全球移動通信系統演進增強數據速率限幅器峰均比降低的製作方法
2023-12-08 17:51:31 1
專利名稱：全球移動通信系統演進增強數據速率限幅器峰均比降低的製作方法
技術領域：
本發明涉及降低功率放大器中發射信號的峰均比平均幅度(peak-to-mean average amplitude)，尤其涉及利用EDGE限幅器降低多載波通信系統的功率放大器的峰均值比平均幅度。
背景技術：
例如GSM(全球移動通信系統)演進增強數據率(EDGE)系統的移動通信系統在無線收發基站的發射機中利用功率放大器發射信號。
眾所周知，具有高峰均(平均)比(PAR)的信號對功率放大器的線性度提出了很高的要求，因此會降低功率放大器的有用功效並增加功率損耗。為了提高效率，利用算法來降低所發射的EDGE信號的峰均比。儘管如此，系統的要求仍然對可實現PAR降低產生限制。主要的發射要求是信號頻率、峰值EVM(誤差向量值)幅度和RMS(均方根)EVM。
限幅算法提供了一種降低PAR的方法，但卻增加了發射信號的EVM。就WCDMA(寬帶碼分多址)信號而言，以前已經研究過不同的限幅算法，因此已經提出了某些算法以進行實現。在多載波EDGE信令的情況下，已經專門研究過限幅的課題。
面臨的挑戰是使PAR最小化，但最好不損害發射信號的頻率要求、峰值EVM要求和RMS EVM要求。
現在正在討論使EDGE傳輸中的峰均比(PAR)最小化的不同方法。使EDGE的PAR最小化可增強功率放大器的可實現效率。然而在已知的建議方案中，降低PAR的信號的時域特性會相當快速地惡化。
發明內容
本發明提供一種降低多載波信號峰均比的方法。該方法包含步驟根據多載波信號生成殘留信號，該殘留信號表示多載波信號和硬限幅的多載波信號之間的差值；對多載波信號的每個載波的殘留信號應用最小二乘函數，由此生成每個載波的最小殘留信號；以及對該最小殘留信號和多載波信號進行混合。
在最小殘留信號混合步驟之前，該方法可進一步包含對每個最小殘留信號進行濾波的步驟。
該方法可進一步包含延遲多載波信號的步驟，其中經過延遲的多載波信號與最小殘留信號進行混合。
生成殘留信號的步驟可包含將多載波信號限制在預定的電平以生成硬限幅多載波信號的步驟。
濾波步驟可以包含復濾波。濾波步驟可包含將殘留信號乘以每個載波的跨度信號空間的投影矩陣的步驟。濾波步驟可包含對每個載波的殘留信號應用矩陣函數、採樣函數、濾波函數和插值函數的步驟。
該方法可以應用到移動通信系統中。
在進一步的實施例中，本發明提供降低多載波信號峰均比的設備。該設備包含用於根據多載波信號生成殘留信號的生成裝置。該殘留信號表示多載波信號和硬限幅多載波信號之間的差值。該設備包含用於對多載波信號的每個載波的殘留信號的應用最小二乘函數，由此生成每個載波的最小殘留信號的應用裝置；和用於將最小殘留信號和多載波信號混合的混合裝置。
該設備可進一步包含用於在混合之前對每個最小殘留信號進行濾波的裝置。
該設備可進一步包含用於延遲多載波信號的裝置，其中經過延遲的多載波信號與最小殘留信號進行混合。
用於生成殘留信號的裝置可進一步包含用於將多載波信號限制在預定電平，由此生成硬限幅多載波信號的裝置。
用於濾波的裝置可進一步包含復濾波器。用於濾波的裝置可進一步包含用於將殘留信號乘以每個載波的跨度信號空間的投影矩陣的裝置。
用於濾波的裝置可進一步包含用於對每個載波的殘留信號應用矩陣函數、採樣函數、濾波函數和插值函數的裝置。
在進一步的實施例中，本發明提供了一種移動通信系統，包含適於降低多載波信號峰均比的發射設備。該設備包含用於根據多載波信號生成殘留信號的生成裝置。該殘留信號表示多載波信號和硬限幅多載波信號之間的差異。該設備包含用於對多載波信號的每個載波的殘留信號應用最小二乘函數，由此生成每個載波的最小殘留信號的應用裝置；和用於將最小殘留信號和多載波信號混合的混合裝置。
