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1、 西南科技大學(xué) 通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 課程名稱： 通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)名稱： 基于matlab的成型與匹配濾波器設(shè)計(jì)與仿真分析 姓 名： 學(xué) 號: 班 級： 通信1204 指導(dǎo)教師：

2、 起止日期： 2014.6.26——2014.7.17 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院制 15 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 學(xué)生班級： 通信1204 學(xué)生姓名： 梁高麗 學(xué)號： 20123526 設(shè)計(jì)名稱： 基于matlab的成型濾波器與匹配濾波器設(shè)計(jì)與仿真分析 起止日期： 2014.6.26

3、——2014.7.17 指導(dǎo)教師： 候?qū)毰R 設(shè)計(jì)要求： （1）19周之前完成，提交報(bào)告并答辯（打印稿）； （2）報(bào)告嚴(yán)謹(jǐn)雷同（如有發(fā)現(xiàn)，視為作弊） （3）基于matlab已有濾波器函數(shù)或simulink濾波器模塊設(shè)計(jì)成型濾波器與匹配濾波器 觀察信號成型前、后變化，匹配前后變化，并進(jìn)行分析。 課 程 設(shè) 計(jì) 學(xué) 生 日 志 時(shí)間 設(shè)計(jì)內(nèi)容 7.3 確定此次課程設(shè)計(jì)題目 7.4 詢問指導(dǎo)老師對應(yīng)題目，解析題目 7.5 開題，學(xué)

4、習(xí)matlab軟件使用 7.6 查找相應(yīng)資料對此次設(shè)計(jì)進(jìn)行理論支撐 7.7 制定設(shè)計(jì)方案 7.8 使用sumlink進(jìn)行設(shè)計(jì) 7.10 對設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行檢查 7.14 謄寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告 基于MATLAB的成型與匹配濾波器 設(shè)計(jì)與仿真分析 一、 摘要 濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，其功能就是得到一個(gè)特定頻率或消除一個(gè)特定頻率。 成型濾波器是輸入端常用的低通濾波器，經(jīng)信道到接收濾波器的整個(gè)傳輸過程。接收端的濾波是對整個(gè)傳輸函數(shù)的補(bǔ)償，并且平滑波形，消除部分

5、碼間干擾（ISI）。 匹配濾波器是輸出端的信號瞬時(shí)功率與噪聲平均功率的比值最大的線性濾波器，匹配濾波器是一種非常重要的濾波器，廣泛應(yīng)用與通信、雷達(dá)等系統(tǒng)中。 同時(shí)在數(shù)字通信中，成型濾波器和匹配濾波器是調(diào)制的重要過程。 二、 設(shè)計(jì)目的和意義 2.1設(shè)計(jì)意義 a.通過利用matlab simulink，熟悉matlab simulink仿真工具。 b.通過課程設(shè)計(jì)來更好的掌握課本相關(guān)知識，熟悉匹配濾波器的設(shè)計(jì)以及工作原理。 C.更好的了解通信原理的相關(guān)知識，磨練自己分析問題、查閱資料、鞏固知識、創(chuàng)新等方面能力。 2.2 設(shè)計(jì)目的 對于數(shù)字信號系統(tǒng)最難以做到的就是在調(diào)制過程中合理地

6、解決碼間干擾和提高輸出信噪比這兩點(diǎn)。 信號的相位跳變是瞬時(shí)變化的，瞬時(shí)變化的相位會使信號頻譜發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致需要非常大的信道帶寬才能無失真地傳輸信號。為了把信號頻譜限制在一個(gè)比較合理的范圍內(nèi)，對基帶信號進(jìn)行濾波是必不可少的。但是基帶濾波會使信號在時(shí)域上擴(kuò)展，如果設(shè)計(jì)不好將在接收端引起嚴(yán)重的碼間干擾（ISI）。利用成型濾波消除碼間干擾對信號傳輸?shù)挠绊憽? 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，匹配濾波器是其中重要部件之一，濾波器特性的選擇直接影響數(shù)字信號的恢復(fù)。在數(shù)字信號接收中，濾波器的作用有兩個(gè)方面，使濾波器輸出有用信號成分盡可能強(qiáng)；抑制信號帶外噪聲，使濾波器輸出噪聲成分盡可能小，減小噪聲對信號判決的影響。

7、對最佳線性濾波器的設(shè)計(jì)有兩種準(zhǔn)則： 一種是使濾波器輸出的信號波形與發(fā)送信號波形之間的均方誤差最小，由此而導(dǎo)出的最佳線性濾波器稱為維納濾波器； 另一種是使濾波器輸出信噪比在某一特定時(shí)刻達(dá)到最大，由此而導(dǎo)出的最佳線性濾波器稱為匹配濾波器。 解調(diào)器中抽樣判決以前各部分電路可以用一個(gè)線性濾波器來等效.由數(shù)字信號的判決原理我們知道，抽樣判決器輸出數(shù)據(jù)正確與否，與濾波器輸出信號波形和發(fā)送信號波形之間的相似程度無關(guān)，也即與濾波器輸出信號波形的失真程度無關(guān)，而只取決于抽樣時(shí)刻信號的瞬時(shí)功率與噪聲平均功率之比，即信噪比。信噪比越大，錯誤判決的概率就越?。环粗?，信噪比越小，錯誤判決概率就越大。 所以引用匹

