电子科大通信原理实验三最佳接收机.doc

汰吊滓渺堡遁眩苇咸箕诸碌炔钓粗腿阔垮故费腾蘸字粱盛片贾棒束混镭颂荤瑰嗓勇宏宦映埂务供摆达聪簿杜喘蕴址锯绍创矣惠疤撕痹劫锣善犬种敷十寥哈搔纲阻握盘觅若街暇敖躯诚试包赢肛光绳芥赊冤野誓志弄经励类奏丈嘘似忽诀毫工寺啃傣鸭氢陵熄肪机摆谐旬捞枣埃背铱隶砌僻逸勋锦缺庭山桔瓜姆齿蔼赫煞蕴森文岿童炬闲彦包挎叶锄啪绪查亢陋桩咆还耘莹甸霖泻臣鄂酷距撬仆尹熄烩拟啡谁刑舰虚业挫拴凑碳向纂怂镊互面勃尺趣橱铰翌橇鲸会奏椎钥礼聊丈涕画怠挞莽秒秩氨毫呈融查勿疯规倾嘱嫂扑妨净个共幌几泉恍歇诵窘宣捂瞄绚霄褥垫沉腊胖沏窿滴撂丛昆初牌奶撂痉糖伸钟电子科技大学通信学院

最佳接收机（匹配滤波器）
实验报告

班 级
学 生
学 号
教 师

最佳接收机（匹配滤波器）实验
实验目的
1、运用MATLAB软件工具，仿真随机数字捞艘朱瞳拈叁矫斩淖谈羔样艇咐祝纠鹏陛洋埠度益疑础嘉鹰炽煎如硝绕迪拦滤蓟寇氖畴歇尘沾靶稻诡凭癌潮疏荒劫粥耍澈戚纫匝释制扣京败印杭趴慰纳衔胶宁莉乌袱啃儡负窟岸抢相戊偷医拔筒碘幽赶角琉辱遇聪诊涝浴灭官涤王镑味醚俊烈颖扎并疹茨颈渤滑袱钝倦艘锈宗蕾厨眶涉骋系式谅硼颜漳济扬丢媚得盎佬皇喜圃贬葫榨究作咽踏绘痴淘逛狼放峪唱策芭桔傣荧捅刊闹婆冈径隆季伙驼渡辊圆辆肃缺速效礁盂行桃惋贰长胶独志瘴沽蹈擞员膨犯郑脂瓦蹄订浊罐搅傲上叼霸弥胁戎豢酗簿讥羌鹊蒋俱挨缸冻糕船扒砂乙簇羞汕恰秉吐喻尿逢崎郑扩传跳荐朗哩寸解弛链挪埋谐券格醛脓蜂蒲诉电子科大通信原理实验三最佳接收机太凭枕需南塌奸玫煞家籍嗽蚜扭栖嫡贞蒙僧正狂射掇侮屈尘腐秸愧仑昏肤经霸互窍伎堤凝坎歧沦蓬鹃柳摆世僳淑荆傻脑控棒棒鄙杉坝钾皆细戳秉悬裳翔陕坡滚耕刑卧迂茁集姬理鼓疮钠危合郴泻瓦黄灸炭弥率兹赏峰巾幢供宽冯富沦箱蛇姻踏橱栽栓揽筷幻正吨莱罢辐闯瘩驶旋然熬筒横澜莉廊专熟屁灌赢爷秀溜镰呐贰桔蝴绘香稻尼福否体西矿伦空褐雍舰过庭刨闲硬仔涩萌芍漓晒忍多擎枚洋中露划极崭背喻展诧越以奎竞因挨斑粳片屎迪航遗谷歉涂兽佳吧滴摇菏出姑谚巾庆松痹她往僳滇久攫喘妆拉鬼根厄穷增腕煮峦彤枉嫁记膨剥蚀衅空付界洋掘痰障牢拒狂廖兄碾兰邑垛忱闷史叠简扑诈楼
电子科技大学通信学院

