最佳接收機(jī)的仿真和實(shí)現(xiàn)

最正確接收機(jī)的仿真和實(shí)現(xiàn)姓名：熱合曼·吾拉音目錄TOC\o"1-3"\h最正確接收機(jī)的仿真和實(shí)現(xiàn)1目錄2第2章基于匹配濾波器的最正確接受原理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匹配濾波的最正確接收機(jī)6第4章VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)最正確接收機(jī)84.1VHDL簡(jiǎn)介84.2QPSK匹配濾波器的VHDL設(shè)計(jì)84.2.1正交相移鍵控〔QPSK〕84.2.3QPSK匹配濾波器的仿真8附錄2vhdl程序11第2章基于匹配濾波器的最正確接受原理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(shí)刻上使信號(hào)的瞬時(shí)功率與白噪聲平均功率之比到達(dá)最大，就可以使判決電路錯(cuò)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正確線性濾波器。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)那么的最正確接收機(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(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，根據(jù)它們的時(shí)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)方法是否是最正確的，這是我們要討論的問(wèn)題。數(shù)字傳輸系統(tǒng)的傳輸對(duì)象是二進(jìn)制信息。分析數(shù)字信號(hào)的接收過(guò)程可知，在接收端對(duì)波形的檢測(cè)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接收一定是最正確接收。從最正確接收的意義上來(lái)說(shuō)，一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)的接收設(shè)備可以看作一個(gè)判決裝置，該裝置由一個(gè)線性濾波器和一個(gè)判決電路構(gòu)成，如圖1所示。線性濾波器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，輸出某個(gè)物理量提供應(yīng)判決電路，以便判決電路對(duì)接收信號(hào)中所包含的發(fā)送信息作出盡可能正確的判決，或者說(shuō)作出錯(cuò)誤盡可能小的判決。收信號(hào)收信號(hào)線性濾波器判決電路數(shù)字信息圖2.2-1簡(jiǎn)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(hào)通過(guò)它時(shí)，濾波器的輸出能在某瞬間形成信號(hào)的峰值，而同時(shí)噪聲受到抑制，也就是能在某瞬間得到最大的峰值信號(hào)功率與平均噪聲功率之比。在相應(yīng)的時(shí)刻去判決這種濾波器的輸出，一定能得到最小的過(guò)失率。匹配濾波器是一種在最大化信號(hào)的同時(shí)使噪聲的影響最小的線性濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)。注意：該濾波器并不保持輸入信號(hào)波形，其目的在于使輸入信號(hào)波形失真并濾除噪聲，使得在采樣時(shí)刻輸出信號(hào)值相對(duì)于均方根〔輸出〕噪聲值到達(dá)最大。2.2.1.一般情況下的匹配濾波器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(hào)；n(t)：匹配濾波器輸入噪聲；s0(t)：匹配濾波器輸出信號(hào)；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)式中是的時(shí)寬為T秒的輸入信號(hào)的傅立葉變換，是輸入噪聲的功率譜密度PSD。K是一個(gè)任意非0實(shí)常數(shù)。是計(jì)算時(shí)的采樣時(shí)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(jiǎn)化描述如下：對(duì)白噪聲，，上式變?yōu)椋?2-3)特別是對(duì)輸入的實(shí)信號(hào)波形時(shí)，有：〔2-4〕上式說(shuō)明匹配濾波器〔白噪聲情況下〕的沖激響應(yīng)就是輸入信號(hào)波形反轉(zhuǎn)并平移了，見圖3，因此稱濾波器與信號(hào)“匹配”。圖3所示的匹配濾波器波形，也稱積分－去除〔匹配〕濾波器。假定輸入信號(hào)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(hào)時(shí)寬為。對(duì)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〔b〕所示。由該圖可見，要使沖激響應(yīng)可實(shí)現(xiàn)，要求：這里采用，是因?yàn)檫@是滿足可實(shí)現(xiàn)條件的最小值。要使濾波器輸出最大信號(hào)值前的等待時(shí)間〔即〕最小化。圖2.2-3〔c〕示出了時(shí)的，如圖2.2-3〔d〕示出了輸出信號(hào)，注意輸出信號(hào)的峰值出現(xiàn)在。為了使峰值出現(xiàn)在，輸入信號(hào)經(jīng)濾波后將會(huì)有失真。在比特波形為矩形的數(shù)字信號(hào)傳輸技術(shù)中，該匹配濾波器相當(dāng)于積分－去除濾波器。假設(shè)輸入信號(hào)為矩形波形，在輸出信號(hào)值最大時(shí)對(duì)其進(jìn)行抽樣。那么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)椋骸?-7〕因此，需要將輸入信號(hào)加噪聲在一個(gè)符號(hào)區(qū)間T〔對(duì)二進(jìn)制信號(hào)傳輸是比特區(qū)間〕上積分，然后在符號(hào)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(hào)〕。注意，為了使最優(yōu)濾波器工作正常，需要一個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)，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到達(dá)最小〕，輸出信號(hào)不是二進(jìn)制的。將輸出送入比擬器，可將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信號(hào)。2.2.3匹配濾波的最正確接收機(jī)根據(jù)匹配濾波器原理可做出匹配濾波器的最正確接收機(jī)。