現(xiàn)代無線基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)使用運行CPRI(普通公共射頻接口)協(xié)議的光纖傳輸頻率、相位、復(fù)合數(shù)據(jù)和控制信息。人們對無線數(shù)據(jù)的需求一直在呈指數(shù)式增加。運營商和設(shè)備供應(yīng)商都在努力設(shè)法減小在基帶單元和無線單元之間運行多根高數(shù)據(jù)速率光纖所需的資本投資和運維成本。
本文描述了一種針對高斯類波形使用Mu-law壓縮的方法——例如CPRI接口中使用的基帶IQ數(shù)據(jù)。Mu-law壓縮在音頻應(yīng)用中很常見,實現(xiàn)效率很高,但對基帶信號來說在保真度方面會有過多的損失。這種靈活的壓縮機(jī)制應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)LTE(長期演進(jìn))測試波形時具有2:1的壓縮比,而且誤差矢量幅度(EVM)不到1%。
引言
典型的LTE宏無線基站系統(tǒng)由兩部分組成:基帶處理和無線部分。這兩部分一般通過光纖通道連接,協(xié)議接口由名為CPRI的公開規(guī)范所確定。在這個規(guī)范中,這些塊被定義為無線設(shè)備控制器(REC)和無線設(shè)備(RE),見圖1。另外一種類似的接口是開放基站架構(gòu)計劃(OBSAI)。
CPRI定義了各種拓?fù)洌c到點,點到多點,鏈和環(huán)。CPRI可以傳輸同步、控制和管理(C&M)和基帶IQ數(shù)據(jù)。
圖1:無線設(shè)備控制器到無線設(shè)備的接口。
背景
CPRI是由行業(yè)內(nèi)具有緊密合作關(guān)系的一些OEM廠商定義的。CPRI最早是針對3GPP UTRA(UMTS)開發(fā)的,但隨后經(jīng)擴(kuò)展覆蓋了WiMAX、3GPP E-UTRA(LTE)和3GPP GSM。隨著無線標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn),IQ數(shù)據(jù)的帶寬需求有了極大地提高。
表1:不斷增長的帶寬需求。
采樣率、天線數(shù)量和無線設(shè)備數(shù)量的增加推動CPRI標(biāo)準(zhǔn)幾乎每兩年提高一倍的帶寬,見圖2和表1。這種帶寬的增加推高了數(shù)字實現(xiàn)(邏輯和收發(fā)器)和光學(xué)部分(激光器模塊和光纖)的成本。最新的CPRI V6.0版本標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)引入了10.1376Gbps鏈路,而且使用66b64b編碼代替其它線路速率使用的8b10b編碼提高了這種速率鏈路的效率。效率的提高是非常令人滿意的。
圖2:隨時間推移不斷上升的CPRI速率。
本文介紹了一種壓縮IQ數(shù)據(jù)的方法,它能減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,同時在保真度方面的損失相對較小。
Mu-law壓縮
Mu-law壓縮是一種在規(guī)定數(shù)字范圍內(nèi)重新分布數(shù)值的方法,當(dāng)隨后的量化執(zhí)行完成后,它能保證信號保真方面的損失最小。重新分布是用一個對數(shù)函數(shù)從零擴(kuò)展數(shù)字完成的。擴(kuò)展率通過選擇常數(shù)Mu_compand_val進(jìn)行控制。
Mu-law壓縮常用于音頻壓縮方案中,是ITU-T建議G.711和G.191的推薦方法。在這些音頻壓縮方案中,規(guī)定了Mu_compand_val=255的上限值。它通過直接比特移位實現(xiàn)2n指數(shù)和分段線性近似,其中移位的數(shù)量取決于指數(shù)值(見表2)。圖3顯示了段數(shù)與8位輸出之間的關(guān)系。
表2:ITU-T建議G.711。
圖3:分段線性近似Mu_compand_val=255。
除了Mu-law外,ITU-T還推薦了一種非常類似的稱為A-law的方案。A-law映射到稍有不同的段,小數(shù)字時會產(chǎn)生稍有不同的結(jié)果。
3GPP測試和要求
