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1、最佳接收機(jī)的仿真和實現(xiàn)姓名 :熱合曼·吾拉音目錄最佳接收機(jī)的仿真和實現(xiàn)1目錄2第2章 基于匹配濾波器的最佳接受原理32.1匹配濾波器的概述32.2匹配濾波器接收機(jī)原理32.2.1.一般情況下的匹配濾波器42.2.2.白噪聲條件下的結(jié)果42.2.3 匹配濾波的最佳接收機(jī)6第4章 VHDL 語言實現(xiàn)最佳接收機(jī)84.1 VHDL簡介84.2 QPSK匹配濾波器的VHDL設(shè)計84.2.1 正交相移鍵控(QPSK)84.2.3 QPSK匹配濾波器的仿真8附錄2 vhdl程序11 第2章 基于匹配濾波器的最佳接受原理2.1匹配濾波器的概述 在白噪聲干擾下,如果線性濾波器的輸出端在某一時刻上使信號
2、的瞬時功率與白噪聲平均功率之比達(dá)到最大,就可以使判決電路錯誤判決的概率最小。這樣的線性濾波器稱為疲憊濾波器。所以,匹配濾波器是最大輸出信噪比意義下的最佳線性濾波器。用匹配濾波器構(gòu)成的接收機(jī)是滿足最大輸出信噪比準(zhǔn)則的最佳接收機(jī),也稱為匹配濾波器接收機(jī)。 2.2匹配濾波器接收機(jī)原理對于二進(jìn)制數(shù)字信號,根據(jù)它們的時域表達(dá)式及波形可以直接得到相應(yīng)的解調(diào)方法。在加性白高斯噪聲的干擾下,這些解調(diào)方法是否是最佳的,這是我們要討論的問題。數(shù)字傳輸系統(tǒng)的傳輸對象是二進(jìn)制信息。分析數(shù)字信號的接收過程可知,在接收端對波形的檢測并不重要,重要的是在背景噪聲下正確的判斷所攜帶的信息是哪一種。因此,最有利于作出正確判斷的
3、接收一定是最佳接收。從最佳接收的意義上來說,一個數(shù)字通信系統(tǒng)的接收設(shè)備可以看作一個判決裝置,該裝置由一個線性濾波器和一個判決電路構(gòu)成,如圖1所示。線性濾波器對接收信號進(jìn)行相應(yīng)的處理,輸出某個物理量提供給判決電路,以便判決電路對接收信號中所包含的發(fā)送信息作出盡可能正確的判決,或者說作出錯誤盡可能小的判決。收信號 線性濾波器判決電路數(shù)字信息 圖2.2-1 簡化的接收設(shè)備假設(shè)有這樣一種濾波器,當(dāng)不為零的信號通過它時,濾波器的輸出能在某瞬間形成信號的峰值,而同時噪聲受到抑制,也就是能在某瞬間得到最大的峰值信號功率與平均噪聲功率之比。在相應(yīng)的時刻去判決這種濾波器的輸出,一定能得到最小的差錯率。匹配濾波器
4、是一種在最大化信號的同時使噪聲的影響最小的線性濾波器設(shè)計技術(shù)。注意:該濾波器并不保持輸入信號波形,其目的在于使輸入信號波形失真并濾除噪聲,使得在采樣時刻輸出信號值相對于均方根(輸出)噪聲值達(dá)到最大。2.2.1.一般情況下的匹配濾波器匹配濾波器圖2.2-2 匹配濾器s(t): 匹配濾波器輸入信號;n(t): 匹配濾波器輸入噪聲;s0(t):匹配濾波器輸出信號;n0(t):匹配濾波器輸出噪聲;h(t)或H(f):匹配濾波器。匹配濾波器的目的就是使下式取最大值: (2-1)使上式取最大值的轉(zhuǎn)移函數(shù)為: (2-2)式中是已知的時寬為T秒的輸入信號的傅立葉變換,是輸入噪聲的功率譜密度PSD。K是一個任意
5、非0實常數(shù)。是計算時的采樣時間。詳細(xì)推導(dǎo)公式見參考教材。2.2.2.白噪聲條件下的結(jié)果在白噪聲條件下,匹配濾波器可簡化描述如下:對白噪聲,上式變?yōu)椋?(2-3) 特別是對輸入的實信號波形時,有: (2-4)上式表明匹配濾波器(白噪聲情況下)的沖激響應(yīng)就是已知輸入信號波形反轉(zhuǎn)并平移了,見圖3,因此稱濾波器與信號“匹配” 。圖3所示的匹配濾波器波形,也稱積分清除(匹配)濾波器。假定輸入信號為矩形脈沖,如圖2.2-3(a)所示。 圖2.2-3 與匹配濾波器有關(guān)的波形 (5)圖2.2-3 匹配濾波器波形信號時寬為 。對白噪聲情況,匹配濾波器的沖激響應(yīng)為: (2-5)為方便起見,令為1,如圖2.2-3(
6、b)所示。由該圖可見,要使沖激響應(yīng)可實現(xiàn),要求: 這里采用,是因為這是滿足可實現(xiàn)條件的最小值。要使濾波器輸出最大信號值前的等待時間(即)最小化。圖2.2-3(c)示出了時的,如圖2.2-3(d)示出了輸出信號,注意輸出信號的峰值出現(xiàn)在。為了使峰值出現(xiàn)在,輸入信號經(jīng)濾波后將會有失真。在比特波形為矩形的數(shù)字信號傳輸技術(shù)中,該匹配濾波器相當(dāng)于積分清除濾波器。假設(shè)輸入信號為矩形波形,在輸出信號值最大時對其進(jìn)行抽樣。則處的濾波器的輸出為: (2-6)將圖3(c)所示匹配濾波器沖激響應(yīng)帶入上式,等式變?yōu)椋?(2-7)因此,需要將輸入信號加噪聲在一個符號區(qū)間T(對二進(jìn)制信號傳輸是比特區(qū)間)上積分,然后在符號