移動通信系統可以是GSM EDGE移動通信系統。
這裡將通過參照附圖的方式描述本發明，其中圖1舉例說明的是本發明實施例中的示例性實現；圖2舉例說明的是根據本發明的實施例，圖1中部分實施的示例性實現；圖3舉例說明的是根據本發明的實施例，圖1中部分實施的示例性實現；圖4舉例說明的是根據本發明的實施例，本發明的實施例的另一示例性實現；圖5舉例說明的是根據本發明的實施例，圖4中部分實施的示例性實現。
具體實施例方式
在這裡將通過參照本發明的具體實施例的例子對本發明進行描述。尤其是將通過參照多載波EDGE系統中包含功率放大器的實現描述本發明。在所描述的實施例中，舉例說明了具有4個載波的系統。然而，本發明可以用於具有任意多個載波的多載波系統中。
首先考慮系統的模型。被估計信號可以建模為如下復包絡的形式
等式(1)其中A(t，i)是由載波調製定義的項，e(jωit+i)描述了多載波頻帶中的單載波信號的頻率位置和它們之間的相差，i表示多載波頻帶內的第i個載波。
根據本發明的一個實施例，目的在於使所發射信號的峰均比最小。PAR可以定義如下PAR=max(|y(t)|2)mean(|y(t)|2)]]>如上所述，重要的是使PAR最小但不影響某些其它發射要求，即載波的頻率要求、該載波的EVM峰值幅度和該載波的RMS EVM。
所發射載波的頻率要求主要要求誤差信號必須和實際信號位於的相同頻帶內。這是因為誤差信號是所發射信號的一部分，因此它必須滿足發射機要求。
根據GSM(全球移動通信系統)的規定，按200個脈衝串測量，最大峰值EVM與平均峰值相比不得超過22％以上。
在正常工作條件下不影響無源混合器的RMS EVM要求是7％。
通過對等式(1)所定義的信號模型進行檢查，可以看出對於降低輸出信號的PAR，實際存在三種不同的可選方式。對於第一種選擇，可以修正項A(t，i)，使得PAR最小。這種選擇被認為是「限幅」，因為對項A(t，i)的修正在輸出信號產生幅度誤差(EVM)。對於第二種選擇，可以對每個載波的頻率ωi項進行調整。然而，這將引起所發射信號的頻率誤差，而且對該項進行修正的能力同樣受到系統規定的限制。第三種選擇是調整每個載波的相差Φi。如果這樣的調整是以脈衝串的方式進行的，它不會給發射信號帶來任何誤差。
由於第二種選擇引入了頻率誤差，對於使PAR最小化而言，它不是實際可行的選擇。然而，第一種和第三種選擇都提供了使PAR最小化的可選方法。第三種選擇最好被考慮為限幅算法的可選或支持選擇。
一種最優且沒有任何限制(對於系統參數頻率響應、峰值EVM，RMS EVM)的限幅方法可以描述成為一個最優化問題的解，即J＝miny(|r-y|2)+λ(|y|≤A)等式(2)其中J是限幅函數，r是參考信號，y是由限幅器產生的輸出信號，A描述的是幅度限制，λ是拉格朗日乘子。可以看出，實現此功能的信號包絡的最優限幅器是一種硬限幅器，它限制了基帶信號的復包絡的幅度。
「實」限幅器具有其必須滿足的附加限制。如上討論的，這些限制包含頻譜限制和峰值EVM限制，也許還包含RMS EVM限制。因為這些附加的限制與上面等式(2)提供的結果相比肯定使限幅器所能達到的理論性能發生退化，因此實限幅器不可避免地提供了比等式(2)的理想解更差的性能。
為了更充分地考察什麼是實約束的最優硬限幅器實現，等式(2)的費用函數被修改以提供通過下列函數逼近的費用函數J＝miny(|r-y|2)+λ(|y|≤A)+∑ρi((r-y)HP(r-y)≤bi)+∑ξi(|ri-yi|≤p)，等式(3)其中J是限幅函數，項∑ρi((r-y)HP(r-y)≤bi)分別定義了每個子帶的頻譜限制，最後項定義了峰值EVM限制。因此等式(3)表示經過修改以考慮頻譜和峰值EVM限制的等式(2)的函數。
