信號峰值限制裝置和方法
2023-10-09 16:59:34 1
專利名稱：信號峰值限制裝置和方法
技術領域：
本發明涉及限制信號峰值的裝置和方法，特別是涉及可減小輸入信號的峰值對平均值(P/A)的比而又不生成顯著的帶外發射的裝置和方法。
功率放大器具有非線性特性。功率放大器的成本由其線性區的的大小決定。通常的功率放大器的非線性特性引起帶外頻譜異常信號，即頻譜畸變，鄰帶幹擾，頻譜擴展等等。通過減小輸入到功率放大器的信號峰值，可減小輸入信號的P/A比而使放大器可以輸出大平均功率。
硬削波過程是減小輸入信號P/A比常用的方法中的一種。硬削波過程的效果是在輸入信號上加上一個類噪聲信號而生成硬削波信號。硬削波信號的的算法如下IfVin≥Vclip，thenVout＝Vclip，orIfVin≤-Vclip，thenVout＝-Vclip，elseVout＝Vin其中Vin代表輸入信號，Vclip代表削波閾值信號，而Vout代表硬削波信號。
硬削波信號具有陡沿和銳峰。硬削波過程的突變本性和削波邊緣的短暫持續時間會生成顯著的帶外頻譜異常信號，如頻譜畸變，鄰帶幹擾，頻譜擴展等等。例如，當具有示於
圖1的頻譜的輸入信號的峰值受到通常的硬削波過程的限制時，在頻域中的效果是將圖2A所示的類噪聲信號加到圖1的輸入信號頻譜上。硬削波過程的最後結果的頻譜就如圖2B所示。儘管輸入信號的頻率響應在大約0.3頻率單位以外很低，硬削波信號的頻譜在大約0.3頻率單位以外比輸入信號的高很多。因此，硬削波過程在降低輸入信號的P/A比上一般不理想。
在美國專利No.5,287,387中討論的窗口削波過程是另外一種降低信號P/A比的通常方法。在窗口削波過程中衰減窗口信號與輸入信號相乘而生成一個衰減信號。與輸入信號峰值區域相對應的衰減窗口信號的部分具有的值小於1，而所有其餘部分具有的值等於1。所以，當衰減窗口信號與輸入信號相乘時，輸入信號的峰值區減小，而所有其餘區保持不變。然而，將時域中的信號相乘等效於將輸入信號的頻譜與頻域中的窗口頻譜卷集。其結果是產生更寬的頻譜，即頻譜擴展。窗口削波過程引入不希望的頻譜擴展，而試圖減小輸入信號的鄰帶幹擾和P/A比就不能充分地處理通常的削波過程的問題。
本發明旨在提出一種改進的限制輸入信號峰值的方法和裝置。這一方法和裝置根據削波閾值電壓隔離輸入信號的峰值，生成代表峰值隔離信號的局部極值的極值信號，對極值信號濾波而生成濾波器信號，並將濾波器信號和延遲了預定時段的輸入信號相加以生成一個脈衝削波信號。這一脈衝削波信號具有減小的P/A比，並且沒有顯著的帶外頻譜異常信號。
本發明可通過下面給出的詳細描述和附圖而得到完全理解，但其中的描述和附圖都僅僅是示例性質，其中的標號代表各附圖中的相應的部件，附圖中圖1示出示例性輸入信號的頻譜；圖2A示出根據通常的硬削波過程的示例性的類噪聲信號的頻譜；圖2B示出根據通常的硬削波過程將圖1和圖2A的頻譜相加而得出的硬削波信號的頻譜；圖3示出根據本發明的一個實施例的示例性的輸入信號峰值限制裝置的框圖；圖4A-4E示出在圖3所示裝置的各不同級生成的信號的示例；圖5示出圖3所示的裝置的峰值隔離單元的示例性邏輯電路；圖6示出圖3所示的裝置的局部極值隔離單元的示例性邏輯電路；
圖7A示出圖3所示的裝置的濾波器的示例性結構；圖7B示出圖3所示的裝置的濾波器單元的示例性邏輯電路；圖8示出圖3所示的裝置的硬限幅單元的示例性邏輯電路；圖9示出比較通常技術的硬削波信號和根據本發明的脈衝削波信號的示例性曲線；圖10示出比較通常硬削波過程的類噪聲信號和本發明的峰值消除信號的示例性曲線；圖11示出根據本發明的峰值消除信號的頻譜；圖12示出根據本發明的脈衝削波信號的頻譜。