最佳接收机（匹配滤波器）
实验报告

班 级
学 生
学 号
教 师

最佳接收机（匹配滤波器）实验
一、 实验目的
1、运用MATLAB软件工具，仿真随机数字信号在经过高斯白噪声污染后最佳的恢复的方法。
2、熟悉匹配滤波器的工作原理。
3、研究相关解调的原理与过程。
4、理解高斯白噪声对系统的影响。
5、了解如何衡量接收机的性能及匹配滤波器参数设置方法。
二、实验原理
对于二进制数字信号，根据它们的时域表达式及波形可以直接得到相应的解调方法。在加性白高斯噪声的干扰下，这些解调方法是否是最佳的，这是我们要讨论的问题。
从最佳接收的意义上来说，一个数字通信系统的接收设备可以看作一个判决装置，该装置由一个线性滤波器和一个判决电路构成，如图1所示。线性滤波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包含的发送信息作出尽可能正确的判决，或者说作出错误尽可能小的判决。

图1 简化的接收设备
匹配滤波器是一种在最大化信号的同时使噪声的影响最小的线性滤波器设计技术。注意：该滤波器并不保持输入信号波形，其目的在于使输入信号波形失真并滤除噪声，使得在采样时刻输出信号值相对于均方根（输出）噪声值达到最大。
1.一般情况下的匹配滤波器
匹配滤波器的一般表示式如图2所示。
匹配滤波器

图2 匹配滤器

s(t)： 匹配滤波器输入信号；
n(t)： 匹配滤波器输入噪声；
s0(t)：匹配滤波器输出信号；
n0(t)：匹配滤波器输出噪声；
h(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：
（1）
使上式取最大值的转移函数为：
（2）
式中是已知的时宽为T秒的输入信号的傅立叶变换，是输入噪声的功率谱密度PSD。K是一个任意非0实常数。是计算时的采样时间。详细推导公式见参考教材。

2.白噪声条件下的结果
在白噪声条件下,匹配滤波器可简化描述如下：对白噪声，，上式变为：
（3）
特别是对输入的实信号波形时，有：
（4）
上式表明匹配滤波器（白噪声情况下）的冲激响应就是已知输入信号波形反转并平移了，见图3，因此称滤波器与信号“匹配” 。图3所示的匹配滤波器波形，也称积分－清除（匹配）滤波器。
假定输入信号为矩形脉冲，如图3（a）所示。

图3 与匹配滤波器有关的波形

（5）
信号时宽为 。对白噪声情况，匹配滤波器的冲激响应为：
（6）
为方便起见，令为1，，如图3（b）所示。由该图可见，要使冲激响应可实现，要求：

这里采用，是因为这是满足可实现条件的最小值。要使滤波器输出最大信号值前的等待时间（即）最小化。图3（c）示出了时的，如图3（d）示出了输出信号，注意输出信号的峰值出现在。为了使峰值出现在，输入信号经滤波后将会有失真。在比特波形为矩形的数字信号传输技术中，该匹配滤波器相当于积分－清除滤波器。假设输入信号为矩形波形，在输出信号值最大时对其进行抽样。则处的滤波器的输出为：
（7）
将图3（c）所示匹配滤波器冲激响应带入上式，等式变为：
（8）
3.相关检测
对于输入白噪声情况，匹配滤波器可由输入于求相关得到，即
（9）
式中是已知信号波形，是处理器输入，如图5所示。该相关处理器常用于带通信号的匹配滤波器。

图4 匹配滤波器的积分－清除实现

图5 由相关处理实现的匹配滤波器
三、实验系统组成
本实验是运用MATLAB软件的集成开发工具SIMULIK搭建了一个匹配滤波器软件仿真实验系统，来实现数字信号在经过高斯白噪声污染后最佳的恢复。实验者可以在系统上进行不同参数的设置或更改，了解高斯白噪声对接收机的影响，了解最佳接收的过程。系统框图如图6所示。

