卷積碼差錯系統(tǒng)控制的仿真.doc

課 程 設 計 報 告課程設計名稱： 系 ： 學生姓名： 班 級： 學 號： 成 績： 指導教師： 開課時間： 學年 學期目 錄第一章 綜述.21.1 課程設計的目的.2 1.2 課程設計的要求與思路.3第二章 原理.4 2.1 卷積碼.5 2.2 卷積碼的維特比譯碼.6第三章 Matlab中卷積碼譯碼器的設計過程與仿真7 3.1 仿真框圖模型.7 3.2 各部分模塊參數設置.9第四章 Matlab中卷積碼譯碼器的誤碼率分析14第五章 總結.165.1心得體會.165.2參考文獻.16卷積碼差錯系統(tǒng)控制的仿真第一章 綜述本課程設計主要解決對一個卷積碼序列進行維特比(Viterbi)譯碼輸出,并通過Matlab軟件進行設計與仿真。卷積碼的譯碼有兩種方法（軟判決和硬判決），此課程設計采用硬判決的維特比譯碼。1.1課程設計的目的1、熟悉Simulink與通信仿真；2、掌握通信系統(tǒng)的構成；實現信息傳遞所需的一切技術設備和傳輸媒質的總和稱為通信系統(tǒng)。以基本的點對點通信為例，通信系統(tǒng)的組成1，如圖 1-1 所示。圖1-1 通信系統(tǒng)的的模型圖中，信源（信息源，也稱發(fā)終端）的作用是把待傳輸的消息轉換成原始電信號，如電話系統(tǒng)中電話機可看成是信源。信源輸出的信號稱為基帶信號。所謂基帶信號是指沒有經過調制（進行頻譜搬移和變換）的原始電信號，其特點是信號頻譜從零頻附近開始，具有低通形式，。根據原始電信號的特征，基帶信號可分為數字基帶信號和模擬基帶信號，相應地，信源也分為數字信源和模擬信源。 發(fā)送設備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產生的原始電信號（基帶信號）變換成適合在信道中傳輸的信號。變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調制是最常見的變換方式；對傳輸數字信號來說，發(fā)送設備又常常包含信源編碼和信道編碼等。信道是指信號傳輸的通道，可以是有線的，也可以是無線的，甚至還可以包含某些設備。圖中的噪聲源，是信道中的所有噪聲以及分散在通信系統(tǒng)中其它各處噪聲的集合。 在接收端，接收設備的功能與發(fā)送設備相反，即進行解調、譯碼、解碼等。它的任務是從帶有干擾的接收信號中恢復出相應的原始電信號來。信宿（也稱受信者或收終端）是將復原的原始電信號轉換成相應的消息，如電話機將對方傳來的電信號還原成了聲音。3、利用Matlab設計一個硬判決維特比譯碼輸出的完整電路，對一個卷積碼序列進行維特比(Viterbi)譯碼輸出，并進行誤碼率分析。卷積碼是一種向前糾錯控制編碼。它將連續(xù)的信息比特序列映射為連續(xù)的編碼器輸出符號。這種映射是高度結構化的，使得卷積碼的譯碼方法與分組碼譯碼所采用的方法完全不同。可以驗證的是在同樣復雜度情況下，卷積碼的編碼增益要大于分組碼的編碼增益。對于某個特定的應用，采用分組編碼還是采用卷積編碼哪一種更好則取決于這一應用的具體情況和進行比較時可用的技術2。譯碼是編碼的逆過程，在編碼時，每一種二進制代碼，都賦予了特定的含義，即都表示了一個確定的信號或者對象。把代碼狀態(tài)的特定含義“翻譯”出來的過程叫做譯碼，實現譯碼操作的電路稱為譯碼器。或者說，譯碼器是可以將輸入二進制代碼的狀態(tài)翻譯成輸出信號，以表示其原來含義的電路5。1.2課程設計的要求與思路1、利用子系統(tǒng)實現；2、系統(tǒng)包括信源部分、信道部分和信宿部分；3、信源部分的數據源是隨機的二進制序列，隨機的二進制序列要經過卷積編碼，經過編碼的數據要進行調制；4、信道部分對調制后的信號進行加噪；5、信宿部分完成信號的解調和維特比譯碼；6、對不同編碼方式、不同信噪比下維特比譯碼的誤比特率并畫出圖形。第二章 原理2.1卷積碼卷積碼是1955年由Elias等人提出的，是一種非常有前途的編碼方法。我們在一些資料上可以找到關于分組碼的一些介紹，分組碼的實現是將編碼信息分組單獨進行編碼，因此無論是在編碼還是譯碼的過程中不同碼組之間的碼元無關。卷積碼將k個信息比特編成n個比特，但k和n通常很小，特別適合以串行形式進行傳輸，時延小。與分組碼不同，卷積碼編碼后的n個碼元不僅與當前段的k個信息有關，還與前面的N-1段信息有關，編碼過程中互相關聯(lián)的碼元個數為nN。