专利名称：信号的非线性处理的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及信号的非线性处理，并且特别是涉及信号的多级 数字非线性处理。
背景技术：
在许多系统中，特别是在无线电通信中，需要非线性地处理信号。 目的通常是信号应当保持在某些恒定的或取决于信号的界限内。常常 期望信号还保持在某个带宽内，以便信号并不溢出到相邻信道中或超 出频谱发射限制。高性能非线性处理通常要求多个处理级，这导致大量硬件使用和 高功耗。常常，还需要高采样率，这进一步增加功率和硬件方面的要 求。以高采样率采样的每个样本的许多操作要求大功率。此外，高采 样率还要求大量数目的门，从而反过来导致大的芯片面积，即高硬件 消耗。 一些现有技术系统认识到，在某些应用中，这可能是一个问题， 并且已经提出了建议，这些建议导致减少数目的处理级和/或降低的所 要求的采样率，但不显著地降低信号质量，这些建议的目的在于将功 耗降低到更便于管理的程度。发明内容尽管有现有技术的努力，对于高速、高精度地数字实现多级非线 性处理和滤波仍存在普遍问题，即功耗太高以及所需硬件量将会大。本发明的一般目的是提供方法和设备，这些方法和设备提供信号 的改进的非线性处理。本发明的另一目的是提供具有降低功耗和/或减 少硬件需求的非线性处理方法和设备。通过根据所附的权利要求所述的方法和设备实现上述目的。 一般 而言，本发明在单独的处理支路中以降低的精度执行信号的频带限制 的非线性处理和滤波。产生低精度版本的输入信号，该输入信号在施 加在非线性处理上的约束条件下非线性地被处理。通过精度恢复处 理，最终补偿由低精度产生的量化误差和/或其他假象。精度恢复处理
精度信号。由于对于2相同的采样率和时钟频率，乘法器、加法器和其他硬 件的尺寸更小，所以低精度(即在数字信号中，针对每个值的低位数) 产生低功耗。例如，乘法器的大小(即门的数目)随着平方的位数按 比例缩放。然而，对于信号样本以及过滤阀使用低位数增加了量化噪 声，这通常破坏输出信号。在本发明中，通过在电路末端(在完成低 精度处理之后)恢复精度，避免高量化噪声的有害效应。信号的统计 学属性产生比在现有的解决方案中在本发明中更好地利用的量化噪声 的有用属性。本发明的优点是减少硬件要求以及降低功耗，同时保持原始方法的高性能。
通过参考结合附图的下述描述，可以最好地理解本发明及其另外 的目的和优点，其中图1A-B是图解说明改变信号的数字表示中的精度的效果的图示；图2是现有技术的非线性处理系统的实施例的框图；图3是根据本发明的非线性处理系统的实施例的框图；图4是根据本发明的峰均比(PAR)降低系统的实施例的框图；图5A是包络消除和恢复(EER)类型的放大器装置的实施例的框图；图5B是适合于图5A的放大器装置的、根据本发明的电源电压发 生器的实施例的框图；图6是希莱克斯(Chireix)放大器装置的实施例的框图；图7是动态栅极偏置(dynamic gate bias)放大器装置的实施 例的框图；以及图8是根据本发明的方法的实施例的主要步骤的流程图。
具体实施方式
本发明减少信号的某些频带限制的非线性修改所需的功耗和门的 数目。这通过在单独的处理支路中使用降低的精度并在最后通过使用 延迟的高精度信号来恢复精度而实现，在延迟的高精度信号已被滤波 来降低所允许的信道外的量化噪声之后，只有所提取的修改被增加到 该延迟的高精度信号。当使用信号的表示时，由于分辩率不足而出现量化噪声。这些问 题主要与数字信号有关，其中，通过某个位数来表示样本。高位数允 许更精确地表示原始信号，而较低的位数通常引入较大的差异。在图1A中，示出连续曲线IOO，该连续曲线100表示连续信号。使用沿竖 坐标轴表示的精度来数字化该信号，从而产生多个样本102，这些样本 102由小正方形表示。在该例子中，表示每个值的位数增加一。如容易 注意到的那样，量化导致原始连续信号与数字值之间的某些差异。通 过使用更高的分辩率，即，量化中的更高精度，诸如图1B中所示，误 差变得更小。代表具有更高精度的数字值的小菱形104通常更接近真 实信号值。在处理数字信号期间，出现类似的效果。