下面的詳細描述涉及利用根據本發明的脈衝削波過程的輸入信號峰值限制裝置和方法。
圖3示出根據本發明的信號峰值限制裝置的框圖。如圖3所示，裝置100包括用於生成削波閾值信號VCL的削波閾值發生器10，用於接受輸入信號S(t)並根據削波閾值信號VCL生成輸入信號S(t)的峰值信號P(t)的峰值隔離單元20，用於接受峰值信號P(t)並根據峰值信號P(t)生成極值信號E(t)的的局部極值隔離單元30，用於對根據濾波器40的適當的脈衝響應對極值信號E(t)濾波並生成峰值消除信號F(t)的濾波器40，用於將輸入信號S(t)延遲一個預定時段的延遲單元50，以及用於使延遲的輸入信號S(t)與峰值消除信號F(t)結合併生成具有減小的P/A比和改進的頻譜響應的脈衝削波信號I(t)的加法器60。
削波閾值發生器10，峰值隔離單元20，局部極值隔離單元30，濾波器40，延遲單元50及加法器60組成本發明的一個單個脈衝削波級。通過將多個單個脈衝削波級1，1』，1」…相加可提供任選的脈衝削波多級裝置。另外，也可以在裝置100中提供任選的硬限幅單元70用來根據閾值信號硬限幅脈衝削波信號I(t)以防止在脈衝削波信號I(t)中形成小峰值。在脈衝削波信號I(t)中這些小峰值很少見，但是如果出現，硬限幅單元70就可以很容易地將其消除。另外一個削波閾值發生器80可為硬限幅單元70提供閾值信號。
圖4A-4E示出從圖3示出的裝置100的部件輸出的不同信號的示例。峰值隔離單元20接受輸入信號S(t)，其一例示於圖4A。根據一定的削波閾值信號VCL，峰值隔離單元20隔離輸入信號S(t)的峰值以生成峰值信號P(t)，其一例示於圖4B。局部極值隔離單元30接受峰值信號P(t)並且還隔離峰值信號P(t)的局部極值以生成極值信號E(t)。極值信號E(t)類似脈衝信號，極值信號E(t)的一個示例示於圖4C。濾波器40從局部極值隔離單元30接受極值信號E(t)並對其濾波以生成峰值消除信號F(t)，其一例示於圖4D。加法器60從延遲的輸入信號S(t)減去峰值消除信號F(t)以生成脈衝削波信號I(t)，其一例示於圖4E。
峰值信號P(t)定義為0若-削波閾值≤S(t)≤削波閾值P(t)＝(S(t)-削波閾值)若S(t)＞削波閾值(S(t)+削波閾值)若S(t)＜-削波閾值。
極值信號E(t)定義為E(t)＝δ(t-τpeak)xP(t)若|P(t-τpeak-Δ)|和|P(t-τpeak+Δ)|兩者都≤|P(t-τpeak)|其中τpeak為局部極值出現的時間，而Δ代表一定的時間單位。
峰值消除信號F(t)的定義為F(t)＝G(t)*E(t)其中G(t)代表濾波器40的脈衝響應，而「*」代表由濾波器40執行的卷積運算。
最後，脈衝削波信號I(t)定義為I(t)＝S(t)-F(t)。
下面參考圖5-8對圖3示出的裝置100的部件進行詳細描述。應當理解，這些附圖僅僅是用來說明這些部件，並且也可以採用技術中公知的其他結構和配置來完成同樣的動作。
圖3的削波閾值發生器10生成削波閾值信號VCL。削波閾值信號VCL為一定的電壓值，在該值時輸入信號S(t)被削波。此值可以是存儲於削波閾值發生器10中的固定值，或是由削波閾值發生器10或其他外部裝置控制的可編程參數。削波閾值發生器10可由CPU或其他處理器控制而使削波閾值信號VCL根據預定條件而變化，這些條件，比如，可以是系統負載或系統運行情況，具體體現削波閾值的削波閾值信號VCL是輸出到峰值隔離單元20。圖5示出圖3的峰值隔離單元20的邏輯電路的一個示例。如圖5所示，峰值隔離單元20包含多個加法器21和22，比較器23及乘法器24。第一個加法器21將削波閾值信號VCL與輸入信號S(t)相加並將相加的結果輸出到乘法器24的「1」輸入埠。第二個加法器22從輸入信號S(t)減去削波閾值信號VCL並將結果輸出到乘法器24的「2」輸入埠。乘法器24包含「2」輸入埠，「1」輸入埠和接地的「0」輸入埠。
