精通信号处理设计小Tips（9）：估算信号在模拟通道的延时

　　本文作者maxfiner，毕业于西安电子科技大学，拥有信号与信息处理专业硕士学位。maxfiner曾供职于华为通信技术公司无线通 信部门，拥有多年的工程项目研发经验，同时兼备算法理论研究，仿真验证，以及对应的硬件设计实现能力；具备通信物理层开发设计各个方面的实战经验...

　　相关的另一个重要的应用就是估算信号的延时，这个延时，可以是模拟电路通道上的延时，比如测量发射机射频链路延时有多大。也可以是在无线空间传输的延时，比如无线电监测领域的辐射源定位，卫星导航信号的延时估算等等。这一节，专门讨论模拟通道上延时的估算和应用。在介绍具体应用之前，先简要介绍移动通信基站发射机的一些背景知识。介绍这些背景知识的目的有两个：第一，为相关延时估计做系统上的铺垫。第二，捎带展示数字信号处理的用途和威力。

　　通常来说，移动通信基站发射链路的物理层，可划分为数字基带，数字中频，模拟射频三大部分构成。随着零中频发射机架构的不断普遍应用，传统的中频已经不存在，通过正交调制器，可一次性将基带信号调制到指定的射频频点上。但是发射机的基带信号成型后，通常还是需要在数字域做一些工作后才输出给DA转换器，这些工作包括上采样，削波（CFR），数字预失真（DPD），正交调制补偿，功率控制等等。

　　这些措施都是干什么用的呢？从根本上说，这些措施都是为了克服射频模拟通道的不理性特性。从实践上说，这些工作是必不可少的，它们直接影响着发射信号的质量，发射的功率，发射机的功耗等发射机关键指标。从理论上说，这些工作也可以不做，但是通信设备商之间的激烈竞争迫使其必须这样做，而且在这些领域采用的措施和手段也成了通信设备商核心竞争力的体现，成为了有效压制对方，展示自己的有力武器。

　　简单描述如下：

　　第一例：随着多载波信号、OFDM信号的峰均比通常比较大，这导致较大的功放的回退，功放效率会变低好多，这是相当不划算的，因此为了更好的发挥功放优势，需要进行降低峰均比的削波处理。

　　第二例：通信基站的耗电量，相当大一部分都是由于功放引起的，功放效率的高低直接影响移动运营商的电力消耗成本。谁都希望功放消耗的电力尽可能的转换成电磁波辐射到空间去，而不是变成纯粹的热量挥发掉。为了提升功放效率，使功放在发生一定程度的饱和时仍保证信号不发生较大的失真，普遍需要进行数字预失真处理（DPD）。

　　第三例：发射链路上的正交调制器对于输入的IQ两路信号，普遍存在一定程度的增益不平衡和相位不平衡，直流偏置等问题，这会导致正交调制后输出的信号存在本振泄露和镜像信号的产生。这是模拟器件很难完全避免的问题。为了克服这些不理想特性，普遍需要进行正交调制补偿处理。这通常称作IQ不平衡校正。

　　第四例：移动通信基站发射机的发射功率会随着温度，频点的波动而发生变化。由于温度等原因导致的功率变化可达到几个dB，这直接导致基站覆盖范围大小的改变。所以必须实时进行发射功率的监测、统计和调整。

　　以上提到的这些，不论是削波也好，数字预失真也好，模拟通道的IQ校正也好，这都是数字信号处理在应用实践中大展拳脚的好地方。可以看到，模拟器件很难做到我们所期望的精确水准，但是，我们可以通过数字信号处理的手段，针对这些误差也好，不理想特性也好，做相应的补偿、弥补或抵消，这也是数字信号处理的一个魅力所在。

　　这其中的数字预失真DPD和IQ校正，通常采用反馈机制来完成。具体实现时，就是在功放输出端通过耦合器，获取发射信号的一小部分（通常比发射信号小几十个db），通过一个反馈通道进行放大，混频和AD采样，重新返回数字域（比如FPGA），这个反馈信号包含了发射链路的失真信息（严格来讲，也包含了反馈链路的失真信息，但通常认为相对于发射链路的失真，反馈链路的失真可忽略不计）。基于预先设定的逼近模拟器件的失真模型，基于反馈信号和发射信号，进行DPD或IQ校正参数的解算，进而完成DPD或QMC校正处理。这些校正的目的，就是有效的应对功放或正交调制器这些模拟器件的不理想特性。

　　下面这个图描述了整个发射-反馈机制，其中的绿色虚线表示发射通道，红色虚线表示反馈通道。不论是针对功放的DPD，还是针对正交调制器的QMC，校正的前提是必须获取校正参数，这些校正参数的估算，都是基于发射信号和反馈信号的，因为发射信号可看作是理想的源信号，而反馈信号则包含着发射链路的失真信息。

　　也可以这么认为，我们把一段发射信号看作为参考信号，通过反馈通道采集回来的反馈信号看作失真信号。我们预先构造一个针对不理想模拟器件的失真模型，通过这个模型可以估算失真参数。输入这个模型的信息，就是用来做比对参考的发射信号，采集回来的反馈信号。

　　那么，我们同时采集一段发射信号和反馈信号，它们有什么区别呢？失真成分从反馈信号的波形上能够看到吗？其实，不论是功放的失真也好，还是正交调制器的失真也好，反映在时域波形上，都是很细微的，不容易分辨的，但在频域则可以清晰的反映出来。除了反馈信号波形有些细微的失真外，反馈信号波形相对于同一时段采集的发射信号，存在一个延时，这个延时是由于发射链路和反馈链路引起的。从信号流的角度可以这么理解，我们是在原地采集流过来的发射信号，而反馈信号则是发射信号绕了一个大圈子才流过来的。

　　这个延时差对我们进行校正有重要影响，因为失真模型的输入，要求参考（发射）信号和失真（反馈）信号是一一对应的，或者说，在时间样点上，是一一对应的，或者说，要求是同一个时间段的两个信号，这是模型估算失真参数的前提。参考信号和失真信号之间的延时误差，对模型参数的正确估算有极大的影响。对于数字域的数字信号来说，误差的基本单位是整数，即以采样时钟的周期来确定，通常来说误差要求在一个采样时钟周期之内。

　　发射信号和反馈信号之间的延时差，可以通过相关处理来进行估算。同时采集一段长度的发射信号和反馈信号，对其进行相关计算，通过相关函数的峰值，即可估算反馈信号相对发射信号的延时有多大。

　　从上面描述可以看到，通过相关计算可以估计信号在传输通道的延时，这是进行数字预失真、IQ不平衡校正等处理的前提。
 

下期开讲——精通信号处理设计小TIps（10）：在无线电测向定位中的应用，敬请关注！

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往期回顾

精通信号处理设计小TIps（1）：信号和信息
精通信号处理设计小TIps（2）：数学的作用
精通信号处理设计小TIps（3）：必须掌握的三大基石
精通信号处理设计小Tips（4）：最频繁使用的几个信号
精通信号处理设计小Tips（5）：三个应用广泛的数学概念
精通信号处理设计小Tips（6）：卷积是怎么得到的？
精通信号处理设计小Tips（7）：应用极其广泛的相关
精通信号处理设计小Tips（8）：检测淹没在噪声中的信号