具有高精度、即表示信 号的值中具有高分辩率的信号产生比具有较低精度的信号更可靠的结 果。这样的量化噪声总是存在于数字处理中，但当表示位的数目更低 时，这样的量化噪声变得更糟。在本发明中，以与非线性修改相同的方式处理由于非线性处理中 的低位数而引起的量化噪声，因为在某些频带中允许更多量化噪声。 通常，这些频带是原始信号占用的频带，即信道。因此，高量化噪声 的问题被拆分成独立解决的两个问题，即带内问题和带外问题。另外，当非线性修改出现时，非线性修改本身是大规模的。因此， 原始方法的性能相对地不受大的带内量化噪声(也就是除了 ACPR和频 谱发射以外的带内量化噪声)损害，该大的带内量化噪声与非线性修 改同时出现。因此，低精度并不对误差矢量幅度或类似度量的大小增 加太多。峰值或类似特征的间歇属性也是有用的，因为具有良好的实现方 案的间歇属性产生间歇的量化噪声，其中在大多数时间输出中为零量 化噪声。在信号峰值通过之后，滤波器(特别是FIR滤波器)的输出 在大约滤波器长度的一半后衰减到零。因此，在许多应用中，滤波器 的大多数输出将是零。这是非线性处理支路中的所需位数低于所期望 位数的原因。 图2图解说明根据现有技术的通用非线性处理设备的实施例。输 入12接收具有相对高的精度的输入信号14，即，具有表示每个样本的 相当大的位数n的输入信号。非线性处理部分10对n位信号起作用， 并且由于相对大的位数，非线性处理部分IO中的部件的大小必须相对 大。最终的处理过的n位信号16被提供给输出18。图3图解说明根据本发明的非线性处理设备的实施例。在本实施 例中假定数字信号。输入12接收由n位表示的输入信号14。输入信号 14被连接到提取器20。提取器2 0被设置用于提供代表输入信号14的 低精度输入信号22。因此，与输入信号14相比，低精度输入信号22 具有降低的精度，但表示相同的原始信号。由k位表示低精度输入信 号22的样本，其中，k〈n。在该图中，传送n位信号的连接被画为粗 的未填充连接，而用单条窄线画出传送k位信号的连接。低精度非线性处理器11被连接到低精度输入信号22。低精度非线 性处理器11被设置来在与图2的非线性处理器IO相同的约束条件下 工作，然而，低精度非线性处理器ll对包含更少位的信号起作用。由 于低精度非线性处理器11对低精度信号起作用，所以该低精度非线性 处理器11可比图2的非线性处理器10更小并且消耗更少功率。来自 低精度非线性处理器11的输出产生非线性处理过的低精度信号24，该 非线性处理过的低精度信号24例如包括不同的量化噪声。非线性处理过的低精度信号24和输入信号14均被连接到精度恢 复处理器26。在这个精度恢复处理器26中，基于原始输入信号14的 参考信号和非线性处理过的低精度信号24用来产生n位的精度恢复处 理过的信号l6。在优选的实施例中，非线性处理过的低精度信号24 与参考信号(在通常情况下为延迟版本的原始信号或者其函数)之间 的差值以高精度被滤波。然后，滤波过的差值被增加到参考信号上， 以便将处理过的n位信号16提供给输出18。本发明的思想能有利地在许多不同的系统中实现。 一个例子是峰 均比(PAR)降低，也称为减幅或限幅。(PAR)降低增加功率放大器 (PA)的效率和平均输出功率。该目的是降低输出信号的峰值振幅偏 移，同时将频镨展开保持在频谱罩的指定限制和邻道功率比(ACPR) 规格内。同时，将带内误差保持在指定限制内，例如保持在误差矢量 幅度(EVM)规格内。 在图4中示出PAR降低应用中的本发明的实现方案。输入12接收 具有n位样本的输入信号14。输入信号14被提供给提取器20，在该 实施例中，该提取器20包括提取n位输入信号14中的k个最高有效 位(MSB)的块21，从而产生低精度输入信号22。低精度输入信号22 被提供给低精度非线性处理器11，在该实施例中，该低精度非线性处 理器11执行信号限幅。非线性处理过的低精度信号24被提供给精度 恢复处理器26，该精度恢复处理器26恢复精度并在输出18上产生处 理过的n位信号16。低精度非线性处理器ll在该实施例中包括多个连续的限幅滤波块 13: 1-13: j。