虚拟仪器的匹配滤波接收机的设计(附件)
匹配滤波器作为一种提高信噪比的线性滤波器件被广泛地应用于现代数字通信系统的接收设备当中。为了验证匹配滤波器的性能，本课题在虚拟仪器软件平台LabVIEW实现系统的设计与仿真，利用LabVIEW软件中不同控件和不同功能函数的组合应用，仿真匹配滤波接收机的各个硬件模块。仿真模块有序列生成模块、码型变换模块、信道模块、匹配滤波模块、以及抽样判决模块，实现了数字信号的发生、变换、传输、滤波以及接收的一系列过程的仿真。实验结果不仅体现出了匹配滤波接收机的抗噪声性能，同时也为研究和分析其他的硬件电路的性能提供了一个新的思路，可以大大的降低成本和节约时间。关键词 匹配滤波器，虚拟仪器，LabVIEW
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 2
1.3 课题主要研究内容 3
2 匹配滤波接收基本原理和软件介绍 4
2.1 通信系统的一般模型 4
2.2 匹配滤波接收机 4
2.3 Labview软件介绍 7
3 系统各单元模块设计 14
3.1 序列生成模块 14
3.2 码型变换模块 15
3.3 信道 15
3.4 匹配滤波模块 16
3.5 抽样判决模块 16
4 系统调试 17
4.1 子vi的建立 17
4.2 系统模块连接和布局 20
4.3 输入序列调试 21
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
附录A 系统前面板 30
附录B 各模块程序框图 31 1 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
随着科技的不断进步，计算机和集成电路技术也随之高速发展。二者的高速发展使得计算机和仪器之间的联系越发的紧密，一个全新的仪器概念也由此产生——虚拟仪器[1]。现今计算机技术十分成熟，其相关的软件功能也是灵活多变，并且一些功能强大的模块化硬件也在不断地更新，将这三者结合到一起，就可以组成一个完整的测试系统，仪器可以完成的功能， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
该测试系统同样能够完成[2]，并且由于和计算机软件相结合，用户可以根据自己的需要去编写程序，改变系统的功能，从而完成不同的测试任务。这个优点是传统的仪器所无法达到的，因此能够熟练的使用虚拟仪器工具对一个工程师而言具有十分重要的意义。
目前有很多的虚拟仪器开发环境，其中美国国家仪器公司(NI)所开发的LabVIEW软件最为流行，该软件是一个图形化的程序开发环境[3]。LabVIEW的创建之初是为工程师提供一个便捷地编程界面和一个能与外界通信的平台。公司关于该软件的思想是“软件即仪器”：用计算机完成仪器界面构建和仪器功能的实现，配备外围的数据采集设备，构成虚拟测试系统[4]。
随着软件功能的不断更新和完善，现在的LabVIEW已经逐渐发展成为一种集成化的程序开发环境。在LabVIEW的开发环境中，不仅可以进行程序的编写，还可以将编辑好的文件（VI）生成可执行文件和安装包，在没有安装LabVIEW开发环境的计算机上运行。LabVIEW作为一种编程语言，其作用也是通过程序让计算机完成指定的任务，但它与其他计算机语言的显著区别是：LabVIEW是使用的图形化的“G语言”编写程序，产生的程序也是框图形式[5]。
功能强大的LabVIEW提供丰富的子vi可供编程者直接调用，特别对于信号处理方面，软件提供了许多实用的子VI，可以实现一系列常用的信号处理功能，如加窗、快速傅里叶变换、求信号功率谱和频谱等。LabVIEW软件可以方便的进行模块化的编程，因此我们可以利用软件的这个特点花费很少的时间来设计自己的虚拟仪器系统，并且由于模块化的编程方式系统的修改也十分方便。
人们对于数字信号的研究，基本上从时域和频域两个方面来进行。有些在时域上非常复杂的信号转换到频域之后就可能会变的非常的简单[6]。比如说在实际运用中混合了几种不同频率的正弦信号，在时域中是以一种无序的方式呈现的。但是其一旦转换到频域上之后，则是以几根简单的谱线呈现，便于人的观察和分析。因此合理的使用LabVIEW软件中各种频域分析和变换工具，对数字信号的研究有很大的帮助[7]。