蜂窩無線系統(tǒng)中的信號保真度是由3GPP定義的。測試規(guī)范TS 36.104用誤差矢量幅度(EVM)定義了信號保真度。EVM是指從理想星座點到被測點的矢量大小。對于64QAM信號來說,64QAM 的E-UTRA要求是
Mu-law/A-law 測試
將各種不同的Mu_compand_val數(shù)值用于壓縮和解壓縮。圖10顯示了Mu_compand_val與EVM的關(guān)系圖,其中藍(lán)線是A-law ,紅線是Mu-law。高的Mu值映射到數(shù)量以相同指數(shù)呈指數(shù)式增加的樣值,對64QAM數(shù)據(jù)來說將產(chǎn)生很差的結(jié)果。在Mu_compand_val=255點,EVM最差,只執(zhí)行一次簡單的量化。與ITU建議相比,這里明顯需要低得多的指數(shù)/擴(kuò)展率。
圖10:不同Mu_compand_val時的誤差矢量幅度(%)。
當(dāng)Mu_compand_val約等于5時OFDMA信號出現(xiàn)最佳點。雖然Mu_compand_val=255顯示為高效的實現(xiàn)點,但對OFDMA波形來說EVM很差,需要低得多的值。
圖11:Mu_compand_val=8 (a)壓縮后的IQ星座 (b)建模后的誤差矢量幅度。
用Mu_compand_val=8建模Mu-law壓縮如圖11所示。Mu-law函數(shù)可以通過擴(kuò)展數(shù)據(jù)填充更多的IQ可用數(shù)字范圍。從16位到8位的Mu-law壓縮可以產(chǎn)生0.55%的誤差矢量幅度。
3GPP測量
一旦實現(xiàn)完成,就可以使用3GPP測試模型和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備進(jìn)行實際的3GPP測量。圖12顯示了E-UTRA解調(diào)波形。在這個特定結(jié)果中,使用實際硬件并將Mu_compand_val設(shè)為8可以測到0.791%的平均誤差矢量幅度。
圖12:3GPP的誤差矢量幅度測量。
IQ映射器自動生成工具
CPRI標(biāo)準(zhǔn)提供了一種將IQ數(shù)據(jù)映射到CPRI幀的幀結(jié)構(gòu)和通用方法,但沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn),供應(yīng)商可以實現(xiàn)各種不同的方案。CPRI壓縮合成很難,因為可以使用不同的位寬。IQ映射器的實現(xiàn)非常獨特,每家供應(yīng)商都可以為這個模塊開發(fā)定制的RTL。Altera開發(fā)的一款工具可以極大地簡化這個過程。該工具基于Excel,用戶可以在里面選擇線速率,然后為每個IQ樣值在單元中填入AxC載波。填充比特用于完整地填充幀。一旦CPRI幀被填滿,VB宏將為特定映射結(jié)構(gòu)自動產(chǎn)生RTL代碼。如果要求多種用例,該工具可以用來自動產(chǎn)生多個IQ映射器實例。圖13和圖14分別顯示了帶3個AXC載波、每個載波有16位I和Q的IQ映射器以及帶8位I和Q的類似映射器。在工具產(chǎn)生RTL之后,代碼被簡單地追加到Altera CPRI宏核IP,用于產(chǎn)生完整的CPRI設(shè)計。
圖13:用于具有16位IQ數(shù)據(jù)的3個AxC的IQ映射器域。
圖14:用于具有8位IQ數(shù)據(jù)的3個AxC的IQ映射器域。
本文小結(jié)
使用分段近似方法實現(xiàn)從16位到8位的Mu-law壓縮只有0.79%的低保真損失。相比3GPP規(guī)定的8%,這種損失造成的性能劣化是相當(dāng)小的。延時和實現(xiàn)面積也可忽略不計。
CPRI壓縮和IQ映射器工具都已經(jīng)被集成進(jìn)Altera最新的CPRI IP內(nèi)核v6.0中。
責(zé)任編輯:gt
-
射頻
+關(guān)注
關(guān)注
104文章
5577瀏覽量
167713 -
接口
+關(guān)注
關(guān)注
33文章
8582瀏覽量
151071 -
數(shù)據(jù)
+關(guān)注
關(guān)注
8文章
7010瀏覽量
88976
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論