在每个限幅滤波块13: 1-13: j中，低精度k位输入信号 22连续地适合于目标限幅的信号形状。然而，在每个限幅滤波块 13: 1-13: j中，引入量化噪声。精度恢复处理器26接收处理过的低精度信号24。最后的峰值提取 块28从处理过的低精度信号24中减去n位输入信号14，从而产生差 值信号38。在滤波器30中使用所有n位，精度滤波该差值信号，从而 产生峰值抑制信号40。最后，通过在加法块32中将输入信号14和峰 值抑制信号40相加，产生处理过的n位信号16。第一延迟块52使n位输入信号14与最终峰值提取块28的非线性 处理过的/滤波过的信号24同步。第二延迟块56进一步延迟n位信 号，以便与加法块32处的峰值抑制信号40同步，该加法块32将最终 输出信号16合在一起。可替换地，在kMSBs块之后获得的并适当延迟的低精度(k位)信 号22能被用于最终峰值提取。然后，在用于最终峰值提取之前，在第 一延迟块52之后获得的n位信号能被转换成k位(或一些其他位数， 诸如k+2位)形式。本发明也能有利地在动态漏极偏置系统(dynamic drain bias system)中实现。这种系统中的目的是使漏极端电压保持在稍高于最 大化效率所需的最小值，同时限制其带宽。最小漏极通常主要与放大 过的信号的包络成比例。较低带宽在漏电压放大器中产生增加的效 率，这通常为开关模式。在图5A中示出了通用的动态漏极偏置系统3。在输入端"输入" 接收要被放大的输入信号。输入信号被提供给非线性处理单元，在该
实施例中，该非线性处理单元为包络信号单元69。通常在包络放大器 70中放大包络信号。动态补偿器72处理该输入信号，以便产生要被放 大的信号。放大过的包络信号被用作针对要被放大的信号的放大器74 中的漏电压。动态补偿器72在这个实施例中优选地动态补偿要被放大 的信号的振幅和相位的包络信号中的变化，以便通常获得线性放大过 的输出信号。根据本发明，有利地设计包络信号单元69。在图5B中示出这种非 线性处理包络信号单元1的实施例。给输入12供给n位的输入信号 15。输入信号15被提供给包络检测器17，该包络检测器17检测输入 信号15的包络信号14。包络信号14被提供给处理器46，从而产生为 信号包络14的函数F2的信号。该函数输出信号构成该装置的其他部 分的种子信号。在滤波器48中对该函数输出信号进行滤波，从而产生 种子信号5 0。包络信号14也被提供给提取器2 0，其中，在第一提取 块21:1中，n位信号被减少到k位信号(k<n) 22:1。低精度k位信 号被提供给处理器42，从而产生为低精度版本的信号包络14的函数 Fl的信号。然后，在延迟单元44中延迟来自处理器42的输出，以便 与参考信号50同相。来自延迟单元44的输出信号是低精度参考信号 22:3，该低精度参考信号22:3充当用于产生所请求的输出信号的目 标。还给提取器20供给种子信号50，该种子信号50被连接到第二提 取块21: 2，从而产生表示种子信号50的低精度k位参考信号22: 2。低精度参考信号22:3和低精度种子信号22:2被供给低精度非线 性处理器11，从而产生低精度输出信号24。低精度非线性处理器11 优选地包括多个级联处理步骤，以便找到适当的输出信号。在延迟单 元52中将种子信号50延迟对应于由低精度非线性处理器11引起的延 迟的时间，从而产生时间同步的种子信号54。时间同步的种子信号54 和低精度输出信号24被提供给精度恢复处理器26。精度恢复处理器26接收低精度输出信号24。最终峰值提取块28 从低精度输出信号24中减去n位种子信号54，从而产生差值信号。在 滤波器30中使用所有n位，精度滤被该差值信号，从而产生峰值抑制 信号40。最后，通过在加法块32将种子信号54和滤波过的差值信号 40相加，产生处理过的n位信号16，并在输出18处呈现该处理过的n 位信号16。在延迟单元56中进一步延迟种子信号54，以与滤波过的
差值信号40同相。