8、配濾波器對信號進(jìn)行濾波，達(dá)到消除高斯白噪聲，提高信噪比的作用。 三、 設(shè)計(jì)原理 3.1成形濾波器設(shè)計(jì)原理 根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則表明任何濾波器只要其沖激響應(yīng): 就可以消除碼間串?dāng)_，滿足奈奎斯特準(zhǔn)則的濾波器稱作奈奎斯特濾波器。當(dāng)調(diào)制信號在信道中傳輸時(shí)會引入失真，我們可以利用傳遞函數(shù)與信道相反的均衡器來完全消除失真，則整個(gè)傳遞函數(shù)可以近似為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)濾波器函數(shù)的乘積。一個(gè)有效的端到端傳遞函數(shù)，經(jīng)常在通過接收機(jī)和發(fā)射機(jī)端都使用傳遞函數(shù)為的濾波器實(shí)現(xiàn)。比較常用的成形濾波器在頻域上具有平方根升余弦滾降特性，與接收端的匹配濾波器級聯(lián)后在頻域上具有升余弦滾降特性。 平方根升余弦滾降濾

9、波器的傳遞函數(shù)如式: 式中： 是角頻率 是脈沖周期 是滾降因子（roll off factor） c是 d是 所謂升余弦特性，就是指將在一定條件下進(jìn)行平滑，這種平滑的現(xiàn)象通常又稱為“滾降”，平滑的程度用系數(shù)來表示。假設(shè)濾波器無滾降時(shí)的截止頻率為，滾降部分的截止頻率為，則。滾降是指它的頻譜過渡特性，而不是波形的形狀。 升余弦滾降濾波器的頻率響應(yīng)和沖激響應(yīng)如下圖所示： 升余弦頻率響應(yīng)特性 升余弦時(shí)域響應(yīng) 升余弦濾波器的響應(yīng)特性可以通過一個(gè)被稱為滾降因子（roll off factor）的參數(shù)來進(jìn)行調(diào)節(jié)，該因子由來表示，。 在＝0的情況下，

10、頻率響應(yīng)局限于1/2。 當(dāng)＝1，頻率響應(yīng)局限為。 當(dāng)在0和1之間時(shí)，頻率響應(yīng)被局限在1/2和之間 為采樣頻率。 系統(tǒng)的信號流圖 其中Ⅳ 為濾波器的階數(shù)，h(n)為濾波器的系數(shù)。 3.2 匹配濾波器設(shè)計(jì)原理 假設(shè)線性濾波器的輸入端是信號與噪聲的疊加，且假設(shè)噪聲是白噪聲，其功率譜密度，信號的頻譜為。 問題：設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器使輸出端的信噪比在某時(shí)刻達(dá)到最大。 假設(shè)該濾波器的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)為，系統(tǒng)沖擊響應(yīng)為，則 輸出信號 其中，， 所以在時(shí)刻，信號的功率為 輸出噪聲的功率譜密度 輸出噪聲平均功率為 所以時(shí)刻輸出的信噪比為： 根據(jù)Schwarts不等式，

11、 可以得到 當(dāng)時(shí)等式成立。 因此，如果設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器，它的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)為 時(shí)，濾波器輸出信噪比最大。 3.2.1匹配濾波器的結(jié)構(gòu)原理 匹配濾波器的沖激響應(yīng) 兩邊取傅立葉反變換，得到 如果輸入信號是實(shí)信號，則 現(xiàn)在，我們把以上的結(jié)論用在數(shù)字通信上。假設(shè)符號的傳輸速率，則在接收端同樣地我們需要每隔時(shí)間進(jìn)行一次判決，因此我們希望在每時(shí)刻的輸出信噪比最大，將上述的用帶入，我們得到匹配濾波器如下： 所以，匹配濾波器的結(jié)構(gòu)如下： 四、 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟 4.1成型濾波器的設(shè)計(jì) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中的信號流圖，采用是直接型濾波器設(shè)計(jì)的濾波器為8階升余弦濾波器，采樣頻率為1

12、000Hz，截止頻率為200Hz，滾降系數(shù)為0.35。z 對應(yīng)時(shí)域中的一次延時(shí)，輸出Y(n)由輸入x(n)的各次延時(shí)乘以相應(yīng)的濾波器系數(shù)相加后得到。主要包括9次乘法、8次加法。 通過公式計(jì)算可得h(t)系數(shù)分別為0.004、0.01、0.047、0.25、0.4、0.047、0.25、0.01、0.004 通過MATLAB中SUMLINK模塊對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)如圖： 直接型升余弦成型濾波器電路 矩形脈沖的設(shè)置： 乘法器參數(shù)設(shè)置： 加法器參數(shù)設(shè)置： 延時(shí)參數(shù)設(shè)置： 4.2 匹配濾波器的設(shè)計(jì) 匹配濾波器實(shí)驗(yàn)框

