成形滤波与匹配滤波3(研究运用)
成形滤波
成形滤波
RRC filter是用来做signal shaping的，目的是在一定的带宽要求下，尽量的减少ISI，匹配滤波的目标也是为了修正ISI带来的信号畸变。
这两个的目标是相同的，但是一个是避免ISI，一个是修正ISI。
升余弦滚降信号用来消除码间串扰，实际实现时采用的方式是由发送端的基带成行滤波器和接收端的匹配滤波器两个环节公共实现。
传输系统的传递函数二者的乘积，所以每个环节均为平方根升余弦滚降滤波器。
这样可以降低滤波器的实现难度
数字通信中，实际发射出的信号是各个离散样值序列通过成形滤波器后的成形脉冲序列。
匹配滤波器是为了使得在抽样时刻信噪比最大。
当发端成形滤波器用根升余弦滤波器，接收端同样用根升余弦滤波器匹配滤波时，既能够使得抽样时刻信噪比最高（即完成匹配滤波器的作用），又能够在一定的带限平坦信道中不引入码间干扰（满足奈奎斯特无码间干扰准则）。
匹配滤波——精选推荐
1.5.2. 匹配滤波器最佳接收机还可以有另外的一种结构，即匹配滤波器。
为了说明匹配滤波器的基本原理，我们从这样一个直观的分析入手。
我们知道，通信系统的误码率与输出的信噪比有关，接收端输出信噪比越大，则系统的误码率越小。
因此，如果在每次判决前，输出的信噪比都是最大的，则该系统一定是误码率最小的系统。
遵从这种考虑原则，我们可以得到匹配滤波器的概念。
接收机通过匹配滤波器使输出信噪比最大。
一、匹配滤波器原理假设线性滤波器的输入端是信号与噪声的叠加)()()(t n t x t s +=，且假设噪声)(t n 是白噪声，其功率谱密度2)(0N f P n =，信号的频谱为)(f X 。
问题：设计一个滤波器使输出端的信噪比在某时刻0t 达到最大。
假设该滤波器的系统响应函数为)(f H ，系统冲击响应为)(t h ，则 输出信号)()()(0t n t s t y O += 其中，⎰∞∞--=τττd t h x t s )()()(0，)()()(f H f X f S o =⎰∞∞-=df e f H f X t s ftj o π2)()()(所以在0t 时刻，信号的功率为200|)(|t s 输出噪声的功率谱密度20|)(|2)(f H N f P on =输出噪声平均功率为⎰∞∞-=df f H N Pn 20|)(|2所以0t 时刻输出的信噪比为：⎰⎰∞∞-∞∞-==dff H N df ef H f X Pnt s r ft j 20222000|)(|2|)()(||)(|0π根据Schwarts 不等式，⎰⎰⎰∞∞-∞∞-∞∞-≤df f Y dff X df f Y f X 222|)(||)(||)()(|02022|)(|N E N df f X r s =≤⎰∞∞-当02*)()(ft j e f KX f H π-=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 02*)()(ft j ef KX f H π-=时，滤波器输出信噪比最大。
《匹配滤波器》课件
本课件介绍匹配滤波器的原理、应用和举例。通过深入剖析匹配滤波器，让 您轻松掌握这一重要概念，并了解其在目标检测和跟踪中的广泛应用。
匹配滤波器简介
1 什么是匹配滤波器
匹配滤波器是一种用于信号处理的滤波器， 通过与目标信号进行卷积，寻找与模板匹配 的特征。
2 匹配滤波器的作用
匹配滤波器可以用于目标检测、跟踪和模式 识别等领域，提高信号处理的准确性和效率。
匹配滤波器实现卡通头像换脸
匹配滤波器可以应用于卡通头像的换脸，将不同的 表情特征匹配到卡通图像中。
匹配滤波器总结
匹配滤波器的优缺点
匹配滤波器具有高准确性和灵活性，但对输入信号和模板的匹配度要求较高。
发展趋势
未来匹配滤波器有望在深度学习和人工智能领域得到更广泛的应用，提升各种信号处理任务 的性能。
匹配滤波器在目标检测和跟配滤波器可以用于目标匹配， 比如在图像中匹配特定模式或 形状的目标。
人脸识别
匹配滤波器在人脸识别中也有 应用，可以通过匹配脸部特征， 实现准确的人脸识别。
匹配滤波器举例
使用匹配滤波器进行数字识别
通过匹配滤波器，可以实现对手写数字的识别，提 高数字识别的准确性和鲁棒性。
匹配滤波器原理
1
信号与匹配滤波器卷积
匹配滤波器通过与输入信号进行卷积，
边缘响应
2
寻找信号中与模板匹配的部分。
匹配滤波器可以通过配置合适的模板，
准确地定位信号中的边缘信息。
3
匹配滤波器矩阵
匹配滤波器可以通过图像处理技术构建 一个矩阵，用于匹配信号与模板的相似 度。
匹配滤波器应用
匹配滤波器在目标检测和 跟踪中的应用
北邮通原考研2009年801通信原理真题及答案
2.3
2.8
2. 若 pi ni ，其中 m, ni 是正整数， ni m ，则 m
pi log pi log m pi log ni
i
i
3. 对于码元间隔为Ts 的序列{an}，若自相关函数为 Ra (m) ，则其功率谱密度定义为
1
t2
4. Q(x)
e 2 dt
