412中的哪個小波應該被添加到接收的波形，從而減小該波形中各個超出限幅閾值的波峰的總體信號幅度。因此，狀態機操作為分析和識別波形特性的分析器。
小波庫412可被實現在RAM存儲器中。在一個實施例中，小波庫412包含多個不同小波，其中每個小波與相關聯的波形分類相關。波形分類可以用于將識別出的波形特性與一個小波相關聯，該小波可被添加，以便減小波形中超過限幅閾值的任意波峰。在系統400中，所需小波被從RAM中找出，并且該小波的同相和正交分量被添加到I、Q數據波形。在系統400中，該添加是通過將波形從第一I管道406移位到第二I管道414，然后在I加法器寄存器416中添加來自庫412的相應I小波來實現的。隨后Q數據波形以類似方式被處理，其中Q波形被從第一Q管道408移位到第二Q管道418中，然后由Q加法器420來實現添加。輸出信號422和424隨后可被用來調制RF載波并被發射。如下面將更詳細論述的，本發明的另一實施例可用于計算將添加到接收的波形的一個或多個小波的特性，以便將波形中的波峰減小到所需限幅閾值以下。
下面描述本發明的用于執行線性加法限幅操作的方法的實施例的附加方面。該示例性方法基于高斯形小波的使用，其中小波的添加提供限幅操作，并且該小波可被認為是限幅小波。高斯波形在時域和頻域上都具有作為高斯的有利屬性。圖5示出高斯波形的時域和頻域響應。具體而言，時域中的高斯信號502被示出在圖5A中，頻域中的高斯信號被作為信號504示出在圖5B中。
在本發明的方法的一個實施例中，執行多個操作。首先，接收輸入信號。該輸入信號例如可以是CDMA信號。輸入信號的樣本隨后被存儲在存儲器中。該輸入信號的樣本的存儲產生一系列按時間排序的波形，這些波形基于采樣速率在時間上彼此隔離。每個存儲的波形對應于輸入信號的一部分，這是因為它在給定的時間上捕獲信號波形。一般而言，存儲的波形的數目應該足夠大，以使足夠多個連續波形樣本被緩沖，從而可以對信號實現精確的分析和處理。
例如在系統400中，IQ緩沖器的長度和大小應該是這樣的，即使其捕獲被處理的整個波形頻帶。另外，緩沖器必須具有足夠容量，以使得到前一緩沖器和后一緩沖器存在重疊，從而使添加的限幅小波(例如高斯函數)不會被截短，因為小波的截短會導致頻譜泄漏。
在接收的信號的波形被存儲之后，緩沖的復信號的幅度被分析以確定波形的特性。分析包括判斷緩沖的一個或多個樣本中是否有任意波峰超過所需預定最大所需電平，該最大所需電平這里被稱為限幅閾值。如果檢測到超過限幅閾值的波峰，則確定該波峰中心的索引位置、幅度和相位。當識別出超過限幅閾值的波峰時，隨后使用表征該波峰的信息來查找存儲在小波庫中的正確的高斯小波，以用于未決的小波添加。該存儲的高斯小波可以是具有零相位的全刻度波形。分析器可以利用識別出的波峰特性(例如位置、相位和幅度)實時地執行必要的比例縮放和相位移位。小波的相位被選為與超過限幅閾值的波峰的相位相差180度，并且可以使用針對小波的比例縮放閾值，其中比例縮放閾值是這樣選擇的，即使得小波波峰的幅度等于原始波形波峰超出限幅閾值的量。在系統400中，為了有時間在存儲在RAM中的小波庫中查找小波以及有時間處理比例縮放和相位信息，提供了第二組緩沖器414和418。
圖6是示出在單載波寬帶CDMA波形602中檢測出的波峰之一超過限幅閾值時的限幅操作的圖600。具體而言，在圖600中，在稍早于49.5微秒時，波形602具有一個超過限幅閾值604的幅度。每個可能臨時存儲在緩沖器或系統存儲器中的樣本點在波形602上被示為小點。樣本點606對應于超過限幅閾值604的波峰。分析每個樣本點，當確定該樣本超過限幅閾值時，分析該樣本波峰并識別其特性。