如图5B中所示，优选地在生成和滤波种子信号50之后完成将作 为低精度处理的输入的包络信号本身转变成低精度。通过延迟单元52 和56，以高精度形式延迟滤波过的种子信号50，如图5B中所示。延 迟单元52之后的信号被用于最终特征提取，并且延迟单元56将种子 信号54延迟来在最后的组件(加法器)处同步。在非线性函数Fl之 前，参考信号(通常是最小包络信号)能被改变成k位形式，如图5B 所示。到k位的转变可替换地放置在处理器42和延迟单元44之后， 由此这两个单元相反地必须对高精度信号起作用。
根据现有技术思想的动态漏极偏置原理的PAR降低和放大要求相 对大的电源。对于在与其他基带或中间频率处理相同的ASIC中或相同 的FPGA中共同放置例如PAR降低或动态漏极偏置处理，将要求甚至更 低的功耗。这能通过应用本发明的思想来实现。
存在其中能有利地应用本发明的多个系统的其他例子。在多尔蒂 (Doherty)和希臬克斯PA系统中，例如能显著地增加效率。图6图 解说明希莱克斯PA系统4。输入信号输入端经由控制网络被连接到两 个功率放大器76、 78。希莱克斯放大器4的控制网络通常包括信号分 量分离器80，从而产生相位调制过的恒定振幅信号。在功率放大器76、 78中放大这些信号之前，在滤波器82、 84中向上变换这些信号。组合 器网络86将单个放大过的信号组合成(提供给负载输出的)输出信号， 在该实例中，该负载输出被连接到天线88。选择这些恒定振幅的信号 的相位，以便来自希莱克斯组合器网络86中的这些矢量总和的结果产 生所需振幅。能用这种方式获得从零至全振幅的所有振幅以及负振 幅。
放大器漏极端的展平电压应当显示出最小过冲。根据本发明，通 过使用非线性设备82、 84，能制造满足该条件并保持在有限带宽内、 以及进一步增加效率的非线性放大器信号。能使用与用在PAR降低(图 4)中类似的配置和处理。界限是恒定的并施加到复合信号的振幅。由 于界限是恒定的，所以不需要附属的参考非线性信号。
动态栅极偏置系统是适合于本发明的思想的另一应用。图7图解 说明动态栅极偏置系统5的一个实施例。意图放大被提供给该系统5 的输入信号，并将该输入信号提供为射频输出信号。输入信号被连接
到输入检测器94，该输入检测器94被设置来确定输入的瞬时(包络) 大小度量。输入检测器94的输出被连接到偏置信号发生器92，该偏置 信号发生器92生成要被用于提供实际放大操作的偏置信号。因此，偏 置信号发生器92提供取决于输入信号的偏置信号。该偏置信号发生器 通常还包括偏置放大器。取决于输入信号的信号被提供为驱动信号。 在匹配单元96中匹配该驱动信号和偏置信号，并将该驱动信号和偏置 信号提供给放大器98 (例如功率晶体管)，从而根据所选择的驱动信 号和偏置信号来执行实际放大。预失真单元90被连接到输入信号以及 输入检测器的输出端，用于实现输入信号的适当的预失真，通常用于 提供线性输出信号。因此提供输出信号。通过以取决于输入信号的大 小的适当方式来选择预失真和偏置，能实现有效放大。
功率晶体管98的理想栅偏置通常是输入振幅的非单调函数。驱动 放大器的输出功率的限制给偏置函数提供严格界限，并且偏置生成和 放大电路中的带宽限制也对带宽施加限制。通过应用和修改用于动态 漏极偏置(图5B)的技术，偏置信号发生器92能更有效地提供信号， 反过来产生更有效的放大。
在如上所述的实施例中，已经假定数字信号。然而，本发明也能 用于模拟信号。当以低精度非线性处理模拟信号时，由于低精度而产 生不同的假象。模拟应用中的精度恢复旨在去除任何这种与精度相关 的假象。
本发明的主要优点是大大地降低计算成本。特别地，级联非线性/ 滤波器步骤中的滤波器处理级要求对每个信号样本执行大量乘法和加 法。如果维持相同的时钟速率，在处理中将位数减少到一半(其是用 于实际实现的典型形象)而将乘法器的大小减小四倍。功率消耗通常 与大小成比例，例如与门的数目成比例，因此，通过本发明能显著地 降低芯片面积和功耗。在电路末端需要额外的过滤级来恢复精度，但 这与通过处理支路中的降低精度所获得的相比通常具有边缘成本。
