卷積碼差錯系統(tǒng)控制的仿真.doc

課 程 設(shè) 計 報 告課程設(shè)計名稱： 系 ： 學(xué)生姓名： 班 級： 學(xué) 號： 成 績： 指導(dǎo)教師： 開課時間： 學(xué)年 學(xué)期目 錄第一章 綜述.21.1 課程設(shè)計的目的.2 1.2 課程設(shè)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(shè)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(shù)設(shè)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(jié).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(shè)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(shè)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(shè)計采用硬判決的維特比譯碼。1.1課程設(shè)計的目的1、熟悉Simulink與通信仿真；2、掌握通信系統(tǒng)的構(gòu)成；實現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)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?shù)南⑥D(zhuǎn)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(jīng)過調(diào)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(jù)原始電信號的特征，基帶信號可分為數(shù)字基帶信號和模擬基帶信號，相應(yīng)地，信源也分為數(shù)字信源和模擬信源。 發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的原始電信號（基帶信號）變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式；對傳輸數(shù)字信號來說，發(fā)送設(shè)備又常常包含信源編碼和信道編碼等。信道是指信號傳輸?shù)耐ǖ?，可以是有線的，也可以是無線的，甚至還可以包含某些設(shè)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(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反，即進行解調(diào)、譯碼、解碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中恢復(fù)出相應(yīng)的原始電信號來。信宿（也稱受信者或收終端）是將復(fù)原的原始電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)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?？梢则炞C的是在同樣復(fù)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(yīng)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(yīng)用的具體情況和進行比較時可用的技術(shù)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(xiàn)譯碼操作的電路稱為譯碼器?；蛘哒f，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(shè)計的要求與思路1、利用子系統(tǒng)實現(xiàn)；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(shù)據(jù)源是隨機的二進制序列，隨機的二進制序列要經(jīng)過卷積編碼，經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)要進行調(diào)制；4、信道部分對調(diào)制后的信號進行加噪；5、信宿部分完成信號的解調(diào)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(guān)于分組碼的一些介紹，分組碼的實現(xiàn)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(guān)。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(guān)，還與前面的N-1段信息有關(guān)，編碼過程中互相關(guān)聯(lián)的碼元個數(shù)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(shù)下降。在編碼器復(fù)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(shù)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(yīng)相卷積，來產(chǎn)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(wù)是在樹狀圖或網(wǎng)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(shù)L較大時，使得譯碼器難以實現(xiàn)。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(wǎng)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(jù)卷積碼畫網(wǎng)格的方法，可以畫出該碼的網(wǎng)格圖，如圖2-4所示。圖中設(shè)輸入信息數(shù)目L=5，所以畫L+N=8個時間單位，圖中分別標以0至7，設(shè)編碼器從a狀態(tài)開始運作。該網(wǎng)格圖的每一條路徑都對應(yīng)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(wǎng)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(wǎng)格圖由上圖可知若設(shè)輸入編碼器的信息序列為(11011000)，則由編碼器對應(yīng)輸出的序列為Y=(1101010001011100)，編碼器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移路線為abdcbdca。若收到的序列R=(0101011001011100),對照網(wǎng)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(shè)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(diào)制，輸出基帶調(diào)制信號，信道為簡單的加性高斯白噪聲信道，調(diào)制方式為BPSK調(diào)制，信宿模塊對調(diào)制信號進行軟判決譯碼，得到原始信息序列，并且計算調(diào)制信號的誤碼率,適用于二進制對稱信道(BSC)。 2、仿真設(shè)計結(jié)構(gòu)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(diào)制方式為BPSK調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)制信號后，首先由BPSK Demodulator Baseband (二進制相位解調(diào)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)設(shè)置（1） Bernoulli Binary Generator伯努利發(fā)生器的參數(shù) （2）Convolutional Encoder（卷積碼編碼器）的參數(shù)設(shè)置（3） BPSK Modulator Baseband（二進制相位調(diào)制模塊）的參數(shù)設(shè)置（4）AWGN Channel（加性高斯白噪聲模塊）的參數(shù)設(shè)置（5）Viterbi Decoder（維特比譯碼器）的參數(shù)設(shè)置（6）Error Rate Calculation（誤碼率發(fā)生器）的參數(shù)設(shè)置（7） Display（顯示輸出模塊）的參數(shù)設(shè)置（8） Selector（選擇模塊）的參數(shù)設(shè)置（9）To Workspace（工作空間模塊）的參數(shù)設(shè)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(jié)構(gòu)A=poly2trellis(9,557 663 711),poly2trellis(7,171 133);%不同卷積方式、信噪比情況下重復(fù)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(guān)系曲線圖，縱坐標采用對數(shù)坐標 semilogy(x,y); hold on;endgrid on;執(zhí)行此代碼文件，得到的關(guān)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(jié)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(jié)5.1心得體會通過本次的移動通信課程的設(shè)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(shè)計與制作。首先通過本次課題的研究，在網(wǎng)絡(luò)和書籍查找有關(guān)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(yīng)，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(guān)系。這一學(xué)期的理論知識學(xué)習(xí)，加上這次課程設(shè)計，我對移動通信這門學(xué)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(yīng)用提供了有力的基礎(chǔ)?？傊?，只有大量的實踐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(shè)計，無論是對我以后的學(xué)習(xí)，還是工作等方面都有一個很大的幫助。因此，本次課程設(shè)計我受益匪淺。5.2參考文獻1陳國通. 數(shù)字通信. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002.42 鄧華. Matlab通信仿真及應(yīng)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，