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1、电子科技大学通信学院最佳接收机（匹配滤波器）实验报告学生学号教 師 任通菊最佳接收机（匹配滤波器）实验一、实验目的1、运用MATLAB軟件工具，仿真师机数字信号在经il高斯白蝶声污染后最 佳的恢夏的方法。2、熟悉匹配滤波器的工作原理。3、研究相关解调的原理与il程。4、理解高斯白蝶声对系统的影响。5、了解如何術量接收机的性能fiEfid滤波器参数设置方法。二、实验原理对干二进制数字信号，根据它们的时域表达式及波形可以直接借到相应的解 调方法。在加性白高斯蝶声的干折下，送些解调方法是否是最佳的，这是我们要 讨论的间题。数字传输系境的传输对象是二进制信息。分桥数字信号的接收过程可知,在 接收常对渋
2、形的检测并不重要，重要的是在背景蝶声下正确的判斷所糖带的信息 是哪一种。因此，最有利干作岀正确判斷的接收一定是最佳接收。从最佳接收的意义上来说，一个数字通信系貌的接收设备可以看作一个判决 装置，该装置由一 f线性滤波器和一 f判决电路构成，如图1所示。线性滤渋器 对接收信号进行相应的处理,输出某个物理量提供给判决电路，以便判决电路对 接收信号中所色含的发送信息作岀尽可能正确的判决，或者说作岀錯误尽可能小 的判决。接收信号线性判决数字信息滤波器电路图1简化的接收设备假设有这样一种滤波器，当不为零的信号通过它时，滤波器的输出能在某瞬 间形成信号的瑋值,而同聊声受到抑制，也就是能在某瞬间得到最大的哗
3、值信 号助率与平血噪声助率之比。在相应的时刻去判决这种滤波器的输岀，一定能得 到最小的差錯率。匹配滤波器是一种在最大It信号的同时使蝶声的影响最小的线性滤波器设 it技术。注恵：该滤波器并不保持输人信号波形，其目的在于使输人信号波形失真并滤除噪声，使得在果样时刻g输出信号值相对于均方根(输出)噪声值迭到 最大。1. 一般情况下的匹S!滤溃器匹配滤波器的一般表示武如图2所示。r(t) = s(t) +匹配滤波器方()或H (/)皿)=几(。+山(。总结资料图2匹配滤器S(t):匹配滤波器输入信号;n(t)：匹配滤波器输人蝶声;So(t)： 0配滤波器输出信号;n0(t)：匹配滤波器输出蝶声;h(
4、t)或H(f)：匹配滤波器。匹配滤波器的目的就是使下式取最大值:使上式取最大值的转務函数为:(2)武中S(f) = Fs(t)是已知的时宽为T杪的输人信号$(/)的関立叶变换，0(f)是输入噪声的助率谱密度PSD0 K是一个任恵非0实常数。山是廿算(W)如时的采样时间。库细推导公式见参考教林。N2. 白嗥声条件下的结果在白喋声条件下，匹配滤波器可简化描述如下：对白蝶声， 久(/) = N/2,上武变为：H屮二= Sf)ej (3) N °特别是对输入的实信号渋形S时，有:2K丁$（）-。（4 ）上式表明U配滤玻器（白蝶声悄况下）的冲激响应就是已知输人信号波形反 转并平務了几，见图3,
5、因此林滤波器与信号“匹配” o图3所示的BL配滤波 器波形，也称枳分-清除（EB；）滤渋器。IK定输人信号为葩形脉冲，如图3（a）所示。曲）1T 01hf 一臥信号心）10I111（0） 反转”信号111火)=也-/), where 妒“1.0111100=，2 :1t S3与匹配滤波器有关的波形垃)=为其他值(5)信号时宽为Tf T。对白噪声悄况,匹配滤波器的冲激响应为：h(t) = s(t0 t) = s(t /0) ( 6 )为方便起见，令C为1, S(T),如图3(b)所示。由该图可见，要使冲激响应 可实现，要求：0 - %这里果用4 = 0,是因为这是满足可实现条件的最小值。要使滤波
6、器输出最大 信号値前的等侍时间(即=心)最小化。图3(C)示出了/ =匚时的/?(/),血图 3(d )示出了输岀信号，注意输岀信号的峰值出现在r = r0O为了使峰值岀现在 / = r0,输人信号经滤波后堵会有失真。在比特波形为矩形的数字信号传输技术 中，该匹配滤波器相当干枳分-渭除滤波器。假设聯人信号为矩形波形，在输岀 信号值最大时对其2H亍抽样。9t = t0处的滤玻器的输出为:厂()(G)= Kg) * 力(心)=L 厂(久)力(心一久)d/l ( 7 )将图3(c)所示y配滤波器冲激晌应带人上式，等式变为：)(心)=J 7. r(A)c/A ( 8 )%一7因此，需要将输人信号加喋声