输。整个传输系统的等效基带传递函数满足滚降因子为 0.3 的升余弦滚降特性。若
系统不存在码间干扰，则每路模拟基带信号的最高频率为___4____Hz，该带通系统 的符号速率为___5___波特。 4. 在限带数字通信系统中，信道特性的非理想将导致数字基带传输系统的传递函数不符合
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四．（14 分） （1）一基带传输系统的传递函数如下，
H(
f
)
T
cos2
fT
2
0 |f|Fra bibliotek1 T
0| f | 1
T
1
若系统的传输速率是 ，试问此传输系统能否满足无码间干扰传输的奈氏准则？（需给
T
出证明）
（2）某二进制基带传输系统如下图所示：
九．（12 分）
（1）某（7，3）线性分组码的生成矩阵为
1001110
G
010
若译码器收到的码组为 y (1101011) ，请计算伴随式，并写出可纠正的错误图案，
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第3页 共7页
五．（14 分）某通信系统在时间 0 t 3T 内发送下图所示的两个相互正交的信号 s1(t) 和 s2 (t) 之一， s1(t) 和 s2 (t) 等概率出现。
匹配滤波器的实验
2010 年秋季学期研究生课程考核（阅读报告、研究报告）考核科目:科学技术哲学学生所在院（系）:电气工程及自动化学院学生所在学科:仪器科学与技术学生姓名:李海洋学号:10S001049学生类别:工学硕士考核结果阅卷人匹配滤波器的设计与验证实验报告实验目的：1、了解匹配滤波器的基本原理；2、掌握如何设计一个传输系统的匹配滤波器；3、深刻认识匹配滤波器的一些实际应用；实验原理：设线性滤波器输入端输入的信号与噪声的混合波形为并假定噪声为白噪声，其功率谱密度，而信号的频谱函数为，即。
我们要求线性滤波器在某时刻上有最大的信号瞬时功率与噪声平均功率的比值。
现在就来确定在上述最大输出信噪比准则下的最佳线性滤波器的传输特性。
这就是最佳线性滤波器的传输特性。
式中，即为的复共轭。
在白噪声干扰的背景下，按式(8.7-3)设计的线性滤波器，将能在给定时刻上获得最大的输出信噪比。
这种滤波器就是最大信噪比意义下的最佳线性滤波器。
由于它的传输特性与信号频谱的复共轭相一致(除相乘因子外)，故又称其为匹配滤波器。
匹配滤波器的传输特性,当然还可用它的冲激响应来表示，这时有：由此可见，匹配滤波器的冲激响应便是信号的镜像信号在时间上再平移。
为了获得物理可实现的匹配滤波器，要求当时有。
为了满足这个条件，就要满足：这个条件表明，物理可实现的匹配滤波器，其输入端的信号必须在它输出最大信噪比的时刻之前消失（等于零）。
这就是说，若输入信号在瞬间消失，则只有当时滤波器才是物理可实现的。
一般总是希望尽量小些，故通常选择。
顺便指出，当我们专门关心匹配滤波器的输出信号波形时，它可表示为由此可见，匹配滤波器的输出信号波形式输入信号的自相关函数的K倍。
至于常数，实际上它是可以任意选取的，因为与无关。
因此，在分析问题时，可令。
实验过程1.产生1000点的白噪声nt，所用命令nt=randn(1,1000)(如图一)2.产生1000点的有用信号st，st的角频率是8000pi，相位是时间的函数0.5*k*t.*t，幅度是1的余弦函数。
南邮通信原理实验
实验二BPSK传输系统综合实验一、实验原理（一）BPSK 调制理论上二进制相移键控（BPSK）可以用幅度恒左，而其载波相位随着输入信号m （1、0 码）而改变，通常这两个相位相差180° .如果每比特能量为E”则传输的BPSK信号为：0°m = 0180°m = 1（二）BPSK 解调接收的BPSK信号可以表示成:为了对接收信号中的数拯进行正确的解调，这要求在接收机端知道载波的相位和频率信息，同时还要在正确时间点对信号进行判决。
这就是我们常说的载波恢复与位定时恢复。
1、载波恢复对二相调相信号中的载波恢复有很多的方法，最常用的有平方变换法、判决反馈环等。
在BPSK解调器中，载波恢复的指标主要有：同步建立时间、保持时间、稳态相差、相位抖动等。
本地恢复载波信号的稳态相位误差对解调性能存在影响，若提取的相V载波与输入载波没有相位差，则解调输出的信号为a\t） = a（t）cos： A倍.即输岀信噪比下降cos2 A，其将影响信道的误码率性能，使误码增加。
对BPSK 而言，在存在载波恢复稳态相差时信道误码率为：2、位定时抽样时钟在信号最大点处进行抽样，保证了输出信号具有最大的信噪比性能，从而也使误码率较小。
在刚接收到BPSK信号之后，位左时一般不处于正确的抽样位置，必须采用一左的算法对抽样点进行调整，这个过程称为位左时恢复。
常用的位左时恢复有：滤波法、数字锁相环等。
最后，对通信原理综合实验系统中最常用的几个测量方法作一介绍：眼图、星座图与抽样判决点波形。
1、眼图：利用眼图可方便直观地估讣系统的性能。
示波器的通道接在接收滤波器的输出端，调整示波器的水平扫描周期，使其与接收码元的周期同步。
