基站技術(shù)的發(fā)展和移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展緊密不可分，移動(dòng)通信技術(shù)走過(guò)了從模擬技術(shù)到數(shù)字技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，也實(shí)現(xiàn)了從窄帶到寬帶的發(fā)展，移動(dòng)通信基站技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要是從模擬向數(shù)字發(fā)展、從窄帶向?qū)拵Оl(fā)展、向標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化發(fā)展。

在3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果的好壞決定了未來(lái)發(fā)展用戶的速度和運(yùn)營(yíng)商在該網(wǎng)絡(luò)上的收益，甚至是整個(gè)3G網(wǎng)絡(luò)能否健康運(yùn)行的決定性因素，而決定3G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的關(guān)鍵就在于如何實(shí)現(xiàn)密集城區(qū)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。傳統(tǒng)密集地區(qū)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)方式是在該類地區(qū)全部采用宏基站設(shè)備作為主覆蓋設(shè)備，在規(guī)劃的3G站點(diǎn)地區(qū)建設(shè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)專用的機(jī)房和相關(guān)配套設(shè)施，而且還需要在原有的傳輸網(wǎng)基礎(chǔ)上建設(shè)新的連接3G站點(diǎn)的傳輸網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)建網(wǎng)方式的主要問(wèn)題是運(yùn)營(yíng)商不得不花費(fèi)大量時(shí)間和費(fèi)用在機(jī)房的租用方面，而且大量理想站點(diǎn)機(jī)房因?yàn)橐h(yuǎn)離住宅而無(wú)法獲得，也拖延了網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)速度。特別是那些新的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商，如果在不具備足夠的機(jī)房資源的情況下使用這種建網(wǎng)方式，必然會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期很長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋不好。

新型的網(wǎng)絡(luò)覆蓋理念的核心思想就是把傳統(tǒng)的宏基站的基帶處理和射頻部分分離，分成基帶處理和射頻拉遠(yuǎn)兩個(gè)設(shè)備，在兩者之間采用光纖連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在設(shè)備部署方面則是把核心網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制和基帶池設(shè)備集中于一個(gè)地點(diǎn)，在規(guī)劃的站點(diǎn)上部署射頻拉遠(yuǎn)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)無(wú)線覆蓋。采用該解決方案無(wú)需任何機(jī)房和傳輸資源，既可滿足運(yùn)營(yíng)商對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)速度的要求，也可保證3G網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)和維護(hù)成本達(dá)至最低。其優(yōu)勢(shì)主要有：將繁瑣的維護(hù)工作簡(jiǎn)化到基帶處理端;一個(gè)無(wú)線基帶控制可以連接幾個(gè)射頻拉遠(yuǎn)，既節(jié)省空間，降低設(shè)置成本，又提高了組網(wǎng)效率;連接兩端之間的接口采用光纖，損耗減少，并可大幅度降低電力消耗。

圖1 基于射頻拉遠(yuǎn)的新型建網(wǎng)方案

為了有效處理基帶處理和射頻拉遠(yuǎn)兩部分的連接，工業(yè)界形成了兩種接口規(guī)范，一個(gè)是公共無(wú)線接口規(guī)范CPRI(Common Public Radio Interface)，它是由愛(ài)立信、華為、NEC、北電網(wǎng)絡(luò)與西門(mén)子等公司發(fā)起的，另一個(gè)是OBSAI規(guī)范(Open Base Station Architecture Initiative)，它是由諾基亞、LG電子、三星電子等公司成立的聯(lián)盟。CPRI適用于多種空中接口，本文以UMTS網(wǎng)絡(luò)為例，介紹CPRI的實(shí)現(xiàn)。

公共無(wú)線接口規(guī)范

UMTS無(wú)線網(wǎng)接入系統(tǒng)由核心網(wǎng)(CN)、無(wú)線接入網(wǎng)(UTRAN)和用戶裝置(UE)三部分組成。在無(wú)線接入網(wǎng)內(nèi)部，又分成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制(RNC)和基站(Node B)。整個(gè)UMTS的無(wú)線網(wǎng)接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2 UMTS無(wú)線網(wǎng)接入系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

