数字值处理器 本发明涉及用于估算一个数字值的平方的一种数字值处理器，涉及使用这种数字值处理器的一种相应的方法和一种平均信号功率估算设备。
在数字通信系统中，在被传送给发射机用以发射之前一个数字信号需要被模拟调制。如果想要监控发射机的输出功率，直接的解决方法存在于测量模拟信号。然而，如果想在数字信号的基础上测量或估算发射机的输出功率，那么可以通过监控包含在数字信号中的数值的平方进行。例如，一个CDMA(码分多址)信号包含所谓的加权码片，所述的加权码片是包含在一个数字信号中的数字值的一个样本，并且加权码片的同相位和正交相位分量的平方的监控给出发送所述CDMA数字信号的发射机的发射输出功率的一个指示。
因此，为了估算一个数字信号地功率，要有计算数字值的平方的方法。将一个数与它自己相乘的基本操作是众所周知的。有许多数值方法适于完成这样一种乘法。此外，在可能的功率估算之前对输入序列进行二次抽样的不同方法是知道的。基于上面描述的思想的算法在许多设备中被实现，例如，在数字信号处理器中。
例如，DE4033507C2显示一种用于整数数值乘的电路安排。在此文献中描述的基本操作存在于首先计算一个对数，然后执行一个加操作，在然后与计算对数相反的操作。提到计算对数和相反的操作可以通过使用指数曲线的数学近似加快。依照该文献，一种用于计算对数的编码单元以这样的方式逐渐地近似一个指数曲线，以至于线性部分的数至少等于各个整数的位数。与这种线性近似相联系，文献DE4033507C2提出一个基于复杂的真值表的操作。然而此文献不是专门从事平方的计算。
也有计算一个平方和的平方根的方法，例如，在EP0811909A1中公开的，或用来估算一个均方值的方法，例如，在EP0205351A1中公开的。然而，即使这些方法涉及一个项的计算，该项分析上要求平方的计算，两个方法实际上避免了计算一个数字值的平方。
本发明的目的是提供一种用于估算一个数字值的平方的数字值处理器和数字值处理方法，它们可以被简单地实现，即，用很少的硬件消耗和没有复杂的处理步骤。
这个目的被一种根据权利要求1的数字值处理器和根据权利要求14的一种数字值处理方法解决。优选地，根据本发明的数字值处理被用于估算一个数字信号的平均输出功率。
本发明的基本思想在于使用2的幂来计算一个数字值xa的平方，在2的幂被用作平方函数y=x2的线性近似的定位点的意义上。更加具体地，首先两个2的整数幂被确定，xa位于其间的，即：
2i≤xa<2i+1(1)
然后2i被被用作第一处理值，3xa-2i+1被用作第二处理值，以计算一个估值ξa2。
过将一个数字值，它为一个二进制数，的平方的估值以上面描述的方式基于2的整数幂，可能通过移位操作和加操作进行所有计算，这导致简单的处理步骤，使非常简单的处理硬件成为可能。
根据一种优选实施例，估值ξa2作为第一和第二处理值的乘积被计算，即
ξa2=2i·(3xa-2i+1)(2)
这相当于利用在作为定位点的2的幂之间的线性插值来计算估值ξa2，如图5所示。这一点在后面将被更加详细地解释。于是估值的计算可以优选地被进行，只需左移操作和加操作。
根据另一种优选实施例，在这种方案中平均估值误差被减小，估值ξa2利用附加进行一次截断操作被计算，即：ξa2=2i·2i-Q·[(3xa-2i+1)/2i-Q](3)其中的意思是实数x的整数部分，即截断操作。平均估值误差以这种方式被减小。优选地计算操作只使用左移、右移和加操作被进行。
由于这样的事实：对于大数字值，在上面描述的基于2的整数幂的近似中估值误差的幅值增大，本发明的设备和方法优选用于大数值出现的可能性较小的数字信号。这是根据对模拟发射机的最大输出功率的限制产生的数字信号的典型情况。