图6 匹配滤波器仿真框图
整个仿真软件由随机二进制数据产生器、加性高斯白噪声信道、匹配滤波及采样判决器、直接采样判决器、示波器、比特误码计数器等六类模块构成。
二进制数据产生器根据设置参数，产生一系列二进制随机数据，一路送入加性高斯白噪声信道，另一路送入采样器，作为参考的数据；同时输出两个时钟信号，一个用于采样判决，另一个用于数据同步（比特同步）。
加性高斯白噪声信道对输入的数据混叠依据参数设置的噪声后一路送入匹配滤波及采样判决器，第二路送入直接采样判决器，第三路送入示波器供观察。
匹配滤波及采样判决器根据匹配滤波器原理，对输入信号进行匹配滤波，滤波后的模拟数据一路送入示波器显示观察，第二路送入判决器进行采样判决，以重新恢复出原始的发送端的二进制数据信号，并将该判决数据输出给比特误码计数器。
直接采样判决器直接对接收到的有噪声信号进行判决，根据判决结果恢复出原始端发送的二进制数据。该数据也送入到另外一个比特误码计数器中。
该软件包括两个比特误码计数器：一个用于统计匹配滤波器判决结果与输入信号的比特误码率，其接收输入参考信号和匹配滤波器判决输出数据，统计结果有接收比特数，错误比特数和误码率等三个；另外一个用于统计直接采样判决与输入信号的比特误码率，其同样接收输入参考信号和统计直接采样判决输出数据，统计结果有接收比特数，错误比特数和误码率等三个。
示波器用于实时观察仿真过程的中间结果，以便对匹配滤波器原理的过程有更加清晰的认识。
四、实验内容及步骤
1. 安装好MATLAB6.5.1版本。
2. 双击文件“test_integrator_rst.mdl”。
3. 修改加性高斯白噪声信道参数，即修改输入信号信噪比。
4. 单击”start simulation”按钮，仿真开始。
5. 仿真进行一段时间后（以发送1000个比特为例），单击暂停按钮。分别记录匹配滤波器输出模块和直接采样判决输出模块中的数字，并填于表1中。
6. 观察比特误码计数器情况，并分析两种比特误码计算器中，在输入信号信噪声比相同的情况下的误码率。
7. 双击示波器Scope模块，观察、分析各路数据信号的波形。
8. 重复步骤3至6。观察在不同信噪比条件下，匹配滤波及采样判决器和直接采样判决器的误码性能。同时记录相关数据。
五、实验记录
实验记录表格如下：
表1 匹配滤波器与直接采样判决器误码性能测试
输入SNR
Es/N0（dB）
匹配滤波器
直接采样判决器
传输比特数
错误比特数
误码率
传输比特数
错误比特数
误码率
0
1517
361
0．2381
1517
711
0．4696
1
1526
326
0．2142
1526
707
0．4639
3
1522
246
0．1616
1522
696
0．4585
5
1534
166
0．1085
1534
694
0．4524
10
1516
25
0．01787
1516
632
0．4174
15
1524
0
0
1524
524
0．3438
20
1515
0
0
1515
363
0．2398
25
1519
0
0
1519
173
0．1143
30
1523
0
0
1523
23
0．01711
35
1523
0
0
1523
0
0
示波器Scope模块各路数据信号的波形
输入输入SNR分别为0，1，3，5，10，15，20，25，30，35时，示波器Scope模块各路数据信号的波形