卷積碼的糾錯性能隨N的增加而增大，而差錯率隨N的增加而指數下降。在編碼器復雜性相同的情況下，卷積碼的性能優(yōu)于分組碼。卷積碼的譯碼方法有兩大類：一類是大數邏輯譯碼，又稱門限譯碼(硬判決)；另一種是概率譯碼(軟判決)，概率譯碼又分為維特比譯碼和序列譯碼兩種。由于可以通過將按時間移位的脈沖進行線性疊加，或者將輸入序列和編碼器的脈沖響應相卷積，來產生輸出編碼，因此這種編碼器稱為卷積編碼器。簡單圖形如圖2-1所示圖2-1卷積碼編碼器2.2卷積碼的維特比譯碼維特比譯碼是最大似然譯碼，譯碼的任務是在樹狀圖或網格圖中選擇一條路徑，計算出各支路與接收到的信息序列的距離。從中選出距離最小的一條支路作為譯碼輸出。這樣選出來的輸出序列和發(fā)送端發(fā)出的序列最為相似。譯碼的基本思想是：把已接收序列與所有可能的發(fā)送序列做比較，選擇其中碼距最小的一個序列作為發(fā)送序列。如果發(fā)送L組信息比特，那么對于(n,k)卷積碼來說，可能發(fā)送的序列有2kL個，計算機或譯碼器需存儲這些序列并進行比較，以找到碼距最小的那個序列。當傳信率和信息組數L較大時，使得譯碼器難以實現。維特比算法則對上述概率譯碼做了簡化，以至成為了一種實用化的概率算法。它并不是在網格圖上一次比較所有可能的2kL條路徑(序列)，而是接收一段，計算和比較一段，選擇一段最大似然可能的碼段，從而達到整個碼序列是一個最大似然值得序列。下面以圖2-2的(2，1，3)卷積碼編碼器所編出的碼為例，來說明維特比解碼的方法和運作過程。為了能說明解碼過程，這里給出該碼的狀態(tài)圖，如下圖2-3所示mjmj-1mj-2輸出序列m1,m2,mj,y1jy2j輸入序列00adcb110011010110圖2-2 (2,1,3)卷積碼編碼器 圖2-3 (2,1,3)卷積碼狀態(tài)圖維特比譯碼需要利用圖來說明移碼過程。根據卷積碼畫網格的方法，可以畫出該碼的網格圖，如圖2-4所示。圖中設輸入信息數目L=5，所以畫L+N=8個時間單位，圖中分別標以0至7，設編碼器從a狀態(tài)開始運作。該網格圖的每一條路徑都對應著不同的輸入信息序列。由于所有可能輸入信息序列共有2kL個，因而網格圖中所有可能的路徑也為2kL條，其中節(jié)點a=00，b=01，c=10，d=11。abcd節(jié)點號0123456700000000000000111111111111111100000101010101010101010101111110101010圖2-4 (2,1,3)卷積碼網格圖由上圖可知若設輸入編碼器的信息序列為(11011000)，則由編碼器對應輸出的序列為Y=(1101010001011100)，編碼器的狀態(tài)轉移路線為abdcbdca。若收到的序列R=(0101011001011100),對照網格圖來則可說明維特比譯碼的方法。由于該卷積碼的約束長度為6位，因此先選擇接收序列的前6位序列R1=(010101)同到達第3時刻的可能的8個碼序列(即8條路徑)進行比較，并計算出碼距。其中中到達第3時刻a點的路徑序列是(000000)和(111011)，他們與R1的距離分別為3和4；到達第3時刻b點的路徑序列是(000011)和(111000)，他們與R1的距離分別為3和4；到達第3時刻c點的路徑序列是(001110)和(110101)，他們與R1的距離分別為4和1；到達第3時刻d點的路徑序列是(001101)和(110110)，他們與R1的距離分別為2和3。上述每個節(jié)點都保留碼距較小的路徑作為幸存路徑，所以幸存路徑碼序列是(000000)、(000011)、(1101001)和(001101)。第三章 Matlab中卷積碼譯碼器的設計過程與仿真3.1 仿真框圖模型1、仿真系統(tǒng)通信模型圖3-1 仿真通信系統(tǒng)模型 其中，信源模塊對隨機二進制信號進行卷積碼和二進制相位調制，輸出基帶調制信號，信道為簡單的加性高斯白噪聲信道，調制方式為BPSK調制，信宿模塊對調制信號進行軟判決譯碼，得到原始信息序列，并且計算調制信號的誤碼率,適用于二進制對稱信道(BSC)。 2、仿真設計結構模塊框圖（1） 信源為隨機輸入的二進制碼元，信道為簡單的加性高斯白噪聲信道，調制方式為BPSK調制，譯碼方式采用了Viterbi硬判決譯碼?？