如果該系統沒有附加的限制，本發明的上述分析表明，「硬限幅器」實現提供了最優解。如果存在附加的限制，則不能獲得「硬限幅器」的最優解。
等式(3)的費用函數僅是實限制的逼近，這裡用於說明「良好限幅器」的特性。
使用Kuhn-Tucker條件可以求出等式(3)的費用函數的解，但這導致相當複雜的限幅算法。因此不建議使用Kuhn-Tucker條件。而是考慮到附加限制、頻譜和峰值EVM(和RMS EVM)對誤差信號e的特性的影響。為了考慮該誤差信號，有必要只考慮這樣的信號的特性，而不是它的數學構造。
如上所討論的，頻譜(域)要求主要要求誤差信號必須與實際信號位於相同頻帶內。如果考慮等式(3)中費用函數J的頻率限制，根據Kuhn-Tucker條件可知，當每個限制是0或是bi(這取決於信號的特性)時，該函數達到最小。因為該限制是相對嚴格的，很有可能當∑(ρi(r-y)Hp(r-y)＝bi而不是0時，求出最優解。另一方面，這意味著「最優」誤差信號必須是儘可能寬帶的信號。從更實際的觀點考慮同一問題，可以得出同樣的結論允許誤差信號的帶寬越寬，則誤差信號的脈衝響應的峰值比重也越大(peak-heavy)，因此與個別峰值的情形中的硬限幅器相比，頻率要求導致附加EVM更小。
就上述基於GSM規定的峰值EVM來說，最大峰值EVM近似為22％，並且被測量為至少200個脈衝串的平均峰值。在等式(3)的費用函數中使用的項給出的是峰值誤差的絕對極限值，因此費用函數並不嚴格地遵守GSM標準。
根據本發明，提供一種技術，其中通過產生硬限幅器殘留信號，同時獲得所希望的頻率響應，從而形成限幅信號。可以取得最小二乘意義下的擬合。於是，最小二乘限幅器試圖仿效理想硬限幅器的行為。實際上，目的在於生成一信號，使得所形成的複合信號儘可能地類似於硬限幅器類型的殘留信號yT，下面將對其進行討論。
下面將在這裡參照附圖對本發明進行進一步的詳細討論，這些附圖舉例說明的是本發明的示例性實現。
圖1舉例說明的是根據本發明的示例性實現的方框圖。實現包含脈衝發生器102、延遲元件104和一組復濾波器106a至106d。脈衝發生器102和延遲元件104都接收線路300上發送的多載波信號。線路122a至122d上的每個復濾波器的輸出信號都在加法器124a至122c中進行相加。相加過的輸出信號被加法器126加入到線路120上的延遲元件的輸出中。線路128的加法器126的輸出作為功率放大器(沒有示出)的輸入提供。
圖1中的結構總體上可以被認為是PAR最小化設備的結構，並且實際是前置功率放大器級段。待發射的多載波信號出現在線路300上。
脈衝發生器102和復濾波器106的目的在於將誤差信號加到線路300的多載波信號中，使得輸出的PAR最小。加法器124a輸出端的線路123上的誤差信號被輸入到混頻器126的第二個輸入端，在這裡將該誤差信號加入到線路120上混頻器126的第一個輸入端的多載波信號的延遲版本中。延遲模塊104僅僅補償脈衝發生器和復濾波器的處理延遲，它們一起作為誤差模塊101。
線路123上加入的誤差信號必須滿足上述的頻率限制、峰值和RVS EVM限制。如上所討論的那樣，「硬限幅器」提供了理想結果。因此，線路123上的信號應當在滿足附加的限制的同時儘可能地進行逼近。
參照圖3，其中舉例說明的是圖1的誤差脈衝發生器模塊102的示例性實現。線路300上的信號作為模塊302的輸入，模塊302產生線路304上的單個殘留信號。線路304上的殘留信號是線路300上的原發射信號和「硬限幅信號」之間的差值。因此，它表示與硬限幅有關的誤差。
