基于 ORI 的 I/Q 压缩概念验证

随着无线走向高密度、CRAN 操作以及为实现更高覆盖范围而部署小型蜂窝的兴起,去程链路正同时面临两大挑战:一是带宽 (BW),二是需要能够服务正在部署的异构网络。  Xilinx 围绕交换需求提供解决方案,为大量远程无线电头端 (RRH) 提供服务,具体包括基带处理单元(I/Q 交换)、用于服务少量 RRH 菊花链或其它连接方式的轻量级以太网交换机以及无需使用更多光纤或其它技术即可有效增大去程带宽的 I/Q 压缩

 

概念验证概要

该概念验证可为 16 个 20MHz 天线载波数据流提供一个 ETSi 开放式无线电设备接口 (ORI) 4.1.1 CPRI™ I/Q 压缩/解压缩 (CODEC) 模块,以充分利用 9.8304 Gb/s CPRI 链路。该 I/Q CODEC 按照一个 Vivado® 高层次综合 (HLS) IP 实现,可帮助您针对特定信号特征迅速评估和优化 CODEC 性能。

主要特性

  • 50% 压缩率:分数比率重采样 (3/4) 和非线性量化
    (15 至 10 位)
  • 可进行配置,以针对实现方案资源成本及延时权衡重建的信号保真度。例如,针对 144 系数滤波器设计演示的、不足 0.3% 的 EVM RMS
  • 压缩 16 个 20 MHz E-UTRA 通道
  • 全面利用的 CPRI Rate 7 链路 (9.8304 Gb/s) — 无填充位
  • 16 个出入 I/Q 端口 — 按照 32 个独立的 I 和 Q 通道进行内部处理
  • 15 位二进制补码 E-UTRA 输入/输出采样格式
  • 降低采样的 10 位二进制补码压缩 E-UTRA 采样
  • 工作在 245.764 MHz 的 Xilinx LogiCORE™ CPRI IP 核时钟频率下(支持 CPRI rate 7)
  • 使用 4 个并行多通道分数采样率转换滤波器
  • 使用可配置 CDF 按照对称正常分布 I/Q 数据的查找表实现的 NLQ
  • 使用 20MHz LTE 下行链路通道数据执行的 CODEC 性能测量
  • 决定性的低时延
  • 支持 UltraScale™ 器件

应用

I/Q CODEC 可减轻架构变化带来的、逐步上升的 CPRI 带宽需求,从而可降低去程基础架构成本。这些变化包括基带处理集中化 (CRAN) 以及更高阶 MIMO 配置及载波汇聚等最新网络功能。

图 1:支持 CPRI I/Q 压缩/解压缩的无线系统

图 1 所示的简化应用是 CPRI I/Q 输入输出接口上压缩与解压缩模块的布局。LTE 下行链路及上行链路通道有不同的带宽需求和信号特征,因此需要使用针对具体通道的 CODEC 配置。此外,对于超过所提供去程基础架构带宽的通道,可以有选择性地配置 I/Q 压缩。图 1 也显示了 I/Q 压缩模块前后的备选 I/Q 交换机布局。I/Q 交换机设计的影响在 Xilinx 白皮书《无线基站连接的 FPGA 应用》(WP450) 中进行了详尽讨论。

架构

Vivado HLS I/Q CODEC IP 旨在满足每个时钟周期三个压缩 E-UTRA 采样(30 位)的吞吐量需求。128 位的 CPRI 控制字可为完全封装 32 位 CPRI I/Q 接口提供充足的缓存。重采样滤波器使用 4 个并行多相分数重采样滤波器实现,每个滤波器压缩所支持的 32 个 I 和 Q 通道的一个子集(8 个)(参阅 Xilinx 应用指南《使用 Vivado 高层次综合的多通道分数采样率转换滤波器设计》(XAPP1236),了解更多详情)。每个多相子滤波器只使用一部分系数集,因此所推荐的架构可减少 CODEC 时延。图 2是体现压缩 IP 接口上采样处理速率的 I/Q CODEC 架构。

图 2 — 体现采样处理速率的 I/Q CODEC 架构

NLQ 查找表包含 9 位量化值的 214 个条目。三个并行查找的存储器需求可使用 18x18K 模块 RAM 针对压缩路径实现。就解压缩而言,假定对称 I/Q 分布,表格大小可限制为 14 位值的29 个条目,用一个单模块 RAM 即可实现。

提供

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验证

所实现的 CODEC 算法使用 MATLAB® LTE System Toolbox™ 生成的 20 MHz LTE E-UTRA FDD 通道激励进行了测试。随后使用 Keysight VSA 软件解调了 Vivado HLS 仿真输出并量化了所实现 CODEC 级造成的信号失真(通过测量输出波形误差向量幅度 (EVM))。图 3是测试的 CODEC 配置的平均 EVM 测量值(0.29%)。  因此与 0.18% EVM RMS 的输入数据相比,CODEC 处理链带来的额外 EVM 为 0.23%。 

图3 - ORI I/Q CODEC 输入 vs. 输出 OFDMA 星群和信号频谱 VSA 测量