根据优选实施例的以下详细描述，本发明的更多特点和优点将变得显而易见，描述将参照附图进行，其中
图1展示本发明的一种实施例的一个方框图；
图2展示本发明的另一种实施例的一个方框图；
图3展示基于图1中提到的实施例的本发明的一种实施例；
图4展示基于图2中提到的实施例的本发明的一种实施例；
图5解释基于2的整数幂估值xa的平方的基本思想；
图6展示对于上面提到的实施例作为幅度xa的函数的近似误差；
图7展示本发明的基本方法的流程图。
图1展示本发明的第一种实施例的一个方框图。数字值xa被输入到一个决定装置10中，它决定两个2的幂，xa位于两幂之间，即
2i≤xa＜2i+1(4)
决定装置10输出第一处理值2i，然后它被用在计算装置20中。计算装置20适当地计算第二处理值(3xa-2i+1)。最后，估值ξa2从所述的第一和第二处理值被计算。
应当注意为了较清楚和较简单地描述的目的在这里和下面的描述中假设xa为非负值。自然，本发明也能用于估算负数字值的平方。在这种情况下，即，如果xa为负值的可能性存在，那么如果需要输入到决定装置10的数值必须被适当地处理为正值。这可以以任何合适的方式做，例如，在决定装置10和计算装置20之前放置一个装置，它总是输出数值xa的幅值，这样只有非负值被输入到装置10和20中。作为选择，以适当的方式将决定装置10和计算装置20一般化是可能的，这样非负和负值可以被输入到装置10和20中。这种改造可以以任意期望或便利的方式进行，在那里它的影响是：如果xa为负值，上面描述的决定和计算(等式(1)～(4))将基于幅值｜xa｜而不是xa进行。
如已经提到的，为了清楚的目的下面的描述将假设xa非负，但是应当理解在xa为负值的情况下，描述的方法和设备必须简单地被调整，调整实质上是用｜xa｜代替xa。换句话说，如果负值xa可以出现，那么使用附加的装置确保2i实质上基于2i≤｜xa｜＜2i+1被决定，第二处理值实质上为(3｜xa｜-2i+1)。“实质上”的意思是幅值本身不需要被计算，但是具有这个实质的结果应该被达成。然而，达到该目的的最简单和因而优选的方式是提供一个装置，该装置输出数值xa的幅值，它的平方将到上面描述的装置10和20中被估值。
但是调整装置10和20本身是同样可能的，要么它们确定输入值xa的幅值，要么使用相应地调整的计算项的板本，例如，2i、2i+1和/或3xa的负值。后面的可能性可以，例如，被一种系统实现，在此系统中首先确定xa是否为非负或负，并且第一和第二处理值由下式计算：
2i≤xa＜2i+1 (1)
和
ξa2＝2i·(3xa-2i+1) (2)
如果xa是非负的，和由下式计算：
-2i+1＜xa≤-2i (1a)
和
ξa2＝2i·(-3xa－2i+1)＝-2i·(3xa＋2i+1) (2a)
如果xa是负值。
显然，这和基于2i≤｜xa｜＜2i+1决定第一处理值，基于(3｜xa｜-2i+1)决定第二处理值的结果是相同的。本发明企图包含具有这种结果的所有可能性。
调整装置10和20的可能性是很多的，对于本技术领域的技术人员是很容易发生的，因而没有进一步解释的必要。
图7显示本发明的基本方法的一个流程图。第一步S1，读一个数字值xa。然后在第二步S2中整数i被决定，对于i有2i≤xa＜2i+1。再然后第一处理值2i在第三步S3被计算，之后第二处理值(3xa-2i+1)在第四步被计算。最后基于第一和第二处理值估值ξa2在第五步S5被计算。
上面提到的与图1和图7有关的处理可以以任意合适的或合意的方式被执行。应该注意例如步骤S2和S3也可以合并成一步，例如通过确定数字值中最高有效位，然后简单地输出该最高有效位，而令所有其它位等于零，以作为正确的2的幂。