通過把線路300上待發射的信號的最大幅度限制到預定限制值，可以生成硬限幅信號本身。這樣的硬限幅信號的導出將在本領域技術人員熟知範圍之內。因此通過簡單地從原信號中減去硬限幅信號即可獲得殘留信號。於是圖3中的模塊302包含硬限幅器和減法器，它們對線路300上的信號進行處理以產生線路304上的殘留信號。
因此所生成的殘留信號不滿足上述頻率限制(或其它限制)。為了滿足該頻率限制，使用最小二乘技術以便找到儘可能接近該殘留信號同時又滿足頻率限制的信號。
線路304上的殘留信號yT形成最小二乘擬合功能模塊306的輸入。最小二乘擬合功能模塊306生成線路308a至308d上的一系列輸出。線路308a至308d上的最小二乘擬合模塊的輸出是一組生成的脈衝向量x1，K，xnro_of_carriers。脈衝向量的個數與多載波信號中的載波個數相對應，本例中示出的是4個。
使用圖3的模塊306的最小二乘擬合為每個載波的「硬限幅器」殘留信號求出最佳擬合，使得每個載波頻率的頻率限制得到滿足。在所描述的實現中，擬合準則是使均方差最小(即最小二乘的最優解)。
因此，線路308a至308d上的脈衝向量x1，K，x4最好通過復濾波器106a至106d生成，其被分別標識為g1，K，g4。硬限幅濾波器gi針對每個載波進行專門的設計，使得每個載波與所發射的信號頻率特性相同。實際上，通過將發射機的濾波器的脈衝上變到每個載波的頻率來形成復濾波器的係數。在線路122a至122d上分別提供濾波器106a至106d的輸出。
圖2示出的是圖1的復濾波器中的一個(例如濾波器106a)的示例性實現。每個濾波器包含發射機濾波器202，其輸入由線路308a上濾波器的輸入形成，其在線路206上的輸出形成混頻器204的輸入。根據線路208上的上變換頻率，混頻器204對線路206上的信號進行上變換。混頻器204的輸出構成線路122a上的濾波器的輸出。
圖1至圖3所示的實現的數學分析如下。
原理是使費用函數最小，費用函數表示了「硬限幅器」殘留信號和最小二乘擬合模塊的輸出之間的均方距離。即，最小二乘擬合模塊的輸出應當儘可能地逼近「硬限幅器」殘留信號。因此通過嘗試使費用函數最小J＝|yT-Gx|2其中G＝(G1G2KGnro_of_carriers)，Gi是卷積矩陣，其列由gi來定義，x＝(x1x2Kxnro_of_carriers)T是脈衝向量中的一個向量，從而得到下列式子xmin＝(GHG)-1GHyT。
眾所周知，GiHGj＝O(零矩陣)，當i≠j時，因此xi＝(GiHGi)-1GiyT。
下面描述對上面矩陣求解的方案。雖然這個解對於實際實施而言太複雜，但是它是為了舉例說明的目的而提出的。這個方案說明了如何對於上述給定的x來求解結果矩陣。
圖4舉例說明的是對圖1至3的結構的修正，其中復濾波器106用復濾波器404進行替代。
生成的硬限幅器類型的殘留信號，並且乘以每個載波的跨度信號空間的投影矩陣Gi(GiHGi)-1GiH。信號被加起來，並按前述方式從發射信號中減去。這由圖4來表示。硬限幅器類型的殘留信號由模塊400根據多載波信號生成，該模塊與圖3中的模塊300相對應。硬限幅器類型的殘留信號形成多個復濾波器404a至404d中的每個的輸入，其中在復濾波器中用投影矩陣進行相乘運算。濾波器404a至404d的輸出在加法器406a至406c中相加，隨後由加法器408對進行相加以生成線路410上的驅動功率放大器的多載波信號。
矩陣方案可以通過圖5中所例舉的濾波器進行簡化。圖5表示圖4中的濾波器404a至404d的實現的實際方案。圖5舉例說明的是圖4中的濾波器的近似。即使當該限幅器變得可行時，它仍然對該結果有微小的損害。