7、在一个符号区同T(对二进制信号传输是比特区间) 上枳分，然后在符号区间未将枳分输出“清空”。这种方法示于图4(二进制信 号)。注恿，为了使最优滤波器工作正常，需要一个外部时卸信号，称为比特同 步。而且，由于输岀采样值仍被喋声干扰(尽管匹配滤波器已使噪声这到最小), 输岀信号不是二进制的。将输岀送人比较器，可将其转换为二进制信号。3. 相关检割对于输人白蝶声悄况，IE配滤波器可由输人于s求相关得到，即加。)式中s()是已知信号波形，/是处理器输人，如图5所示。该相关处理器常用 干带通信号的匹配滤渋器。时仲侑号（比特问步）A点的波形吩山（输入倍号和噪声）1vJB点的波形C点的波形（输出）D点的波形
8、（时钟）11积分器1MW)吨)111 Mo)i vy心(f)力1:TJ111图5由相关处理实现的区配滤波器三、实验系统组欣本实验是运用MATLAB軟件的集成开发工具SIMULIK搭建了一个匹配滤波器軟 件仿真实騎系貌，来实规数字信号在经过高斯白蝶声西染后最佳的恢复。实验者可 以在系统上进行不同参数的设置或更改，了解高斯白蝶声对接收HI的影响，了解最 佳接收的过程。系貌框图如图6所示。D3&CLKCLK.1Random BinaryGenenatordWGZ ChannelDaQliAJDUTCLKD_OUTResettableIntegratorSamplertSamplerl -|
9、a5-j ocl -| a5-j o:cl o1 o1o1o1Scope总结资料参考信号直接采样判决信号D3Q1BrrCNT»I0|D3G2OERRCNTBit countCLKBER1>IComparator&Tor countBER图6匹配谑波器仿真II图整f仿真软件由甌机二进制数据产生器.加性高斯白噪声信道、H配滤波及釆 样判决器.直接采样判决器.示波器.比特器等兀类模块构成。二进制数据产生器根据设置参数，产生一系列二进制紅Hl数据，一路送入加性 高斯白蝶声信道，另一路送人采样器，作为参考的数据；同时输岀两个时鉀信号， 一个用于果样判决，另一个用于数据同步（比特同
10、步）。加性高斯白蝶声信道对输人的数摇混叠依据参数设置的喋声后一路送入匹I! 滤渋及果样判决器，第二路送人直接果样判决器，第三路送人示渋器哄观察。匹配滤波员呆样圳决器根据匹配滤波器原理，对输人信号进行匹配滤波，滤波 后的模拥数据一路送人示波器显示观察，第二胳送人判决器进行采样列决，以重新 恢夏岀原始的发送常的二进制数赭信号，并将该判决数据输岀给比特器。直接呆样判决器直接对接收到的有噪声信号SiiHJ决,根弼判决结果恢夏岀原 始常发送的二进制数据。该数据也送人到另外一个比特误码廿数器中。该軟件0tSW个比特误码廿数器：一个用于统廿匹配滤波器判决箱果与输入信 号的比特淚码率，其接收输人参考信号和BL
11、配滤波器判决输岀数据，貌廿给果有接 收比特数，錯淚比特数和锲码率等三个;另外一个用于射直接釆样判决与输入信 号的比特误码率，其同样接收输人参考信号和giitfi接采样利决输出数据，貌廿结 果有接收比特数，錯淚比特数和淚码率等三个。示渋器用于实时观察仿真11程的中间结果，以便对匹配滤波器原理的过程有更 fflilBK的认识。四、实验内容及步骤1. 安装好MATLAB6.5.1版本。2. 双击文件 utest_integrator_rst.mdlno3. 修改加性高斯白噪声信道参数，即修改输人信号信蝶比。4. 单击”start simulation”按担，仿真开始。5. 仿真进行一段时间后（以发送
