通信原理匹配滤波器课程设计报告内容

成都学院（成都大学）课程设计报告II目录第1章绪论..............................................................11.1课题背景和意义...................................................11.2课程设计内容.....................................................1第2章最佳接收机概述....................................................22.1最佳接收机的结构.................................................22.2匹配滤波器传输特性...............................................22.3匹配滤波器的结构.................................................32.4最佳接收机的误码性能.............................................42.4.1最佳接收机的误码性能分析...................................42.4.2最佳接收机与非最佳结构的比较...............................5第3章最佳接收机的MATLAB实现...........................................73.1设计思路.........................................................73.2实现过程.........................................................73.2.1数字信号输入模块的实现.....................................73.2.2数字信号处理模块的实现.....................................93.2.3数字输出模块的实现........................................103.3仿真结果........................................................103.4仿真结果分析....................................................11第4章最佳接收机的VHDL实现............................................124.1设计思路........................................................124.2实现过程........................................................134.2.1信号发生电路的实现........................................134.2.2定时电路的实现............................................134.2.3匹配滤波电路的实现........................................144.2.4判决电路的实现............................................154.3仿真结果........................................................154.4仿真结果分析....................................................16第5章结束语...........................................................17参考文献................................................................18附录一最佳接收机MATLAB代码...........................................19附录二最佳接收机VHDL代码.............................................21成都学院（成都大学）课程设计报告1第1章绪论1.1课题背景和意义近十几年来，随着计算机，人工智能，模式识别的信号处理等技术的飞速发展，数字通信系统得到了广泛的应用，主要是因为数字通信有以下优点：（1）数字信号便于存储、处理、抗干扰能力强；（2）数字信号便于交换和传输；（3）可靠性高，传输过程中的差错可以设法控制；（4）数字信号易于加密且保密性强；随着通信技术的飞速发展,提高数字通信的可靠性是人们一直关心的现实问题,数字信号在信道的传输过程中，会受到噪声干扰，虽然人们可以通过信道编码降低传输过程中的误码率，但是噪声仍然是不可避免的，由于信道中噪声干扰而引起数字信号波形失真，在接收端会产生误判。在通信系统的理论分析中，特别是在分析、计算系统抗噪声性能时，经常假定系统中信道噪声（即前述的起伏噪声）为高斯型白噪声。其原因在于，一是高斯型白噪声可用具体的数学表达式表述，便于推导分析和运算；二是高斯型白噪声确实反映了实际信道中的加性噪声情况，比较真实地代表了信道噪声的特性。因此接收系统的抗噪声能力决定了一个通信系统的优劣，国内外的专家学者一直致力于研究在随机干扰存在的情况下如何最好地接收数字信号。