在波峰位于樣本點606的情況下，分析并確定波峰的位置，表征波峰的形狀，并且確定波峰的幅度。基于識別出的波峰的特性，選擇一個高斯小波，該高斯小波隨后基于樣本點606處波峰超過限幅閾值604的量被縮放，并且該高斯小波的相位被適當移位，以使該高斯小波到點606處波峰的添加被減小，從而使其不超過限幅閾值。經比例縮放的高斯小波在圖6中被示為波形608。高斯小波608對應于圖5A中的高斯小波。在添加了經比例縮放和相位調整后的高斯小波608之后，點606處波峰的幅度減小，以使其不超過限幅閾值。該程序隨后可被應用到整個波形頻譜，并且CCDF圖可被用來計量限幅的效果。
圖7是示出對寬帶CDMA波形(例如在圖8中被示為波形802)應用限幅操作的效果的CCDF圖700。圖700示出第一曲線702，其對應于沒有應用小波限幅的波形802的CCDF。圖7中的曲線704示出應用小波限幅的效果，曲線704和曲線702相比表明波頂因子已減小超過3dB。該示例的目的不是為了展示波形可被壓縮多少，而是為了例示根據這里的實施例應用小波限幅的效果。當限幅電平減小時，問題變得更有挑戰性。在緩沖的波形子集中可能出現兩個或甚至三個超過限幅閾值的波峰，從而提高了確定將被添加的小波的復雜性。
圖8A-8C示出應用這里描述的小波限幅過程的效果。圖8A示出原始CDMA波形802的基帶頻譜。圖8B示出已經對波形802應用了非線性硬限幅操作后得到的波形804的頻譜。頻帶線808被用于示出下一更高頻率通信信道的較低頻率，其中一般而言，每個載波的所需帶寬大約為5MHz。注意，波形804的帶外功率比波形802的邊帶頻譜內容大得多。圖8C示出波形806，其中已經根據這里的系統或方法的實施例應用了高斯小波限幅。用于生成波形806的小波限幅的結果是大大減小了波頂因子，但是幾乎沒有改變波形806的帶外功率，這是因為該小波被修剪得使添加的高斯小波的所有頻譜功率都處于與原始信號相同的頻帶內。
圖9是示出本發明的方法900的實施例的流程圖。首先，接收輸入信號(902)。輸入信號例如可以是CDMA信號或任意寬范圍內的其他信號。從輸入信號中得到的足夠多個輸入波形樣本被存儲在存儲器中(904)。隨后分析存儲的波形(906)。對波形的分析包括識別波形中超過限幅閾值的任意波峰(908)。當識別出超過限幅閾值的波峰時，確定該波峰的特性(910)。波峰特性例如可以包括識別波峰的形狀、波峰的幅度(具體而言是波峰超出限幅閾值的量)以及波峰的位置。利用波峰特性，確定限幅小波(912)，該限幅小波的確定可以通過計算限幅小波的所需特性來實現，或者可以使用限幅小波庫，它使不同波形特性與不同限幅小波相關。在確定了限幅小波之后，該小波的大小可被縮放，并且可以與識別出的波峰對齊(914)。限幅小波隨后被添加到波形(916)，這提供了具有較低波頂因子的處理后的波形。因此，本發明的實施例的方法的結果是減小了調制信號的動態范圍，同時不增大信號的帶外功率。處理后的波形隨后通過通信系統被發射(918)，其中波形最終被接收機接收并被解調，波形中的數據和信息隨后可被例如用在蜂窩電話系統或wi-fi通信系統中。對輸入信號的處理是連續操作，其中當一個波形正被采樣時，另一波形可以處在通過添加限幅小波被限幅的過程中，因此本方法在正被采樣和處理的信號的發射中提供了極小的延遲。
圖10是通信系統1000的各個方面的框圖。通信系統1000包括根據本發明實施例的波頂信號處理器系統1002。信號處理器系統1002包括一個輸入，其中信號處理器的采樣器1006捕獲輸入信號1004的波形樣本。依賴于信號處理系統的實施例，采樣器可以包括模數轉換器。由采樣器捕獲的波形隨后被存儲在處理器系統1002的存儲器模塊1008中。分析器模塊1010隨后分析波形，以識別超過限幅閾值的波峰的特性。基于超過限幅閾值的波峰的特性，分析器可以從小波庫1012中確定合適的限幅小波。小波隨后被從存儲器傳遞到加法器模塊1012，在加法器模塊中，確定的線幅小波可被添加到波形。應該注意，分析器模塊1010可以包括用于縮放限幅小波并對齊限幅小波相位的子模塊，如上所述。加法器模塊1012隨后輸出處理后的波形。可以提供附加處理模塊(未示出)來進一步處理波形，處理后的波形最終被通信系統1002的發射器1014發射出去。
