精通信號處理設(shè)計小Tips（9）：估算信號在模擬通道的延時

　　本文作者maxfiner，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，擁有信號與信息處理專業(yè)碩士學(xué)位。maxfiner曾供職于華為通信技術(shù)公司無線通 信部門，擁有多年的工程項目研發(fā)經(jīng)驗，同時兼?zhèn)?a target="_blank">算法理論研究，仿真驗證，以及對應(yīng)的硬件設(shè)計實現(xiàn)能力；具備通信物理層開發(fā)設(shè)計各個方面的實戰(zhàn)經(jīng)驗...

　　相關(guān)的另一個重要的應(yīng)用就是估算信號的延時，這個延時，可以是模擬電路通道上的延時，比如測量發(fā)射機(jī)射頻鏈路延時有多大。也可以是在無線空間傳輸?shù)难訒r，比如無線電監(jiān)測領(lǐng)域的輻射源定位，衛(wèi)星導(dǎo)航信號的延時估算等等。這一節(jié)，專門討論模擬通道上延時的估算和應(yīng)用。在介紹具體應(yīng)用之前，先簡要介紹移動通信基站發(fā)射機(jī)的一些背景知識。介紹這些背景知識的目的有兩個：第一，為相關(guān)延時估計做系統(tǒng)上的鋪墊。第二，捎帶展示數(shù)字信號處理的用途和威力。

　　通常來說，移動通信基站發(fā)射鏈路的物理層，可劃分為數(shù)字基帶，數(shù)字中頻，模擬射頻三大部分構(gòu)成。隨著零中頻發(fā)射機(jī)架構(gòu)的不斷普遍應(yīng)用，傳統(tǒng)的中頻已經(jīng)不存在，通過正交調(diào)制器，可一次性將基帶信號調(diào)制到指定的射頻頻點上。但是發(fā)射機(jī)的基帶信號成型后，通常還是需要在數(shù)字域做一些工作后才輸出給DA轉(zhuǎn)換器，這些工作包括上采樣，削波（CFR），數(shù)字預(yù)失真（DPD），正交調(diào)制補償，功率控制等等。

　　這些措施都是干什么用的呢？從根本上說，這些措施都是為了克服射頻模擬通道的不理性特性。從實踐上說，這些工作是必不可少的，它們直接影響著發(fā)射信號的質(zhì)量，發(fā)射的功率，發(fā)射機(jī)的功耗等發(fā)射機(jī)關(guān)鍵指標(biāo)。從理論上說，這些工作也可以不做，但是通信設(shè)備商之間的激烈競爭迫使其必須這樣做，而且在這些領(lǐng)域采用的措施和手段也成了通信設(shè)備商核心競爭力的體現(xiàn)，成為了有效壓制對方，展示自己的有力武器。

　　簡單描述如下：

　　第一例：隨著多載波信號、OFDM信號的峰均比通常比較大，這導(dǎo)致較大的功放的回退，功放效率會變低好多，這是相當(dāng)不劃算的，因此為了更好的發(fā)揮功放優(yōu)勢，需要進(jìn)行降低峰均比的削波處理。

　　第二例：通信基站的耗電量，相當(dāng)大一部分都是由于功放引起的，功放效率的高低直接影響移動運營商的電力消耗成本。誰都希望功放消耗的電力盡可能的轉(zhuǎn)換成電磁波輻射到空間去，而不是變成純粹的熱量揮發(fā)掉。為了提升功放效率，使功放在發(fā)生一定程度的飽和時仍保證信號不發(fā)生較大的失真，普遍需要進(jìn)行數(shù)字預(yù)失真處理（DPD）。

　　第三例：發(fā)射鏈路上的正交調(diào)制器對于輸入的IQ兩路信號，普遍存在一定程度的增益不平衡和相位不平衡，直流偏置等問題，這會導(dǎo)致正交調(diào)制后輸出的信號存在本振泄露和鏡像信號的產(chǎn)生。這是模擬器件很難完全避免的問題。為了克服這些不理想特性，普遍需要進(jìn)行正交調(diào)制補償處理。這通常稱作IQ不平衡校正。

　　第四例：移動通信基站發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率會隨著溫度，頻點的波動而發(fā)生變化。由于溫度等原因?qū)е碌墓β首兓蛇_(dá)到幾個dB，這直接導(dǎo)致基站覆蓋范圍大小的改變。所以必須實時進(jìn)行發(fā)射功率的監(jiān)測、統(tǒng)計和調(diào)整。

