赵丽丽 090405025

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 通信综合设计通信综合设计 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 信道编码中卷积码编码器的设计信道编码中卷积码编码器的设计 院（系）：院（系）： 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 专业班级：专业班级： 通信通信 091091 学学 号：号： 090405025090405025 学生姓名：学生姓名： 赵丽丽赵丽丽 指导教师：指导教师： 杨恭威杨恭威 教师职称：教师职称： 讲师讲师 起止时间：起止时间：2012.12.282012.12.282013.1.112013.1.11 通信综合设计（论文）任务及评语通信综合设计（论文）任务及评语 院（系）

2、：电子与信息工程学院 教研室：通信教研室 学 号 090405025 学生姓名赵丽丽专业班级通信 091 课程设计 （论 文） 题 目 信道编码中卷积码编码器的设计 课程设计（论文）任务 设计要求： 1. 理解并掌握卷积码编码器工作原理及其在信道编码中的应用； 2. 实现卷积码编码器的仿真设计； 3. 完成本次设计，填写设计指导书。 报告要求： 1. 总体设计结构及论证。 2. 算法设计及参数计算。 3. 软件编译调试。 指导教师评语及成绩 平时成绩（20%）： 作品成绩（20%）： 论文成绩（30%）： 学生签字： 答辩成绩（30%）： 指导教师签字： 总成绩 ： 年 月 日 辽 宁 工 业

3、 大 学 课 程 设 计 （ 论 文 ） 目录 第 1 章 设计目的和意义 .1 第 2 章 设计原理 .2 2.1 设计方法.2 2.2 卷积码基本概念.2 2.3 卷积码的结构.2 2.4 卷积码的图解表示.3 2.4.1 卷积码编码器原理图.3 2.4.2 卷积码的网格图.4 2.5 卷积码的解析表示.4 第章 SIMULINK 下仿真设计.6 .卷积码的仿真.6 . SIMULINK 仿真模块的参数设置及意义.6 总结 .12 参考文献 .13 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 （ 论 文 ） 1 第 1 章 设计目的和意义 卷积码是一种向前纠错控制编码。它将连续的信息比特序列映

4、射为连续的编码器输 出符号。这种映射是高度结构化的，使得卷积码的译码方法与分组码译码所采用的方法 完全不同。可以验证的是在同样复杂度情况下，卷积码的编码增益要大于分组码的编码 增益。对于某个特定的应用，采用分组编码还是采用卷积编码哪一种更好则取决于这一 应用的具体情况和进行比较时可用的技术。 因为信道中信号不可避免会受到干扰而出错。为实现可靠性通信，主要有两种途径: 一种是增加发送信号的功率，提高接收端的信号噪声比;另一种是采用编码的方法对信道 差错进行控制。前者常常受条件限制，不是所有情况都能采用。而编码理论可以解决这 个问题，使得成本降低，实用性增强。 按照信息码元和附加监督码元之间的检验

5、关系可分为分组码和卷积码。在分组码中, 编码后的码元序列每 n 位分为一组, 其中 k 个是信息码元, ;个是附加的监督码元, r 二 n 一 k , 其监督码元仅与本码组的信息码元有关, 而与其它码组的信息码元无关。卷 积码则不然, 虽然编码后序列也划分为码组, 但监督码元不但与本组信息码元有关, 而 且与前面(N -l) 段码组的信息码元也有约束关系。随着 N 的增加, 卷积码的纠错能力随 之增强, 误码率呈指数下降。正是由于卷积码在编码过程中, 充分利用了各组之间的相 关性, 无论是从理论上还是实际上均已证明其性能要优于分组码, 因此它在通信领域中 的应用越来越多。本文介绍了卷积码的基本

6、原理, 并以(2,1,N )卷积编码电路为例, 探 讨采用 V H D L 语言设计卷积码编码器的方法。该方法具有设计简单、快速、高效和实 时性好等特点。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 （ 论 文 ） 2 第 2 章 设计原理 2.1 设计方法 本文在分析卷积码编译码器原理的基础上，通过基于 MATLAB 的 SIMULINK 下的模块对 卷积编码，解码进行仿真。通过仿真可以更清楚的认识到卷积码的编码，解码的各个环 节，并对仿真结果进行了分析。 2.2 卷积码基本概念 卷积码是一种性能优越的信道编码。(n ,k ,N) 表示把 k 个信息比特编成 n 个比特， N 为编码约束长度,说

7、明编码过程中互相约束的码段个数。卷积码编码后的 n 个码元不仅 与当前组的 k 个信息比特有关,而且与前 N - 1 个输入组的信息比特有关6。编码过程 中相互关联的码元有 N n 个。R = k/ n 是卷积码的码率,码率和约束长度是衡量卷积 码的两个重要参数。 卷积码的编码描述方式有很多种：冲激响应描述法、生成矩阵描述法、多项式乘积描 述法、状态图描述，树图描述，网格图描述等。卷积码的纠错能力随着 N 的增加而增大， 而差错率随着 N 的增加而指数下降。在编码器复杂性相同的情况下，卷积码的性能优于 分组码。分组码的译码算法可以由其代数特性得到。卷积码虽然可以采用适用于分组码 的门限译码(即