在荧光屏上看到显示的图型很像人的眼睛，所以称为眼图。
2、星座图：与眼图一样，可以较为方便地估计出系统的性能，同时它还可以提供更多的信息，如I、Q支路的正交性、电平平衡性能等。
星座图的观察方法如下：用一个示波器的一个通道接收I支路信号，另一通道接Q支路信号，将示波器设置成X-Y方式。
实验三 BPSK传输系统实验
实验三BPSK传输系统实验四、实验内容测试前检查：首先通过菜单将通信原理综合实验系统调制方式设置成“BPSK传输系统”；用示波器测量TPMZ07测试点的信号，如果有脉冲波形，说明实验系统已正常工作；如果没有脉冲波形，则需按面板上的复位按钮重新对硬件进行初始化。
（一）BPSK调制1.BPSK调制基带信号眼图观测（以m序列观测眼图）（1）通过菜单选择不激活“匹配滤波”方式（未打勾），此时基带信号频谱成形滤波器全部放在发送端。
以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号眼图（TPi03）的波形。
成型滤波器使用升余弦响应，ɑ=0.4。
判断信号观察的效果。
（2）（3）通过菜单选择激活“匹配滤波”方式（打勾），此时系统构成收发匹配滤波最佳接收机，重复上述实验步骤。
仔细观察和区别与上述两种方式下发送信号眼图（TPi03）的波形。
（4）注：当通过选择菜单激活“匹配滤波”方式时，表示系统按匹配滤波最佳接收机组成，即发射机端和接收机端采用同样的开根号升余弦响应滤波器。
当未激活“匹配滤波”方式时，系统为非匹配最佳接收机，整个滤波器滚降特性全部放在发射机端完成，但信道成型滤波器特性不变。
思考：怎样的系统才是最佳的？匹配滤波器最佳接收机性能如何从系统指标中反映出来？采用什么手段测量？结论：匹配滤波岩土更加清晰性能更佳2.I路和Q路调制信号的相平面（矢量图）信号观察（1）测量I支路（TPi03）和Q支路信号（TPi04）李沙育（x-y）波形时，应将示波器设置在（x-y）方式，可从相平面上观察TPi03和TPi04的合成矢量图，其相位矢量图应为0、π两种相位。
通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量；结合BPSK调制器原理分析测试结果。
（2）全0码和全1码（3）（4）0\1码（5）（6）特殊码（7）结论全一码和全0码只有一个码型所以李莎宇波形只有一个点0|1码特殊嘛序列存在0.1码交替所以存在0.pai两种相位。
（8）通过菜单选择“匹配滤波”方式设置，重复上述实验步骤。
成型滤波原理及作用
滤波器的工作原理
滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许有用信号的电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。
由于干扰信号有差模和共模两种，因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。
其基本原理有三种：
利用电容通高频隔低频的特性，将火线、零线高频干扰电流导入地线（共模），或将火线高频干扰电流导入零线（差模）。
利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源。
利用干扰抑制铁氧体可将一定频段的干扰信号吸收转化为热量的特性，针对某干扰信号的频段选择合适的干扰抑制铁氧体磁环、磁珠直接套在需要滤波的电缆上即可。
滤波器的作用
将有用的信号与噪声分离，提高信号的抗干扰性及信噪比；滤掉不感兴趣的频率成分，提高分析精度；从复杂频率成分中分离出单一的频率分量。
滤波器介绍
滤波器是对波进行过滤的器件，一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号。
可以说它是重要的电子元器件，滤波器把电源功率
传输到设备上，大大衰减经电源传入的EMI电磁干扰信号，保护设备免受其害。
同时，又能有效地控制设备本身产生的EMI信号，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。
qpsk中的脉冲成型和匹配滤波
随着通信技术的发展和应用领域的不断拓展，无线通信系统对信号调制技术的要求越来越高。
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)调制技术作为一种常见的数字调制方式，在许多通信系统中得到了广泛的应用。
而在QPSK中的脉冲成型和匹配滤波技术，对于实现高效的传输以及抗干扰性能至关重要。
1. 脉冲成型在数字通信系统中，为了调制器的输出信号能够顺利进行传输，需要对其进行脉冲成型。
传统的脉冲成型技术包括矩形脉冲、升余弦脉冲等。
在QPSK调制中，常用的脉冲成型滤波器包括升余弦滤波器和高斯滤波器。
升余弦滤波器是一个非常经典的脉冲成型滤波器，其频率特性以及时域响应能够有效地控制信号的带宽和抗干扰性能。
而高斯滤波器则利用高斯函数的特性，能够在时域和频域上都表现出优异的特性，使得信号在传输过程中更加稳定可靠。
