最佳接收机的仿真和实现剖析

1、最佳接收机的仿真和实现 姓名：热合曼吾拉音 学号：107551400888 目录 最佳接收机的仿真和实现 1 目录2 第2章基于匹配滤波器的最佳接受原理 3 2.1匹配滤波器的概述 3 2.2匹配滤波器接收机原理 3 2.2.1. 一般情况下的匹配滤波器 4 222.白噪声条件下的结果 4 2.2.3匹配滤波的最佳接收机 6 第4章VHDL 语言实现最佳接收机 8 4.1 VHDL 简介8 4.2 QPSK匹配滤波器的 VHDL设计8 4.2.1正交相移键控（QPSK） 8 4.2.3 QPSK匹配滤波器的仿真 8 附录2 vhdl程序11 第2章 基于匹配滤波器的最佳接受原理 2.1匹配滤波

2、器的概述 在白噪声干扰下，如果线性滤波器的输出端在某一时刻上使信号的瞬时功率与白噪声平均功率 之比达到最大，就可以使判决电路错误判决的概率最小。这样的线性滤波器称为疲惫滤波器。所以， 匹配滤波器是最大输出信噪比意义下的最佳线性滤波器。用匹配滤波器构成的接收机是满足最大输 出信噪比准则的最佳接收机，也称为匹配滤波器接收机。 2.2匹配滤波器接收机原理 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。数字传输系统的传输对 象是二进制信息。分析数字信号的接收过程可知，在接收端对波形的检测并不重要，重

3、要的是在背 景噪声下正确的判断所携带的信息是哪一种。因此，最有利于作出正确判断的接收一定是最佳接收。 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2.2-1简化的接收设备 假设有这样一种滤波器，当不为零的信号通过它时，滤波器的输出能在某瞬间形成信号的峰值， 而同时噪声受到抑制，也就是能在某瞬间得到最大的峰值信号功率与平均噪声功率之比。在相应的 时刻

4、去判决这种滤波器的输出，一定能得到最小的差错率。 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t0输出 信号值相对于均方根（输出）噪声值达到最大。 2.2.1. 一般情况下的匹配滤波器 r(t) =s(t) + n(t)亠 匹配滤波器 r(t) = s (t) + h(t)或 H ( f) n(t) 图2.2-2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； So(t):匹配滤波器输出信号； no(t):匹配滤波器输出噪声； h(t)或H(f):匹配

5、滤波器。 匹配滤波器的目的就是使下式取最大值: )out s；(t) n0 (t) (2-1) 使上式取最大值的转移函数为: S (f ) j t ：n(f) (2-2) n(f )是输入噪声的 式中S( f)二F S(t) 1是已知的时宽为T秒的输入信号s(t)的傅立叶变换, 功率谱密度 PSD K是一个任意非 0实常数。to是计算(亓)out时的采样时间。详细推导公式见参考 教材。 2.2.2.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，n(f No/2，上式变为: 2K S ( f )e* (2-3) 2K h(t-s(tt)(2-4 ) No 上式表明匹配滤

6、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To，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，也称积分一清除(匹配)滤波 器。 假定输入信号为矩形脉冲，如图2.2-3(a)所示。 阳) 7“反转”倍号 where f尸f? G廷配械波器冲徼响应 Sf)(t) 055 r G.571 ojsr 图2.2-3与匹配滤波 器有关的波形 Ift to+7 1 ,t1 t21 s(t) 0,t为其他值 7.T (d)返配滤滾畚输出信号 图2.2-3匹配滤波器波形 信号时宽为T =t2 -ti。对白噪声情况，匹配滤波器的冲激响应为: (2-5 ) h(t) = S(t

7、o -1) = S(-(t - to) 为方便起见，令 C为1 , S(_t)，如图2.2-3( b)所示。由该图可见，要使冲激响应可实现，要求： to - t2 这里采用t0二t2，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t =to )最小化。图2.2-3 ( c)示出了 t =t2时的h(t)，如图2.2-3 ( d)示出了输出信号， 注意输出信号的峰值出现在t二鮎。为了使峰值出现在t二切，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t

8、 =t0处的滤波器的输出为： r(t。)= r(t) h(t) =r( )h(to- Jd(2-6) 一 JO 将图3 ( c)所示匹配滤波器冲激响应带入上式，等式变为： 10 r(t) = T( )d，(2-7) 因此，需要将输入信号加噪声在一个符号区间T (对二进制信号传输是比特区间)上积分，然 后在符号区间末将积分输出“清空”。这种方法示于图 4 (二进制信号)。注意，为了使最优滤波器 工作正常，需要一个外部时钟信号，称为比特同步。而且，由于输出采样值仍被噪声干扰(尽管匹 配滤波器已使噪声达到最小)，输出信号不是二进制的。将输出送入比较器，可将其转换为二进制信 号。 2.2.3 匹配滤波

