使用分段近似方法實(shí)現(xiàn)Mu-law壓縮的低保真損失方法研究

現(xiàn)代無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)使用運(yùn)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(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)的需求一直在呈指數(shù)式增加。運(yùn)營(yíng)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(wú)線單元之間運(yùn)行多根高數(shù)據(jù)速率光纖所需的資本投資和運(yùn)維成本。

本文描述了一種針對(duì)高斯類(lèi)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(jiàn)，實(shí)現(xiàn)效率很高，但對(duì)基帶信號(hào)來(lái)說(shuō)在保真度方面會(huì)有過(guò)多的損失。這種靈活的壓縮機(jī)制應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))測(cè)試波形時(shí)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(wú)線基站系統(tǒng)由兩部分組成：基帶處理和無(wú)線部分。這兩部分一般通過(guò)光纖通道連接，協(xié)議接口由名為CPRI的公開(kāi)規(guī)范所確定。在這個(gè)規(guī)范中，這些塊被定義為無(wú)線設(shè)備控制器(REC)和無(wú)線設(shè)備(RE)，見(jiàn)圖1。另外一種類(lèi)似的接口是開(kāi)放基站架構(gòu)計(jì)劃(OBSAI)。

CPRI定義了各種拓?fù)洌c(diǎn)到點(diǎn)，點(diǎn)到多點(diǎn)，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(wú)線設(shè)備控制器到無(wú)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(duì)3GPP UTRA(UMTS)開(kāi)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(wú)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(zhǎng)的帶寬需求。

采樣率、天線數(shù)量和無(wú)線設(shè)備數(shù)量的增加推動(dòng)CPRI標(biāo)準(zhǔn)幾乎每?jī)赡晏岣咭槐兜膸?，?jiàn)圖2和表1。這種帶寬的增加推高了數(shù)字實(shí)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(mǎn)意的。

圖2：隨時(shí)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(shí)在保真度方面的損失相對(duì)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(hào)保真方面的損失最小。重新分布是用一個(gè)對(duì)數(shù)函數(shù)從零擴(kuò)展數(shù)字完成的。擴(kuò)展率通過(guò)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(guò)直接比特移位實(shí)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(jiàn)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(lèi)似的稱(chēng)為A-law的方案。A-law映射到稍有不同的段，小數(shù)字時(shí)會(huì)產(chǎn)生稍有不同的結(jié)果。

3GPP測(cè)試和要求

蜂窩無(wú)線系統(tǒng)中的信號(hào)保真度是由3GPP定義的。測(cè)試規(guī)范TS 36.104用誤差矢量幅度(EVM)定義了信號(hào)保真度。EVM是指從理想星座點(diǎn)到被測(cè)點(diǎn)的矢量大小。對(duì)于64QAM信號(hào)來(lái)說(shuō)，64QAM 的E-UTRA要求是

Mu-law/A-law 測(cè)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(duì)64QAM數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)將產(chǎn)生很差的結(jié)果。在Mu_compand_val=255點(diǎn)，EVM最差，只執(zhí)行一次簡(jiǎn)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(shí)的誤差矢量幅度(%)。

當(dāng)Mu_compand_val約等于5時(shí)OFDMA信號(hào)出現(xiàn)最佳點(diǎn)。雖然Mu_compand_val=255顯示為高效的實(shí)現(xiàn)點(diǎn)，但對(duì)OFDMA波形來(lái)說(shuō)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(guò)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(cè)量

一旦實(shí)現(xiàn)完成，就可以使用3GPP測(cè)試模型和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行實(shí)際的3GPP測(cè)量。圖12顯示了E-UTRA解調(diào)波形。在這個(gè)特定結(jié)果中，使用實(shí)際硬件并將Mu_compand_val設(shè)為8可以測(cè)到0.791%的平均誤差矢量幅度。

圖12：3GPP的誤差矢量幅度測(cè)量。

IQ映射器自動(dòng)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(méi)有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，供應(yīng)商可以實(shí)現(xiàn)各種不同的方案。CPRI壓縮合成很難，因?yàn)榭梢允褂貌煌奈粚?。IQ映射器的實(shí)現(xiàn)非常獨(dú)特，每家供應(yīng)商都可以為這個(gè)模塊開(kāi)發(fā)定制的RTL。Altera開(kāi)發(fā)的一款工具可以極大地簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程。該工具基于Excel，用戶(hù)可以在里面選擇線速率，然后為每個(gè)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(mǎn)，VB宏將為特定映射結(jié)構(gòu)自動(dòng)產(chǎn)生RTL代碼。如果要求多種用例，該工具可以用來(lái)自動(dòng)產(chǎn)生多個(gè)IQ映射器實(shí)例。圖13和圖14分別顯示了帶3個(gè)AXC載波、每個(gè)載波有16位I和Q的IQ映射器以及帶8位I和Q的類(lèi)似映射器。在工具產(chǎn)生RTL之后，代碼被簡(jiǎn)單地追加到Altera CPRI宏核IP，用于產(chǎn)生完整的CPRI設(shè)計(jì)。

圖13：用于具有16位IQ數(shù)據(jù)的3個(gè)AxC的IQ映射器域。

圖14：用于具有8位IQ數(shù)據(jù)的3個(gè)AxC的IQ映射器域。

本文小結(jié)

使用分段近似方法實(shí)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(shí)和實(shí)現(xiàn)面積也可忽略不計(jì)。

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。