2. 匹配滤波在信号传输的接收端，为了将接收到的信号转换为数字信号，需要进行匹配滤波来恢复原始的调制信号。
对于QPSK调制来说，匹配滤波器需要能够正确地提取出信号中的正交相位信息，以及实部和虚部的信息。
常见的匹配滤波器包括升余弦滤波器和高斯滤波器。
这也与发送端的脉冲成型滤波器相呼应，保证了信号的完整传输和正确解调。
3. QPSK中的脉冲成型和匹配滤波在QPSK调制中，脉冲成型和匹配滤波是至关重要的环节。
通过合适的脉冲成型滤波器，可以保证发送信号在频域上的特性以及抗干扰性能；而在接收端，匹配滤波器能够高效地提取出所需的信息，实现对信号的完整解调。
QPSK中的脉冲成型和匹配滤波技术是数字通信系统中不可或缺的一环。
4. 应用领域QPSK调制的脉冲成型和匹配滤波技术在许多应用场景中得到了广泛的应用。
例如在无线通信系统中，QPSK调制可以有效地提高频谱效率，使得有限的频谱资源可以更加充分地利用。
在卫星通信系统中，QPSK调制的稳健性能使得信号能够更加稳定地在长距离传输过程中保持良好的特性。
在数字电视、无线局域网以及移动通信等领域，QPSK调制也都得到了广泛的应用。
成型滤波器原理
成型滤波器原理成型滤波器原理简介成型滤波器（Shaping Filter）是一种数字信号处理滤波器，可用于改变数字信号的频率响应。
它们通常用于降噪、频率选通和谐波过滤等应用。
成型滤波器是数字信号处理中最常用的滤波器之一，包括低通和高通成型滤波器。
成型滤波器主要原理成型滤波器的基本原理是添加或删除信号的特定频率分量。
它利用滤波器的频率响应在频率域中加权信号。
通过改变滤波器的频率响应，可以增强或减少特定频率分量的信号。
成型滤波器分为两种类型：低通滤波器和高通滤波器。
在低通成型滤波器中，滤波器的频率响应在频率域中表示为一个开口向下的斜坡形状。
该滤波器可以使低频分量通过，并且支持滤除高频噪声。
在高通成型滤波器中，滤波器的频率响应在频率域中表示为一个开口向上的斜坡形状。
它可以滤除低频信号并保留高频信号。
成型滤波器的实现通常使用有限脉冲响应（FIR）滤波器或无限脉冲响应（IIR）滤波器。
FIR滤波器具有线性相位特性，可以更加稳定和可预测的滤波。
IIR滤波器具有非线性相位特性，使其对于工业应用更为适用。
应用场景成型滤波器被广泛应用于数字信号处理中的各种应用场景，如降噪、频率选通和谐波过滤等。
成型滤波器在音频处理、图像处理和视频编辑等领域都有非常重要的应用。
例如，在音频处理中，低通成型滤波器可以通过删除高频噪声来提高音质。
高通成型滤波器可以过滤低频噪声和杂音，提高音频清晰度。
在恢复缺失的信号数据或频率选择中，成型滤波器可以提高信号质量并帮助捕捉特定的信号特征。
结语成型滤波器是数字信号处理中最重要的滤波器类型之一。
它们可以使您更好地理解数字信号处理，提高信号处理的效率和精度。
在数码信号处理中，成型滤波器是一种不可或缺的工具，为高质量信号处理提供了可靠的策略。
成形滤波与匹配滤波
性能差异
成形滤波
主要改善信号的信噪比和抗干扰能力，对信号进行预处理以降低噪声和干扰的影响。
匹配滤波
最大化输出信噪比，提高信号检测的灵敏度和可靠性，尤其是在低信噪比环境下效果显著。
应用场景差异
成形滤波
广泛应用于通信、雷达、声呐、图像 处理等领域，主要用于改善信号质量 和抗干扰。
匹配滤波
在雷达、声呐、通信、振动分析等领 域有广泛应用，主要用于信号检测和 识别，尤其是在低信噪比环境下。
02
匹配滤波器
定义
匹配滤波器是一种特殊的线性滤波器，其输出信号的功率谱密度与输入信 号的功率谱密度成正比。
匹配滤波器的输出信号是输入信号的自相关函数。
匹配滤波器在信号处理中有着广泛的应用，特别是在雷达、声呐、通信等 领域。
种类
线性匹配滤波器
线性匹配滤波器是最简单的匹配滤波器，其输出信号 是输入信号的线性变换。
成形滤波与匹配滤波的应用需要多领域的知识和 技术支持，需要加强跨学科合作与交流。
3
标准化与互操作性
为促进成形滤波与匹配滤波技术的推广和应用， 需要制定相关标准，提高算法的互操作性和兼容 性。
THANKS
感谢观看
多模态融合
将不同模态的信息融合到成形滤波与匹配滤波中，如图像、语音、 文本等，以实现更丰富的应用场景。
深度学习与人工智能
利用深度学习等人工智能技术，改进现有算法，提高滤波性能和 智能化水平。
应用领域拓展
智能驾驶
成形滤波与匹配滤波在智能驾驶 领域的应用将进一步拓展，如车 辆定位、障碍物检测等。
虚拟现实与增强现
成形滤波与匹配滤波的优缺点 成形滤波的优缺点
01
缺点
02
成形滤波与匹配滤波3(研究运用)
…… ……
频谱
X(f)
f
0
t
0
t
专业应用
4
• 但是，高斯函数是一个“拖尾函数”，引 起了码元间的干扰。
0
t
0
• 带宽较窄的信号，一定会有很长的拖尾
• 放宽条件，寻求一种“成形滤波器”
– 占用小的带宽
– 在其他码元的位置，拖尾的值为0
专业应用
5
Nyqusit第一定律
7
• 升余弦滤波器
• 称为滚降系数
专业应用
8
• 表示了额外带宽占用率