圖11示出本發明的系統1100的另一實施例的框圖。在很多方面，系統1100非常類似于上述系統1000。因此，在圖10所示模塊非常類似于圖11所示相應模塊的情況下，在圖11中使用相同的標號。圖11和圖10的實施例之間的一個極大不同在于圖11中的分析器模塊1104包括小波計算模塊，該模塊基于超過限幅閾值的波峰的特性來計算限幅小波。由于分析器1104包括小波計算調制，因此信號處理系統1102不需要包括如圖10的系統1002所提供的限幅小波庫。
雖然這里描述的實施例示出本發明的某些可能實現方式，但是本領域技術人員將意識到，雖然高斯小波對于以上示例可以很好地工作，但是也可以使用其他有限持續時間的帶寬受限函數。
雖然這里僅示出和描述了本發明的特定實施例，但是本發明不局限于這些實施例。相反，本發明的范圍將由這些描述與所附權利要求及其等同物來限定。
權利要求
1.一種在通信系統中處理信號的方法(900)，該方法包括分析(906)所述信號的波形，以識別所述波形的特性，其中識別出的特性包括識別(908)所述波形中超出限幅閾值的第一波峰；基于所述識別出的所述波形的特性，確定(912)將添加到所述波形的限幅小波；將所述限幅小波添加(916)到所述波形以提供處理后的波形，其中所述限幅小波到所述波形的添加用于將所述第一波峰減小到所述限幅閾值以下；以及發射(918)所述處理后的波形。
2.如權利要求1所述的方法，還包括在分析所述波形之前，將所述波形存儲(904)在存儲器中。
3.如權利要求1所述的方法，還包括提供多個不同的限幅小波的庫；其中所述確定的(912)限幅小波是從所述多個不同小波的庫中識別出的。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述確定(912)所述限幅小波包括在分析(906)所述波形之后計算所述確定的限幅小波。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述確定的(912)限幅小波是高斯函數。
6.一種用于減小接收信號(1004)的波頂因子的信號處理系統(1002)，所述信號處理系統包括分析器模塊(1010)，其分析所述信號的波形以識別所述波形的特性，其中所述識別出的特性包括識別所述波形中超出限幅閾值的第一波峰，并且基于所述識別出的波形特性，所述分析器還用于確定將添加到所述波形的限幅小波；以及加法器(1012)，其用于將所述限幅小波添加到所述波形，其中所述限幅小波到所述波形的添加用于將所述第一波峰減小到所述限幅閾值以下。
7.如權利要求6所述的信號處理系統，還包括存儲器模塊(1008)，其在所述分析器模塊對所述波形進行分析時存儲所述波形。
8.如權利要求6所述的信號處理系統，還包括庫模塊(1012)，其包含多個不同的限幅小波；并且其中所述分析器模塊(1010)用于基于所述識別出的特性，從所述多個不同限幅小波的庫中選擇所述確定的限幅小波。
9.如權利要求6所述的信號處理系統，其中所述分析器模塊包括小波計算模塊，其基于所述識別出的波形特性來計算所述確定的限幅小波。
10.如權利要求6所述的信號處理系統，其中所述確定的限幅小波是高斯函數。
全文摘要
本發明公開了一種用于減小輸入信號的波頂因子并且不增大信號帶寬的信號處理系統(1002)和方法(900)。一個實施例提供了識別(908)輸入信號中超過限幅閾值的波峰的步驟。這樣識別的波峰的特性隨后可被用來確定限幅小波，限幅小波可被添加(916)到輸入信號的波形，以使波峰將不會超過限幅閾值。小波的添加是線性操作，并且限幅小波在帶寬和時間上受限，因此它不會增大輸入信號的帶外頻譜內容。
文檔編號H04L27/34GK1984114SQ200610138798
公開日2007年6月20日 申請日期2006年11月15日 優先權日2005年11月21日
發明者保羅·L·克雷多拉 申請人:安捷倫科技有限公司