优选地，决定第一和第二处理值的处理如图1中更详细地显示的那样被执行。更加明确地，决定装置10实际上找出数字值xa的最高有效位(MSB)，它以二进制表示被给出，然后将发现的位位置设为用于确定2的两个幂的整数i，xa位于两个幂之间。对于一个数字数的任意给定二进制表示(符号/幅值，一/二补数)，MSB的决定在本领域中是众所周知的，不需要在这里解释。然后决定装置10通过保留MSB并将所有其它较低有效位设为0输出值2i的一个二进制表示。结果，基于2的整数幂的一个数字值的平方的估值提供了对定位点2i的简单决定过程的优点，因为这些定位点可以通过简单地找出一个数字值xa中最高有效位来容易地决定。优选地，计算装置20被这样安排，第二处理值通过左移和加操作被计算。更加具体地，如图1所示，计算装置20优选地有一个左移装置21，一个左移装置22和一个加法器24。如看到的那样，第二处理值(3xa-2i+1)可以通过在左移装置22中将数字值xa乘以2和在加法器24中将乘的结果与数字值本身相加，从而产生3xa，在加法器24中从3xa中减去2i+1，其中2i+1通过在左移装置21中将决定装置10的输出值2i乘以2生成。
在估值中使用2的幂作为定位点的优点在这里再一次变得明显，因为包含乘2的操作可以在二进制数上进行简单的左移操作进行。在左移装置21和22的情况下，乘2通过一个左移被完成。在本领域中执行这种左移操作的电路是众所周知的，因此这里不需要描述了。数字数的加装置也是众所周知的。
优选地，计算电路20通过将第一和第二处理值相乘计算估值ξa2，即：
ξa2＝2i·(3xa-2i+1)(5)
该乘操作也可以被一个简单的左移装置23执行，它再一次是优选的，其中将第二处理值乘以2i以i次左移来完成。然后计算电路20输出估值ξa2以便进一步处理。
注意尽管利用移位装置和加装置的处理是优选的，因为这导致非常简单的硬件实现，可以使用其它进行该处理的装置。
图5展示了利用2的整数幂作为定位点对函数y＝x2的线性近似的基本思想，可以看出，数字值xa位于xi＝2i和xi+1＝2i+1之间，通过在点xi和xi+1之间假设曲线y＝x2的一个线性近似，xa的平方被估算。换句话说ξa2=xi2+xa-xixi+1-xi·(xi+12-xi2)]]>=xi2＋(xa－xi)·(xi+1＋xi) (6)=xaxi+1－xixi+1＋xaxi=xa2xi－xi2xi＋xaxi=xi·(3xa－2xi)=2i·(3xa－2i+1)
可以看到，在为2的整数幂的定位点之间y=x2的线性近似直接导致估值ξa2的确定为第一和第二处理值的乘积。
图2显示了本发明的另一种实施例。图2中和与图1有关已经解释过的元件相同的的元件具有相同的参考数，不再描述。图2的实施例和图1的实施例的差别在于图2的安排另外有一个掩蔽电路25，用于在上面提到的第二处理值(3xa-2i+1)的基础上产生一个调整的第二处理值。更具体地，掩蔽装置从它的输入端数字值中掩蔽一个预先确定的数i-Q的较低有效位，这样以来这些较低有效位都被复位。
优选地掩蔽装置25包含一个除和截断装置251和一个乘装置252，如图2所揭示的那样。更具体地，第二处理值(3xa-2i+1)被输入到除和截断装置251中，除和截断装置251通过对第二处理值执行(i-Q)次右移执行除以2i-Q，以从而截断i-Q个最低有效位。然后乘装置执行乘以2i-Q以将最高有效位恢复到它的原位置。在一次这优选地通过移位操作进行，在这种情况下(i-Q)次左移。该操作的结果是一个调整的第二处理参数2i-Q[(3xa-2i+1)/2i-Q] (8)其中指示截断操作。应当注意：掩蔽装置25的掩蔽操作可以以任意合适的或合意的方式被执行或实现，但是上面描述的元件251和252的特定操作是优选的，因为它允许简单的操作步骤和简单的硬件。
