标准实验报告二脉冲成型实验.docx

电孑朝技大学实验报告学生姓名： 学号： 指导教师:一、 实验室名称：通信信号处理及传输实验室二、 实验项目名称：脉冲成型实验三、 实验原理：1、脉冲成型的理论基础在现代无线通信中，由于基带信号的频谱范围都比较宽，为了有效利用信道, 在信号传输之前，都要对信号进行频谱压缩，使其在消除码间干扰和达到最佳检 测的前提下，大大提高频带的利用率奈奎斯特是第一个解决既能克服符号间干扰又保持小的传输带宽问题的人 他发现只要把通信系统(包括发射机、信道和接收机)的整个响应设计成在接收机 端每个抽样时刻只对当前的符号有响应，而对其他符号的响应全等于零，那么符 号间干扰ISI的影响就能完全被抵消，即消除符号间干扰的奈奎斯特(Nyquist)第 1准则如图1所示图1无码间串扰示意图在理论上，Nyquist第1准则成功地解决了成形滤波器的设计问题，但是它 只给出了一个抽象的理论准则，而对于如何具体设计成形滤波器并没有一个明确 的答案由于数字技术的发展，基带信号的频谱成形可通过数字方法进行利用数字 式处理来实现频谱波形成形滤波的情况越来越广泛数字滤波具有精度高、可靠 性高、灵活性强、便于大规模集成、可以得到很高的性能指标等优点，可实现有 限冲激响应(F1R)滤波器或无限冲激响应滤波(IIR)滤波器。

FIR滤波器可做到严 格的线性相位，设计方法既有从时域出发考虑的加窗法，从频域出发考虑的频率 采样法、等波纹最佳一致逼近法，也有综合考虑频域和时域要求的最优化设计方 法(线性规划法)在实际应用中，升余弦滤波器是运用较为广泛的成形滤波器，因为它有如下 的优点：1) 满足Nyquist第1准则；2) 可以消除理想低通滤波器设计上的困难，有一平滑的过渡带；3) 通过引入滚降系数改变传输信号的成形波形，可以减小抽样定时脉冲误 差所带来的影响，即降低码间干扰升余弦滤波器的传递函数为：1 0<|f|<(l-«)/2Ts(、1 (lyll— 1 + tz / 、 | | / 、Hrc(/0= S 1 + cos (l-«)/2T5< f <(l + «)/2Ts2L I JJ0 |f|>(l + «)/2Ts其中，々是滚降因子，取值范围0到1当« = °时，升余弦滚降滤波器对 应于具有最小带宽的矩形滤波器这种滤波器的冲激响应可由对其传递函数做傅 里叶变换得到：“RC （，）=图2是升余弦滤波器的频域传递函数及时域冲激响应，其中(a)是频域传递函数H(a)), (b)是时域冲激响应h(t)a)传递函数图2升余弦滤波器的频域传递函数及时域冲激响应升余弦滚降传递函数可以通过在发射机端和接收机端使用同样的滤波器来 实现，同时在平坦衰落信道中为实现最佳性能提供了匹配滤波。

为实现滤波器的 响应，脉冲成形滤波器可以用在基带数据上，也可以使用在发射机的输出端图3就是将输入随机序列｛+1,-1｝通过0.5升余弦滤波器后的脉冲成型波形图3滚降系数0.5的升余弦脉冲成型波形不使用奈奎斯特技术来实现脉冲成形是有可能的，其中一项就是MSK调制方式的应用，与OQPSK调制方式结合的效率较高的半正弦脉冲调制通过截短 的传递函数来抑制相邻符号间的干扰由于使用更短的截短传递函数，半正弦脉 冲成形后的信号频谱相对升余弦滚降成形的信号频谱来说，主瓣较宽，旁瓣较高, 频谱效率较低2、VHDL实现脉冲成型在程序中，我们首先产生升余弦滤波器系数，再将输入数据滤波输出，即可 得到我们期望的滚将系数（0.5或0.8）的升余弦信号成型波形因此，这里重点 就是如何生成各种滚降系数的升余弦滤波器系数1）利用MATLAB生成升余弦滚降滤波器系数在MATLAB中，可以利用函数rcosine得到升余弦滤波器系数，格式如下：[NUM, DEN] = RCOSINE（Fd, Fs, TYPE_FLAG, R, DELAY）其中，Fd表示数字信号频率；Fs表示滤波器采样频率，且Fs/Fd必须是一个正 整数TYPE_FLAG表示设计的滤波器的类型，可以是，iir、，sqrt、或者它们的 组合，iir/sqrf,也可以是常规类型'normal'o R表示滚降系数，取值范围是[0,1].。