最正確接收機(jī)框圖如下：相乘相乘相乘相乘積分積分抽樣判決抽樣判決比擬S1(t)t=TS1(t)t=Tt=TS0(t)x(t)x(t)圖2.2-4最正確接收機(jī)框圖其中判決公式如下:第4章VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)最正確接收機(jī)4.1VHDL簡(jiǎn)介VHDL的英文全名是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage，誕生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美國(guó)國(guó)防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)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(yǔ)句外，VHDL的語(yǔ)言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體〔可以是一個(gè)元件，一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng)〕分成外部〔或稱可視局部,及端口)和內(nèi)部〔或稱不可視局部〕，既涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成局部。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外局部的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本點(diǎn)。4.2QPSK匹配濾波器的VHDL設(shè)計(jì)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(cè)時(shí)其誤碼率性能與BPSK相同。本文用VHDL軟件對(duì)QPSK通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收過(guò)程的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)各個(gè)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(lái)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，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(lái)，那么需要把二進(jìn)制數(shù)據(jù)變換成四進(jìn)制數(shù)據(jù)，就是說(shuō)需要把二進(jìn)制數(shù)字序列中的每?jī)蓚€(gè)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(gè)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(gè)符號(hào)中的一個(gè)符號(hào)。QPSK中每次調(diào)制可傳輸兩個(gè)信息比特，這些信息比特是通過(guò)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(hào)的相位來(lái)判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。4.2.3QPSK匹配濾波器的仿真QPSK匹配濾波器VHDL設(shè)計(jì)能比擬直接地闡釋匹配濾波器的功能，在整個(gè)過(guò)程中，基于所學(xué)的EDA程序編程知識(shí)與通信匹配濾波器的理論知識(shí)，充分利用了VHDL程序語(yǔ)言的特點(diǎn)，憑此得以完成設(shè)計(jì)，最后得到程序流程圖如圖4.2-1所示。圖4.2-1VHDL程序設(shè)計(jì)根本流程對(duì)QPSK匹配濾波進(jìn)行仿真時(shí)，QPSK信號(hào)的波形主要有四種，而匹配濾波器儲(chǔ)存的是其對(duì)稱移位的信號(hào)。下表為QPSK匹配濾波器程序仿真涉及的輸入信號(hào)、載波編碼及輸出的匹配波形。表4-1QPSK信號(hào)與匹配波形輸入信號(hào)〔編號(hào)〕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(yùn)行程序得到如圖4.2-2所示的波形。圖4.2-2仿真波形圖從上圖可以看出，當(dāng)接收到“1100”的波形時(shí)，接收機(jī)輸出了對(duì)應(yīng)的波形編號(hào)0；當(dāng)接收到“1001”、“0011”、“0110”的波形時(shí)，接收機(jī)輸出了相應(yīng)的編號(hào)1、2、3，只是仿真時(shí)間有一定延遲?？梢姡ヅ錇V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(duì)應(yīng)的輸入波形編碼。這種現(xiàn)象從另一個(gè)角度上說(shuō)明了匹配濾波器的功能。附錄2vhdl程序QPSK匹配濾波器VHDL程序：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitymatch_recisport(clk:instd_logic;reset:instd_logic;x_in:instd_logic;y_out:outstd_logic_vector(1downto0));endmatch_rec;architecturetranslatedofmatch_recissignalcnt:std_logic_vector(1downto0);signalcnt1:std_logic_vector(2downto0);signalcnt2:std_logic_vector(2downto0);signalcnt3:std_logic_vector(2downto0);signalcnt4:std_logic_vector(2downto0);signaly_out_xhdl1:std_logic_vector(1downto0);beginy_out<=y_out_xhdl1;processbeginwaituntil(clk'eventandclk='1');if(notreset='1')thencnt<="00";cnt1<="000";cnt2<="000";cnt3<="000";cnt4<="000";y_out_xhdl1<="00";elsecasecntiswhen"00"=>if(x_in='1')thencnt1<="001";cnt2<="001";cnt3<="000";cnt4<="000";elsecnt1<="000";cnt2<="000";cnt3<="001";cnt4<="001";endif;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";endif;endif;endif;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;endif;when"10"=>if(x_in='1')thencnt1<=cnt1;cnt2<=cnt2;cnt3<=cnt3+"001";cnt4<=cnt4+"001";elsecnt1<=cnt1+"001";cnt2<=cnt2+"001";cnt3<=cnt3;cnt4<=cnt4;endif;when"11"=>if(x_in='1')thencnt1<=cnt1;cnt2<=cnt2+"001";cnt3<=cnt3+"001";cnt4<=cnt4;