本课题研究基于虚拟仪器的匹配滤波接收机设计，匹配滤波接收机的关键部件是匹配滤波器，匹配滤波器是一种在信号处理过程中常用的数字滤波器。因此在了解匹配滤波器之前我们首先要对数字滤波器要有基本了解，数字滤波器在信号处理过程中起到筛选的作用，其将信号中有用的部分保留，将无用的噪声信号屏蔽，因此它在实际的信号处理过程中是不可或缺的一部分。它是去除信号中噪声的基本手段，也因此数字滤波器在有关通信的各个行业中有广泛应用[8]。而匹配滤波器是一种最佳线性滤波器，其作为最优滤波器，依据的最优准则是抽样时刻使得输出信号的信噪比达到最大，同时还有一个前提条件：在白噪声背景下的信号接收。在这个背景下，使得信号在判决时刻信噪比最大，错误判决的概率就会降低，相应的系统的检测性能可以提高，从而实现最佳接收[9]。
匹配滤波器的最优准则实际上是依据数字信号的判决原理所得出的。数字信号的判决是在某一特定的时刻对输出信号进行抽样，然后再将抽样所得信号值和事先所设定的阈值进行比较，从而得出判决的结果[10]。因此数字的信号的判决能不能得到正确的结果并不取决于输出信号的形状和原本发送信号的相似程度，而仅仅是取决于特定时刻输出信号的信噪比，不同的信噪比会对判决结果产生很大的影响。而匹配滤波器所起到的作用就是使得这个特定的抽样时刻所抽样的信号具有最大的信噪比。
匹配滤波器是一类滤波器的统称，没有固定的传输函数。匹配滤波器的传输特性并不是在系统设计之前就能够确定的，滤波器的的传输函数是要根据所需传输的不同信号的频谱函数来确定。并且由于匹配滤波器传输的信号相较于原信号的波形，其传输的信号波形具有较大的失真，而模拟信号的判决接收一般都要和传输信号在传输前后的波形相似程度有关，因此匹配滤波器适用于数字信号接收，其优势无法发挥在模拟信号的接收。匹配滤波器所能达到的最大输出信噪比为2E/n0,E为传输信号码元的功率，n0为噪声的平均功率，由此可以看出改变信号码元的幅度或者是改变其持续的时间都会对输出信噪比带来一定的影响[11]。由于匹配滤波器提高接收效率，其成为数字通信系统的重要部件（包括数字基带和数字频带通信系统），对数字信号的接收和检测具有重要的意义[12]。
1.2 研究现状和发展趋势
上世纪80年代虚拟仪器的概念由美国国家仪器公司(NI)提出，该概念一经提出就在全世界的测量领域引起了巨大的反响。全世界的工程师都开始对这个全新的概念开始了自己的研究，因为这个虚拟仪器概念完全打破人们对于传统仪器的认知。这种仪器的产生改变了测量仪器的各种性能只能由生产厂家所定义，而用户也只能使用预先设置的功能，而利用虚拟仪器工具时，就可以打破这种限制根据需要自由的定义设计和改变仪器的功能。随着研究的不算深入和技术的不断进步，各种虚拟仪器开发平台层出不穷，但如今使用的最为广泛的虚拟仪器开发平台仍然是美国国家仪器公司所开发的LabVIEW图形化编程软件。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 2
1.3 课题主要研究内容 3
2 匹配滤波接收基本原理和软件介绍 4
2.1 通信系统的一般模型 4
2.2 匹配滤波接收机 4
2.3 Labview软件介绍 7
3 系统各单元模块设计 14
3.1 序列生成模块 14
3.2 码型变换模块 15
3.3 信道 15
3.4 匹配滤波模块 16
3.5 抽样判决模块 16
4 系统调试 17
4.1 子vi的建立 17
4.2 系统模块连接和布局 20
4.3 输入序列调试 21
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
附录A 系统前面板 30
附录B 各模块程序框图 31 1 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
随着科技的不断进步，计算机和集成电路技术也随之高速发展。二者的高速发展使得计算机和仪器之间的联系越发的紧密，一个全新的仪器概念也由此产生——虚拟仪器[1]。现今计算机技术十分成熟，其相关的软件功能也是灵活多变，并且一些功能强大的模块化硬件也在不断地更新，将这三者结合到一起，就可以组成一个完整的测试系统，仪器可以完成的功能， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
该测试系统同样能够完成[2]，并且由于和计算机软件相结合，用户可以根据自己的需要去编写程序，改变系统的功能，从而完成不同的测试任务。这个优点是传统的仪器所无法达到的，因此能够熟练的使用虚拟仪器工具对一个工程师而言具有十分重要的意义。
目前有很多的虚拟仪器开发环境，其中美国国家仪器公司(NI)所开发的LabVIEW软件最为流行，该软件是一个图形化的程序开发环境[3]。LabVIEW的创建之初是为工程师提供一个便捷地编程界面和一个能与外界通信的平台。公司关于该软件的思想是“软件即仪器”：用计算机完成仪器界面构建和仪器功能的实现，配备外围的数据采集设备，构成虚拟测试系统[4]。
