通信系统课程设计基于matlab的成型与匹配滤波器设计与仿真分析

1、西南科技大学通信系统课程设计报告课程名称： 通信系统课程设计 设计名称： 基于matlab的成型与匹配滤波器设计与仿真分析 姓 名： 学 号: 班 级： 通信1204 指导教师： 起止日期： 2014.6.262014.7.17 西南科技大学信息工程学院制15课 程 设 计 任 务 书学生班级： 通信1204 学生姓名： 梁高丽 学号： 20123526 设计名称： 基于matlab的成型滤波器与匹配滤波器设计与仿真分析 起止日期： 2014.6.262014.7.17 指导教师： 候宝临 设计要求： （1）19周之前完成，提交报告并答辩（打印稿）； （2）报告严谨雷同（如有发现，视为作弊）（

2、3）基于matlab已有滤波器函数或simulink滤波器模块设计成型滤波器与匹配滤波器观察信号成型前、后变化，匹配前后变化，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询问指导老师对应题目，解析题目7.5开题，学习matlab软件使用7.6查找相应资料对此次设计进行理论支撑7.7制定设计方案7.8使用sumlink进行设计7.10对设计内容进行检查7.14誊写实验报告基于matlab的成型与匹配滤波器 设计与仿真分析一、 摘要滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，其

3、功能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用的低通滤波器，经信道到接收滤波器的整个传输过程。接收端的滤波是对整个传输函数的补偿，并且平滑波形，消除部分码间干扰（isi）。匹配滤波器是输出端的信号瞬时功率与噪声平均功率的比值最大的线性滤波器，匹配滤波器是一种非常重要的滤波器，广泛应用与通信、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的重要过程。二、 设计目的和意义2.1设计意义a.通过利用matlab simulink，熟悉matlab simulink仿真工具。b.通过课程设计来更好的掌握课本相关知识，熟悉匹配滤波器的设计以及工作原理。c.更好的了解通信

4、原理的相关知识，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 设计目的对于数字信号系统最难以做到的就是在调制过程中合理地解决码间干扰和提高输出信噪比这两点。信号的相位跳变是瞬时变化的，瞬时变化的相位会使信号频谱发生扩散，导致需要非常大的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的范围内，对基带信号进行滤波是必不可少的。但是基带滤波会使信号在时域上扩展，如果设计不好将在接收端引起严重的码间干扰（isi）。利用成型滤波消除码间干扰对信号传输的影响。在数字通信系统中，匹配滤波器是其中重要部件之一，滤波器特性的选择直接影响数字信号的恢复。在数字信号接收中，滤波器的作

5、用有两个方面，使滤波器输出有用信号成分尽可能强；抑制信号带外噪声，使滤波器输出噪声成分尽可能小，减小噪声对信号判决的影响。对最佳线性滤波器的设计有两种准则：一种是使滤波器输出的信号波形与发送信号波形之间的均方误差最小，由此而导出的最佳线性滤波器称为维纳滤波器；另一种是使滤波器输出信噪比在某一特定时刻达到最大，由此而导出的最佳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可以用一个线性滤波器来等效.由数字信号的判决原理我们知道，抽样判决器输出数据正确与否，与滤波器输出信号波形和发送信号波形之间的相似程度无关，也即与滤波器输出信号波形的失真程度无关，而只取决于抽样时刻信号的瞬时功率与噪声

6、平均功率之比，即信噪比。信噪比越大，错误判决的概率就越小；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，达到消除高斯白噪声，提高信噪比的作用。三、 设计原理3.1成形滤波器设计原理根据奈奎斯特准则表明任何滤波器只要其冲激响应:就可以消除码间串扰，满足奈奎斯特准则的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，我们可以利用传递函数与信道相反的均衡器来完全消除失真，则整个传递函数可以近似为发射机与接收机滤波器函数的乘积。一个有效的端到端传递函数，经常在通过接收机和发射机端都使用传递函数为的滤波器实现。比较常用的成形滤波器在频域上具有平方根升余弦滚降特性，与

7、接收端的匹配滤波器级联后在频域上具有升余弦滚降特性。平方根升余弦滚降滤波器的传递函数如式:式中：是角频率是脉冲周期是滚降因子（roll off factor）c是d是所谓升余弦特性，就是指将在一定条件下进行平滑，这种平滑的现象通常又称为“滚降”，平滑的程度用系数来表示。假设滤波器无滚降时的截止频率为，滚降部分的截止频率为，则。滚降是指它的频谱过渡特性，而不是波形的形状。 升余弦滚降滤波器的频率响应和冲激响应如下图所示：升余弦频率响应特性 升余弦时域响应升余弦滤波器的响应特性可以通过一个被称为滚降因子（roll off factor）的参数来进行调节，该因子由来表示，。在0的情况下，频率响应局限

