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1、 西南科技大學(xué) 通信系統(tǒng)課程設(shè)計報告 課程名稱： 通信系統(tǒng)課程設(shè)計 設(shè)計名稱： 基于matlab的成型與匹配濾波器設(shè)計與仿真分析 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 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)計名稱： 基于matlab的成型濾波器與匹配濾波器設(shè)計與仿真分析 起止日期： 2014.6.26

3、——2014.7.17 指導(dǎo)教師： 候?qū)毰R 設(shè)計要求： （1）19周之前完成，提交報告并答辯（打印稿）； （2）報告嚴(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 學(xué) 生 日 志 時間 設(shè)計內(nèi)容 7.3 確定此次課程設(shè)計題目 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)計進(jìn)行理論支撐 7.7 制定設(shè)計方案 7.8 使用sumlink進(jìn)行設(shè)計 7.10 對設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行檢查 7.14 謄寫實驗報告 基于MATLAB的成型與匹配濾波器 設(shè)計與仿真分析 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以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。 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傳輸過程。接收端的濾波是對整個傳輸函數(shù)的補償，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)計目的和意義 2.1設(shè)計意義 a.通過利用matlab simulink，熟悉matlab simulink仿真工具。 b.通過課程設(shè)計來更好的掌握課本相關(guān)知識，熟悉匹配濾波器的設(shè)計以及工作原理。 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。 信號的相位跳變是瞬時變化的，瞬時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域上擴(kuò)展，如果設(shè)計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方面，使濾波器輸出有用信號成分盡可能強；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)，而只取決于抽樣時刻信號的瞬時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??；反之，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)計原理 3.1成形濾波器設(shè)計原理 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，則整個傳遞函數(shù)可以近似為發(fā)射機與接收機濾波器函數(shù)的乘積。一個有效的端到端傳遞函數(shù)，經(jīng)常在通過接收機和發(fā)射機端都使用傳遞函數(shù)為的濾波器實現(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 升余弦時域響應(yīng) 升余弦濾波器的響應(yīng)特性可以通過一個被稱為滾降因子（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，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)計一個濾波器使輸出端的信噪比在某時刻達(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 所以時刻輸出的信噪比為： 根據(jù)Schwarts不等式，

11、 可以得到 當(dāng)時等式成立。 因此，如果設(shè)計一個濾波器，它的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)為 時，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間進(jìn)行一次判決，因此我們希望在每時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)計步驟 4.1成型濾波器的設(shè)計 根據(jù)實驗原理中的信號流圖，采用是直接型濾波器設(shè)計的濾波器為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)時域中的一次延時，輸出Y(n)由輸入x(n)的各次延時乘以相應(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： 延時參數(shù)設(shè)置： 4.2 匹配濾波器的設(shè)計 匹配濾波器實驗框

13、圖： 設(shè)匹配濾波器的Ts=2s，利用SUMLINK模塊對濾波器設(shè)計，并在輸入端加入高斯白噪聲。實驗電路圖如下： 匹配濾波器的實驗電路圖 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，分為兩個部分：一個是成型濾波器的設(shè)計，另一個是匹配濾波 的設(shè)計。 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，首先從實驗原理，通過公式對H(t)進(jìn)行計算，確定實驗系統(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，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)計共同點：都是采用了低通濾波器參與設(shè)計，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)計出了升余弦濾波器還可以通過常用低通濾波器實現(xiàn) 六、 體會 通過本次通信原理的課程設(shè)計，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，學(xué)會了匹配與成型濾波器的設(shè)計與仿真。通過波形的可視化，使得系統(tǒng)更加形象，理解的更加透徹，在實驗中在一些相關(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。通過仿真系統(tǒng)，能夠深刻理解通信系統(tǒng)的原理和具體實現(xiàn)法案，而且通過實際課程設(shè)計，積累了寶貴的實踐經(jīng)驗，掌握了simulink仿真軟件的操作。此次通信系統(tǒng)的課程設(shè)計，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