8、大数逻辑译码)，但性能不如维特比译码和序列译码 2.3 卷积码的结构 图 2.1 卷积码的编码器 卷积码的编码器一般都比较简单。上图 2.1 是一般情况下的卷积码编码器框图。它包 括：一个由 N 段组成的输入移位寄存器，每段有 k 级，共 Nk 位寄存器；一组 n 个模 2 和 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 （ 论 文 ） 3 相加器；一个由 n 级组成的输出移位寄存器。对应于每段 k 个比特的输入序列，输出 n 个比特。由图可知，n 个输出比特不但与当前 k 个比特的输入比特有关，而且与以前的 （N-1）k 个输入信息有关。整个编码过程可以看成是输入信息序列与由移位寄存器和模 2

9、加法器的连接方式所决定的另一个序列的卷积，卷积码由此得名。 图 2.2 卷积编码器 如图 2.2 是卷积码（3，2，2）卷积编码器的一个框图。左边是信息的输入。下面分 别是系统位输出和校验位输出。其中间是四个移位寄存器和三个模 2 加法器。简单的说 就是信息位经过移位寄存器和一个模 2 加法器产生一个系统位和校验位加在一起输出。 可以看出：每输入一个比特，移位寄存器中就向右移动一个位子。原来的第四个寄存器 就被移出。可见卷积编码不只与现在的输入比特有关还与前面的 1 个比特有关。在这里， 其中约束长度是 N=2，k=2 ，n=3 所以码率 R=k/n=2/3。 2.4 卷积码的图解表示 2.4

10、.1 卷积码编码器原理图 卷积码的编码器是一个有K个输入端，n个输出端而且具有N节移位寄存器的有限状态 的记忆系统，在任意给定的时间单元处，编码器的n个输出不仅与此时间单元的k个输入 有关，而且与前N-1个输入也有关，通常卷积码表示为：（n,k,N） ，卷积码的编码描述方 法有5种：冲激响应描述法、生成矩阵描述法、多项式乘积描述法、状态图描述法和网格 图描述法。图2.3示出了（2，1，3）最佳码卷积码编码器的电路原理图。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 （ 论 文 ） 4 C1 b b1b2b3 c C2 图2.3 最佳码卷积码编码器的电路原理图 2.4.2 卷积码的网格图 如下图2.

11、4是（3，2，2）卷积编码的网格图 图 2.4 （3，2，2）卷积编码的网格图 2.5 卷积码的解析表示 除上述图解表示方法外，常常还用解析表示方法描述卷积码，即延时算子多项式。 在延时算子多项式表示中，编码器中的移位寄存器与模2加法器的连接关系以及输入、输 出序列都表示为延时算子D的多项式。在一般情况下，输入序列可表示为： （2-1）.M(D) 2 321 DmDmm a b c d 节点号 01234567 00000000000000 1111111111 11 1111 0000 01 01010101 010101 010101 1111 10101010 M1M2 辽 宁 工 业

12、大 学 课 程 设 计 （ 论 文 ） 5 变量D的幂的次数等于相对于时间起点的单位延时数目，时间起点通常选在第1个输 出比特，ml,m2,m3,m.为输入比特的二进制表示(1或0)。用D算子多项式表示移位寄存 器各级与各模2项连接关系时。若某级寄存器与某模2和相连，则多项式中相应项的系数 为1，否则为0(表示无连接)。 通常把表示移位寄存器与模2和连接关系的多项式称为生成多项式，因为由它们可以 用多项式相乘计算出输出序列。卷积码的图解与解析表示方法各有特点。用延时算子多 项式表示卷积码编码器的生成多项式最为方便。网格图对于分析卷积码的译码算法十分 有用。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设

13、计 （ 论 文 ） 6 第章 SIMULINK 下仿真设计 .1 卷积码的仿真 图.1 卷积码的编码译码框图 如上图.1 的信号流程可以表示为先由 Bernoulli Binary Generator（贝努利二进 制序列产生器）产生一个 0，1 等概序列，经过 Convolutional Encoder（卷积编码器） 对输入的二进制序列进行卷积编码，并用 BPSK 调制方式调制信号。加入信道噪声（高斯 白噪声）后再经过 BPSK 解调制后送入 Viterbi Decoder（Viterbi 译码器）进行硬判决 译码。最后经过 Error Rate Calculation（误码统计）后由 Dis

