差错控制系统地性能分析报告

1、课程设计报告课程名称:移动通信设计题目名称：过失控制系统的性能分析学院：信息工程学院学生姓名：班级：学号：成绩：指导教师：开课时间：20152016 学年第 二 学期目录1、课程设计目的 32、设计任务书33、进度安排54、具体要求65、根本原理65.1卷积码编码与译码原理65.1.1 卷积码的编码原理 6卷积码的译码原理75.2分组码循环码编码与译码原理105.2.1 循环码编码原理10116、Simuli nk 单元模块设计 136.1卷积码的过失控制系统仿真模型13总体设计框图13信源子系统146.1.3 信道 166.1.4 信宿子系统17卷积码的过失控制系统M文件20运行结果226.

2、2分组码的过失控制系统仿真模型236.2.1 总体设计框图23信源子系统236.2.3 信道 25信宿子系统266.2.5 分组码的过失控制系统M文件29297、 运行程序过程中产生的问题与采取的措施308、心得体会309、参考文献301、课程设计目的移动通信也是一门实践性非常强的课程，实验教学在整个课程的教学中占据了非 常重要的地位。在学生学习了现代通信原理、数字信号处理DSP技术等课程后，学生已经具有了一定的理论根底和实验技能， 在此根底上本实验课程开设的 主要作用和目的在于：1. 帮助学生更好地理解移动通信系统，掌握各种移动通信系统的模型2. 帮助学生熟悉常用的通信系统仿真平台， 学习仿

3、真模型的设计，掌握 通信系统的仿真方法，学会利用仿真软件对系统性能进展评价；2、设计任务书题 目过失控制系统的性能分析课程设计目的移动通信也是一门实践性非常强的课程，实验教学在整个课程的教学中 占据了非常重要的地位。在学生学习了现代通信原理、数字信号处理DSF技术等课程后，学生已经具有了一定的理论根底和实验技能，在此根底上 本实验课程开设的主要作用和目的在于：1. 帮助学生更好地理解移动通信系统，掌握各种移动通信系统的模型2. 帮助学生熟悉常用的通信系统仿真平台，学习仿真模型的设计，掌握 通信系统的仿真方法，学会利用仿真软件对系统性能进展评价；课 程 设 计 的 主 要 内 容课程设计的主要内

4、容：应用MATLAB/SIMULIN设计出基于分组码的过失控制系统仿真模型和基于 卷积码的过失控制系统仿真模型，并通过 MATLAB寸系统进展性能仿真分析。 课程设计的要求：1、运用SIMULINK建立基于分组码的过失控制系统仿真模型1、该模型包括信源局部、信道局部和信宿局部，2、 信源局部的数据源是随机的二进制序列。（子系统实现）3、信道局部采用二进制对称信道。4、信宿局部用子系统实现。5调通链路，能够按照要某某现各项根本功能。6运用MATLAB®写M文件，绘制出信道比特率与编码信号误比特率之间 的关系曲线图进展分析。2、运用SIMULINK建立基于卷积码的过失控制系统仿真模型和要

5、求戸声伟信 疗 噪(同 丨 如 白。不 篇 丄伽 心 8 ，机现y齐L马 形 于 部随实働川躺编波 少 局，廐和wt心册 真 不 宿列系维Q不 仿 , L JL O 月卞 一 1M'<啣亦卅幺，展时4#烛 机硏rnnp调某n,<!; 裁沈油 F湘gifs解要文計 文 参与文 、随S®勺勺召八M戋 意；埒结考 £佶毙議！lst wW伽妳调成能刪冷和仲本云调汁 SC似的对完 U的要托牝±fe时 M呦码部部路AT率的如祁出皿彳 觎茄轴局局链M仪告恃阪m闵 生W丈道宀百通艮程系设析献 樓«去言言周>吴丹课的的分文 该信经彳彳i运仏如次真

6、细出考 们2码羽引础阳本仿详给参 rL rL 出冊 7/| 7/| 7/| rL p 、 、 、 、 、 练 谄调1 2 3 4 5课程设计的工作进度安排号容 内天 rL 间 时11223试 调14告 果 验15计 合5成绩评定方法夫 亠 匚 O >0州结 的 无55现 应 ;11实 相 半 U 的 出 或 至 乂、 口 旷 只 乡 纟 绩力最 量 成虛与 质 时“程 的 平 过 告 , 为 计 报 次附设 交 一鳩的 提 课则际 照 旷灯实 按 :皿： 成 绩奸绩 告 : 平分 i i 定 O 评 为 。 绩 绩 绩 e成 成主要参考书教研室意见年 签 任 主 室 研 教月日系 部 意