7、區(qū)間末將積分輸出“清空”。這種方法示于圖4(二進(jìn)制信號)。注意,為了使最優(yōu)濾波器工作正常,需要一個外部時鐘信號,稱為比特同步。而且,由于輸出采樣值仍被噪聲干擾(盡管匹配濾波器已使噪聲達(dá)到最?。敵鲂盘柌皇嵌M(jìn)制的。將輸出送入比較器,可將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信號。2.2.3 匹配濾波的最佳接收機(jī)根據(jù)匹配濾波器原理可做出匹配濾波器的最佳接收機(jī)。最佳接收機(jī)框圖如下:相乘相乘積分積分抽樣判決抽樣判決比較 S1(t)t=Tt=TS0(t)x(t)圖2.2-4 最佳接收機(jī)框圖其中判決公式如下: 第4章 VHDL 語言實現(xiàn)最佳接收機(jī)4.1 VHDL簡介VHDL 的英文全名是 Very-High-Speed In
8、tegrated Circuit Hardware Description Language,誕生于 1982 年。1987 年底,VHDL被 IEEE 和美國國防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),行為,功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外,VHDL的語言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的計算機(jī)高級語言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計,或稱設(shè)計實體(可以是一個元件,一個電路模塊或一個系統(tǒng))分成外部(或稱可視部分,及端口)和內(nèi)部(或稱不可視部分),既涉及實體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設(shè)計實體定義了外部界面后,一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后,其他的設(shè)計
9、就可以直接調(diào)用這個實體。這種將設(shè)計實體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計的基本點。 4.2 QPSK匹配濾波器的VHDL設(shè)計 4.2.1 正交相移鍵控(QPSK)四相相移鍵控(QPSK)是一種性能優(yōu)良,應(yīng)用十分廣泛的數(shù)字調(diào)制方式,它的頻帶利用率高,是二相相移鍵控(BPSK)的2倍。且QPSK調(diào)制技術(shù)抗干擾能力強(qiáng),采用相干檢測時其誤碼率性能與BPSK相同。本文用VHDL軟件對QPSK通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收過程的具體實現(xiàn)進(jìn)行模擬仿真,并對各個模塊進(jìn)行頻譜分析。四相相移鍵控(QPSK)是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息,是4進(jìn)制相移鍵控。QPSK是M=4的調(diào)相技術(shù),它規(guī)定了四種載波相位,
10、分別是450,1350,2250,2750,調(diào)制器輸入的序列是二進(jìn)制數(shù)字序列,為了能和四進(jìn)制的相位配合起來,則需要把二進(jìn)制數(shù)據(jù)變換成四進(jìn)制數(shù)據(jù),就是說需要把二進(jìn)制數(shù)字序列中的每兩個比特分成一組,共有四種組合,即00,01,10,11,其中每一組成為雙比特碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進(jìn)制信息比特組成,它們分別代表四進(jìn)制四個符號中的一個符號。QPSK中每次調(diào)制可傳輸兩個信息比特,這些信息比特是通過載波的四種相位傳遞的。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號的相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。4.2.3 QPSK匹配濾波器的仿真QPSK匹配濾波器VHDL設(shè)計能比較直接地闡釋匹配濾波器的功能,在整個過程