　　以上提到的這些，不論是削波也好，數(shù)字預(yù)失真也好，模擬通道的IQ校正也好，這都是數(shù)字信號處理在應(yīng)用實踐中大展拳腳的好地方?？梢钥吹?，模擬器件很難做到我們所期望的精確水準(zhǔn)，但是，我們可以通過數(shù)字信號處理的手段，針對這些誤差也好，不理想特性也好，做相應(yīng)的補償、彌補或抵消，這也是數(shù)字信號處理的一個魅力所在。

　　這其中的數(shù)字預(yù)失真DPD和IQ校正，通常采用反饋機(jī)制來完成。具體實現(xiàn)時，就是在功放輸出端通過耦合器，獲取發(fā)射信號的一小部分（通常比發(fā)射信號小幾十個db），通過一個反饋通道進(jìn)行放大，混頻和AD采樣，重新返回數(shù)字域（比如FPGA），這個反饋信號包含了發(fā)射鏈路的失真信息（嚴(yán)格來講，也包含了反饋鏈路的失真信息，但通常認(rèn)為相對于發(fā)射鏈路的失真，反饋鏈路的失真可忽略不計）?；陬A(yù)先設(shè)定的逼近模擬器件的失真模型，基于反饋信號和發(fā)射信號，進(jìn)行DPD或IQ校正參數(shù)的解算，進(jìn)而完成DPD或QMC校正處理。這些校正的目的，就是有效的應(yīng)對功放或正交調(diào)制器這些模擬器件的不理想特性。

　　下面這個圖描述了整個發(fā)射-反饋機(jī)制，其中的綠色虛線表示發(fā)射通道，紅色虛線表示反饋通道。不論是針對功放的DPD，還是針對正交調(diào)制器的QMC，校正的前提是必須獲取校正參數(shù)，這些校正參數(shù)的估算，都是基于發(fā)射信號和反饋信號的，因為發(fā)射信號可看作是理想的源信號，而反饋信號則包含著發(fā)射鏈路的失真信息。

　　也可以這么認(rèn)為，我們把一段發(fā)射信號看作為參考信號，通過反饋通道采集回來的反饋信號看作失真信號。我們預(yù)先構(gòu)造一個針對不理想模擬器件的失真模型，通過這個模型可以估算失真參數(shù)。輸入這個模型的信息，就是用來做比對參考的發(fā)射信號，采集回來的反饋信號。

　　那么，我們同時采集一段發(fā)射信號和反饋信號，它們有什么區(qū)別呢？失真成分從反饋信號的波形上能夠看到嗎？其實，不論是功放的失真也好，還是正交調(diào)制器的失真也好，反映在時域波形上，都是很細(xì)微的，不容易分辨的，但在頻域則可以清晰的反映出來。除了反饋信號波形有些細(xì)微的失真外，反饋信號波形相對于同一時段采集的發(fā)射信號，存在一個延時，這個延時是由于發(fā)射鏈路和反饋鏈路引起的。從信號流的角度可以這么理解，我們是在原地采集流過來的發(fā)射信號，而反饋信號則是發(fā)射信號繞了一個大圈子才流過來的。

　　這個延時差對我們進(jìn)行校正有重要影響，因為失真模型的輸入，要求參考（發(fā)射）信號和失真（反饋）信號是一一對應(yīng)的，或者說，在時間樣點上，是一一對應(yīng)的，或者說，要求是同一個時間段的兩個信號，這是模型估算失真參數(shù)的前提。參考信號和失真信號之間的延時誤差，對模型參數(shù)的正確估算有極大的影響。對于數(shù)字域的數(shù)字信號來說，誤差的基本單位是整數(shù)，即以采樣時鐘的周期來確定，通常來說誤差要求在一個采樣時鐘周期之內(nèi)。

　　發(fā)射信號和反饋信號之間的延時差，可以通過相關(guān)處理來進(jìn)行估算。同時采集一段長度的發(fā)射信號和反饋信號，對其進(jìn)行相關(guān)計算，通過相關(guān)函數(shù)的峰值，即可估算反饋信號相對發(fā)射信號的延時有多大。

　　從上面描述可以看到，通過相關(guān)計算可以估計信號在傳輸通道的延時，這是進(jìn)行數(shù)字預(yù)失真、IQ不平衡校正等處理的前提。
?

下期開講——精通信號處理設(shè)計小Tips（10）：在無線電測向定位中的應(yīng)用，敬請關(guān)注！

聲明：電子發(fā)燒友網(wǎng)版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載！
?

?