DELAY表示滤波器延迟，必须为一个正整数，DELAY/Fd可以得到以秒为单位 的滤波器延迟我们以产生0.8滚降系数的升余弦滤波器为例，Fd=l； Fs = 8； TYPE_FLAG 取“fir”，即可得到49个滤波器系数：-0.0000-0.0012-0.0036-0.0064-0.0085-0.0088-0.0068-0.00320.0000-0.0000-0.0058-0.0185-0.0361-0.0530-0.0600-0.04600.00000.08520.21080.36960.54650.72020.86710.96541.00000.96540.86710.72020.54650.36960.21080.08520.0000-0.0460-0.0600-0.0530-0.0361-0.0185-0.0058-0.00000.0000-0.0032-0.0068-0.0088-0.0085-0.0064-0.0036-0.0012 -0.0000C2）将升余弦滤波器系数转换为VHDL数组取滤波器对应的单位冲激响应正负两个第二零点之间的33个样本（9〜41, 包括左右两个0）,然后进行幅值放大（如这里调整为原始系数*100）并取为整 数，最后再转换为二进制数，就得到一个包含33个lObit的向量的数组，由此来 近似FIR形式的升余弦滚降滤波器。

constant rcosine_eighty : ps_array(32 downto 0):=(”0000000000”,”1111111111”,”1111111111”,”1111111110”,”1111111100”,”1111111010”,”1111111001”,”1111111011”,”0000000000”,"0000001000”,"0000010101”,"0000100100”,"0000110110”,"0001001000”,"0001010110”,"0001100000”,”0001100100”,”0001100000”,”0001010110”,”0001001000”,”0000110110”,”0000100100”,”0000010101”,”0000001000”,”0000000000”,"1111111011”,"1111111001”,"1111111010”,"1111111100”,"1111111110”,"1111111111”,"1111111111”,"0000000000");注：这里的二进制数为补码表示3)将信号滤波输出，即得到脉冲成型信号脉冲成形的过程，其实就是输入数据din和升余弦滚将滤波器的时域响应进 行卷积的过程。

在源代码中，合法的输入din (长度为2bit) 一共有三种：00、 01、11,分别对应的是0、-1和+1对于每一次的输入din,在经过和滤波器系数filter_coef （长度为lObit）卷积 后，都会得到一个对应的输出filter_dout （长度为10bit）o利用卷积等效于错位 相乘再累加的原理，我们对于每一次的输入，都调用函数signed_mul来得到din 和滤波器系数（ps_array ）分别相乘的结果，分别存储在33个变量 r0,rl,r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9,ra,rb,rc,rd,re,rf,rl0,rll,rl2,rl3,rl4,rl5,rl6,rl7,rl8,rl9,rla, rlb,rlc,rld,rle,rlf,r20中，为接下来将要进行的累加操作做好准备设置33个中间变量：hO, hl,h2,h3,h4,h5,h6,h7,h8,h9,ha,hb,hc,hd, he,hf,hlO,hll, hl2,hl3,hl4,hl5,hl6,hl7,hl8,hl9,hla,hlb,hlc,hld,hle,hlf,h20,进行赋值相叠累 加：hO <= rO;hl <= hO + rl;h2 <= hl + r2;h3 <= h2 4- r3;hlf <= hle+ rlf;h20 <= hlf+ r20;累加结果存储在h20中，并将其输出到filter_dout,就得到din对应通过滤波器后的 结果。

四、 实验目的：1. 理解脉冲成形工作原理，加深对奈奎斯特准则的理解2. 研究几种常用脉冲成形（半正弦、滚降系数0.5和0.8的升余弦滚降）中的 信号波形与频谱，了解基带信号的连续发送波形3. 学会观察信号频谱，分析不同脉冲成形滤波后发送信号的频谱效率4. 能够基于ISE编写并调试FPGA脉冲成型程序五、 实验内容：（1） 脉冲成型基础验证实验；观察不同滚降系数的脉冲成型信号的时域波 形及频谱；（2） 基于FPGA完成滚降系数a =0.25的升余弦滤波器对BPSK信号进行 基带调制六、 实验器材（设备、元器件）：计算机、软件无线电实验箱、信号发生器、示波器、FPGA仿真器、+5V 电源七、 实验步骤及实验数据结果分析：1.脉冲成型基础实验通过实验平台的菜单窗口提示，利用键盘选择菜单内容，逐级进入该实验操 作界面，根据操作步骤的提示，利用示波器在指定接口进行输出信号波形观察 具体步骤如下：检查实验平台左上方和右下方的Power Switch是否处于关闭（OFF）状态；检查实验平台的电源线是否连接正确，若连接正确，实验平台右下方的 Power Ready指示灯会亮起；将实验平台左上方的Power Switch置为开启（ON）状态，实验系统进入启 动状态，观察实验平台中部的显示屏直至进入“高级软件无线电教学系统”；按下“确认（回车）”键进入系统实验列表；选择“1”按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至进 入基础实验列表；选择“1”进入脉冲成形实验列表；在选择具体实验的项目之后按“确认（回车）”，进入脉冲成形仿真实验窗口；（1）半正弦脉冲成形选择“1”进入半正弦脉冲成形仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面 的提示进行后续操作，将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波 器观察输出波形和频谱。

根据示波器上产生波形的频谱图，观察并记录该发送波形的频谱特征:主瓣过零点带宽(dB)主瓣与第一旁瓣增益差(dB)第一旁瓣带宽(dB)1500KHZ25dBlOOOKHz(2)滚降系数a = 0.5的升余弦滚降CH1^566rri\T^CH2 500mV M 2.50jus15-Mar-10 16:^18SAVE.REC新乍存图像格式关于存图像选择文件夹储存TEKOOOO.JPGCH1 Z 5S9mVlek JL □ T时d Pos: 2.500MHz SAVE REC— 动彳乍存图像选择“2”进入滚降系数a = 0.5的升余弦滚降脉冲成形仿真实验窗，按照软 件无线电实验平台界面的提示进行后续操作，将示波器分别观测实验平台TXI 。