峰值隔離單元20的比較器23接受削波閾值信號VCL及輸入信號S(t)分別作為THRESHOLD和IN輸入。比較器23將IN和THRESHOLD互相比較。如IN＞THRESHOLD，則比較器23生成一個選擇信號用來選擇乘法器24的「2」輸入埠。如IN＜-THRESHOLD，則比較器23生成一個選擇信號用來選擇乘法器24的「1」輸入埠。否則比較器23生成一個選擇信號用來選擇乘法器24的「0」輸入埠。乘法器24根據比較器23發出的選擇信號輸出來自「2」、「1」和「0」輸入埠的信號中的一個以生成峰值信號P(t)。
峰值信號P(t)輸入到圖3的局部極值隔離單元30。圖6示出局部極值隔離單元30的一個示例性邏輯電路。如圖6所示，局部極值隔離單元30包含多個延遲元件31和32，多個與延遲元件31和32耦合的比較器33a-33c及34a-34c，多個與比較器33a-33c及34a-34c耦合的「與」門35和36，與「與」門35和36耦合的「或」門37，以及與第一延遲元件31和「或」門37耦合的乘法器38。
第一延遲元件31將輸入到局部極值隔離單元30的峰值信號P(t)延遲一預定的時間。第二延遲元件32再將經第一延遲元件31延遲的信號延遲一個預定的時間。比較器33a接受第一延遲元件31的輸出和峰值信號P(t)，判斷第一延遲元件31的輸出是否大於或等於峰值信號P(t)，並且在判斷為「是」時生成高電平信號，在判斷為「否」時生成低電平信號。第二比較器33b比較第一和第二延遲元件31和32的輸出。如第一延遲元件31的輸出大於或等於第二延遲元件32的輸出，則第二比較器33b生成高電平信號。否則第二比較器33b生成低電平信號送往「與」門35。第三比較器33c判斷第一延遲元件31的輸出是否大於零，並且在判斷為「是」時生成高電平信號，在判斷為「否」時生成低電平信號。第一「與」門35對第一、第二和第三比較器33a-33c的輸出進行「與」運算，並生成輸出到「或」門37的輸出信號。比較器33a-33c處理峰值信號P(t)的正值取樣，而比較器34a-34c處理峰值信號P(t)的負值取樣。
第四比較器34a判斷第一延遲元件31的輸出是否小於或等於峰值信號P(t)，並且在判斷為「是」時生成高電平信號，在判斷為「否」時生成低電平信號。第五比較器34b判斷第一延遲元件31的輸出是否小於或等於第二延遲元件32的輸出，並且在判斷為「是」時生成高電平信號，在判斷為「否」時生成低電平信號。第六比較器34c判斷峰值信號P(t)輸出值是否為負，並且在判斷為「是」時生成高電平信號，在判斷為「否」時生成低電平信號。第四、第五和第六比較器34a-34c的輸出輸出到第二「與」門36。第一和第二「與」門35和36的輸出由「或」門37接受，並且「或」門37根據「或」門的邏輯生成高電平信號或低電平信號。如「或」門37生成高電平信號送往乘法器38，則乘法器38選擇第一延遲元件31的輸出作為其輸出。如「或」門37生成低電平信號送往乘法器38，則乘法器38選擇低電壓作為其輸出。因此，局部極值隔離單元30隔離峰值信號P(t)的局部極值以生成極值信號E(t)。
圖3的濾波器40通過具有預定脈衝響應的濾波器對局部極值隔離單元30的極值信號E(t)卷集(濾波)。圖7A示出濾波器40的一個示例。如圖7A所示，濾波器40包含一個具有一定特性的有限脈衝響應(FIR)濾波器41。有限脈衝響應濾波器單元41可提供脈衝響應，如包含Kaiser(凱塞)窗口、Hamming(漢明)窗口、Hanning(漢寧)窗口或任何其他具有所需的低通濾波器的頻譜特性的脈衝響應的窗口函數。