随着软件功能的不断更新和完善，现在的LabVIEW已经逐渐发展成为一种集成化的程序开发环境。在LabVIEW的开发环境中，不仅可以进行程序的编写，还可以将编辑好的文件（VI）生成可执行文件和安装包，在没有安装LabVIEW开发环境的计算机上运行。LabVIEW作为一种编程语言，其作用也是通过程序让计算机完成指定的任务，但它与其他计算机语言的显著区别是：LabVIEW是使用的图形化的“G语言”编写程序，产生的程序也是框图形式[5]。
功能强大的LabVIEW提供丰富的子vi可供编程者直接调用，特别对于信号处理方面，软件提供了许多实用的子VI，可以实现一系列常用的信号处理功能，如加窗、快速傅里叶变换、求信号功率谱和频谱等。LabVIEW软件可以方便的进行模块化的编程，因此我们可以利用软件的这个特点花费很少的时间来设计自己的虚拟仪器系统，并且由于模块化的编程方式系统的修改也十分方便。
人们对于数字信号的研究，基本上从时域和频域两个方面来进行。有些在时域上非常复杂的信号转换到频域之后就可能会变的非常的简单[6]。比如说在实际运用中混合了几种不同频率的正弦信号，在时域中是以一种无序的方式呈现的。但是其一旦转换到频域上之后，则是以几根简单的谱线呈现，便于人的观察和分析。因此合理的使用LabVIEW软件中各种频域分析和变换工具，对数字信号的研究有很大的帮助[7]。
本课题研究基于虚拟仪器的匹配滤波接收机设计，匹配滤波接收机的关键部件是匹配滤波器，匹配滤波器是一种在信号处理过程中常用的数字滤波器。因此在了解匹配滤波器之前我们首先要对数字滤波器要有基本了解，数字滤波器在信号处理过程中起到筛选的作用，其将信号中有用的部分保留，将无用的噪声信号屏蔽，因此它在实际的信号处理过程中是不可或缺的一部分。它是去除信号中噪声的基本手段，也因此数字滤波器在有关通信的各个行业中有广泛应用[8]。而匹配滤波器是一种最佳线性滤波器，其作为最优滤波器，依据的最优准则是抽样时刻使得输出信号的信噪比达到最大，同时还有一个前提条件：在白噪声背景下的信号接收。在这个背景下，使得信号在判决时刻信噪比最大，错误判决的概率就会降低，相应的系统的检测性能可以提高，从而实现最佳接收[9]。
匹配滤波器的最优准则实际上是依据数字信号的判决原理所得出的。数字信号的判决是在某一特定的时刻对输出信号进行抽样，然后再将抽样所得信号值和事先所设定的阈值进行比较，从而得出判决的结果[10]。因此数字的信号的判决能不能得到正确的结果并不取决于输出信号的形状和原本发送信号的相似程度，而仅仅是取决于特定时刻输出信号的信噪比，不同的信噪比会对判决结果产生很大的影响。而匹配滤波器所起到的作用就是使得这个特定的抽样时刻所抽样的信号具有最大的信噪比。
匹配滤波器是一类滤波器的统称，没有固定的传输函数。匹配滤波器的传输特性并不是在系统设计之前就能够确定的，滤波器的的传输函数是要根据所需传输的不同信号的频谱函数来确定。并且由于匹配滤波器传输的信号相较于原信号的波形，其传输的信号波形具有较大的失真，而模拟信号的判决接收一般都要和传输信号在传输前后的波形相似程度有关，因此匹配滤波器适用于数字信号接收，其优势无法发挥在模拟信号的接收。匹配滤波器所能达到的最大输出信噪比为2E/n0,E为传输信号码元的功率，n0为噪声的平均功率，由此可以看出改变信号码元的幅度或者是改变其持续的时间都会对输出信噪比带来一定的影响[11]。由于匹配滤波器提高接收效率，其成为数字通信系统的重要部件（包括数字基带和数字频带通信系统），对数字信号的接收和检测具有重要的意义[12]。
1.2 研究现状和发展趋势
上世纪80年代虚拟仪器的概念由美国国家仪器公司(NI)提出，该概念一经提出就在全世界的测量领域引起了巨大的反响。全世界的工程师都开始对这个全新的概念开始了自己的研究，因为这个虚拟仪器概念完全打破人们对于传统仪器的认知。这种仪器的产生改变了测量仪器的各种性能只能由生产厂家所定义，而用户也只能使用预先设置的功能，而利用虚拟仪器工具时，就可以打破这种限制根据需要自由的定义设计和改变仪器的功能。随着研究的不算深入和技术的不断进步，各种虚拟仪器开发平台层出不穷，但如今使用的最为广泛的虚拟仪器开发平台仍然是美国国家仪器公司所开发的LabVIEW图形化编程软件。
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