– 带宽 = (1+)W
• 越小的 意味着更高的带宽效率
– = 0, 变为sinc滤波， – =1,需要2W的带宽，定时精度要求降低
专业应用
9
• 使用RRC成形滤波后的波形
• 黑线是脉冲波形，红线是最终的波形
• 注意到脉冲波形在其他抽样点，值严格为0
– 无ISI – 足够平滑
专业应用
10
匹配滤波器
• 在通信过程中，信号不可避免的会受到噪 声的干扰。
y(t) 0
x(k)
n(t)
0 时间，t
x(k)
信道 噪声
时间，t 0
矩形成形
DAC
抽样器
z(t)
时间 判决
+1 -1
y(k)
0
时间
0
时间，t 0
时间
TS=信号周期
专业应用
11
• 当在判决时刻的噪声恰好很大……
-判决点落在上面的绿色区域，判决就会出错
专业应用
12
• 一个码元周期，通常会有多个样点，那么 平均一下，就能大大减小出错概率。
最新-用成型滤波器组提高测距精度的一种方法 精品
用成型滤波器组提高测距精度的一种方法摘要在许多测距系统中，精确地调整用户端回复帧的发送时刻是提高测距精度的关键。
介绍了用实现的一种数字式成型滤波器组，它可大幅度地缩短发送时刻的调整步长，有效地提高测距精度，已被成功应用于某个测距系统中。
关键词测距帧参考时标子波形成型滤波器成型滤波器组在许多测距系统中，用户端接收到基站发送的帧信号后，便以该帧中特定的位置称为帧参考时标为基准发送回复帧给基站。
基站收到回复帧后，范文先生网收集整理提取它的帧参考时标，并以其作为测距的依据。
通常用户端的系统时钟精度较低本文提到的系统时钟均指用户端的系统时钟，因此接收到的帧参考时标会存在误差。
在用户端经过计算估计出帧参考时标的误差，再用该误差调整发送回复帧的时刻，可实现精确测距。
因此测距精度取决于两个因素帧参考时标误差的估计精度和回复发送时刻的调整精度。
本文主要讨论如何提高回复帧发送时刻的调整精度。
回复帧是由基带码组成的，因此下文中讲的发送时刻的高速均指基带码发送时刻的调整。
发送时刻的调整精度是由发送时刻的调整步长决定的。
在一般的数字系统中，发送时刻的高速步长不小于个系统时钟的周期。
本文利用公司的20300240-3型器件设计了一种成型滤波器组，使发送时刻的调整步长缩短为时钟周期的五分之一，从而将发送时刻的高速精度大幅度地提高。
1成型滤波器组调整发送时刻的原理成型滤波器组的设计原理图如图1所示。
成型滤波器组包括一组成型滤波器。
相同的发送基带码经成型滤波器组中不同的成型滤波器滤波后，会产生不同延时的发送数据波形。
发送数据波形的延时不同，则发送时刻也不同。
这就是说，相同的基带码经过不同的成型滤波器滤波后可产生不同发送时刻的波形。
因此，以测距误差作为选择字，根据误差的大小选择相应的成型滤波器，就可间接地调整发送基带码的时刻。
2用设计成型滤波器通常，系统时钟频率远高于基带码的速率，因此在成型滤波前，要在基带码的相邻码之间进行内插。
matlab 成型滤波
matlab 成型滤波摘要：I.引言- 介绍matlab 成型滤波的概念- 说明matlab 在滤波器设计中的应用II.matlab 成型滤波基础- 介绍matlab 中的滤波器设计工具- 演示如何使用matlab 设计滤波器III.常用滤波器类型- 低通滤波器- 高通滤波器- 带通滤波器- 带阻滤波器IV.matlab 成型滤波应用- 介绍如何使用matlab 设计成型滤波器- 说明成型滤波器在实际应用中的优势V.总结- 回顾matlab 成型滤波的重要性和应用- 展望滤波器设计的未来发展趋势正文：I.引言在数字信号处理领域，滤波器的设计和应用是至关重要的。
滤波器可以用于信号处理、图像处理、通信系统等各种领域。
MATLAB 作为一种强大的数学软件，在滤波器设计中得到了广泛的应用。
本文将介绍MATLAB 在滤波器设计中的应用，并重点介绍如何使用MATLAB 设计成型滤波器。
II.matlab 成型滤波基础在MATLAB 中，有许多内置的滤波器设计工具，例如Butterworth 滤波器、Chebyshev 滤波器、FIR 滤波器等。
这些工具可以帮助我们快速、方便地设计出满足特定需求的滤波器。
以FIR 滤波器为例，演示如何使用MATLAB 设计滤波器。
首先，我们需要确定滤波器的截止频率、采样频率和滤波器长度。
然后，可以使用MATLAB 中的fir 函数设计滤波器。
以下是一个简单的示例：```matlab% 设定参数Fs = 1000; % 采样频率Fc = 100; % 截止频率L = 100; % 滤波器长度% 设计FIR 滤波器[b, a] = fir(L, Fc / (Fs / 2), "chebyshev");```III.常用滤波器类型在MATLAB 中，可以设计多种类型的滤波器，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
以下是这些滤波器的简要介绍：- 低通滤波器：允许低于截止频率的信号通过，阻止高于截止频率的信号。
数字成形滤波器设计
数字成形滤波器设计及FPGA实现摘要本文对数字基带信号脉冲成型滤波的应用、原理及实现进行了研究。
