精通信號處理設計小Tips（9）：估算信號在模擬通道的延時

　　本文作者maxfiner，畢業于西安電子科技大學，擁有信號與信息處理專業碩士學位。maxfiner曾供職于華為通信技術公司無線通 信部門，擁有多年的工程項目研發經驗，同時兼備算法理論研究，仿真驗證，以及對應的硬件設計實現能力；具備通信物理層開發設計各個方面的實戰經驗...

　　相關的另一個重要的應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，比如測量發射機射頻鏈路延時有多大。也可以是在無線空間傳輸的延時，比如無線電監測領域的輻射源定位，衛星導航信號的延時估算等等。這一節，專門討論模擬通道上延時的估算和應用。在介紹具體應用之前，先簡要介紹移動通信基站發射機的一些背景知識。介紹這些背景知識的目的有兩個：第一，為相關延時估計做系統上的鋪墊。第二，捎帶展示數字信號處理的用途和威力。

　　通常來說，移動通信基站發射鏈路的物理層，可劃分為數字基帶，數字中頻，模擬射頻三大部分構成。隨著零中頻發射機架構的不斷普遍應用，傳統的中頻已經不存在，通過正交調制器，可一次性將基帶信號調制到指定的射頻頻點上。但是發射機的基帶信號成型后，通常還是需要在數字域做一些工作后才輸出給DA轉換器，這些工作包括上采樣，削波（CFR），數字預失真（DPD），正交調制補償，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，它們直接影響著發射信號的質量，發射的功率，發射機的功耗等發射機關鍵指標。從理論上說，這些工作也可以不做，但是通信設備商之間的激烈競爭迫使其必須這樣做，而且在這些領域采用的措施和手段也成了通信設備商核心競爭力的體現，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，這導致較大的功放的回退，功放效率會變低好多，這是相當不劃算的，因此為了更好的發揮功放優勢，需要進行降低峰均比的削波處理。

　　第二例：通信基站的耗電量，相當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換成電磁波輻射到空間去，而不是變成純粹的熱量揮發掉。為了提升功放效率，使功放在發生一定程度的飽和時仍保證信號不發生較大的失真，普遍需要進行數字預失真處理（DPD）。

　　第三例：發射鏈路上的正交調制器對于輸入的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，這會導致正交調制后輸出的信號存在本振泄露和鏡像信號的產生。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，普遍需要進行正交調制補償處理。這通常稱作IQ不平衡校正。

　　第四例：移動通信基站發射機的發射功率會隨著溫度，頻點的波動而發生變化。由于溫度等原因導致的功率變化可達到幾個dB，這直接導致基站覆蓋范圍大小的改變。所以必須實時進行發射功率的監測、統計和調整。

　　以上提到的這些，不論是削波也好，數字預失真也好，模擬通道的IQ校正也好，這都是數字信號處理在應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，但是，我們可以通過數字信號處理的手段，針對這些誤差也好，不理想特性也好，做相應的補償、彌補或抵消，這也是數字信號處理的一個魅力所在。

　　這其中的數字預失真DPD和IQ校正，通常采用反饋機制來完成。具體實現時，就是在功放輸出端通過耦合器，獲取發射信號的一小部分（通常比發射信號小幾十個db），通過一個反饋通道進行放大，混頻和AD采樣，重新返回數字域（比如FPGA），這個反饋信號包含了發射鏈路的失真信息（嚴格來講，也包含了反饋鏈路的失真信息，但通常認為相對于發射鏈路的失真，反饋鏈路的失真可忽略不計）?；陬A先設定的逼近模擬器件的失真模型，基于反饋信號和發射信號，進行DPD或IQ校正參數的解算，進而完成DPD或QMC校正處理。這些校正的目的，就是有效的應對功放或正交調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射-反饋機制，其中的綠色虛線表示發射通道，紅色虛線表示反饋通道。不論是針對功放的DPD，還是針對正交調制器的QMC，校正的前提是必須獲取校正參數，這些校正參數的估算，都是基于發射信號和反饋信號的，因為發射信號可看作是理想的源信號，而反饋信號則包含著發射鏈路的失真信息。

　　也可以這么認為，我們把一段發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。我們預先構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。輸入這個模型的信息，就是用來做比對參考的發射信號，采集回來的反饋信號。

　　那么，我們同時采集一段發射信號和反饋信號，它們有什么區別呢？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，還是正交調制器的失真也好，反映在時域波形上，都是很細微的，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微的失真外，反饋信號波形相對于同一時段采集的發射信號，存在一個延時，這個延時是由于發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射信號，而反饋信號則是發射信號繞了一個大圈子才流過來的。

　　這個延時差對我們進行校正有重要影響，因為失真模型的輸入，要求參考（發射）信號和失真（反饋）信號是一一對應的，或者說，在時間樣點上，是一一對應的，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的前提。參考信號和失真信號之間的延時誤差，對模型參數的正確估算有極大的影響。對于數字域的數字信號來說，誤差的基本單位是整數，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。

　　發射信號和反饋信號之間的延時差，可以通過相關處理來進行估算。同時采集一段長度的發射信號和反饋信號，對其進行相關計算，通過相關函數的峰值，即可估算反饋信號相對發射信號的延時有多大。

　　從上面描述可以看到，通過相關計算可以估計信號在傳輸通道的延時，這是進行數字預失真、IQ不平衡校正等處理的前提。
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下期開講——精通信號處理設計小Tips（10）：在無線電測向定位中的應用，敬請關注！

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