圖7B示出圖7A的有限脈衝響應(FIR)濾波器單元41的示例性邏輯電路。如圖7B所示，有限脈衝響應濾波器單元41包含多個互相串聯的延遲元件42a-42f，多個與延遲元件42a-42f連接的乘法器44a-44g，以及一個與多個乘法器44a-44g連接的加法器46。此處延遲元件42a-42f最好是將其輸入信號延遲同樣的時間。乘法器44a-44g將極值信號E(t)及延遲元件42a-42f的輸出與相應的濾波器係數g0-g6相乘。
第一乘法器44a將輸入到有限脈衝響應濾波器單元41的極值信號E(t)與第一濾波器係數g0相乘。第一延遲元件42a使極值信號E(t)延遲一個預定時段，並且將經過延遲的極值信號E(t)輸出到第二延遲元件42b和第二乘法器44b。第二乘法器44b將經過延遲的極值信號E(t)與第二濾波器係數g1相乘。與此類似，第二、第三、第四、第五和第六延遲元件42b-42f也分別使極值信號E(t)延遲一個預定時段，並且將經過延遲的極值信號E(t)輸出到第三、第四、第五、第六和第七延遲元件42c-g。儘管已經示出和描述的是6個延遲元件和7個乘法器，但有限脈衝響應濾波器單元41可包含任意數量的延遲元件和乘法器以提供所需的濾波器特性。
乘法器44a-44g的輸出由加法器46相加並由加法器46將相加結果作為峰值消除信號F(t)輸出。
圖3中的延遲單元50使輸入信號S(t)延遲一個預定時段以補償峰值隔離單元20、局部極值隔離單元30和濾波器40的處理延遲。延遲單元50可由多個移位寄存器構成，或為數字存儲，數據可在預定時段之後讀出。延遲單元50可採用CCD(電荷耦合器件)延遲、RC延遲或其他技術中公知的延遲。
圖3的加法器60使經過延遲單元50廷遲的輸入信號S(t)和由濾波器40生成的-(負號)峰值消除信號F(t)相加。另外的方法是加法器60可從經過延遲的輸入信號S(t)減去濾波器40的峰值消除信號F(t)。在技術中此種加法器和其類似裝置是公知的。
圖8示出圖3的硬限幅單元70的示例性邏輯電路。如圖8所示，硬限幅單元70包含比較器71，反向器72及乘法器73。反向器72使從削波閾值發生器80生成的削波閾值信號VCL反向。削波閾值發生器80可與削波閾值發生器10相同，並且輸入到峰值隔離單元20和硬限幅單元70的削波閾值信號VCL可相同。比較器71接受削波閾值信號VCL和脈衝削波信號I(t)分別作為THRESHOLD和IN輸入。比較器71判斷IN是否大於或等於THRESHOLD，並在判斷為「是」時生成一個選擇信號用來選擇乘法器73的「2」輸入埠。如IN小於-THRESHOLD，則比較器71生成一個選擇信號用來選擇乘法器73的「1」輸入埠。否則，比較器71生成一個選擇信號用來選擇乘法器73的「0」輸入埠。
乘法器73分別接受削波閾值信號VCL，反向器72的輸出，以及其「2」、「1」和「0」輸出埠上的脈衝削波信號I(t)。根據比較器71的選擇信號，選擇乘法器73的「2」、「1」和「0」輸入埠中的一個。從而生成經過進一步限制峰值的脈衝削波信號I』(t)。本裝置100的脈衝削波信號I(t)或I』(t)是具有減小的P/A比而又不生成顯著的帶外頻譜異常信號的峰值限制信號。