7、 见签任主系日 月年3、进度安排星期一学习和熟悉仿真软件Matlab/Simulink星期二系统的总体设计与各模块设计星期三系统的总体设计与各模块设计星期四总体系统仿真、调试星期五验收设计成果与上交设计报告电子稿和打印稿)4、具体要求4.1运用SIMULINK建立基于分组码的过失控制系统仿真模型1该模型包括信源局部、信道局部和信宿局部，2信源局部的数据源是随机的二进制序列。（子系统实现）3信道局部采用二进制对称信道。4信宿局部用子系统实现。5调通链路，能够按照要某某现各项根本功能。4.2运用SIMULINK建立基于卷积码的过失控制系统仿真模型1该模型包括信源局部、信道局部和信宿局部，2信源局部

8、的数据源是随机的二进制序列，随机的二进制序列要经过卷 积编码，经过编码的数据要进展调制。（子系统实现）3信道局部对调制后的信号进展加噪，采用加性高斯白噪声。4信宿局部完成信号的解调和译码维特比译码。（子系统实现）5调通链路，能够按照要某某现各项根本功能。6运用MATLA编写M文件，绘制出不同编码方式、不同信噪比下维特比 译码的误比特率的关系曲线图进展分析。5、根本原理 5.1卷积码编码与译码原理 卷积码的编码原理卷积码，又称连环码，是由伊莱亚斯（P.elias）于1955年提出来的一种非分 组码。积码将k个信息比特编成n个比特，但k和n通常很小，特别适合以串行 形式进展传输，时延小。卷积码是在

9、一个滑动的数据比特序列上进展模 2和操作, 从而生成一个比特码流。卷积码和分组码的根本区别在于，它不是把信息序列分 组后再进展单独编码，而是由连续输入的信息序列得到连续输出的已编码序列。 卷积码具有误码纠错的能力，首先被引入卫星和太空的通信中。NAS/标准2,1, 6卷积码生成多项式为：gi(D) 1 D D3 D4 D6 g2(D) 1 D3 D4 D5 D6其卷积编码器为：图5-1-1 K=7，码率为1/2的卷积码编码器卷积码的译码原理维特比译码，采用概率译码的根本思想是：把已接收序列与所有可能的发送 序列做比拟，选择其中码距最小的一个序列作为发送序列。 如果接收到L组信息 比特，每个符号

10、包括v个比特。接收到的Lv比特序列与2l条路径进展比拟，汉 明距离最近的那一条路径被选择为最有可能被传输的路劲。当L较大时，使得译码器难以实现。维特比算法如此对上述概率译码做了简化，以至成为了一种实用 化的概率算法。它并不是在网格图上一次比拟所有可能的2条路径(序列)，而是接收一段，计算和比拟一段，选择一段最大似然可能的码段， 从而达到整个码 序列是一个最大似然值得序列。下面以图5-1-2的(2，1, 3)卷积码编码器所编出的码为例，来说明维特比 解码的方法和运作过程。为了能说明解码过程，这里给出该码的状态图，如图mjmj-1mj-2图5-1-2 (2,1,3)卷积码编码器图5-1-3 (2,

11、1,3)卷积码状态图维特比译码需要利用图来说明移码过程。根据卷积码画网格的方法，我们可以画出该码的网格图，如图5-1-4所示。该图设接收到的序列长度为 8,所以画 8个时间单位，图中分别标以0至7。这里设编码器从a状态开始运作。该网格 图的每一条路径都对应着不同的输入信息序列。由于所有可能输入信息序列共有2kL个，因而网格图中所有可能的路径也为2l条。这里节点a=00, b=10, c=01,d=11。节点号001236457000000000000、11、115丿、11、111111111110010r001001010100/100101图5-1-4 (2,1,3) 卷积码网格图首先选择接

12、收序列的前6位序列R=(010101)同到达第3时刻的可能的8个 码序列(即8条路径)进展比拟，并计算出码距。该例中到达第3时刻a点的路径 序列是(000000)和(111011)，他们与R1的距离分别为3和4；到达第3时刻b点 的路径序列是(000011 )和(111000)，他们与R的距离分别为3和4；到达第3时 刻c点的路径序列是(001110)和(110101)，他们与R1的距离分别为4和1；到达第3时刻d点的路径序列是(001101)和(110110)，他们与R的距离分别为2和3 上述每个节点都保存码距较小的路径作为幸存路径，所以幸存路径码序列是(000000)、(000011)、(