图6显示了由简单地将第一和第二处理值相乘决定的ξa2的，和由将第一和调整的第二处理值相乘决定的ξa2的近似误差xa2-ξa2。图6中所示结果使用的截断参数Q是2。可以看出，无论xa的实际值是多大，平方值的简单线性近似的误差曲线(虚线)总是导致零或负近似误差。这从图5很容易理解，因为在xi和xi+1之间的线性近似总是位于曲线y＝x2的上方，因此估值ξa2总是大于xa2。当附加进行与图2相联系解释的掩蔽操作时近似误差在图6中显示为实线。可以看出，由于掩蔽操作近似误差xa2-ξa2的值更加平衡，因为也出现了正值。这具有下面的效果：如果多个数字值的平方被估算，估值的平方的平均数与数字值的平均数将更加精确地匹配。
在这一关系中应注意：掩蔽操作掩蔽了i-Q个最低有效位。这意味着掩蔽的位数依赖于xa的幅值：如果xa大，那么许多位被掩蔽，如果xa小，那么少数几个或没有位将被掩蔽。这种效应在图6中是明显的。
测量显示最好的性能通过使用截断参数Q＝2被获得。
从图6也可以看出，一般近似误差的幅值随着xa的幅度变大而变大。这是由于以下事实：在较高振幅值xa的情况下定位点2i变得较为稀疏。换句话说，这是由于以下事实：定位点不是沿着x轴均匀分布的。由于这个事实，本发明的数字值处理器和数字值处理方法基本上很好地应用于这样的数字信号，其中较大幅值的数字值的出现与较小数字值相比较不频繁或较不可能。在这种情况下，大幅值的较大近似误差对一个估值ξa2的累积和平均数没有大影响。
优选地，上面描述的实施例被用于估算一个数字信号的平均发射功率的功率估算设备，其中所述的数字信号正被提供给发射机。图3显示了图1的数值处理器在这种功率估算电路中的应用，图4显示图2的数字值处理器在这种功率估算电路中的应用。
图3显示，在各个幅值决定装置60和60’中接收两个分量的一种平均信号功率估算设备，两个分量即一个同相分量和一个正交相位分量。应注意，图3使用和图1相同的参考数。其中添加的撇号“’”与处理正交相位分量的电路有关。可以看出，电路23和23’的同相分量平方的估值和正交相位分量的估值被加起来并被供给累积器30，累积器30被设置成累积有关预先确定的数目的估值。然后累积值在一个平均电路40中被平均。最后，为了产生一个平均功率估值，通过一个适当的查询表，来自电路40的平均结果被变换成dBm或任何其它合适的测量单位。
图4显示一个基于图2的数字值处理器的平均信号功率估算设备。考虑到两个数值处理器，分别用于同相分量和正交相位分量，和考虑到一个累积电路30、一个平均装置40和一个查询表50，图4的实施例与图3的基本上类似。图4和图3的安排的差别在于以下事实：图4额外包含了掩蔽装置25和25’。
如前面已经提到过的，本发明的设备和方法优选应用于幅值非均匀地分布在整个幅值范围的信号的功率测量。展示这种行为的数字信号是，例如，由所谓的加权码片组成的CDMA(码分多址)信号。这些信号将典型地具有幅值集中在平均值附近的幅值分布，这是由于码片在发射机的最大输出功率给定的限制的条件下被计算的事实。换句话说，一个特定幅值的加权码片的出现率对于接近平均幅值的幅值增大。根据中心极限定理，越多的单个(CDMA)信号被加起来，越满足高斯分布。
尽管本发明基于具体的实施例被描述，本发明决不局限于此，本发明宁可被附加的权利要求定义。权利要求中的参考符号和参考数是试图使得权利要求较容易理解，不限制发明的范围。