傠娐穲D如3-1所示：圖3-1 總電路圖（2）信源模塊：信源模塊由伯努利二進制序列發(fā)生器、卷積碼編碼器以及二進制相位調制模塊這三個模塊組成，如圖3-2所示：圖3-2 信源部分（3） 信道模塊：使用相對較簡單的一個加性高斯白噪聲信道作為噪聲信道，它在二進制相位調制信號中疊加高斯白噪聲，如圖3-3所示： 圖3-3 信道部分（4）信宿模塊：在接收到二進制相位調制信號后，首先由BPSK Demodulator Baseband (二進制相位解調模塊)對信號進行量化，得到硬判決量化信號，然后通過Viterbi Decoder(維特比譯碼器)對軟判決信號譯碼。譯碼輸出信號和信源模塊產生的原始信號輸入到Error Rate Calculator(誤比特率統(tǒng)計模塊)中，統(tǒng)計得到的數據一方面通過Display(顯示模塊)顯示出來，另一方面通過一個Selector(選擇器)把其中的第一個元素(編碼信號的誤比特率)保存到BitErrorRate中，如圖3-4所示：圖3-4 信宿部分3.2 各部分模塊參數設置（1） Bernoulli Binary Generator伯努利發(fā)生器的參數 （2）Convolutional Encoder（卷積碼編碼器）的參數設置（3） BPSK Modulator Baseband（二進制相位調制模塊）的參數設置（4）AWGN Channel（加性高斯白噪聲模塊）的參數設置（5）Viterbi Decoder（維特比譯碼器）的參數設置（6）Error Rate Calculation（誤碼率發(fā)生器）的參數設置（7） Display（顯示輸出模塊）的參數設置（8） Selector（選擇模塊）的參數設置（9）To Workspace（工作空間模塊）的參數設置第四章 Matlab中卷積碼譯碼器的誤碼率分析文件代碼如下：x=-10:5; % y表示信號的誤比特率,它的長度與x相同 y=x; %準備一空白圖形hold off;%定義不同卷及方式時的Trellis結構A=poly2trellis(9,557 663 711),poly2trellis(7,171 133);%不同卷積方式、信噪比情況下重復運行untitledl,檢驗不同條件下硬判決譯碼的性能for j=1:2 %卷積方式分別取1/3卷積和1/2卷積 STRUCTURE=A(j); %新到的信噪比依次取x中的元素 for i=1:length(x) SNR=x(i); %運行仿真程序，誤比特率保持在工作區(qū)變量BitErrorRate中 sim(C:Documents and SettingsAdministrator桌面移動通信Untitled1.mdl); %計算BitErrorRate的均值作為本次仿真的誤比特率 y(i)=mean(YY); end %繪制x和y的關系曲線圖，縱坐標采用對數坐標 semilogy(x,y); hold on;endgrid on;執(zhí)行此代碼文件，得到的關系曲線圖，由圖4-1所示，由圖可知隨著信道信噪比的提升，維特比譯碼所得結果的誤比特率越低，信道的可信度越高，信道的誤碼率開始明顯降低。圖4-1第5章 總結5.1心得體會通過本次的移動通信課程的設計題目是卷積碼差錯控制的仿真，通過Matlab軟件以及其中的Simulink仿真進行設計與制作。首先通過本次課題的研究，在網絡和書籍查找有關本次課題的資料，然后利用Matlab軟件和Simulink仿真畫出信源、信道和信宿三部分的電路圖，同時還要再畫出一個總電路圖，其中將輸入和輸出都建立成子系統(tǒng)模式，最后將信源和信宿兩部分的電路加到總電路圖的輸入輸出中。在具體操作時，對各部件進行配置時，沒有將其與代碼中的名稱相對應，比如卷積碼編碼器、噪聲模塊和維特比譯碼器，把它們都改正之后，運行代碼出來圖，從中可知信道信噪比與譯碼器的誤比特率之間關系。這一學期的理論知識學習，加上這次課程設計，我對移動通信這門學科有了更為深刻的了解，掌握了Simulink仿真的硬件操作、軟件分析和編程技巧。對以后的實際工作的應用提供了有力的基礎?？傊挥写罅康膶嵺`才能更深層次的了解這類軟件，熟練的運用其功能。相信本次課程設計，無論是對我以后的學習，還是工作等方面都有一個很大的幫助。因此，本次課程設計我受益匪淺。5.2參考文獻1陳國通. 數字通信. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2002.42 鄧華. Matlab通信仿真及應用實例詳解. 北京：人民郵電出版社，2003.93 Rodger E.Ziemer，Roger L.Peterson 著. 尹長川，郝建軍，