现代通信原理技术第8章

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1、第8章数字信号的最佳接收　8.1匹配滤波器8.2最小差错概率接收准则　8.3确知信号的最佳接收机8.4随相信号的最佳接收机8.5最佳接收机性能比较8.6最佳基带传输系统返回主目录第8章数字信号的最佳接收　8.1匹配滤波器在数字通信系统中，滤波器是其中重要部件之一，滤波器特性的选择直接影响数字信号的恢复。在数字信号接收中，滤波器的作用有两个方面，第一是使滤波器输出有用信号成分尽可能强；第二是抑制信号带外噪声，使滤波器输出噪声成分尽可能小，减小噪声对信号判决的影响。　通常对最佳线性滤波器的设计有两种准则：一种是使滤波器输出的信号波形与发送信号波形之间的

2、均方误差最小，由此而导出的最佳线性滤波器称为维纳滤波器；另一种是使滤波器输出信噪比在某一特定时刻达到最大，由此而导出的最佳线性滤波器称为匹配滤波器。在数字通信中，匹配滤波器具有更广泛的应用。由第7章分析的数字信号解调过程我们知道，解调器中抽样判决以前各部分电路可以用一个线性滤波器来等效，接收过程等效原理图如图8-1所示。图中，s(t)为输入数字信号，信道特性为加性高斯白噪声信道，n(t)为加性高斯白噪声，H(ω)为滤波器传输函数。　由数字信号的判决原理我们知道，抽样判决器输出数据正确与否，与滤波器输出信号波形和发送信号波形之间的相似程度无关，也即与

3、滤波器输出信号波形的失真程度无关，而只取决于抽样时刻信号的瞬时功率与噪声平均功率之比，即信噪比。信噪比越大，错误判决的概率就越小；反之，信噪比越小，错误判决概率就越大。r(t)y(t)t＝t0s(t)＋H()判决S()输出Non(t)图8–1数字信号接收等效原理图因此，为了使错误判决概率尽可能小，就要选择滤波器传输特性使滤波器输出信噪比尽可能大的滤波器。当选择的滤波器传输特性使输出信噪比达到最大值时，该滤波器就称为输出信噪比最大的最佳线性滤波器。下面就来分析当滤波器具有什么样的特性时才能使输出信噪比达到最大。　分析模型如图8-1所示。设输出信噪比

4、最大的最佳线性滤波器的传输函数为H(ω),滤波器输入信号与噪声的合成波为r(t)=s(t)+n(t)式中，s(t)为输入数字信号，其频谱函数为S(ω)。n(t)为高斯n0白噪声，其双边功率谱密度为。2由于该滤波器是线性滤波器，满足线性叠加原理，因此滤波器输出也由输出信号和输出噪声两部分组成，即y(t)=s(t)+n(t)(8.1-2)oo式中输出信号的频谱函数为S(ω)，其对应的时域信号为　　o1jwt1jwtso(t)=s0(w)edws(w)H(w)edw22滤波器输出噪声的平均功率为112NP(w)dwp(w)H

5、(w)dw0n0ni221n2n200(w)H(w)dwH(w)dw224在抽样时刻t，线性滤波器输出信号的瞬时功率与噪声平0均功率之比为　　1jwt02H(w)s(w)edwr=s0(t0)2oNn200H(w)dw4由式(8.1-5)可见，滤波器输出信噪比ro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ro只与滤波器的传输函数H(ω)有关。使输出信噪比ro达到最大的传输函数H(ω)就是我们所要求的最佳滤波器的传输函数。式(8.1-5)

6、是一个泛函求极值的问题，采用施瓦兹(Schwartz)不等式可以容易地解决该问题。　施瓦兹不等式为211212X(w)Y(w)dwX(w)dwY(w)dw222式中，X(ω)和Y(ω)都是实变量ω的复函数。当且仅当X(ω)=KY*(ω)时式(8.1-6)中等式才能成立。式(8.1-7)中K为任意常数。　将施瓦兹不等式用于式(8.1-5)，并令X(ω)=H(ω)(8.1-8)Y(ω)=S(ω)ejωt(8.1-9)01jwt0可得rH(w)S(w)edwo=2n20H(w)dw412jwrt21

7、H(w)dws(w)e0dws(w)dw42n2n0H(w)dw042根据帕塞瓦尔定理有212S(w)dwS(t)dtE2式中E为输入信号的能量。代入式(8.1-10)有Er≤o2式(8.1-12)说明，线性滤波器所能给出的最大输出信噪比为2Er=(8.1-13)0maxn0根据施瓦兹不等式中等号成立的条件X(ω)=KY*(ω)，可得不等式(8.1-10)中等号成立的条件为H(ω)=KS*(ω)e-jωt0式中，K为常数，通常可选择为K=1。S*(ω)是输入信号频谱函数S(ω)的复共轭。式(

8、8.1-14)就是我们所要求的最佳线性滤波器的传输函数，该滤波器在给定时刻t能获得最大输0出信噪比2E。n0这种滤波器的传