基站通過(guò)Iub接口連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制，再通過(guò)Uu接口連接到用戶設(shè)備。Uu接口分為三個(gè)協(xié)議層：物理層(L1)，數(shù)據(jù)鏈路層(L2)和網(wǎng)絡(luò)層(L3)。在射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)中，基帶處理和射頻拉遠(yuǎn)兩個(gè)設(shè)備也分成兩個(gè)協(xié)議層：物理層(L1)和數(shù)據(jù)鏈路層(L2)。在物理層中，將上層接入點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)/分接和物理層的編碼。在數(shù)據(jù)鏈路層，對(duì)上層接入點(diǎn)的I/Q數(shù)據(jù)、物理層協(xié)議數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)(包括以太網(wǎng)數(shù)據(jù)、高層數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù))進(jìn)行相應(yīng)的處理。

數(shù)字基站的下行基帶處理部分主要由擴(kuò)頻、交織、信道編碼和發(fā)送功率控制單元組成，上行基帶處理部分主要由發(fā)送功率控制、信道解碼、解交織、解擴(kuò)頻單元組成。下行射頻拉遠(yuǎn)部分主要由上變頻、降峰均比、數(shù)字預(yù)失真、數(shù)字上變頻、數(shù)模變換和高功率放大器單元組成，上行射頻拉遠(yuǎn)部分主要由低噪聲放大器、模數(shù)變換和數(shù)字下變頻單元組成，如圖3所示：

圖3 基帶處理單元和射頻拉遠(yuǎn)單元基本功能

由圖3可知，基帶處理部分和射頻拉遠(yuǎn)部分通過(guò)一條或若干條CPRI鏈路來(lái)連接，每條CPRI鏈路都是高速的串行數(shù)字傳輸鏈路，可選擇614.4Mb/s、　　　1228.8Mb/s、2457.6Mb/s三種碼率之一將數(shù)據(jù)以串化的數(shù)字信號(hào)形式從基帶部分發(fā)送到射頻拉遠(yuǎn)部分，數(shù)據(jù)包括用戶I/Q數(shù)據(jù)、控制管理數(shù)據(jù)和同步數(shù)據(jù)，在發(fā)送端，通過(guò)CPRI固定的幀結(jié)構(gòu)形式將這三部分?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)接到三種數(shù)據(jù)流之一，再經(jīng)過(guò)物理層的8B/10B編碼后，由光模塊發(fā)送出去;在接收端經(jīng)過(guò)物理層的10B/8B解碼后，通過(guò)固定幀結(jié)構(gòu)形式將三部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分接，再提取出時(shí)鐘信號(hào)，交給上層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理，CPRI模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 CPRI模塊設(shè)計(jì)框圖

CPRI要求設(shè)備至少支持三種數(shù)據(jù)流之一以進(jìn)行傳輸，而在發(fā)送端具體采用何種速率是通過(guò)軟件和接收端進(jìn)行協(xié)商的。接收端的時(shí)鐘恢復(fù)單元是通過(guò)8B/10B編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該編碼可以確保被編碼數(shù)據(jù)中有足夠的高低電平的翻轉(zhuǎn)，從中可以提取出時(shí)鐘信號(hào)。

CPRI的幀單元可分成基本幀單元和超幀單元?；編瑔卧膸l是3.84M，每幀可分成16個(gè)字。隨著碼率的不同，字的長(zhǎng)度分別為8比特、16比特和32比特。每幀的第1個(gè)字填入控制信號(hào)，后15個(gè)字填入I/Q用戶數(shù)據(jù)。I/Q用戶數(shù)據(jù)的寬度也是有定義的，下行鏈路的I/Q數(shù)據(jù)寬度是8比特～20比特，上行鏈路的I/Q數(shù)據(jù)寬度是4比特～10比特，過(guò)采樣率可選擇是2或4。若在614.4Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率下，一條CPRI鏈路可以支持的載波數(shù)至少是：

614.4×8×15/(10×16×3.84)/(20+20)=3

因此，在多載波系統(tǒng)中，可以選擇用一條CPRI鏈路來(lái)傳輸多載波I/Q數(shù)據(jù)，或是通過(guò)多條CPRI鏈路分別傳送不同載波的數(shù)據(jù)。