首先介绍了数字成型滤波的应用意义并分析了模拟和数字两种硬件实现方法，接着介绍了成形滤波器设计所需要MATLAB软件，以及利用ISE system generator在FPGA 上进行滤波器实现的优势。
文中给出了成形滤波函数的数学模型，讨论了几种常用成形滤波函数的传输特性以及对传输系统信号误码率的影响。
然后介绍了本次设计中使用到的数字成形滤波器设计的几种FIR滤波器结构。
把各种设计方案进行仿真，比较仿真结果，最后根据实际应用的情况并结合设计仿真中出现的问题进行分析，得出各种设计结构的优缺点以及适合应用的场合。
关键词：成型滤波器，FIR，FPGA，窗函数Design and FPGA Implementation of Digital ShapingFilterAbstractThis Paper investigates the problems about theory, application and implementation of digital base-band signal shaping. Firstly, it introduces the meanings of using shaping filter and analyzes the two ways of implementation: analog way and digital way. Secondly, it makes introduction about what used in design and implementation. Matlab in this paper is used to design and simulate the filter, and ISE system generator is helpful for filters of implemented by FPGA. This paper gives the mathematical model of the shaping-filter functions and discusses their transmission characteristics. Then, it introduces several FIR filter structures of digital shaping filter. Finally, it makes compares between the results of simulation, and analyzes problems appearing designing and simulation to find advantages and disadvantages of different structures and the fitting situation.Key Words：Shaping filter; FIR; FPGA; Window目录摘要 (ⅰ)Abstract (ⅱ)第一章绪言 (1)1.1 引言 (1)1.2成形滤波器的应用 (1)1.3成形滤波器的硬件实现 (2)第二章开发环境与工具 (3)2.1 FPGA概述 (3)2.2 Matlab简介及使用 (3)2.3 ISE工具介绍 (4)第三章成型滤波函数及滤波器硬件结构设计 (5)3.1 无码间干扰传输函数的设计 (5)3.2 成型滤波器 (5)3.2.1 低通滤波器 (5)3.2.2 升余弦滚降滤波器 (7)3.3 FIR滤波器结构 (8)3.3.1 直接型结构 (9)3.3.2 多相滤波结构 (10)3.3.3 过采样 (12)3.4 窗函数法设计FIR滤波器 (13)第四章仿真与分析 (17)4.1 仿真 (17)4.1.1 直接型结构 (17)4.1.2 直接型对称结构 (18)4.1.3 转置式结构 (20)4.1.4 8倍过采样结构 (21)4.1.5 多相滤波结构 (23)4.2 分析与心得 (24)第五章总结与展望 (27)参考文献 (28)致谢 (29)附录 (30)第一章绪论1.1引言在现代无线电通信中,由于基带信号的频谱范围都比较宽, 随着现代数字通信技术的发展，频带拥挤的问题日益突出。
光学匹配滤波法
光学匹配滤波法是一种用于图像处理和模式识别的技术。
它利用匹配滤波器的特性，对输入图像进行滤波处理，以提高图像的信噪比和增强感兴趣的目标特征。
在光学匹配滤波法中，首先需要制作一个与待检测图像相对应的匹配滤波器。
这个匹配滤波器具有与待检测图像相同的傅里叶变换特性，能够将待检测图像的频谱与参考图像的频谱进行相乘，从而在输出面上产生一个增强的感兴趣目标特征。
在制作匹配滤波器时，通常需要对待检测图像进行傅里叶变换，得到其频谱分布。
然后，根据目标特征和背景噪声的特性，设计一个合适的滤波器函数，将其与频谱分布相乘，得到匹配滤波器的频谱分布。
最后，通过逆傅里叶变换将匹配滤波器的频谱分布转换回空间域，得到匹配滤波器的实际形状。
在应用光学匹配滤波法时，将制作好的匹配滤波器放置在输入面上，与待检测图像进行干涉。
