精通信號(hào)處理設(shè)計(jì)小Tips（9）：估算信號(hào)在模擬通道的延時(shí)

　　本文作者maxfiner，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，擁有信號(hào)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(wú)線通 信部門，擁有多年的工程項(xiàng)目研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)兼?zhèn)?a target="_blank">算法理論研究，仿真驗(yàn)證，以及對(duì)應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能力；具備通信物理層開發(fā)設(shè)計(jì)各個(gè)方面的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)...

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

　　通常來(lái)說(shuō)，移動(dòng)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(guò)正交調(diào)制器，可一次性將基帶信號(hào)調(diào)制到指定的射頻頻點(diǎn)上。但是發(fā)射機(jī)的基帶信號(hào)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(bǔ)償，功率控制等等。

　　這些措施都是干什么用的呢？從根本上說(shuō)，這些措施都是為了克服射頻模擬通道的不理性特性。從實(shí)踐上說(shuō)，這些工作是必不可少的，它們直接影響著發(fā)射信號(hào)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(shuō)，這些工作也可以不做，但是通信設(shè)備商之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)，成為了有效壓制對(duì)方，展示自己的有力武器。

　　簡(jiǎn)單描述如下：

　　第一例：隨著多載波信號(hào)、OFDM信號(hào)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(huì)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(shì)，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(dòng)運(yùn)營(yíng)商的電力消耗成本。誰(shuí)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(shí)仍保證信號(hào)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(duì)于輸入的IQ兩路信號(hào)，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(wèn)題，這會(huì)導(dǎo)致正交調(diào)制后輸出的信號(hào)存在本振泄露和鏡像信號(hào)的產(chǎn)生。這是模擬器件很難完全避免的問(wèn)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(bǔ)償處理。這通常稱作IQ不平衡校正。

　　第四例：移動(dòng)通信基站發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率會(huì)隨著溫度，頻點(diǎn)的波動(dòng)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(gè)dB，這直接導(dǎo)致基站覆蓋范圍大小的改變。所以必須實(shí)時(shí)進(jìn)行發(fā)射功率的監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)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(hào)處理在應(yīng)用實(shí)踐中大展拳腳的好地方?？梢钥吹剑M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(guò)數(shù)字信號(hào)處理的手段，針對(duì)這些誤差也好，不理想特性也好，做相應(yīng)的補(bǔ)償、彌補(bǔ)或抵消，這也是數(shù)字信號(hào)處理的一個(gè)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(lái)完成。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，就是在功放輸出端通過(guò)耦合器，獲取發(fā)射信號(hào)的一小部分（通常比發(fā)射信號(hào)小幾十個(gè)db），通過(guò)一個(gè)反饋通道進(jìn)行放大，混頻和AD采樣，重新返回?cái)?shù)字域（比如FPGA），這個(gè)反饋信號(hào)包含了發(fā)射鏈路的失真信息（嚴(yán)格來(lái)講，也包含了反饋鏈路的失真信息，但通常認(rèn)為相對(duì)于發(fā)射鏈路的失真，反饋鏈路的失真可忽略不計(jì)）?；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(hào)和發(fā)射信號(hào)，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(duì)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(gè)圖描述了整個(gè)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(duì)功放的DPD，還是針對(duì)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(hào)和反饋信號(hào)的，因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)可看作是理想的源信號(hào)，而反饋信號(hào)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(hào)看作為參考信號(hào)，通過(guò)反饋通道采集回來(lái)的反饋信號(hào)看作失真信號(hào)。我們預(yù)先構(gòu)造一個(gè)針對(duì)不理想模擬器件的失真模型，通過(guò)這個(gè)模型可以估算失真參數(shù)。輸入這個(gè)模型的信息，就是用來(lái)做比對(duì)參考的發(fā)射信號(hào)，采集回來(lái)的反饋信號(hào)。

　　那么，我們同時(shí)采集一段發(fā)射信號(hào)和反饋信號(hào)，它們有什么區(qū)別呢？失真成分從反饋信號(hào)的波形上能夠看到嗎？其實(shí)，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(shí)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(lái)。除了反饋信號(hào)波形有些細(xì)微的失真外，反饋信號(hào)波形相對(duì)于同一時(shí)段采集的發(fā)射信號(hào)，存在一個(gè)延時(shí)，這個(gè)延時(shí)是由于發(fā)射鏈路和反饋鏈路引起的。從信號(hào)流的角度可以這么理解，我們是在原地采集流過(guò)來(lái)的發(fā)射信號(hào)，而反饋信號(hào)則是發(fā)射信號(hào)繞了一個(gè)大圈子才流過(guò)來(lái)的。

　　這個(gè)延時(shí)差對(duì)我們進(jìn)行校正有重要影響，因?yàn)槭д婺Ｐ偷妮斎?，要求參考（發(fā)射）信號(hào)和失真（反饋）信號(hào)是一一對(duì)應(yīng)的，或者說(shuō)，在時(shí)間樣點(diǎn)上，是一一對(duì)應(yīng)的，或者說(shuō)，要求是同一個(gè)時(shí)間段的兩個(gè)信號(hào)，這是模型估算失真參數(shù)的前提。參考信號(hào)和失真信號(hào)之間的延時(shí)誤差，對(duì)模型參數(shù)的正確估算有極大的影響。對(duì)于數(shù)字域的數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)，誤差的基本單位是整數(shù)，即以采樣時(shí)鐘的周期來(lái)確定，通常來(lái)說(shuō)誤差要求在一個(gè)采樣時(shí)鐘周期之內(nèi)。

　　發(fā)射信號(hào)和反饋信號(hào)之間的延時(shí)差，可以通過(guò)相關(guān)處理來(lái)進(jìn)行估算。同時(shí)采集一段長(zhǎng)度的發(fā)射信號(hào)和反饋信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，通過(guò)相關(guān)函數(shù)的峰值，即可估算反饋信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的延時(shí)有多大。

　　從上面描述可以看到，通過(guò)相關(guān)計(jì)算可以估計(jì)信號(hào)在傳輸通道的延時(shí)，這是進(jìn)行數(shù)字預(yù)失真、IQ不平衡校正等處理的前提。
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下期開講——精通信號(hào)處理設(shè)計(jì)小Tips（10）：在無(wú)線電測(cè)向定位中的應(yīng)用，敬請(qǐng)關(guān)注！

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