超幀單元是由256個(gè)基本幀單元構(gòu)成的，其中，第1個(gè)基本幀單元里的控制信號(hào)寫(xiě)入K28.5特殊字用標(biāo)志一幀的開(kāi)始，K28.5是8B/10B里的特殊控制字。其余的255個(gè)基本幀單元里的控制信號(hào)按規(guī)定順序分別填入幀號(hào)、基站幀號(hào)、版本號(hào)、控制管理字、HDLC、廠商特定字，并留出了一些做為保留字節(jié)。

通過(guò)適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以使用基帶處理和射頻拉遠(yuǎn)設(shè)備的級(jí)聯(lián)、星形、樹(shù)形和環(huán)形的組網(wǎng)方式，而具體采用何種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，則由廠商自己決定。

公共無(wú)線接口規(guī)范的FPGA實(shí)現(xiàn)

在公共無(wú)線接口規(guī)范的實(shí)現(xiàn)中，最關(guān)鍵的一環(huán)是千兆比特收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)和串/并、并/串轉(zhuǎn)換器(SEDES)的實(shí)現(xiàn)。在當(dāng)前主流的FPGA中，Alter、Xilinx均將千兆比特收發(fā)器和SEDES硬件電路集成到了FPGA芯片中，像Altera的Stratix GX系列FPGA可以提供4路～20路的高速串行收發(fā)器接口，每個(gè)接口支持的最高速率可達(dá)3.1875Gb/s，并支持全雙工。CPRI鏈路的最高速率為2.4576Gb/s，因此，本文討論的方案就是在Stratix GX芯片上實(shí)現(xiàn)公共無(wú)線接口規(guī)范。本系統(tǒng)涉及到的時(shí)鐘較多，多時(shí)鐘系統(tǒng)會(huì)引起時(shí)鐘速率抖動(dòng)和時(shí)鐘/數(shù)據(jù)關(guān)系相位變化，甚至毛刺會(huì)嚴(yán)重降低設(shè)計(jì)性能或完全破壞設(shè)計(jì)所能實(shí)現(xiàn)的功能，并對(duì)高速串口造成致命的影響，因此，對(duì)于多時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的產(chǎn)生。下面分模塊進(jìn)行討論：

(1)可調(diào)節(jié)的時(shí)鐘模塊的實(shí)現(xiàn)。由于信道最多支持三種數(shù)據(jù)碼率，在初始上電時(shí)碼率需要進(jìn)行協(xié)商并能自動(dòng)調(diào)節(jié)。在Stratix GX里有增強(qiáng)型鎖相環(huán)(EPLL)和快速鎖相環(huán)(Fast PLL),由EPLL的分頻和倍頻可以從輸入的低速時(shí)鐘產(chǎn)生高速的系統(tǒng)工作時(shí)鐘。GX里還提供了可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)重配置EPLL的IP核，因此，可以通過(guò)改變其控制寄存器的值，來(lái)實(shí)時(shí)重新配置EPLL，以得到不同的系統(tǒng)工作時(shí)鐘。

(2)開(kāi)機(jī)初始化模塊的實(shí)現(xiàn)。由于發(fā)送端和接收端開(kāi)機(jī)初始時(shí)的工作時(shí)鐘不一定相同，因此需要通過(guò)初始化達(dá)到統(tǒng)一的工作時(shí)鐘，并確定物理層的傳輸速率和相應(yīng)的協(xié)議。

(3)I/Q用戶數(shù)據(jù)和鏈路層數(shù)據(jù)的碼率調(diào)整模塊實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入基帶處理部分的I/Q數(shù)據(jù)是3.84M或3.84M的倍數(shù)速率，需要通過(guò)二端口異步RAM，一端在低速時(shí)鐘下寫(xiě)入RAM，另一端在高速時(shí)鐘下從RAM中讀取數(shù)據(jù)至成幀模塊。

(4)8B/10B編解碼和成幀/解幀模塊的實(shí)現(xiàn)。該模塊的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)GX里的GXB(Gigabit Transceiver Bblock)集成電路模塊來(lái)完成的。