11、中,基于所學(xué)的EDA程序編程知識與通信匹配濾波器的理論知識,充分利用了VHDL程序語言的特點,憑此得以完成 設(shè)計,最后得到程序流程圖如圖4.2-1所示。圖4.2-1 VHDL程序設(shè)計基本流程對QPSK匹配濾波進(jìn)行仿真時,QPSK信號的波形主要有四種,而匹配濾波器儲存的是其對稱移位的信號。下表為QPSK匹配濾波器程序仿真涉及的輸入信號、載波編碼及輸出的匹配波形。表4-1 QPSK信號與匹配波形輸入信號(編號)載波波形(編碼)匹配波形00(0)(1100)01(1)(1001)10(2)(0011)11(3)(0110)波形分析:在Max+plus2軟件上運行程序得到如圖4.2-2所示的波形。圖4
12、.2-2 仿真波形圖從上圖可以看出,當(dāng)接收到“1100”的波形時,接收機(jī)輸出了對應(yīng)的波形編號0;當(dāng)接收到“1001”、“0011”、“0110”的波形時,接收機(jī)輸出了相應(yīng)的編號1、2、3,只是仿真時間有一定延遲。可見,匹配濾波器根據(jù)載波編碼的不同進(jìn)行了不同的波形匹配,并在輸出端輸出了對應(yīng)的輸入波形編碼。這種現(xiàn)象從另一個角度上說明了匹配濾波器的功能。附錄2 vhdl程序QPSK匹配濾波器VHDL程序:library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity match_rec isport(cl
13、k:in std_logic; reset:in std_logic; x_in:in std_logic; y_out:out std_logic_vector(1 downto 0);end match_rec;architecture translated of match_rec issignal cnt:std_logic_vector(1 downto 0);signal cnt1:std_logic_vector(2 downto 0);signal cnt2:std_logic_vector(2 downto 0);signal cnt3:std_logic_vector(2
14、downto 0);signal cnt4:std_logic_vector(2 downto 0);signal y_out_xhdl1: std_logic_vector(1 downto 0);beginy_out <= y_out_xhdl1;processbeginwait until(clk'event and clk='1');if(not reset='1')thencnt <= "00"cnt1 <= "000"cnt2 <= "000"cnt3 <
15、;= "000"cnt4 <= "000"y_out_xhdl1 <= "00"elsecase cnt iswhen"00"=>if(x_in='1')thencnt1 <= "001"cnt2 <= "001"cnt3 <= "000"cnt4 <= "000"elsecnt1 <= "000"cnt2 <= "000"cn
16、t3 <= "001"cnt4 <= "001"end if;if(cnt1>"010")theny_out_xhdl1 <= "00"elseif(cnt2>"010")theny_out_xhdl1 <= "01"elseif(cnt3>"010")theny_out_xhdl1 <= "10"elsey_out_xhdl1 <= "11"end if;end
17、 if;end if;when"01"=>if(x_in='1')thencnt1 <= cnt1+"001"cnt2 <= cnt2;cnt3 <= cnt3;cnt4 <= cnt4+"001"elsecnt1 <= cnt1;cnt2 <= cnt2+"001"cnt3 <= cnt3+"001"cnt4 <= cnt4;end if;when"10"=>if(x_in='1')
18、thencnt1 <= cnt1;cnt2 <= cnt2;cnt3 <= cnt3+"001"cnt4 <= cnt4+"001"elsecnt1 <= cnt1+"001"cnt2 <= cnt2+"001"cnt3 <= cnt3;cnt4 <= cnt4;end if;when"11"=>if(x_in='1')thencnt1 <= cnt1;cnt2 <= cnt2+"001"cnt3 <= cnt3+"001"
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