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如何利用Mu率壓縮對高斯波形進行壓縮

電子設計 ? 作者:電子設計 ? 2018-09-12 08:55 ? 次閱讀

現代無線基礎設施系統運行CPRI (公共射頻接口)協議,使用了光纖來傳送頻率、相位、復雜數據和控制信息。對無線數據的需求一直呈指數增長。運營商和設備供應商都在尋找降低資金投入和運營成本的方法,在基帶單元和射頻單元之間采用了多條高速光纖。

本文介紹了使用Mu率壓縮對高斯波形進行壓縮的方法,例如,CPRI接口所使用的基帶IQ數據。Mu率壓縮通常用在音頻應用中,實現的效率很高,但是對于基帶信號,保真度損失較大。本文介紹偏置二次方方法,減少了分段數量,高效的獲得更適合基帶信號的低Mu值。這一靈活的壓縮方法提供2:1壓縮比,對于標準LTE(長期發展)測試波形,EVM (誤差矢量幅度)劣化不到1%。

引言

典型的LTE宏射頻基站系統包括兩部分:基帶處理和射頻。這些組成一般通過光纖通道連接,協議接口由名為CPRI的公開規范進行定義。在這一規范中,這些模塊被定義為REC (射頻設備控制器)和RE (射頻設備)。請參見圖1。另一種類似的接口是OBSAI (開放基站體系結構計劃)。

CPRI定義了各種拓撲,包括點對點、點對多點、鏈,以及環形拓撲。CPRI傳送同步、C&M (控制和管理),以及基帶IQ數據。

背景

CPRI是由密切協作的業界多家OEM定義的。最初是為3GPP UTRA (UMTS)開發的,但是后來擴展到覆蓋了WiMAX、3GPP E-UTRA (LTE),以及3GPP GSM。隨著無線標準的發展,IQ數據的帶寬需求急劇增長。

如何利用Mu率壓縮對高斯波形進行壓縮

采樣率、天線數量和射頻數量的不斷增長促使CPRI標準的帶寬幾乎每兩年就會翻倍,如圖2和表1所示。帶寬的增長也增加了數字實現(邏輯和收發器)和光器件(激光模組和光纖)的成本。最近的CPRI V6.0版標準引入了10.1376Gbps鏈路,使用66b64b編碼替代其他線路速率所使用的8b10b,從而提高了鏈路效率。迫切需要進一步提高效率。

如何利用Mu率壓縮對高斯波形進行壓縮

本文介紹壓縮IQ數據的一種方法,以相對較小的保真度損失,降低了傳送速率。

Mu率壓縮

Mu率壓縮這種方法在數值范圍內重新分配數值,這樣,當進行后續的量化時,能夠降低信號保真度損失。采用算術函數進行重新分配,從零開始擴展數字。通過選擇常數Mu_compand_val來控制擴展率。

如何利用Mu率壓縮對高斯波形進行壓縮

Mu率壓縮通常用在音頻壓縮中,是ITU-T建議G.711和G.191推薦的方法。在這些音頻壓縮方法中,設定了較大的Mu_compand_val=255值。它產生2n指數,通過直接位移實現分段線性逼近,位移量由指數決定(參見表2)。圖3顯示了分段數和8位輸出。

除了Mu率,ITU-T還建議了非常相似的方法,名為A率。A率映射到稍微不同的分段,小數值時產生稍微不同的結果。

3GPP測試和要求

蜂窩射頻系統的信號保真度是由3GPP定義的。測試規范TS 36.104以EVM (誤碼矢量測量)定義了信號保真度。EVM是從理想星座點到測量點的矢量大小。對于64QAM信號,64QAM的E-UTRA要求是

Mu率/ A率測試

使用了各種Mu_compand_val值進行壓縮和解壓縮。圖10顯示了Mu_compand_val與EVM對比曲線,以藍色表示A率,紅色表示Mu率。較大的Mu值將指數增加的采樣數映射為同樣的指數,對于64QAM數據,其結果非常差。進行一次簡單量化,Mu_compand_val=255時,EVM較差。與ITU建議相比,顯然需要很淺的指數/擴展比。

當Mu_compand_val大約是5時,出現了OFDMA信號最優點。雖然Mu_compand_val等于255時,是高效的實現點,但是EVM不適合OFDMA波形,需要較小的數值。

圖11中,模擬Mu率壓縮,Mu_compand_val=8。Mu率函數將數據擴展,數據填充超出了IQ數值范圍。從16位到8位的Mu率壓縮得到了0.55%的EVM。

3GPP測量

實現之后,使用3GPP測試模型和業界標準測量設備,進行實際的3GPP測量。圖12顯示了E-UTRA解調后的波形。在這一特殊的結果中,使用實際硬件,Mu_compand_val被設置為8,得到了平均EVM為0.791%。

IQ映射自動生成工具

CPRI標準提供了幀結構和通用方法,映射CPRI幀中的IQ數據,但是并沒有嚴格的標準,供應商實現了各種不同的方法。由于可以使用不同的位寬度,因此,CPRI壓縮增大了難度。IQ映射器的實現比較獨特,每家供應商都為這一模塊開發了定制RTL。Altera開發的工具極大的簡化了這一過程。該工具基于Excel,其中,可以選擇曲線斜率,然后,針對每一IQ采樣,在單元中填入AxC載波。使用填充位,使幀填滿。CPRI幀完全填滿后,VB宏會為某一映射結構自動生成RTL代碼。如果需要多次使用,工具可以用于自動生成幾個IQ映射器實例。具有3路AXC載波的IQ映射器,每個有16位I和Q,相似的例子具有8位I和Q,分別如圖13和圖14所示。工具生成RTL后,代碼被附到Altera CPRI megacore IP中,生成完整的CPRI設計。

本文小結

從16位到8位的Mu率壓縮,使用了分段近似,結果是保真度損失非常小,只有0.79%。考慮到8%的3GPP規范,這是相對較小的劣化。延時和實現面積微不足道。

Altera最新的CPRI IP內核v6.0采用了CPRI壓縮和IQ映射器工具,可以申請獲得。

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