(5)接收端時(shí)鐘的恢復(fù)模塊的實(shí)現(xiàn)。由于在高速串行數(shù)字接口中，時(shí)鐘信息和數(shù)據(jù)信息是疊加在一起的，保持接收端和發(fā)送端的時(shí)鐘同步，并從數(shù)據(jù)信息中提取出時(shí)鐘信號(hào)是接收端正常工作的關(guān)鍵。在GXB模塊里，有時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)單元(CRU)，CRU用外部參考時(shí)鐘從進(jìn)入的數(shù)據(jù)信號(hào)里恢復(fù)出它的時(shí)鐘，并且該時(shí)鐘和數(shù)據(jù)是同相位的?；謴?fù)出來(lái)的時(shí)鐘即用做接收端的系統(tǒng)工作時(shí)鐘，進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)處理。

高速數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)姆抡?/p>

在硬件實(shí)現(xiàn)中，數(shù)字信號(hào)在614.4Mb/s、1228.8Mb/s、2457.6Mb/s三種碼率之一下的傳輸質(zhì)量將會(huì)受到很多因素的影響，設(shè)計(jì)人員很難保證一次性成功，必須在設(shè)計(jì)硬件前進(jìn)行全面的系統(tǒng)級(jí)仿真，然后再去布板調(diào)試改善。充分利用分析工具來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的性能預(yù)測(cè)是提高高速產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

對(duì)Stratix GX進(jìn)行布板時(shí)，為了保證較好的性能，現(xiàn)用圖5的8層布板方案來(lái)進(jìn)行仿真。高速傳輸線采用差分信號(hào)線，從頂層經(jīng)過(guò)孔到第五層，再通過(guò)過(guò)孔到頂層。該走線經(jīng)歷了兩次過(guò)孔和兩次45度拐角。

圖5 八層布板方案

發(fā)送端和接收端均采用3.3V低電壓差分接口(LVDS)，altera提供了LVDS的輸入輸出緩沖模型(IBIS)，該模型屬于形為級(jí)描述模型，它包含了輸入輸出緩沖的I-V數(shù)據(jù)和V-T數(shù)據(jù)，包括了上升沿下降沿。IBIS模型可以用來(lái)進(jìn)行PCB上信號(hào)完整性分析，還可以進(jìn)行某些算法分析，比如預(yù)加重或者均衡。

差分信號(hào)到達(dá)開(kāi)路終端后，將會(huì)碰到一個(gè)很大的阻抗并反射回來(lái)，如果不對(duì)此反射加以控制，它將可能超出噪聲容限引起超額噪聲。減小反射的一種常用辦法就是在差分對(duì)末端加上一個(gè)與差分阻抗匹配的電阻性阻抗。用ADS仿真出LVDS的輸出阻抗，加入串聯(lián)終端匹配，再仿真出輸出緩沖模型和信道模型的綜合模型的輸出阻抗，對(duì)接入匹配的端接電阻進(jìn)行系統(tǒng)仿真，測(cè)試序列為K28.5(0011111010)，優(yōu)化后的系統(tǒng)框圖如圖6所示：

圖6 系統(tǒng)仿真框圖

優(yōu)化后的差分電壓時(shí)域仿真波形圖如圖7所示，差分電壓眼圖如圖8所示，和未優(yōu)化前進(jìn)行比較，如圖9、圖10所示，從對(duì)比可知，加了終端匹配和端接匹配后，過(guò)沖現(xiàn)象有較大改善，但是接收電平值有所下降，信號(hào)眼圖略微收縮，即系統(tǒng)的抗干擾能力有一定的下降。

圖7 差分電壓時(shí)域仿真波形

圖8 差分電壓仿真眼圖

圖9 未匹配的差分電壓時(shí)域仿真波形圖

圖10 未匹配的差分電壓仿真眼圖

結(jié)論

基帶處理和射頻拉遠(yuǎn)兩部分設(shè)備之間的標(biāo)準(zhǔn)化接口是有效實(shí)現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋ＷC，可以為運(yùn)營(yíng)商節(jié)約成本、加速網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、提高網(wǎng)絡(luò)容量，按照固定的成幀解幀方式的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)有利于不同產(chǎn)品間的兼容。