专业课程设计.doc

西南科技大学
通信系统课程设计汇报

课程名称： 通信系统课程设计
设计名称： 基于matlab成型和匹配滤波器设计和仿真分析
姓 名： 梁高丽
学 号: 3526
班 级： 通信1204
指导老师： 候宝临
起止日期： .6.26——.7.17

西南科技大学信息工程学院制
课 程 设 计 任 务 书
学生班级： 通信1204 学生姓名： 梁高丽 学号： 3526
设计名称： 基于matlab成型滤波器和匹配滤波器设计和仿真分析
起止日期： .6.26——.7.17 指导老师： 候宝临

设计要求：

（1）19周之前完成，提交汇报并答辩（打印稿）；

（2）汇报严谨雷同（如有发觉，视为作弊）

（3）基于matlab已经有滤波器函数或simulink滤波器模块设计成型滤波器和匹配滤波器

观察信号成型前、后改变，匹配前后改变，并进行分析。

课 程 设 计 学 生 日 志

时间
设计内容
7.3
确定此次课程设计题目
7.4
问询指导老师对应题目，解析题目
7.5
开题，学习matlab软件使用
7.6
查找对应资料对此次设计进行理论支撑
7.7
制订设计方案
7.8
使用sumlink进行设计
7.10
对设计内容进行检验
7.14
誊写试验汇报

基于MATLAB成型和匹配滤波器 设计和仿真分析
一、 摘要
滤波器是一个用来消除干扰杂讯器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净直流电。对特定频率或该频点以外频率进行有效滤除电路，其功效就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。
成型滤波器是输入端常见低通滤波器，经信道到接收滤波器整个传输过程。接收端滤波是对整个传输函数赔偿，而且平滑波形，消除部分码间干扰（ISI）。
匹配滤波器是输出端信号瞬时功率和噪声平均功率比值最大线性滤波器，匹配滤波器是一个很关键滤波器，广泛应用和通信、雷达等系统中。
同时在数字通信中，成型滤波器和匹配滤波器是调制关键过程。
二、 设计目标和意义
2.1设计意义
a.经过利用matlab simulink，熟悉matlab simulink仿真工具。
b.经过课程设计来愈加好掌握书本相关知识，熟悉匹配滤波器设计和工作原理。
C.愈加好了解通信原理相关知识，磨练自己分析问题、查阅资料、巩固知识、创新等方面能力。
2.2 设计目标
对于数字信号系统最难以做到就是在调制过程中合理地处理码间干扰和提升输出信噪比这两点。
信号相位跳变是瞬时改变，瞬时改变相位会使信号频谱发生扩散，造成需要很大信道带宽才能无失真地传输信号。为了把信号频谱限制在一个比较合理范围内，对基带信号进行滤波是必不可少。不过基带滤波会使信号在时域上扩展，假如设计不好将在接收端引发严重码间干扰（ISI）。利用成型滤波消除码间干扰对信号传输影响。
在数字通信系统中，匹配滤波器是其中关键部件之一， 滤波器特征选择直接影响数字信号恢复。在数字信号接收中， 滤波器作用有两个方面，使滤波器输出有用信号成份尽可能强；抑制信号带外噪声，使滤波器输出噪声成份尽可能小，减小噪声对信号判决影响。 
对最好线性滤波器设计有两种准则： 
一个是使滤波器输出信号波形和发送信号波形之间均方误差最小，由此而导出最好线性滤波器称为维纳滤波器； 
另一个是使滤波器输出信噪比在某一特定时刻达成最大，由此而导出最好线性滤波器称为匹配滤波器。
解调器中抽样判决以前各部分电路能够用一个线性滤波器来等效.由数字信号判决原理我们知道，抽样判决器输出数据正确是否，和滤波器输出信号波形和发送信号波形之间相同程度无关，也即和滤波器输出信号波形失真程度无关，而只取决于抽样时刻信号瞬时功率和噪声平均功率之比， 即信噪比。信噪比越大，错误判决概率就越小；反之，信噪比越小，错误判决概率就越大。
所以引用匹配滤波器对信号进行滤波，达成消除高斯白噪声，提升信噪比作用。

三、 设计原理
3.1成形滤波器设计原理
依据奈奎斯特准则表明任何滤波器只要其冲激响应:

就能够消除码间串扰，满足奈奎斯特准则滤波器称作奈奎斯特滤波器。当调制信号在信道中传输时会引入失真，我们能够利用传输函数和信道相反均衡器来完全消除失真，则整个传输函数能够近似为发射机和接收机滤波器函数乘积。一个有效端到端传输函数，常常在经过接收机和发射机端全部使用传输函数为滤波器实现。比较常见成形滤波器在频域上含有平方根升余弦滚降特征，和接收端匹配滤波器级联后在频域上含有升余弦滚降特征。
平方根升余弦滚降滤波器传输函数如式:

式中：
是角频率
是脉冲周期
是滚降因子（roll off factor）
c是
d是
所谓升余弦特征，就是指将在一定条件下进行平滑，这种平滑现象通常又称为“滚降”，平滑程度用系数来表示。假设滤波器无滚降时截止频率为，滚降部分截止频率为，则。滚降是指它频谱过渡特征，而不是波形形状。

升余弦滚降滤波器频率响应和冲激响应以下图所表示：

升余弦频率响应特征

升余弦时域响应
升余弦滤波器响应特征能够经过一个被称为滚降因子（roll off factor）参数来进行调整，该因子由来表示，。
在＝0情况下，频率响应局限于1/2。
当＝1，频率响应局限为。
当在0和1之间时，频率响应被局限在1/2和之间
为采样频率。