干涉产生的输出信号包含了感兴趣目标特征的增强信息。
通过对输出信号进行检测和分析，可以提取出目标特征并实现模式识别等应用。
需要注意的是，光学匹配滤波法通常需要在干涉仪中进行，因此需要使用干涉仪等光学设备。
此外，为了获得更好的匹配效果，还需要对匹配滤波器的制作和调整进行精确控制。
匹配滤波器_图文
为了满足上式的条件必须有
上式条件说明，对于一个物理可实现的匹配滤波器，其输入 信号s (t )必须在它输出最大信噪比的时刻 t 0之前结束。也就 是说，若输入信号在T 时刻结束，则对物理可实现的匹配滤 波器， t 0≥ T 。对于接收机来说， t 0是时间延迟，通常总是 希望时间延迟尽可能小，因此一般情况可取t 0 = T 。
由施瓦兹不等式可知：
当且仅当：
时上式等号才能成立
令：
可得：
（*式）
根据帕塞瓦尔定理有
式中E 为输入信号的能量 代入式有 式中说明，线性滤波器所能给出的最大输出信噪比为
根据施瓦兹不等式中等号成立的条件 则可得（*式）不等式中等号成立的条件为
K 是不为零常数，通常可选择为K =1。该滤波器在给 定时刻t 0能获得最大输出信噪比为 ，这种滤波器 的传输函数除相乘因子 外与信号频谱的复共轭 相一致，所以该滤波器被称为匹配滤波器。
四 匹配滤波器输出 匹配滤波器的输出信号为
式中， R (t )为 输入信号s (t )的 自相关函数。
上式表明，匹配滤波器的输出波形是输入信号s (t )自相关函数 的K 倍。因此，匹配滤波器可以看成是一个计算输入信号自相 关函数的相关器，其在t 0时刻得到最大输出信噪比
由于输出信噪比与常数K 无关，所以通常取K = 1 。
戢清晖
滤波器输出也由输出信号和输出噪声两部分组成
输出信号的频谱函数为 s0 ( ) ，其对应的时域信号为
滤波器输出噪声的平均功率为
在抽样时刻 t 0 ，线性滤波器输出信号的瞬时功率与噪声平均功 率之比为
滤波器输出信噪比r 0 与输入信号的频谱函数S ( ω )和滤波器 的传输函数 H( ω )有关。在输入信号给定的情况下，输出信 噪比r 0 只与滤波器的传输函数 H ( ω )有关。使输出信噪比r 0 达到最大的传输函数 H ( ω )就是所要求的最佳滤波器的传输 函数。
QPSK调制解调器的设计与实现
• 202•本文基于可编程逻辑阵列设计实现QPSK 调制解调器，对QPSK 调制解调各模块算法进行了研究，包括信道编译码、成型滤波、载波同步等，并在此基础上烧写进FPGA 中进行仿真，利用信号分析仪分析调制器的性能。
QPSK调制解调器的设计与实现公安部第一研究所 洪向宇图2 QPSK调制部分结构框图图3 QPSK解调部分结构框图随着科学技术的发展，通信系统已成为各个领域的技术基础，由于数字传输能够提供数据处理种类的灵活性，因此数字通信系统正受到越来越多的重视。
数字调制技术是数字传输的基础，通过载波调制使数字信号在信道中传输，载波的表达式有三个变量，因此数字信号调制技术分为幅度键控（ASK ）、频移键控（FSK ）和相移键控（PSK ）三种方式。
其中QPSK 是目前最常用的数字信号调制方式之一，QPSK 调制方式的优点为频谱利用率高、抗干扰性强，并图1 QPSK调制解调结构框图且能够很好的权衡频带利用率和接收信噪比的折中要求。
本文在FPGA 平台上设计实现QPSK 调制解调器。
1 QPSK调制解调器的设计本文设计的QPSK 调制解调系统由10个部分组成。
信道编解码部分采用Turbo 交织器的设计；校验部分CRC 校验算法设计；QPSK 调制解调部分；成形滤波模块和匹配滤波模块采用根升余弦滤波器实现；载波同步采用改进的科斯塔斯环算法实现。
结构框图如图1所示。
QPSK 调制部分如图2所示，QPSK 调制器包括信道编码器、CRC 校验、数据成帧、数据调制、成型滤波等模块。
图4 信道编码部分结构框图QPSK 解调部分如图3所示，QPSK 解调器包括匹配滤波、CRC 校验、载波同步、定时同步与盲均衡、星座映射、信道译码等模块。
本文使用信道编译码算法为利用Turbo 码的信道编译码算法，利用卷积、交织、删余、复用模块实现Turbo 码的编码，其中基带信道编码器采用Turbo 码中的并行级联编卷积算法结构。
信道译码的结构图如图4所示。
脉冲成形滤波器的设计
脉冲成形滤波器的设计首先，要确定脉冲成形滤波器的截止频率。
截止频率是指滤波器能够通过的最高频率。
一般来说，截止频率越高，滤波器的输出信号中保留的高频成分就越多。
可以根据输入信号的频率范围和对高频成分的需求来确定截止频率的大小。
其次，要确定脉冲成形滤波器的阶数。
滤波器的阶数是指滤波器内部的延迟元件的数量。
较低阶数的滤波器具有更低的延迟时间和更快的响应速度，但是不足以满足更高的滤波要求。
较高阶数的滤波器具有更高的滤波效果和更好的抑制高频噪声的能力，但是可能会引入更多的延迟。
可以根据具体应用需求来确定滤波器的阶数。
然后，要选择适当的滤波器类型。
常见的脉冲成形滤波器类型有RC 滤波器、LC滤波器和数字滤波器等。
