現代無線基礎設施系統(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、復合數據和控制信息。人們對無線數據的需求一直在呈指數式增加。運營商和設備供應商都在努力設法減小在基帶單元和無線單元之間運行多根高數據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數據。Mu-law壓縮在音頻應用中很常見，實現效率很高，但對基帶信號來說在保真度方面會有過多的損失。這種靈活的壓縮機制應用于標準LTE(長期演進)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備控制器(REC)和無線設備(RE)，見圖1。另外一種類似的接口是開放基站架構計劃(OBSAI)。
CPRI定義了各種拓撲，包括點到點，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數據。
圖1：無線設備控制器到無線設備的接口。
背景
CPRI是由行業(yè)內具有緊密合作關系的一些OEM廠商定義的。CPRI最早是針對3GPP UTRA(UMTS)開發(fā)的，但隨后經擴展覆蓋了WiMAX、3GPP E-UTRA(LTE)和3GPP GSM。隨著無線標準的演進，IQ數據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、天線數量和無線設備數量的增加推動CPRI標準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字實現(邏輯和收發(fā)器)和光學部分(激光器模塊和光纖)的成本。最新的CPRI V6.0版本標準已經引入了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數據的方法，它能減少傳輸的數據量，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)定數字范圍內重新分布數值的方法，當隨后的量化執(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函數從零擴展數字完成的。擴展率通過選擇常數Mu_compand_val進行控制。
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2n指數和分段線性近似，其中移位的數量取決于指數值(見表2)。圖3顯示了段數與8位輸出之間的關系。
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，小數字時會產生稍有不同的結果。
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數值用于壓縮和解壓縮。圖10顯示了Mu_compand_val與EVM的關系圖，其中藍線是A-law ，紅線是Mu-law。高的Mu值映射到數量以相同指數呈指數式增加的樣值，對64QAM數據來說將產生很差的結果。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/擴展率。
圖10：不同Mu_compand_val時的誤差矢量幅度(%)。
當Mu_compand_val約等于5時OFDMA信號出現最佳點。雖然Mu_compand_val=255顯示為高效的實現點，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函數可以通過擴展數據填充更多的IQ可用數字范圍。從16位到8位的Mu-law壓縮可以產生0.55%的誤差矢量幅度。
3GPP測量
一旦實現完成，就可以使用3GPP測試模型和工業(yè)標準測量設備進行實際的3GPP測量。圖12顯示了E-UTRA解調波形。在這個特定結果中，使用實際硬件并將Mu_compand_val設為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標準提供了一種將IQ數據映射到CPRI幀的幀結構和通用方法，但沒有嚴格的標準，供應商可以實現各種不同的方案。CPRI壓縮合成很難，因為可以使用不同的位寬。IQ映射器的實現非常獨特，每家供應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宏將為特定映射結構自動產生RTL代碼。如果要求多種用例，該工具可以用來自動產生多個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。在工具產生RTL之后，代碼被簡單地追加到Altera CPRI宏核IP，用于產生完整的CPRI設計。
圖13：用于具有16位IQ數據的3個AxC的IQ映射器域。
圖14：用于具有8位IQ數據的3個AxC的IQ映射器域。
本文小結
使用分段近似方法實現從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小的。延時和實現面積也可忽略不計。
CPRI壓縮和IQ映射器工具都已經被集成進Altera最新的CPRI IP內核v6.0中。
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