如何利用Mu率壓縮對(duì)高斯波形進(jìn)行壓縮

現(xiàn)代無線基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)運(yùn)行CPRI (公共射頻接口)協(xié)議，使用了光纖來傳送頻率、相位、復(fù)雜數(shù)據(jù)和控制信息。對(duì)無線數(shù)據(jù)的需求一直呈指數(shù)增長(zhǎng)。運(yùn)營商和設(shè)備供應(yīng)商都在尋找降低資金投入和運(yùn)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(duì)高斯波形進(jìn)行壓縮的方法，例如，CPRI接口所使用的基帶IQ數(shù)據(jù)。Mu率壓縮通常用在音頻應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)的效率很高，但是對(duì)于基帶信號(hào)，保真度損失較大。本文介紹偏置二次方方法，減少了分段數(shù)量，高效的獲得更適合基帶信號(hào)的低Mu值。這一靈活的壓縮方法提供2:1壓縮比，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)LTE(長(zhǎng)期發(fā)展)測(cè)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(tǒng)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(xié)議接口由名為CPRI的公開規(guī)范進(jìn)行定義。在這一規(guī)范中，這些模塊被定義為REC (射頻設(shè)備控制器)和RE (射頻設(shè)備)。請(qǐng)參見圖1。另一種類似的接口是OBSAI (開放基站體系結(jié)構(gòu)計(jì)劃)。

CPRI定義了各種拓?fù)洌c(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、鏈，以及環(huán)形拓?fù)?。CPRI傳送同步、C&M (控制和管理)，以及基帶IQ數(shù)據(jù)。

背景

CPRI是由密切協(xié)作的業(yè)界多家OEM定義的。最初是為3GPP UTRA (UMTS)開發(fā)的，但是后來擴(kuò)展到覆蓋了WiMAX、3GPP E-UTRA (LTE)，以及3GPP GSM。隨著無線標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，IQ數(shù)據(jù)的帶寬需求急劇增長(zhǎng)。

采樣率、天線數(shù)量和射頻數(shù)量的不斷增長(zhǎng)促使CPRI標(biāo)準(zhǔn)的帶寬幾乎每?jī)赡昃蜁?huì)翻倍，如圖2和表1所示。帶寬的增長(zhǎng)也增加了數(shù)字實(shí)現(xiàn)(邏輯和收發(fā)器)和光器件(激光模組和光纖)的成本。最近的CPRI V6.0版標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)一步提高效率。

本文介紹壓縮IQ數(shù)據(jù)的一種方法，以相對(duì)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(shù)值范圍內(nèi)重新分配數(shù)值，這樣，當(dāng)進(jìn)行后續(xù)的量化時(shí)，能夠降低信號(hào)保真度損失。采用算術(shù)函數(shù)進(jìn)行重新分配，從零開始擴(kuò)展數(shù)字。通過選擇常數(shù)Mu_compand_val來控制擴(kuò)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(shè)定了較大的Mu_compand_val=255值。它產(chǎn)生2n指數(shù)，通過直接位移實(shí)現(xiàn)分段線性逼近，位移量由指數(shù)決定(參見表2)。圖3顯示了分段數(shù)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(shù)值時(shí)產(chǎn)生稍微不同的結(jié)果。

3GPP測(cè)試和要求

蜂窩射頻系統(tǒng)的信號(hào)保真度是由3GPP定義的。測(cè)試規(guī)范TS 36.104以EVM (誤碼矢量測(cè)量)定義了信號(hào)保真度。EVM是從理想星座點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)的矢量大小。對(duì)于64QAM信號(hào)，64QAM的E-UTRA要求是

Mu率/ A率測(cè)試

使用了各種Mu_compand_val值進(jìn)行壓縮和解壓縮。圖10顯示了Mu_compand_val與EVM對(duì)比曲線，以藍(lán)色表示A率，紅色表示Mu率。較大的Mu值將指數(shù)增加的采樣數(shù)映射為同樣的指數(shù)，對(duì)于64QAM數(shù)據(jù)，其結(jié)果非常差。進(jìn)行一次簡(jiǎn)單量化，Mu_compand_val=255時(shí)，EVM較差。與ITU建議相比，顯然需要很淺的指數(shù)/擴(kuò)展比。

當(dāng)Mu_compand_val大約是5時(shí)，出現(xiàn)了OFDMA信號(hào)最優(yōu)點(diǎn)。雖然Mu_compand_val等于255時(shí)，是高效的實(shí)現(xiàn)點(diǎn)，但是EVM不適合OFDMA波形，需要較小的數(shù)值。

圖11中，模擬Mu率壓縮，Mu_compand_val=8。Mu率函數(shù)將數(shù)據(jù)擴(kuò)展，數(shù)據(jù)填充超出了IQ數(shù)值范圍。從16位到8位的Mu率壓縮得到了0.55%的EVM。

3GPP測(cè)量

實(shí)現(xiàn)之后，使用3GPP測(cè)試模型和業(yè)界標(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)后的波形。在這一特殊的結(jié)果中，使用實(shí)際硬件，Mu_compand_val被設(shè)置為8，得到了平均EVM為0.791%。

IQ映射自動(dòng)生成工具

CPRI標(biāo)準(zhǔn)提供了幀結(jié)構(gòu)和通用方法，映射CPRI幀中的IQ數(shù)據(jù)，但是并沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)比較獨(dú)特，每家供應(yīng)商都為這一模塊開發(fā)了定制RTL。Altera開發(fā)的工具極大的簡(jiǎn)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(duì)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(huì)為某一映射結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成RTL代碼。如果需要多次使用，工具可以用于自動(dòng)生成幾個(gè)IQ映射器實(shí)例。具有3路AXC載波的IQ映射器，每個(gè)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(shè)計(jì)。

本文小結(jié)

從16位到8位的Mu率壓縮，使用了分段近似，結(jié)果是保真度損失非常小，只有0.79%。考慮到8%的3GPP規(guī)范，這是相對(duì)較小的劣化。延時(shí)和實(shí)現(xiàn)面積微不足道。

Altera最新的CPRI IP內(nèi)核v6.0采用了CPRI壓縮和IQ映射器工具，可以申請(qǐng)獲得。