如圖5所示，每個濾波器404a至404d可以包含矩陣函數502a至502d、採樣函數504a至504d、濾波器506a至506d和插值函數508a至508d。殘留信號經過復共軛矩陣(即匹配濾波器)G的轉置運算，由模塊502a至502d來表示。在這些解中，矩陣求逆(GiHGi)-1由ISI消除濾波器x，y替代，由模塊506a至506d來表示。
這裡已經通過參照特殊的例子對本發明進行了描述。本發明並不限於這些例子，或其中的某些方面。本發明的範圍通過附加的權利要求進行詳細說明。
權利要求
1.一種降低多載波信號的峰均比的方法，包括步驟根據多載波信號生成殘留信號，該殘留信號表示多載波信號與硬限幅多載波信號之間的差值；將最小二乘函數應用於多載波信號中的至少一個載波的殘留信號，由此生成至少一個載波的最小殘留信號；以及將最小殘留信號與多載波信號混合。
2.如權利要求1所述的方法，在混合最小殘留信號的步驟之前，進一步包括對至少一個最小殘留信號進行濾波的步驟。
3.如權利要求1所述的方法，進一步包括延遲多載波信號的步驟，其中經過延遲的多載波信號與最小殘留信號混合。
4.如權利要求1所述的方法，其中生成該殘留信號的步驟包含將多載波信號限幅到預定電平，由此生成硬限幅多載波信號的步驟。
5.如權利要求2所述的方法，其中濾波的步驟包括復濾波。
6.如權利要求5所述的方法，其中濾波的步驟包括使殘留信號乘以至少一個載波的跨度信號空間的投影矩陣的步驟。
7.如權利要求5所述的方法，其中濾波的步驟包含將矩陣函數、採樣函數、濾波函數和插值函數應用於至少一個載波的殘留信號的步驟。
8.一種用於降低多載波信號的峰均比的設備，該設備包括生成裝置，用於根據多載波信號生成殘留信號，該殘留信號表示多載波信號與硬限幅多載波信號之間的差值；應用裝置，用於將最小二乘函數應用於多載波信號的至少一個載波的殘留信號，由此生成至少一個載波的最小殘留信號；和混合裝置，用於將最小殘留信號與多載波信號混合。
9.如權利要求8所述的設備，進一步包括用於在混合步驟實施之前對每個最小殘留信號進行濾波的裝置。
10.如權利要求9所述的設備，進一步包括用於延遲多載波信號的延遲裝置，其中經過延遲的多載波信號與最小殘留信號混合。
11.如權利要求9所述的設備，其中用於生成該殘留信號的生成裝置包含用於將多載波信號限幅到預定電平以生成硬限幅多載波信號的裝置。
12.如權利要求10所述的設備，其中濾波裝置包括復濾波器。
13.如權利要求12所述的設備，其中濾波裝置包括用於將殘留信號乘以至少一個載波的跨度信號空間的投影矩陣的相乘裝置。
14.如權利要求13所述的設備，其中濾波裝置包含用於將矩陣函數、採樣函數、濾波函數和插值函數應用於至少一個載波的殘留信號的裝置。
15.一種包含為降低多載波信號的峰均比而配置的發射機設備的移動通信系統，該移動通信系統包括生成裝置，用於根據多載波信號生成殘留信號，該殘留信號表示多載波信號和硬限幅多載波信號之間的差值；應用裝置，用於將最小二乘函數應用於多載波信號中的至少一個載波的殘留信號，由此生成至少一個載波的最小殘留信號；和混合裝置，用於將最小殘留信號和多載波信號混合。
16.如權利要求15所述的移動通信系統，其中在GSM EDGE移動通信系統中實現所述生成裝置、所述應用裝置和所述混合裝置。
全文摘要
降低多載波信號的峰均比的方法包含步驟根據多載波信號生成殘留信號，該殘留信號表示多載波信號與硬限幅多載波信號之間的差值。該方法也包含將最小二乘函數應用於多載波信號中的每個載波的殘留信號，由此對每個載波生成最小殘留信號並將最小殘留信號與多載波信號混合的步驟。
文檔編號H03G11/00GK1574806SQ20041004460
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月17日 優先權日2003年5月28日
發明者奧利·皮賴寧, 米亞·卡爾亞萊寧 申請人:諾基亞公司