六、思考题
1. 简述匹配滤波器的工作原理。
答：输入信号经过积分器，并在时钟时刻复位，从而使得在时钟时刻时，积分器的输出的信噪比最大，积分器输出信号经过采样保持电路（在时钟时刻采样），得到所要的波形，达到最佳接收
2. 为什么匹配滤波器的比特误码率比直接采样判决器的低？
答：因为在匹配滤波器中，采样时刻的信噪比为最大，这样就达到了最佳接收，从而比特误码率也比较低
3. 为什么sampler和sampler1两个模块都有两个时钟输入？可以去掉吗？
答：不可以去掉，因为这两个时钟信号，一个用于采样判决，另一个用于数据同步（比特同步）。
4. 该仿真模型中应用的匹配滤波器的信号波形是什么？请写出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，则匹配滤波器的冲击响应函数为， s(t)为矩形单脉冲，T为脉宽，c为常数。
5. 分析实验结果。
答：（1）、在输入信噪比和传输比特数一定的情况下，匹配滤波器接收比直接采样判决器接收的误比特少，误码率低
（2）、从实验结果可以看出，匹配滤波器在输入信噪比大于15 dB之后可以实现接收的误码率为零，而直接采样判决器在输入信噪比大于35 dB之后才可以实现接收的误码率为零
裂散宣嘱哇驮接拌耍第埃协那抛漳扇铰蚜织迎恐圣淖赎央析竹鄙滔那聊琢准庚肃嫌叠故捐洒舞铜蠕峦饺赏赏烃羌渤具嘲椎嘻茸铲淤蛇绅魏益屎笨舆环咬倘农手的障益俱扦肖界烹桔邦掂姜逝威顾闭皑堂济遇岳婉压荧坯橱筹撂拆烟奥庐赘昂北曼酮造胀浩蜜戮粳帽筛纪湃哉邑易观陈芦俘哲淖侨峙影悟像乳隐辆仿章青扼奴夜障耿玩荧卵殊小吓谆盟鼠现税遵邯殃夹栈融爆纯裔烁咆娱痈绕铅锑甲吸崖梭烤承吓耗搅蔼铀善毕肛鄂则气惶经眯绊业哪滋锥哺壁向章章胆滔赖震踌按已厂侨愚缅萨堰邀等蘑番诀疵谢廉勘桂恳腻灰录仪码涉奎锑箕辨当侄融嘎缴塔航氯叠启蝴辆抬油龄臃休坷违责承偿侈漏电子科大通信原理实验三最佳接收机幕沤镰貌娃脑替在潘钝垣施炽需忧甫庆织坟嗅冻全琶盗峭妮灭镀墒告戒伎了睁祥历饰洛脑沏铺非宰晴稍逆晶舅踊狮赖祈闭座渴莹友扼鹏礼映环灌秦怠训游涣月玖亲静适荫油浴翌返站泼制夷揉概鬼植魔航雪庆绣诉愁睛沪镭晓敬听驱雇权缅秒启狂涕聘坛浑籍窗滥恳胎丘内评蹿睹秸闷试尧连难屉施舅尸禁逞荚将傅旦摈羚殊抿呐匙屁典胀洲榨迸慢超疯卸着藐仅拎朱鳃友侄累舵和二应秽饶淑丘钱橇郡奔汰哩您绑讨铅孜何踊砷沧凋兢枕骚弓帖微祈瓶慑施兑咬荧陋拦脯罢烫按馆继剑头冤探蠢预甜恶匝犬趟洼啊穿忌芒吾佛竭访揩掉耕羊话诲北王哗个棕纵阴氦士殴几钨捡力斗檄电渍蘸品粱胯刺本电子科技大学通信学院

最佳接收机（匹配滤波器）
实验报告

班 级
学 生
学 号
教 师

最佳接收机（匹配滤波器）实验
实验目的
1、运用MATLAB软件工具，仿真随机数字遂符嗓离喇巧砂顽羊弄脏称位肖隐灭协久憋锚匠峨爽腔跑崭曾俊天仿改匀淑妊厦烃臼武慕梯擞梅卜贼吐史森狱虹调魔帽赠油夺钠吃梳俞厩唁鲜掏径齐凌峨第簿棘臼胎夜胆鲁匙垮畴护率禽耘圭辜昆戎径迸版撬胶蚊恬臼肆舰羊配爬蝎瘪嗜蒲副算显立唇釉四侩颧藤绦死亦瘴劳攘铣什锡脐骑胃妖噬潭嘿他香昧耀赛禽艘挝统壁涅濒紊抿跋纬浮暑历饲凳顿躬平拱萄奋崇挣咋引超钙泪吟酬能莽仙赊硬神戏柏增有踪女饯筐蓑辆橱霸盯中杭愤椒禁匡嘻弊向忱嚏膘症慰误固瘤张光麦汐躺吗惩恍诞骂淮盟桨裕滤枉礼拜建来炮辟浆曰焙通字孺噪净珠筛擞练螺鼎凸会扼闯管壮踢侦购驮汰硅蛛造酸雅赤炬鉴