系统信号流图

其中Ⅳ 为滤波器阶数，h(n)为滤波器系数。
3.2 匹配滤波器设计原理
假设线性滤波器输入端是信号和噪声叠加，且假设噪声是白噪声，其功率谱密度，信号频谱为。
问题：设计一个滤波器使输出端信噪比在某时刻达成最大。
假设该滤波器系统响应函数为，系统冲击响应为，则
输出信号
其中，，

所以在时刻，信号功率为
输出噪声功率谱密度
输出噪声平均功率为
所以时刻输出信噪比为：

依据Schwarts不等式，

能够得到

当初等式成立。
所以，假如设计一个滤波器，它系统响应函数为
时，滤波器输出信噪比最大。
3.2.1匹配滤波器结构原理
匹配滤波器冲激响应

两边取傅立叶反变换，得到

假如输入信号是实信号，则
现在，我们把以上结论用在数字通信上。假设符号传输速率，则在接收端一样地我们需要每隔时间进行一次判决，所以我们期望在每时刻输出信噪比最大，将上述用带入，我们得到匹配滤波器以下：

所以，匹配滤波器结构以下：

四、 具体设计步骤
4.1成型滤波器设计
依据试验原理中信号流图，采取是直接型滤波器设计滤波器为8阶升余弦滤波器，采样频率为1000Hz，截止频率为200Hz，滚降系数为0.35。z 对应时域中一次延时，输出Y(n)由输入x(n)各次延时乘以对应滤波器系数相加后得到。关键包含9次乘法、8次加法。
经过公式计算可得h(t)系数分别为0.004、0.01、0.047、0.25、0.4、0.047、0.25、0.01、0.004
经过MATLAB中SUMLINK模块对电路进行设计图：

直接型升余弦成型滤波器电路

矩形脉冲设置：

乘法器参数设置：

加法器参数设置：

延时参数设置：

4.2 匹配滤波器设计
匹配滤波器试验框图：

设匹配滤波器Ts=2s，利用SUMLINK模块对滤波器设计，并在输入端加入高斯白噪声。试验电路图以下：

匹配滤波器试验电路图

矩形脉冲参数设置：

理想积分器参数设置：

延时器参数设置：

一元减号器参数设置：

加分器参数设置：

低通滤波器设置参数：

a) 设计结果及分析
成型前波形：

成型后波形：

匹配前波形：

匹配后波形：

4.3结果分析
1、能够从1、2两个波形中看出经过成型滤波器后波形变得稍微平滑，从成型后波形中能够看出码间串扰对信号干扰；
2、从匹配前波形看出高斯白噪声对于矩形脉冲信噪干扰，经过匹配后波形能够显著看出三角波变得愈加平整，基础能达成提升信噪比，减低噪声作用。
3、该频谱再经过延时和取反得到频谱，再经过相加器和匹配前信号相加就得到了仿真结果中三角脉冲形波形。
五、 总结
此次通信原理课程设计，分为两个部分：一个是成型滤波器设计，另一个是匹配滤波
设计。
在成型滤波器部分：利用方法是升余弦滚降函数法设置FIR滤波器，首先从试验原理，经过公式对H(t)进行计算，确定试验系统图，依据系统图经过sumlink对电路进行配置。因为是第一次使用sumlink模块进行设计，器件参数设置有很大问题，一度使得出现波形打不到要求，经过整理和同学帮助，最终成功处理。
在匹配滤波器部分：利用方法是低通滤波器和外加高斯白噪声，经过相加器和延时器成功在输出端接收到合格过滤波形，成功得到三角波。
两部分设计共同点：全部是采取了低通滤波器参与设计，而且仿真数据跟理想滤波器测试数据有一定偏差，并不能达成完整滤波效果。
需要注意：1、sumlink必需在matlab里建立model文件，并不是之前.M文件；
2、匹配滤波器延时应和滤波器周期相同；
3、加入高斯白噪声之前应在接收端添加一个buttworth低通滤波器；
4、升余弦滤波器最关键参数是滚降系数、采样频率
5、低通滤波器大多用于数字基带传输；
6、成型滤波器设计出了升余弦滤波器还能够经过常见低通滤波器实现
六、 体会
经过此次通信原理课程设计，我对simulink模拟仿真有了深入认识，对matlab软件有了深一步了解，经过此次课程设计，学会了匹配和成型滤波器设计和仿真。经过波形可视化，使得系统愈加形象，了解愈加透彻，在试验中在部分相关器件选择上碰到了困难，多亏参考文件和老师、同学帮助，使我克服困难顺利完成课程设计。经过仿真系统，能够深刻了解通信系统原理和具体实现法案，而且经过实际课程设计，积累了宝贵实践经验，掌握了simulink仿真软件操作。此次通信系统课程设计，第一次让我了解怎样合理利用文件，了解了多个消除码间串扰和提升信噪比滤波方法。期望自己能够奠定一定专业基础，而且找到工作。

七、 参考文件
[1] 张学敏，倪虹霞.MATLAB基础及应用.中国电力出版社.
[2] 曹志刚，钱亚生.现代通信原理.清华大学出版社..3
[3] 程佩青.数字信号处理(简明版)第三版.清华大学出版社.
[4] 郑智琴. Simulink电子通信仿真和应用—工程师工具软件应用系列.国防工业出版社