上述实施例应当被理解为本发明的几个示例性例子。本领域的技 术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以对这些实施例 做出各种修改、组合和改变。特别地，不同实施例中的不同部分解决 方案能结合在其中在技术上是可能的其他配置中。然而，本发明的范 围由随附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种用于非线性处理受约束的信号的方法，该方法包括以下步骤从输入信号(14)中提取与输入信号(14)相比具有降低的精度的低精度版本的输入信号(22，221-3)；非线性处理受约束的低精度信号(22，221-3)；以及精度恢复非线性处理过的低精度信号(24)。
2. 如权利要求l所述的方法，其中，精度恢复的步骤包括处理非 线性处理过的低精度信号(24)与参考信号(54)之间的差值，用于 降低由低精度处理引入的假象，以及将处理过的差值增加到参考信号(54)。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，参考信号(54)取决于输入 信号(14)。
4. 如权利要求1至3中的任何一个所述的方法，其中，非线性处 理的步骤依次包括级联的处理级(13: l-j )。
5. 如权利要求1至4中的任何一个所述的方法，其中，受约束的 信号的非线性处理与峰均比降低相关联。
6. 如权利要求1至4中的任何一个所述的方法，其中，受约束的 信号的非线性处理与多尔蒂和/或希莱克斯放大器系统(4)中的信号 调节相关联。
7. 如权利要求1至4中的任何一个所述的方法，其中，受约束的 信号的非线性处理与动态漏极偏置系统(3)中的信号调节相关联。
8. 如权利要求1至4中的任何一个所述的方法，其中，受约束的 信号的非线性处理与动态栅极偏置放大器系统(5)中的信号调节相关联。
9. 如权利要求1至8中的任何一个所述的方法，其中，输入信 号(14)是数字信号。
10. —种用于非线性处理受约束的信号的设备，该设备包括 提取器(20)，该提取器(20)被连接到输入信号(14)，该提取器(20)被设置用于提供与输入信号(14)相比具有降低的精度的 低精度版本的输入信号(22， 22:1-3);非线性处理器(11)，该非线性处理器(11)被连接到代表低精 度信号(22， 22:1-3)的信号，该非线性处理器(11 )被设置来在约 束条件下操作，以便产生非线性处理过的低精度信号(24);以及精度恢复处理器(26)，该精度恢复处理器(26)被连接到代表 非线性处理过的低精度信号(24)的信号。
11. 如权利要求10所述的设备，其中，精度恢复处理器(26)被 设置用于处理非线性处理过的低精度信号(24)与参考信号(54)之 间的全精度差值，用于降低由低精度处理引入的假象，以及将处理过 的差值增加到参考信号(54)上。
12. 如权利要求11所述的设备，进一步包括参考信号发生器(46 )， 该参考信号发生器(46)被连接到代表输入信号(14)的信号。
13. 如权利要求10至12中的任何一个所述的设备，其中，非线 性处理器(11 )依次包括级联的处理器级(13: l-j )。
14. 如权利要求10至13中的任何一个所述的设备，其中，输入 信号(14)是数字信号。
15. 用于峰均比降低的系统，其包括如权利要求10至14中的任 何一个所述的设备(1 )。
16. 多尔蒂和/或希莱克斯型的放大器系统(4)，其包括如权利 要求10至14中的任何一个所述的设备。
17. 动态漏极偏置放大系统(3)，其包括如权利要求10至14中 的任何一个所述的设备。
18. 动态栅极偏置放大器系统(5 )，其包括如权利要求10至14 中的任何一个所述的设备。
全文摘要
在非线性处理系统中，在单独的支路中，以低精度执行主要的非线性处理和滤波。在提取器(20)中产生输入信号(14)的低精度版本(22)，该输入信号(14)的低精度版本(22)在被施加到非线性处理的约束条件下在低精度非线性处理单元(11)中非线性地被处理。最终，使用全精度信号(14)在精度恢复单元(26)中通过精度恢复处理来去除通过使用低精度信号产生的量化误差或其他假象。
文档编号H03F1/00GK101128976SQ200580048688
公开日2008年2月20日 申请日期2005年2月25日 优先权日2005年2月25日
发明者R·希尔伯格 申请人:艾利森电话股份有限公司