圖9示出對通常技術的硬削波信號H(t)和根據本發明的脈衝削波信號I(t)進行比較的曲線。輸入信號S(t)用點劃線表示，硬削波信號H(t)用實線表示，而脈衝削波信號I(t)(或I』(t))用短劃線表示。硬削波信號H(t)表示根據通常的硬削波過程進行硬削波的輸入信號S(t)。脈衝削波信號I(t)表示根據本發明的脈衝削波操作進行峰值限制的輸入信號S(t)。脈衝削波信號I(t)明顯地具有較硬削波信號H(t)平滑的峰沿，從而降低由於削波所引起的帶外頻譜異常信號。
圖10示出對通常硬削波過程的類噪聲信號N(t)和本發明的峰值消除信號F(t)進行比較的示例。在本發明中是與輸入信號S(t)結合的峰值消除信號F(t)具有比類噪聲信號N(t)更寬和更平滑的峰。圖11示出峰值消除信號F(t)的頻譜，顯示出通頻帶域(等於為0.3頻率單位)外部的頻譜發射減小。
圖12示出根據本發明將輸入信號S(t)與峰值消除信號F(t)相加而得出的脈衝削波信號I(t)的頻譜。圖12顯示出通頻帶域(大約為0.3頻率單位)外部的頻譜發射大為減小，並且大部分的脈衝削波信號I(t)限制在通頻帶域的內部。與此相對，通常的硬削波過程的硬削波信號H(t)的頻譜，如圖2B所示，在其通頻帶域外部具有顯著高的頻譜發射。
下面參考圖3和圖4A-4E對根據本發明的脈衝削波操作的輸入信號的峰值限制方法進行介紹。
由削波閾值發生器10生成削波閾值信號VCL並輸入到峰值隔離單元20。峰值隔離單元20隔離如圖4A所示的輸入信號S(t)的峰值以生成如圖4B所示的峰值信號P(t)。峰值信號P(t)的局部極值由局部極值隔離單元30隔離以生成如圖4C所示的極值信號E(t)。根據濾波器40的脈衝響應對極值信號E(t)濾波以生成如圖4D所示的峰值消除信號F(t)。峰值消除信號F(t)與經過延遲的輸入信號S(t)相加以生成根據本發明的如圖4E所示的脈衝削波信號I(t)。另外，脈衝削波信號I(t)可由硬限幅單元70硬削波以生成進一步限制的脈衝削波信號I』(t)。脈衝削波信號I(t)和I』(t)與通常技術的硬削波信號相比具有更低的P/A比，並且與通常技術的窗口削波信號相比具有更低的帶外頻譜異常信號。
根據本發明，模擬和數位訊號都可以得到處理而限制其峰值同時又不會引起在通常的方法中引起的不可容許的鄰帶幹擾，噪聲或其他的特性。
權利要求
1.一種信號峰值限制裝置，包括信號隔離單元，用於接受輸入信號和參照信號，並根據參照信號生成輸入信號的極值信號，此極值信號與輸入信號的峰值對應；濾波器，用於從信號隔離單元接受極值信號，並根據預定的濾波器響應對極值信號濾波而生成濾波器信號；以及結合單元，用於將濾波器信號與經過延遲預定時段的輸入信號結合而生成脈衝削波信號。
2.如權利要求1的發明，還包括向信號隔離單元提供參考信號的削波閾值發生器。
3.如權利要求1的發明，還包括延遲單元，用於將輸入信號延遲一個預定時段，並將經過延遲的輸入信號輸出到結合單元。
4.如權利要求1的發明，其中信號隔離單元包括峰值隔離單元，用於接受參照信號，並根據參照信號隔離輸入信號的峰值以生成峰值信號。
5.如權利要求4的發明，其中峰值隔離單元包括第一加法器，用於將輸入信號與參照信號相加以生成第一加法器信號；第二加法器，用於從輸入信號減去參照信號以生成第二加法器信號；比較器，用於將輸入信號與參照信號比較，並根據比較結果生成選擇信號；以及乘法器，與比較器耦連，此乘法器根據選擇信號輸出第一加法器信號、第二加法器信號及接地信號中的一個信號。
6.如權利要求4的發明，其中信號隔離單元還包括局部極值隔離單元，與峰值隔離單元耦合，此局部極值隔離單元從峰值隔離單元接受極值信號，比較峰值信號與經過延遲的峰值信號以檢測峰值信號的局部極值，並生成代表所檢測到的峰值信號的極值信號。
7.如權利要求6的發明，其中局部極值隔離單元包括多個延遲元件，多個與延遲元件耦合的比較器，多個與比較器耦合的邏輯門，以及與邏輯門耦合的乘法器。
