CPRI基帶數據的低損耗壓縮
發布時間：2015-3-17 11:23
發布者：designapp
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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。 圖1.REC至RE接口 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。 表1.越來越高的帶寬需求 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。 圖2.CPRI速率隨時間的變化 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。 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。 表2.ITU-T建議G.711 圖3.分段線性逼近Mu_compand_val=255 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。 圖10.不同Mu_compand_val的EVM (%) 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.Mu_compand_val=8 (a) 壓縮IQ星座 (b) 模擬EVM 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%。 圖12.3GPP EVM測量 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。 圖13.IQ映射域，3路AxC，具有16位IQ數據 圖14.IQ映射域，3路AxC，具有8位IQ數據 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%�？紤]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。 致謝 Nima Safari在MATLAB建模上提供了幫助。 Mohammed Arshad Bin Abdullah實現了RTL。 Kyle Li進行了3GPP測量。 CPRI IP團隊將壓縮功能集成到內核中。 |
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