14、play（显示）输出。然 后通过 Selector（数据选通器）将结果输出到 To workspace（工作区间） 。 .2 SIMULINK 仿真模块的参数设置及意义 在建立如图.1 的仿真模块后，对各个模块分别一一进行设置后并运行仿真。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 （ 论 文 ） 7 图.2 贝努利二进制序列产生器模块的设置框图 如上图.2 是贝努利二进制序列产生器模块的设置框图，其中参数有三项：第一项 probability of a zero 取值为 0.5，表示 0 和 1 出现的概率相等。Initial seed 表示 随机种子数。不同的随机种子数将产生不同的二进制序列

15、，特定的随机种子数可以产生 一个特定的二进制序列。Sample time=0.0001 表示抽样时间，也就是说输出序列中每个 二进制符号的持续时间是 0.0001 秒。Samples per frame 表示每帧的抽样数用来确定每 帧的抽样点的数目。Output date type 是用来确定帧的输出格式。 (1,1)连接情况是第一、第四和第一个相连所以用向量表示为10011用八进制 23(1,2)=11,101=35;(1,3)=0000=0;(2,1)=0000=0;(2,2)=0,101=05; (2,3)=1,011=13，最后得到 23,35,0;0,05,13。 图.3 Poly2

16、trellis 函数的参数计算 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 （ 论 文 ） 8 图 4.4 卷积编码器模块的设置框图 如上图.4 是卷积编码器模块的设置框图。其中 Trellis structure（ Trellis 结 构）中通过 poly2trellis()函数把卷积码的约束长度，生成多项式以及反馈多项式转换 成 Trellis 结构的形式。 图.5 BPSK 调制器模块的设置框图 如上图.5 是 BPSK 调制器模块的设置框图。Phase offset(rad)（相位偏移） ，这里 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 （ 论 文 ） 9 设置为 0。 图.6 误比特统计模

17、块的设置框图 如上图.6 是误比特统计模块的设置框图。其中 Receive delay 表示接收延迟，意 思是在通信接收端口需要对接收到的信号进行解调，解码或解交织而带来一定的延迟， 使得到达误码统计模块接收端的信号滞后于发送端的信号。为了补偿这种延迟这里设置 为 0。Computation delay 表示计算延迟，在仿真过程中，有时间需要忽略最初的若干个 输入数据就通过计算延迟来实现。这里设置为 0。Computation mode 表示计算模式，帧 的计算模式(Entire frame)，误码统计模块对发送端和接收端的所有输入数据进行统计。 output data 是输出数据，这里设置为

18、 Port 的意思是表示把统计数据从端口中输出。 workspace 表示把统计数据输出到工作区。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 （ 论 文 ） 10 图.7 数据选通器模块的设置框图 如上图.7 是数据选通器模块的设置框图。Input port width 表示输入端口的个数 为 3。 图.8 卷积码译码器模块的设置框图 如上图.8 是卷积码译码器模块的设置框图。Trellis structure: Trellis 结构 （前面已说明） 。Decision type 是指判决类型，有 3 种：（1）Unquantized（非量化） 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 （ 论 文

19、 ） 11 （2）Hard Decision（硬判决） ， （3）Soft Decision（软判决） Traceback depth 表示 反馈深度。它的值会影响译码精度和解码延迟。Operation mode 是指操作模式。在 Truncated 模式下，解码器在每帧数据结束的时候总能恢复到全 0 状态，它与卷积编码器 的 on each frame 复位方式相对应。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 （ 论 文 ） 12 总结 此课程设计对整个通信系统包含的编码、传输和译码都进行了设计与仿真，从这些 过程中我们看到了通信系统的基本工作原理。通过整个卷积码系统的设计与仿真，使我 们加

20、深了对卷积码的理解，掌握维特比译码的基本思路，知道如何进行误码率分析从而 选者合适的信道传输信号，更重要的是学会了使用 Matlab 作为学习工具来对我们的通信 系统进行设计和仿真等操作，这对我们以后的学习和工作有着重要意义。 对于这个课题。刚拿到手的时候觉得真是无从下手。以前没有接触到，不知道从哪 里开始。还好最后在通信原理这本书上找到了相关知识的介绍。我又通过在互联网 上查找资料和向老师请教咨询，总算把此次设计完成了。尤其是杨老师的指导，让我少 走了不少弯路。设计中要用到的 Simulink 仿真软件，我接触的不多，借助于相关资料， 通过自己的努力和老师的帮助，最终掌握了仿真的基本方法。理论方面，在深入了解了 SIMULINK 模块仿真方面的应用，对卷积码编码译码有了一个系统的认识。经过很多次的 尝试我终于完成了这次课程设计。 这次课程设计我了解了很多课本中没有的东西。包括 一些软件的使用，运行，模块的数据调试。我获益良多，我会继续努力，学习更多的知 识。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 （ 论 文 ） 13 参考文献 1 Bernard Sklar,徐平平,宋铁成.数字通信