12、1000个比特为側），单击暂停按钮。分别记 录匹配滤波器输岀模块和貞接采样判决输岀模块中的数字，并填干表1 中。6. 观察比特淚码廿数器悄况，并分ffiWW比特ilBit算器中，在输人信号信 喋声比相同的情况下的淚码率。7. 双击示波器Scope模块，观察、分析各路数据信号的漩形。&重复步骤3至6。观察在不同信喋比条件下，IS配滤渋员果样判决器和直 接果祥判决器的锲码性能。同时记录相关数据。五、实验记录实验记录表恪如下：表1匹配滤逋器与直接采样列决器误码性能测试输人SNREs/No (dB)匹配滤波器直接采样判决器传输比特数錯淚比特数蹊码率传输比特数錯淚比特数015173610. 23
13、8115177110. 4696115263260. 214215267070. 4639315222460. 161615226960. 4585515341660. 108515346940. 4524101516250. 0178715166320. 41741515240015245240. 34382015150015153630. 23982515190015191730. 1143301523001523230. 017135152300152300示波器Scope模块各路数据信号的波形输人输人 SNR 分别为 0, 1, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35
14、 时,示波器 Scope模快各路数据信号的波形.5.nnm>k,頁F 0 15*t»11tzzi«1f ru"tzigrrX5 fawu5i*£EN33 asclHill d/ 9t c 矽朋F0 99JtnIt-F-lFwmrn:S93M .L二 1i- U Q5ppp 几®总结资料vns;> 3K a 8H 0e3351*二 iltli u Lrmnn rLnj ltlojiT 丄fsfianzo HnJBTTOE mmo3 M:r一ssspglIBgaQQ 便用"a Ae3芯总结资料BJBWkOKK*JHEEEB砂左
15、祁兀小岀L_n_ruumi1(0r»cr4 oF«»2.2山p 4-10 - KO? xjan ai»«rmtijj-Jj><«M|«rQQQ AGK»IO1ULJaMHlBWbill 山4川山Ui址出 4U. ik. IkgUj Aj Im d (IjmUij1/LAWLjLTMjdjWW_/L 丿 VVL/W1/L/VL/VI4/” mLTUILOJUor_onjn_rnrLKuOBiinj-nn_rrijtnnru"imEEnzrzraEHizoroQTmnr>cntrUUa少力a
16、e总结资料九思考181.简iSEM滤波器的工作原理。I：输人信号经il枳分器，并在时鉀时刻复位，从而使得在时抑时刻时，枳分器的输岀的信喋比最大，枳分器输岀信号经过采样保持电路（在时鉀时刻果样），得到所要的波形，这到最佳接收2. 为什么II配滤波器的比特误码率比直接采样判决器的IK?答：因为在匹配滤波器中，采样时刻的信蝶比为最大，迪样就达到了最佳接收, 从而比特锲码率也比较低3. 为什么sampler和sampler!两个模決制有两个时鉀输人？可以去掉吗？答：不可以去掉，因为这两个时鉀信号，一个用干采样判决，另一彳、用干数据 同步（比特同步）。4该仿真模塑中应用的匹配滤渡器的信号波形是什么?请写
17、岀匹配滤波器的冲击 响应函数？答：（1 ）、方波序列（2）、若输入信号为W） = sC） + W）, HIEB!滤波器的冲击哨应函数为 论）二cn, s（t）为矩形单脉冲,t为脉宽，c为常数。5.分折实验结果。答：（1）、在输人信蝶比和传输比特数一定的悄况下，匹配滤波器接收比直接采 样判决器接收的锲比特少，锲码率低（2）、从实验给果可以看出，匹配滤渡器在输入信鷗比大于15dB2后可以 实现接收的娱码率为零，而直接果样判决器在It入信繰比大于35dB之后才可以 实现接收的娱码率为零七、参考文献1、Leon W. Couch, II Digital and Analog munication Systems, Sixth Edition2、南利平编普通信原J!简明敦林清华大学2001.123、曹志啊、找亚生编现代通信原理清华大学，1992年8月4、施皿等编MATLAB 言猜要及动态仿真工具SIMULINK工业大学，1999 年4月