1.2课程设计内容一个数字通信系统的接收设备可以视作一个判决装置，它由一个线性滤波器和一个判决电路构成，如图1.1所示，线性滤波器对信号处理，输出某个物理量提供给判决电路，以便判决电路对接收信号中所包含的某个发送信号作出尽可能正确的判决，理论和实践都已证明：在高斯白噪声干扰下，如果滤波器的输出端在某一时刻上使信号的瞬时功率与白噪声平均功率之比达到最大，就可以使判决电路出现错误判决的概率最小，这样的线性滤波器的称为匹配滤波器。所以匹配滤波器是最大输出信噪比意义下的最佳线性滤波器，用匹配滤波器构成的接收机是满足最大输出信噪比准则的最佳接收机，也称匹配滤波接收机。在白噪声条件下，这样的接收机能得到最小的误码率。图1-1简化的接收机结构本课程设计主要内容为通过研究加性高斯白噪声信道下用匹配滤波器构成的最佳接收机的结构及其抗噪声性能，分别用MATLAB和VHDL语言实现最佳接收机的设计与实现。线性滤波器判决电路成都学院（成都大学）课程设计报告2第2章最佳接收机概述已知的最佳接收机结构分为多种，但最常用的是由匹配滤波器构成的最佳接收机，本章节主要介绍匹配滤波器的原理和最佳接收机的结构。2.1最佳接收机的结构二元数字信号的最佳接收机框图如图2-2所示。发送段在任意一个码元间隔内发送两个波形1()st、2()st中的一个，接收机上、下两个支路的匹配滤波器分别对这两个波形匹配，所以当发送端发送波形1()st时，上支路匹配滤波器在取样时刻0t输出最大值kE，当发送端发送波形2()st时下支路匹配滤波器在取样时刻0t输出最大值kE，而与接收信号不匹配的滤波器在取样时刻输出的值小于kE。所以判决器的任务是根据上、下两支路取样值的大小进行判决，如上支路取样值打大，认为接收到的信号为1()st；如下支路取样值大，认为接收到的信号为2()st。图2-1由匹配滤波器实现的最佳接收机结构2.2匹配滤波器传输特性设匹配滤波器的输入信号为()xt，()xt是由接收信号()st和噪声()nt两部分构成，即()()()xtstnt，在表达式中()nt是白噪声，双边功率谱密度为()/2noPfn，而信号()st的频谱函数为()Sf。根据线性叠加原理，匹配滤波器的输出也由信号()ost和噪声()ont两部分构成，即()()()ooytstnt（2-1）设()ost的频谱为，根据信号与系统理论得1()st的匹配滤波器2()st的匹配滤波器判决()xttTstTs输出成都学院（成都大学）课程设计报告3()()()oSfSfHf（2-2）求()Sf的傅里叶反变换，可得到输出信号()ost为2()()()iftostSfHfedf（2-3）输出噪声0t的功率谱密度为20|)(|2)(fHNfPon（2-4）匹配滤波器在0t时刻的输出信号值为2()()()iftostSfHfedf（2-5）则在0t时刻输出信号的瞬时功率为20()ost，输出噪声平均功率为20()2nNPHfdf（2-6）所以0t时刻输出的信噪比为0222020()()()()2jftoonXfHfedfstrNPHfdf（2-7）根据许瓦兹不等式dffYdffXdffYfX222|)(||)(||)()(|（2-8）可以得到002022|)(|NENdffXrs（2-9）当02*)()(ftjefKXfH时等式成立，这就是所要求的匹配滤波器的传输特性，由上式可知，输出信噪比最大的滤波器的传输特性与信号频谱的共轭成正比，故这种滤波器称为匹配滤波器。2.3匹配滤波器的结构匹配滤波器的冲激响应为02*)()(ftjefKXfH（2-10）两边取傅立叶反变换，得到*0)()(ttKxth（2-11）如果输入信号)(tx是实信号，则)()(0ttKxth。成都学院（成都大学）课程设计报告4假设符号的传输速率sT1，则在接收端同样地我们需要每隔sT时间进行一次判决，因此我们希望在每sT时刻的输出信噪比最大，将上述的0t用sT带入，得到匹配滤波器如下：)()(tTKxths（2-12）当接收端输入为)()()(1tntxts时,在相对于)(1tx的匹配滤波器端输出信号ssTsTdTtKxnxdthstr01110)()]()([)()()(ssTssTdTtxKndTtxxK011101)()()()(（2-13）当sTt时，得到ssTTsdxnKdxxKTr011011)()()()()(dttxtsKsT)()(10（2-14）式（2-14）说明相对于)(1tx匹配滤波器的输出信号在形式上与输入信号和)(1tx乘积的积分相同，则匹配滤波器在取样时刻的输出值可以用乘积与积分这样的相关运算来求得，匹配滤波器的实现过程如图2-1所示。图2-2匹配滤波器的实现过程2.4最佳接收机的误码性能2.4.1最佳接收机的误码性能分析由于噪声的影响，最佳接收机在判决时也会发生错判，接收机发生错判的可能性大小用误码率来衡量，由图2-1可知，判决器的任务就是比较上，下两支路积分值的大小并作出判决。其判决规则如下：（1）如果上支路积分值大，判为1()st；（2）如果下支路积分值大，判为2()st；由于噪声的影响，判决器会发生错误判决，有两种错判情况：（1）当发送端发送1()st，判决器判为2()st，此误码率记为21(/)Pss；0Tsdt0()st()st()xt×成都学院（成都大学）课程设计报告5（2）当发送端发送2()st，判决器判为1()st，此误码率记为12(/)Pss；根据全概率公式，最佳接收机的平均误码率为121212()(/)()(/)ePPsPssPsPss（2-15）下面我们首先求发出1()st判成2()st的概率，令判决量V为上支路积减下支路的积分值，由图2-1和图2-2可知V的表达式为：112200[()()]()[()()]()TsTsVstntstdtstntstdt（2-16）当V0时，判决其判为2()st，发生错判，所以V0的概率就