8.如權利要求6的發明，其中局部極值隔離單元包括第一延遲元件，用於將峰值信號延遲一個預定時段以生成第一延遲峰值信號；以及第二延遲元件，用於將第一延遲峰值信號延遲一個預定時段以生成第二延遲峰值信號。
9.如權利要求8的發明，其中局部極值隔離單元還包括與第一和第二延遲元件耦合的多個比較器，這些比較器比較第一延遲峰值信號與從峰值隔離單元輸出的峰值信號，比較第二延遲峰值信號與第一延遲峰值信號，以及比較第一延遲峰值信號與零值。
10.如權利要求9的發明，其中局部極值隔離單元還包括多個「與」門，用於接受多個比較器的輸出；一個「或」門，用於接受「與」門的輸出並且根據接受的「與」門的輸出生成選擇信號；以及一個乘法器，用於根據「或」門的選擇信號輸出第一延遲峰值信號、第二延遲峰值信號及接地信號中的一個信號。
11.如權利要求1的發明，還包括硬限幅單元，用於根據參照信號限制加法器的輸出信號的峰值。
12.如權利要求1的發明，其中結合單元從延遲輸入信號減去濾波器信號。
13.一種信號峰值限制方法，其構成步驟包括提供輸入信號，參照信號，以及延遲輸入信號；根據參照信號生成輸入信號的極值信號，此極值信號與輸入信號的峰值信號對應；根據預定的濾波器響應對極值信號濾波以生成濾波器信號；結合濾波器信號與延遲輸入信號以生成脈衝削波信號。
14.如權利要求13的發明，其中所述提供步驟包括的一個步驟為使輸入信號延遲一個預定時段以生成延遲輸入信號。
15.如權利要求13的發明，其中所述生成極值信號步驟包括的一個步驟為根據參照信號隔離輸入信號的峰值以生成峰值信號。
16.如權利要求15的發明，其中所述隔離峰值步驟包括的步驟為將輸入信號與參照信號相加以生成第一加法器信號；從輸入信號減去參照信號以生成第二加法器信號；比較輸入信號與參照信號並根據比較結果生成選擇信號；及根據選擇信號輸出第一加法器信號，第二加法器信號和接地信號中的一個信號。
17.如權利要求15的發明，其中所述生成極值信號步驟還包括的步驟為檢測峰值信號的局部極值；以及生成代表檢測到的峰值信號的局部極值的極值信號。
18.如權利要求15的發明，其中所述生成極值信號步驟還包括的步驟為使峰值信號第一次延遲一個預定時段以生成第一延遲峰值信號；以及使第一延遲峰值信號第二次延遲一個預定時段以生成第二延遲峰值信號。
19.如權利要求18的發明，其中所述生成極值信號步驟還包括的步驟為比較第一延遲峰值信號與峰值信號，比較第二延遲峰值信號與第一延遲峰值信號，以及比較第一延遲峰值信號與零信號。
20.如權利要求19的發明，其中所述生成極值信號步驟還包括的步驟為對從所述比較步驟得出的輸出進行「與」運算；對從所述「與」運算步驟得出的輸出進行「或」運算；以及根據「或」運算步驟得出的輸出生成第一延遲峰值信號，第二延遲峰值信號及接地信號之一。
21.如權利要求13的發明，還包括根據參照信號對從所述結合步驟得出的輸出信號的峰值進行硬限制。
22.如權利要求13的發明，其中在所述的結合步驟中從延遲輸入信號減去濾波器信號。
全文摘要
一種限制信號峰值的方法和裝置。這一裝置和方法根據削波閾值電壓隔離輸入信號的峰值,生成代表峰值隔離信號的局部極值的極值信號。根據適當的脈衝濾波響應對極值信號濾波而生成濾波器信號,並將濾波器信號和延遲預定時段的輸入信號相加以生成一個脈衝削波信號。這一脈衝削波信號具有減小的P/A比,並且沒有顯著的帶外頻譜異常信號。
文檔編號H03G11/00GK1248096SQ9911055
公開日2000年3月22日 申請日期1999年7月29日 優先權日1998年7月31日
發明者馬克·D·漢姆 申請人:朗迅科技公司