9、的最佳接收机 根据匹配滤波器原理可做出匹配滤波器的最佳接收机。 最佳接收机框图如下: x(t) 其中判决公式如下 抽样判决 相乘 积分 So(t)t=T 图2.2-4最佳接收机框图 讣冷回 J：x(u)s0(u)du,则判为收到s1 (xggdu 讣层问,则判为收到So 第4章VHDL语言实现最佳接收机 4.1 VHDL 简介 VHDL 的英文全名是 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language, 诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。 VHDL主要用于描述数字系

10、统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL 的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项 工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分， 及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定 义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体 分成内外部分的概念是 VHDL系统设计的基本点。 4.2 QPSK匹配滤波器的VHDI设计 4.2.1 正交相移键控（QPSK 四相相移键控（QPSK是一种性能优良，应

11、用十分广泛的数字调制方式，它的频带利用率高， 是二相相移键控（BPSK的2倍。且QPSK调制技术抗干扰能力强，采用相干检测时其误码率性能与 BPSK相同。本文用 VHDL软件对QPSK通信系统的发射和接收过程的具体实现进行模拟仿真，并对各 个模块进行频谱分析。 四相相移键控（QPSK是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是4进制相移键 控。QPSK是 M=4的调相技术，它规定了四种载波相位，分别是45，1350，225，275，调制器输入 的序列是二进制数字序列，为了能和四进制的相位配合起来，则需要把二进制数据变换成四进制数 据，就是说需要把二进制数字序列中的每两个比特分成一组，共有

12、四种组合，即00，01，10，11， 其中每一组成为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进 制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输两个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种 相位传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。 4.2.3 QPSK匹配滤波器的仿真 QPSK匹配滤波器 VHDL设计能比较直接地阐释匹配滤波器的功能，在整个过程中，基于所学的 VHDL程序语言的特点，凭此得以完成 EDA程序编程知识与通信匹配滤波器的理论知识，充分利用了 设计，最后得到程序流程图如图4.2-1所示。 图4.2-1 VHDL程序设

13、计基本流程 对QPSK匹配滤波进行仿真时，QPSK信号的波形主要有四种，而匹配滤波器储存的是其对称移 位的信号。下表为 QPSK匹配滤波器程序仿真涉及的输入信号、载波编码及输出的匹配波形。 表4-1 QPSK信号与匹配波形 输入信号（编号） 载波波形（编码） 匹配波形 00（ 0） -1_1（ 1100） n 01（ 1） （ 1001） _TL 10（ 2） _rn（ 0011） -L_ 11（ 3） _nj（ 0110） T_n 波形分析： 在Max+plus2软件上运行程序得到如图4.2-2所示的波形。 fiet 伽 他 lint:M 鱼脸 r ffl腑 Mi300：rs 4B.：r-：

14、 mm to 1 朮b L TT 幽 勸Jlllt 0 1 2 i 0A 少加 0 r p i 0 .（ 1 l 2 Err * cnt133 0 r h L i J 11 i i i 2 1 1 1 2 ；小汀 0 1 # j_CUt_KWl 0 13 ii 1 o r. 图4.2-2仿真波形图 从上图可以看出，当接收到“ 1100”的波形时，接收机输出了对应的波形编号0;当接收到“1001 ”、 “0011”、“0110”的波形时，接收机输出了相应的编号1、2、3,只是仿真时间有一定延迟。可见， 匹配滤波器根据载波编码的不同进行了不同的波形匹配，并在输出端输出了对应的输入波形编码。 这种现

15、象从另一个角度上说明了匹配滤波器的功能。 附录2 vhdl程序 cntl = 000; QPSK匹配滤波器VHDL程序: library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_ un sig ned.all; en tity match_rec is port(clk:in std_logic; reset: in std_logic; x_in:in std_logic; y_out:out std_logic_vector(1 dow nto 0); end match_rec; architecture tran sl

16、ated of match_rec is sig nal cn t:std_logic_vector(1 dow nto 0); sig nalcn t1:std_logic_vector(2dow nto0); sig nalcn t2:std_logic_vector(2dow nto0); sig nalcn t3:std_logic_vector(2dow nto0); sig nalcn t4:std_logic_vector(2dow nto0); sig nal y_out_xhdl1: std_logic_vector(1 dow nto 0); begin y_out = y

17、_out_xhdl1; process begin wait un til(clkeve nt and clk=1); if(not reset=1)the n cnt2 = 000; cnt3 = 000; cnt4 = 000; y_out_xhdl1 if(x_i n=1)the n cntl = 001; cnt2 = 001; cnt3 = 000; cnt4 = 000; else cnt1 = 000; cnt2 = 000; cnt3 = 001; cnt4 010)the n y_out_xhdl1 010)the n y_out_xhdl1 010)the n y_out_xhdl1 = 10; else cnt = 00; y_out_xhdl1 = 11; cnt2 = cn t2+001; cnt3 = cn t3; cnt4 if(x_i n=1)the n cntl = cn t1; cnt2 = cn t2+001; cnt3 = cn t3+001; cnt4 = cn t4; else cntl = cn t1+001; cnt2 = cn t2; cnt3 = cn t3; cnt4 n ull end case; ent if(x_i n=1)the n cntl =