基于FPGA的IJF数字基带编码的实现

 
1 小序

    20世纪80年代初，加拿大渥太华大学的费赫传授（K.Feher）领导的科研小组发明白IJF－OQPSK调制技能。IJF－OQPSK中文名称叫做无码间滋扰和抖动-交错正交相移键控。他是当代数字恒包络调制技能中新型的调制技能之一。

    举行这种调制时，起重要对数字基带信号举行IJF编码，将其更改成一种无码间滋扰和抖动、频谱主瓣窄、具有快速滚降的基带波形，然后再用OQPSK调制。如许，调制后的基带信号就具有了以下特点：以调波的相位腻滑连续，并且每个号码内的相位变革不会高出π/2，以调波的包络近于恒包络，频谱主瓣窄，高频滚降快，带外能量低。

2 IJF编码原理 

    在数字传输体系中，与误码率有直接干系的是吸取信号在取样点上的值与抱负值的毛病。若打扫噪声的影响，则偏差重要源头于传输进程中的码间滋扰和取样点的定时抖动。在实际工程体系中，用奈奎斯特脉冲代表随机二进制数据，他的主瓣占2b宽度。由于奈奎斯特脉冲拖尾的存在，使得合成波形的过零点向左或右偏移，孕育产生定时抖动。别的，拖尾还会导致波形的幅度起伏，使误码率进步。IJF编码的特点是采取一种新的基带成形脉冲－－时限双码元隔断脉冲，因其不存在振荡尾巴，从而消除了码间滋扰和定时抖动。


2.1 IJF编码波形－－时限双码元隔断升余弦脉冲

    双码元隔断升余弦脉冲，当滚降系数a＝1时，其表达式为：

其他特性如下：

（1）脉冲边沿处，即t＝±Ts，其值为零。

（2）t＝±Ts/2处，脉冲幅度为峰值的一半；

（3）在t＝0处，为脉冲峰值。

    要是采取双码元隔断升余弦脉冲代表随机二进制序列中的“1”和“0”，且当前脉冲总是在前一个脉冲的中点开始，可以证明由此得到的代表随机二进制序列的波形，其频谱特性和单个双码元隔断升余弦脉冲的特性一样。

    阐发双码元隔断升余弦脉冲可知，S（t）为一偶函数，且餍足如下2个条件：

    以上条件包管了由双码元隔断升余弦脉冲同步叠加厚的随机波形为一连续信号，即S（t）和S（t－Ts）之和，在一个码元隔断内任意时候均为1；而他们之差为一偶函数。由于双码元隔断脉冲在t≥±Ts时，其值为零，因而不存在码间滋扰；t＝Ts/2时，幅值为峰值的一半，表现数字1和0的正负脉冲同步叠加后，合成波在Ts/2处总为零。因此过零点牢固，也不会孕育产生定时抖动。

2.2 IJF非线性滤波器编码要领

    实现IJF编码要领有脉冲叠加法，横向滤波器法和非线性滤波器法等几种。非线性滤波器法实质上是一种分段合成IJF波形的要领。

单码元隔断偶脉冲和奇脉冲，根据式（2）可导出：

式（6），（7）表达了无标记间抖动和码间滋扰的条件。根据随机二进制数据相邻位（bit）的变革，利用式（3），（4）定义的单隔断脉冲，可导出构成IJF编码的4个根本波形函数S1－S4：

式中xn为当前比特，xn－1为前一比特。

设输入的数据（NRZ）信号为：

他是随输入数据变革的随机序列，其波形可视为4个根本波形的组合，即：

由此可得出非线性转换滤波器IJF编码信号形成的方案，如图1所示。

3 IJF编码的FPGA实现 

    起首给出一个IJF－OQPSK调制器的构成原理框图如图2所示。此中的串并更改、延时、差分编码和IJF编码采取XILINX公司的FPGA器件SPARTANII XC2S200来实现。I，Q两支路经IJF编码成形的数据通过数/模转换器AD9765转换为模仿幅值送入正交调制器AD6122后得到70MHz中频的IJF－OQPSK调制信号。

有上述的阐发可以看出，IJF－OQPSK调制的关键在于IJF编码。下面重点讨论IJF编码的FPGA实现要领。 

    由式（9）和图1可看出，IJF编码的进程便是根据前后码元的组合干系去波形系数表中查表，以肯定的采样时钟获取相应的波形系数从而实现波形成形。因此起首必要创建波形系数表。假设原始输入数据信息速率为2Mb/s，颠末串并转换后I，Q支路码速率为1Mb/s，若以50MHz的时钟采样，则每个码元必要50个波形采样数据，理论上有4种
    本波形，必要存储200个波形数据，但S1（t）＝＋1，S2（t）＝－1是 牢固值，不必要存储单位,只需对举行存储即可，共必要100个存储单位，由于FPGA后真个数/模转换器AD9765为12位，因此存储单位中的地点线宽度为7位，数据线宽度为12位。这里采取XILINX的COREGenerator提供的IP核Single Prot Block Memory来构建ROM用于存储波形系数。此IP核的一些重要特点是：

（1）支持Virtex，VirtexII，SpartanII，SpartanIIE等系列的FPGA；

（2）可以被配置为ROM大概单口RAM；

（3）支持的数据宽度是1－256b；

（4）数据深度支持2－1M个数据。

    关于IP核的天生与利用要领可以参考文献[1]。天生的ROM还需向此中添加coe文件，即波形系数表，其文件格局如下：

此中关键字MEMORY_INITIALIZATION_RADIX阐明白ROM数据的进制（2，10，16可选）。GLOBAL_IN1T_VALUE定义了全局初始值。MEMORY_INITALIZATION_VECTOR即定义了IJE编码的波形系数表。此中前50个系数映射着，后50个系数映射着。终极天生的波形系数ROM如图3所示。此要领天生的ROM将利用FPGA提供的BLOCK RAM，而不会占用distribute RAM，从而节流了宝贵的可编程资源。

4 结语 

    图4表现了IJF－OQPSP与OQPSK基带编码和调制信号频谱的比较。从图4可以看出，采取时限双码元隔断升余弦脉冲波形举行的IJF编码，在时域具有腻滑连续的好处，并且非常相宜于数字实现。已经证明双码元隔断升余弦脉冲波形是时域散布长度有限的最佳波形[2]，可以做到理论上的无码间滋扰和相位抖动。IJF编码后使得信号的相位路径变得连续、平缓，从而在很大程度上改进了信号的谱性能。由图4可以看到IJF－OQPSK调制信号的功率谱性能明显好于QPSK的功率谱，不但衰减速率快，并且主瓣宽度与QPSK保持一样的环境下旁瓣宽度压缩为QPSK信号旁瓣宽的一半。通过对其功率谱的阐发比较可以看出，IJF－OQPSK调制体制在频谱资源愈显告急的形势下，具有较大的应用潜力。

    本方案采取FPGA和集成器件来实现IJF编码和IJF－OQPSK调制具有高度集成化、配置机动、性能稳固、易于实现的特点，由于IJF编码有很多性能更好的变形，只需在此底子修改ROM中的波形系数即可进一步实现多种IJF编码方案。