電子科大通信原理實驗三最佳接收機

1、電子科技大學通信學院最佳接收機（匹配濾波器）實驗報告班 級學 生學 號教 師最佳接收機（匹配濾波器）實驗一、實驗目的1、運用MATLAB軟件工具，仿真隨機數(shù)字信號在經(jīng)過高斯白噪聲污染后 最佳的恢復的方法。2、熟悉匹配濾波器的工作原理。3、研究相關(guān)解調(diào)的原理與過程。4、理解高斯白噪聲對系統(tǒng)的影響。5、了解如何衡量接收機的性能及匹配濾波器參數(shù)設置方法。二、實驗原理對于二進制數(shù)字信號，根據(jù)它們的時域表達式及波形可以直接得到相應的解 調(diào)方法。在加性白高斯噪聲的干擾下，這些解調(diào)方法是否是最佳的，這是我們要 討論的問題。從最佳接收的意義上來說，一個數(shù)字通信系統(tǒng)的接收設備可以看作一個判決 裝置，該裝置由一個

2、線性濾波器和一個判決電路構(gòu)成， 如圖1所示。線性濾波器 對接收信號進行相應的處理，輸出某個物理量提供給判決電路，以便判決電路對 接收信號中所包含的發(fā)送信息作出盡可能正確的判決， 或者說作出錯誤盡可能小 的判決。圖1簡化的接收設備匹配濾波器是一種在最大化信號的同時使噪聲的影響最小的線性濾波器設計技術(shù)。注意：該濾波器并不保持輸入信號波形， 其目的在于使輸入信號波形失真并濾除噪聲，使得在米樣時刻t0輸出信號值相對于均方根(輸出)噪聲值達到 最大。1. 一般情況下的匹配濾波器匹配濾波器的一般表示式如圖2所示。r(t )s(t )n(t )匹配濾波器r(t) s(t) n(t)Hh(t)或 H( f)圖

3、2匹配濾器S(t):匹配濾波器輸入信號； n(t):匹配濾波器輸入噪聲； so(t):匹配濾波器輸出信號； no(t):匹配濾波器輸出噪聲；h(t)或H(f):匹配濾波器。匹配濾波器的目的就是使下式取最大值:)outsf(t)no (t)(1)使上式取最大值的轉(zhuǎn)移函數(shù)為：H(f) K#ejt0(2)式中S(f) F s(t)是已知的時寬為T秒的輸入信號s(t)的傅立葉變換，n(f)是輸入噪聲的功率譜密度 PSD。K是一個任意非0實常數(shù)。to是計算S(-)out時的采樣時間。詳細推導公式見參考教材。N2. 白噪聲條件下的結(jié)果在白噪聲條件下，匹配濾波器可簡化描述如下：對白噪聲，n(f) No/2，

4、上式變?yōu)椋? kH(f) S (f)e特別是對輸入的實信號波形s(t)時，有:2K(4)h(t)s(to t)No上式表明匹配濾波器(白噪聲情況下)的沖激響應就是已知輸入信號波形反轉(zhuǎn)并平移了 To，見圖3,因此稱濾波器與信號“匹配”。圖3所示的匹配濾波器波形，也稱積分清除(匹配)濾波器。肌“HU. whrnr超計：亠-反拮*怡號假定輸入信號為矩形脈沖，如圖3( a所示。2T圖3與匹配濾波器有關(guān)的波形s(t)1 ,t1 t2 0,t為其他值(5)信號時寬為T t2 ti o對白噪聲情況，匹配濾波器的沖激響應為：h(t) s(tot) s( (t to)( 6)為方便起見，令C為1， s( t)，

5、如圖3 (b)所示。由該圖可見，要使沖激響應 可實現(xiàn)，要求：t。t2這里采用tot2，是因為這是滿足可實現(xiàn)條件的最小值。要使濾波器輸出最大信號值前的等待時間(即t to)最小化。圖3(c)示出了 t t2時的h(t)，如圖 3(d)示出了輸出信號，注意輸出信號的峰值出現(xiàn)在t to。為了使峰值出現(xiàn)在t to，輸入信號經(jīng)濾波后將會有失真。在比特波形為矩形的數(shù)字信號傳輸技術(shù) 中，該匹配濾波器相當于積分-清除濾波器。假設輸入信號為矩形波形，在輸出信號值最大時對其進行抽樣。則t to處的濾波器的輸出為：ro(to) r(to) h(to)r( )h(t)d(7)將圖3 (c)所示匹配濾波器沖激響應帶入上

6、式，等式變?yōu)椋簍 oo(to)t Tr( )d(8)Lo 13. 相關(guān)檢測對于輸入白噪聲情況，匹配濾波器可由輸入于s(t)求相關(guān)得到，即toro (to) t T r(t)s(t)dt(9)to I式中s(t)是已知信號波形，r(t)是處理器輸入，如圖5所示。該相關(guān)處理器常用 Hr輸出Aa和保持c于帶通信號的匹配濾波器圖4匹配濾波器的積分一清除實現(xiàn)圖5由相關(guān)處理實現(xiàn)的匹配濾波器三、實驗系統(tǒng)組成本實驗是運用MATLAB軟件的集成開發(fā)工具SIMULIK搭建了一個匹配濾波器 軟件仿真實驗系統(tǒng)，來實現(xiàn)數(shù)字信號在經(jīng)過高斯白噪聲污染后最佳的恢復。實驗者 可以在系統(tǒng)上進行不同參數(shù)的設置或更改，了解高斯白噪聲

