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技术解析:CPRI基带数据的低损耗压缩
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本文介绍了使用Mu率压缩对高斯波形进行压缩的方法,例如,CPRI接口所使用的基带IQ数据。Mu率压缩通常用在音频应用中,实现的效率很高,但是对于基带信号,保真度损失较大。本文介绍偏置二次方方法,减少了分段数量,高效的获得更适合基带信号的低Mu值。这一灵活的压缩方法提供2:1压缩比,对于标准LTE(长期发展)测试波形,EVM (误差矢量幅度)劣化不到1%。
典型的LTE宏射频基站系统包括两部分:基带处理和射频。这些组成一般通过光纤通道连接,协议接口由名为CPRI的公开规范进行定义。在这一规范中,这些模块被定义为REC (射频设备控制器)和RE (射频设备)。请参见图1。另一种类似的接口是OBSAI (开放基站体系结构计划)。
CPRI定义了各种拓扑,包括点对点、点对多点、链,以及环形拓扑。CPRI传送同步、C&M (控制和管理),以及基带IQ数据。
CPRI是由密切协作的业界多家OEM定义的。最初是为3GPP UTRA (UMTS)开发的,但是后来扩展到覆盖了WiMAX、3GPP E-UTRA (LTE),以及3GPP GSM。随着无线标准的发展,IQ数据的带宽需求急剧增长。
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Mu率压缩
Mu率压缩这种方法在数值范围内重新分配数值,这样,当进行后续的量化时,能够降低信号保真度损失。采用算术函数进行重新分配,从零开始扩展数字。通过选择常数Mu_compand_val来控制扩展率。
Mu率压缩通常用在音频压缩中,是ITU-T建议G.711和G.191推荐的方法。在这些音频压缩方法中,设定了较大的Mu_compand_val=255值。它产生2n指数,通过直接位移实现分段线性逼近,位移量由指数决定(参见表2)。图3显示了分段数和8位输出。
3GPP测试和要求
蜂窝射频系统的信号保真度是由3GPP定义的。测试规范TS 36.104以EVM (误码矢量测量)定义了信号保真度。EVM是从理想星座点到测量点的矢量大小。
Mu率/ A率测试
使用了各种Mu_compand_val值进行压缩和解压缩。图4显示了Mu_compand_val与EVM对比曲线,以蓝色表示A率,红色表示Mu率。较大的Mu值将指数增加的采样数映射为同样的指数,对于64QAM数据,其结果非常差。进行一次简单量化,Mu_compand_val=255时,EVM较差。与ITU建议相比,显然需要很浅的指数/扩展比。
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3GPP测量
实现之后,使用3GPP测试模型和业界标准测量设备,进行实际的3GPP测量。图6显示了E-UTRA解调后的波形。在这一特殊的结果中,使用实际硬件,Mu_compand_val被设置为8,得到了平均EVM为0.791%。
CPRI标准提供了帧结构和通用方法,映射CPRI帧中的IQ数据,但是并没有严格的标准,供应商实现了各种不同的方法。由于可以使用不同的位宽度,因此,CPRI压缩增大了难度。IQ映射器的实现比较独特,每家供应商都为这一模块开发了定制RTL。Altera开发的工具极大的简化了这一过程。该工具基于Excel,其中,可以选择曲线斜率,然后,针对每一IQ采样,在单元中填入AxC载波。使用填充位,使帧填满。CPRI帧完全填满后,VB宏会为某一映射结构自动生成RTL代码。如果需要多次使用,工具可以用于自动生成几个IQ映射器实例。具有3路AXC载波的IQ映射器,每个有16位I和Q,相似的例子具有8位I和Q,分别如图7和图8所示。工具生成RTL后,代码被附到Altera CPRI megacore IP中,生成完整的CPRI设计。