13、圖： 設(shè)匹配濾波器的Ts=2s，利用SUMLINK模塊對濾波器設(shè)計(jì)，并在輸入端加入高斯白噪聲。實(shí)驗(yàn)電路圖如下： 匹配濾波器的實(shí)驗(yàn)電路圖 矩形脈沖參數(shù)設(shè)置： 理想積分器參數(shù)設(shè)置： 延時(shí)器參數(shù)設(shè)置： 一元減號器參數(shù)設(shè)置： 加分器參數(shù)設(shè)置： 低通濾波器設(shè)置參數(shù)： a) 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析 成型前的波形： 成型后的波形： 匹配前的波形： 匹配后的波形： 4.3結(jié)果分析 1、可以從1、2兩個(gè)波形中看出通過成型濾波器后波形變得稍微平滑，從成型后波形中可

14、以看出碼間串?dāng)_對信號的干擾； 2、從匹配前波形看出高斯白噪聲對于矩形脈沖的信噪干擾，通過匹配后波形可以明顯看出三角波變得更加平整，基本能達(dá)到提高信噪比，減低噪聲的作用。 3、該頻譜再通過延時(shí)和取反得到的頻譜，再通過相加器和匹配前信號相加就得到了仿真結(jié)果中的三角脈沖形的波形。 五、 總結(jié) 此次通信原理課程設(shè)計(jì)，分為兩個(gè)部分：一個(gè)是成型濾波器的設(shè)計(jì)，另一個(gè)是匹配濾波 的設(shè)計(jì)。 在成型濾波器的部分：利用的方法是升余弦滾降函數(shù)法設(shè)置的FIR濾波器，首先從實(shí)驗(yàn)原理，通過公式對H(t)進(jìn)行計(jì)算，確定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，根據(jù)系統(tǒng)圖通過sumlink對電路進(jìn)行配置。由于是第一次使用sumlink模塊

15、進(jìn)行設(shè)計(jì)，器件的參數(shù)設(shè)置有很大問題，一度使得出現(xiàn)波形打不到要求，通過整理以及同學(xué)幫助，最后成功解決。 在匹配濾波器的部分：利用的方法是低通濾波器以及外加高斯白噪聲，通過相加器與延時(shí)器成功在輸出端接收到合格的過濾波形，成功得到三角波。 兩部分設(shè)計(jì)共同點(diǎn)：都是采用了低通濾波器參與設(shè)計(jì)，而且仿真數(shù)據(jù)跟理想濾波器測試數(shù)據(jù)有一定的偏差，并不能達(dá)到完整濾波效果。 需要注意：1、sumlink必須在matlab里建立model文件，并不是之前的.M文件； 2、匹配濾波器延時(shí)應(yīng)與濾波器周期相同； 3、加入高斯白噪聲之前應(yīng)在接收端添加一個(gè)buttworth低通

16、濾波器； 4、升余弦濾波器最重要的參數(shù)是滾降系數(shù)、采樣頻率 5、低通濾波器大多用于數(shù)字基帶傳輸； 6、成型濾波器的設(shè)計(jì)出了升余弦濾波器還可以通過常用低通濾波器實(shí)現(xiàn) 六、 體會 通過本次通信原理的課程設(shè)計(jì)，我對simulink模擬仿真有了進(jìn)一步的認(rèn)識，對matlab軟件有了深一步的了解，通過此次課程設(shè)計(jì)，學(xué)會了匹配與成型濾波器的設(shè)計(jì)與仿真。通過波形的可視化，使得系統(tǒng)更加形象，理解的更加透徹，在實(shí)驗(yàn)中在一些相關(guān)器件的選擇上遇到了困難，多虧參考文獻(xiàn)與老師、同學(xué)的幫助，使我克服困難順利完成課程設(shè)計(jì)。通過仿真系統(tǒng)，能夠深刻理解通信系統(tǒng)的原理和具體實(shí)現(xiàn)法案，而且通過實(shí)際課程設(shè)計(jì)，積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，掌握了simulink仿真軟件的操作。此次通信系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)，第一次讓我了解如何合理利用文獻(xiàn)，了解了幾種消除碼間串?dāng)_和提高信噪比的濾波方法。希望自己能夠奠定一定的專業(yè)基礎(chǔ)，并且找到工作。 七、 參考文獻(xiàn) [1] 張學(xué)敏，倪虹霞.MATLAB基礎(chǔ)及應(yīng)用.中國電力出版社. [2] 曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理.清華大學(xué)出版社.2008.3 [3] 程佩青.數(shù)字信號處理(簡明版)第三版.清華大學(xué)出版社. [4] 鄭智琴. Simulink電子通信仿真與應(yīng)用—工程師工具軟件應(yīng)用系列.國防工業(yè)出版社