7、對接收機的影響，了解 最佳接收的過程。系統(tǒng)框圖如圖 6所示。DEChancelCLK樣判1個仿真軟件由隨機二 直接采樣判決器二進制:趴示波皮器、比特誤碼計aSamplerSampler!信道、匹配濾波 模塊構(gòu)成。、加性咼斯白計數(shù)器等及DateA_OUTCLKD OUT參考信號二進制數(shù)據(jù)產(chǎn)生器根據(jù)設置參數(shù)，產(chǎn)生一系列二進制隨機數(shù)據(jù)，一路送入加性 高斯白噪聲信道，另一路送入采樣器，作為參考的數(shù)據(jù)；同時輸出兩個時鐘信號， 一個用于采樣判決，另一個用于數(shù)據(jù)同步（比特同步） 。加性高斯白噪聲信道對輸入的數(shù)據(jù)混疊依據(jù)參數(shù)設置的噪聲后一路送入匹配 濾波及采樣判決器， 第二路送入直接采樣判決器， 第三路送入示

8、波器供觀察。匹配濾波及采樣判決器根據(jù)匹配濾波器原理，對輸入信號進行匹配濾波，濾波 后的模擬數(shù)據(jù)一路送入示波器顯示觀察，第二路送入判決器進行采樣判決，以重新 恢復出原始的發(fā)送端的二進制數(shù)據(jù)信號，并將該判決數(shù)據(jù)輸出給比特誤碼計數(shù)器。直接采樣判決器直接對接收到的有噪聲信號進行判決，根據(jù)判決結(jié)果恢復出原 始端發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)也送入到另外一個比特誤碼計數(shù)器中。該軟件包括兩個比特誤碼計數(shù)器：一個用于統(tǒng)計匹配濾波器判決結(jié)果與輸入信 號的比特誤碼率，其接收輸入?yún)⒖夹盘柡推ヅ錇V波器判決輸出數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果有接 收比特數(shù)，錯誤比特數(shù)和誤碼率等三個；另外一個用于統(tǒng)計直接采樣判決與輸入信 號的比特誤碼率，其同樣

9、接收輸入?yún)⒖夹盘柡徒y(tǒng)計直接采樣判決輸出數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié) 果有接收比特數(shù)，錯誤比特數(shù)和誤碼率等三個。示波器用于實時觀察仿真過程的中間結(jié)果，以便對匹配濾波器原理的過程有更 加清晰的認識。四、實驗內(nèi)容及步驟1. 安裝好 MATLAB6.5.1 版本。2. 雙擊文件 “test_integrator_rst.md?！?. 修改加性高斯白噪聲信道參數(shù)，即修改輸入信號信噪比。4. 單擊” start simulation按鈕，”仿真開始。5. 仿真進行一段時間后 （以發(fā)送 1000 個比特為例），單擊暫停按鈕。 分別記 錄匹配濾波器輸出模塊和直接采樣判決輸出模塊中的數(shù)字，并填于表 1 中。6. 觀察比特誤碼計

10、數(shù)器情況， 并分析兩種比特誤碼計算器中， 在輸入信號信噪聲比相同的情況下的誤碼率。7. 雙擊示波器Scope模塊，觀察、分析各路數(shù)據(jù)信號的波形。8. 重復步驟3至6。觀察在不同信噪比條件下，匹配濾波及采樣判決器和直 接采樣判決器的誤碼性能。同時記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。五、實驗記錄實驗記錄表格如下：表1匹配濾波器與直接采樣判決器誤碼性能測試輸入SNREs/No（ dB）匹配濾波器直接米樣判決器傳輸比特數(shù)錯誤比特數(shù)誤碼率傳輸比特數(shù)錯誤比特數(shù)誤碼率015173610. 238115177110. 4696115263260. 214215267070. 4639315222460. 161615226960.

11、 4585515341660. 108515346940. 4524101516250. 0178715166320. 41741515240015245240. 34382015150015153630. 23982515190015191730. 1143301523001523230. 0171135152300152300示波器Scope模塊各路數(shù)據(jù)信號的波形輸入輸入 SNR 分別為 0，1, 3，5，10，15, 20，25, 30，35 時，示波器 Scope 模塊各路數(shù)據(jù)信號的波形m/WuJu#lL/i/兒W/A丿l/IR(ddf UU L_TLJ UU L_JU UL_LJLT

12、 LTLx P皿Ln_rL_n_n_nrLrm jt_mrmli 11 i 1_i_tljli 1_ii 1 .，亍 -*w-_ _ /U4L/L/HkW_/L4WWL7一ataiahi* 欄州卅 k|Ai gifjiJ LTUEl_Hl_nJTJ_T_R_FULr ：L_rL TJMLTU2 _O_RT_T_JT_rTJU- ” c AllO rLTTnr-L_n_nj六、思考題1. 簡述匹配濾波器的工作原理。答：輸入信號經(jīng)過積分器，并在時鐘時刻復位，從而使得在時鐘時刻時，積 分器的輸出的信噪比最大，積分器輸出信號經(jīng)過采樣保持電路（在時鐘時刻 采樣），得到所要的波形，達到最佳接收2. 為什么匹配濾波器的比特誤碼率比直接采樣判決器的低？答：因為在匹配濾波器中，采樣時刻的信噪比為最大，這樣就達到了最佳接收， 從而比特誤碼率也比較低3. 為什么sampler和samplerl兩個模塊都有兩個時鐘輸入？可以去掉嗎？答：不可以去掉，因為這兩個時鐘信號，一個用于采樣判決，另一個用于數(shù)據(jù)同步（比特同步）。4該仿真模型中應用的匹配濾波器的信號波形是什么？請寫出匹配濾波器的沖擊 響應函數(shù)？答：（1）、方波序列（2）、若輸入信號為r（t） s（t） n