RC滤波器常用于模拟信号处理中，它通过电容和电阻的组合来实现滤波功能。
LC滤波器则常用于射频信号处理中，它通过电感和电容的组合来实现滤波功能。
数字滤波器则是使用数字信号处理技术来实现滤波功能，可以通过数字滤波器的设计来实现更精确的滤波效果。
最后，要根据设计要求来确定滤波器的响应特性。
常见的滤波器响应特性有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
低通滤波器通过滤除高频成分来保留低频信号，高通滤波器则通过滤除低频成分来保留高频信号。
带通滤波器则可以选择保留其中一频率范围内的信号，而带阻滤波器则可以选择去除其中一频率范围内的信号。
根据具体应用需求来选择合适的响应特性。
总之，脉冲成形滤波器的设计需要考虑截止频率、阶数、滤波器类型和响应特性等因素。
根据具体的应用需求来进行选择和设计，以实现所需的滤波效果。
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专业应用
10
匹配滤波器
• 在通信过程中，信号不可避免的会受到噪 声的干扰。
y(t) 0
x(k)
n(t)
0 时间，t
x(k)
信道 噪声
时间，t 0
矩形成形
DAC
抽样器
z(t)
时间 判决
+1 -1
y(k)
0
时间
0
时间，t 0
时间
TS=信号周期
专业应用
11
• 当在判决时刻的噪声恰好很大……
Gray码 反映射
并串 转换
匹配
LPF
滤波
专业应用
17
成形与匹配滤波器设计
• 均为根升余弦滤波器 • 采用Matlab提供的FDATool与Xilinx提供的
Core Generater来设计
专业应用
18
演示
专业应用
19
-判决点落在上面的绿色区域，判决就会出错
专业应用
12
• 一个码元周期，通常会有多个样点，那么 平均一下，就能大大减小出错概率。
• 引入一个积分器（匹配滤波）
y(t) 0
x(k) 0
n(t)
0 时间，t
矩形成形
DAC
时间
x(k)
信道
时间，t
噪声
抽样器 z(t)
积分器
0
0
时间
限制器
+1 -1
y(k)
时间，t 0
h(t)
T {T 2 sin[2p f0(1)t] 4T cos(1)} p (T 2 16t2 2 )
专业应用
16
• 添加成形滤波、匹配滤波后的DQPSK系统
1101100… 串并转换
Gray码 映射
差分 编码
星座图 映射
成形 滤波
NCO
成形 滤波
…… ……
匹配
LPF
滤波
NCO
抽样
差分 解调
成形滤波与匹配滤波
专业应用
1
• 调制过程：
问题
1101100… 串并转换
Gray码 映射
差分 编码
星座图 映射
cos(2pfct) sin(2pfct)
…… ……
0
t
• 突变。带宽无穷。
专业应用
2
• 基带频谱
信道
0
t
0
t
专业应用
3
• 使用光滑的成形滤波器
- 比如高斯成形滤波器、
星座图 映射
高斯成形
匹配滤波
时间
• 因此收发端的结构为
发送 滤波
时间
冲击响应
+ +
噪声 专业应用
成形滤波
时间
匹配 滤波
判决 设备
时间
15
冲击响应
• 在匹配滤波器后的抽样点必须满足无码间 干扰条件。因此，成形滤波器和匹配滤波
器的串联必须满足Nyquist第一准则。
• 成形滤波器和匹配滤波器的串联形成RRC 滤波器，则它们均是SRRC滤波器。
cos(2pfct) sin(2pfct) 高斯成形
…… ……
频谱
X(f)
f
0
t
0
t
专业应用
4
• 但是，高斯函数是一个“拖尾函数”，引 起了码元间的干扰。
0
t0ຫໍສະໝຸດ • 带宽较窄的信号，一定会有很长的拖尾
• 放宽条件，寻求一种“成形滤波器”
– 占用小的带宽
– 在其他码元的位置，拖尾的值为0
专业应用
5
Nyqusit第一定律
7
• 升余弦滤波器
• 称为滚降系数
专业应用
8
• 表示了额外带宽占用率
– 带宽 = (1+)W
• 越小的 意味着更高的带宽效率
– = 0, 变为sinc滤波， – =1,需要2W的带宽，定时精度要求降低
专业应用
9
• 使用RRC成形滤波后的波形
• 黑线是脉冲波形，红线是最终的波形
• 注意到脉冲波形在其他抽样点，值严格为0
• 若基带系统传输特性 H () 满足
i
H
(
2p
Ts
i
)
Ts
p
Ts
就能消除传输信号在抽样点的码间干扰。
• 通常考虑的两种滤波器
– Sinc滤波器
（更多用于理论分析）
– 升余弦(RRC)滤波器 （实际应用）
专业应用
6
• Sinc滤波器
• 这种波形能达到最大的频谱利用率。但是， 对定时敏感。
专业应用
时间
TS=信号周期
专业应用
13
• 考虑成形之后的波形，通过信道
时间
时间
信道 噪声
高SNR
低SNR
低SNR
时间
• 一个码元成形之后的波形，两边小，中间大。 • 因此波形的峰值部分，应该有最大的SNR。 • 平均的时候，应该给它更多的权重。
专业应用
14
• 最佳匹配滤波器
– 在AWGN信道下的最佳匹配滤波器系统函数是成形滤 波器的共轭匹配。时域呈现出倒置关系。