8、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。系统的信号流图其中 为滤波器的阶数，h(n)为滤波器的系数。3.2 匹配滤波器设计原理假设线性滤波器的输入端是信号与噪声的叠加，且假设噪声是白噪声，其功率谱密度，信号的频谱为。问题：设计一个滤波器使输出端的信噪比在某时刻达到最大。假设该滤波器的系统响应函数为，系统冲击响应为，则输出信号其中，所以在时刻，信号的功率为输出噪声的功率谱密度输出噪声平均功率为所以时刻输出的信噪比为：根据schwarts不等式，可以得到当时等式成立。因此，如果设计一个滤波器，它的系统响应函数为时，滤波器输出信噪比最大。3.2.1匹

9、配滤波器的结构原理匹配滤波器的冲激响应两边取傅立叶反变换，得到如果输入信号是实信号，则 现在，我们把以上的结论用在数字通信上。假设符号的传输速率，则在接收端同样地我们需要每隔时间进行一次判决，因此我们希望在每时刻的输出信噪比最大，将上述的用带入，我们得到匹配滤波器如下：所以，匹配滤波器的结构如下：四、 详细设计步骤4.1成型滤波器的设计根据实验原理中的信号流图，采用是直接型滤波器设计的滤波器为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 对应时域中的一次延时，输出y(n)由输入x(n)的各次延时乘以相应的滤波器系数相加后得到。主要包括9次乘法、8次加法

10、。通过公式计算可得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通过matlab中sumlink模块对电路进行设计如图：直接型升余弦成型滤波器电路矩形脉冲的设置：乘法器参数设置：加法器参数设置：延时参数设置：4.2 匹配滤波器的设计匹配滤波器实验框图：设匹配滤波器的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。实验电路图如下：匹配滤波器的实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的波形：成型后的波形

11、：匹配前的波形：匹配后的波形：4.3结果分析1、可以从1、2两个波形中看出通过成型滤波器后波形变得稍微平滑，从成型后波形中可以看出码间串扰对信号的干扰；2、从匹配前波形看出高斯白噪声对于矩形脉冲的信噪干扰，通过匹配后波形可以明显看出三角波变得更加平整，基本能达到提高信噪比，减低噪声的作用。3、该频谱再通过延时和取反得到的频谱，再通过相加器和匹配前信号相加就得到了仿真结果中的三角脉冲形的波形。五、 总结此次通信原理课程设计，分为两个部分：一个是成型滤波器的设计，另一个是匹配滤波的设计。在成型滤波器的部分：利用的方法是升余弦滚降函数法设置的fir滤波器，首先从实验原理，通过公式对h(t)进行计算，

12、确定实验系统图，根据系统图通过sumlink对电路进行配置。由于是第一次使用sumlink模块进行设计，器件的参数设置有很大问题，一度使得出现波形打不到要求，通过整理以及同学帮助，最后成功解决。在匹配滤波器的部分：利用的方法是低通滤波器以及外加高斯白噪声，通过相加器与延时器成功在输出端接收到合格的过滤波形，成功得到三角波。两部分设计共同点：都是采用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的偏差，并不能达到完整滤波效果。需要注意：1、sumlink必须在matlab里建立model文件，并不是之前的.m文件； 2、匹配滤波器延时应与滤波器周期相同； 3、加入高斯白噪声之前应在

13、接收端添加一个buttworth低通滤波器； 4、升余弦滤波器最重要的参数是滚降系数、采样频率 5、低通滤波器大多用于数字基带传输； 6、成型滤波器的设计出了升余弦滤波器还可以通过常用低通滤波器实现六、 体会通过本次通信原理的课程设计，我对simulink模拟仿真有了进一步的认识，对matlab软件有了深一步的了解，通过此次课程设计，学会了匹配与成型滤波器的设计与仿真。通过波形的可视化，使得系统更加形象，理解的更加透彻，在实验中在一些相关器件的选择上遇到了困难，多亏参考文献与老师、同学的帮助，使我克服困难顺利完成课程设计。通过仿真系统，能够深刻理解通信系统的原理和具体实现法案，而且通过实际课程设计，积累了宝贵的实践经验，掌握了simulink仿真软件的操作。此次通信系统的