13、1101001)和(001101)，如图 5-2-5 所示。用于上面类似 的方法可以得到第4、5、6、7时刻的幸存路径。节点号 012300图5-1-5维特比译码第3时刻幸存路径需要指出的是，对于某个节点，如果比拟两条路径与接收序列的累计码距值相等时，如此可以任意选者一条路径作为幸存路径， 此时不会影响最终的译码结 果。在码的终了时刻a状态，得到一条幸存路径。如果5-1-6所示。由此可看到 译码器节点号 01234567800图5-1-6 第8时刻幸存路径输出是R'和R序列，可以看到在译码过程中已纠正了在码序列第 1和第7位上的过失。当然-+/+-如果过失出现太频繁，以致超出卷积码的纠

14、错能力，还 是会发生纠误的。5.2分组码循环码编码与译码原理循环码是线性分组码的一种，所以它具有线性分组码的一般特性，此外还具 有循环性。循环码的编码和解码设备都不太复杂， 且检(纠)错能力强。它不但可 以检测随机的错误，还可以检错突发的错误。 n,k循环码可以检测长为 n-k或更短的任何突发错误，包括首尾相接突发错误。循环码是一种无权码，循环码编排的特点是相邻两个数码之间符合卡诺图中 的邻接条件，即相邻两个数码之间只有一位码元不同，码元就是组成数码的单元。 符合这个特点的有多种方案，但循环码只能是表中的那种。循环码的优点是没有 瞬时错误，因为在数码变换过程中，在速度上会有快有慢，中间经过其它

15、一些数 码形式，称它们为瞬时错误。这在某些数字系统中是不允许的， 为此希望相邻两个数码之间仅有一位码元不同，即满足邻接条件，这样就不会产生瞬时错误。循环码就是这样一种编码，它可以在卡诺图中依次循环得到。循环码又称格雷码循环码中任Grey Code。循环码最大的特点就是码字的循环特性， 所谓循环特性是指:许用码组经过循环移位后，所得到的码组仍然是许用码组。假如|为一循环码组,如此.口0、6还是许用码组。也就是说，不论是左移还是右移，也不论移多少位，仍然是许用的循环码组循环码编码原理(1) 有信息码构成信息多项式m(x)= mkixk1 +m0其中高幕次为k-1;用xn k乘以信息多项式m(x)，

16、得到的xn k m(x)最高幕次为n-1,该过程相当于把信息吗mk 1， mk 2，mi， m。移位到了码字德前k个信息位，其后是r个全为零的监视位；用g(x)除x" k m(x)得到余式r(x),其次数必小于g(x)的次数，即小于n-k,将此r(x)加于信息位后做监视位，即将r(x)于x" k m(x)相加，得 到的多项式必为一码多项式。纠错码的译码是该编码能否得到实际应用的关键所在。译码器往往比 编码较难实现，对于纠错能力强的纠错码更复杂。根据不同的纠错或检错 目的，循环码译码器可分为用于纠错目的和用于检错目的的循环码译码器。通常，将接收到的循环码组进展除法运算，如果除

17、尽，如此说明正确 传输；如果未除尽，如此在存放器中的内容就是错误图样，根据错误图样 可以确定一种逻辑，来确定过失的位置，从而达到纠错的目的。用于纠错 目的的循环码的译码算法比拟复杂，感兴趣的话可以参考一些参考书。而 用于检错目的循环码，一般使用ARQ通信方式。检测过程也是将承受到的码组进展除法运算，如果除尽，如此说明传输无误；如果未除尽，如此明 确传输出现过失，要求发送端重发。用于这种目的的循环码经常被成为循 环冗余校验码，即 CRC校验码。CRC校验码由于编码电路、检错电路简单且 易于实现，因此得到广泛的应用。在通过MODEMS输文件的协议如 ZMODE、XMODE协议中均用到了 CRC校验

18、技术。在磁盘、光盘介质存储技术中也使 用该方法。在SystemView中没有提供专用的 CRC循环冗余校验码编码器，读者可 根据有关参考书设计一个相应的仿真电路。如果不想亲自动手设计，可以 在CDMA IS95丨中找到一个现成的专用的CRC编码器和译码器。该图符FrameQ是的接入信道的数据帧品质指示编码器，其中使用了多种不同 比特率的数据模型，通过CRC校验来判断接入信道的质量好坏。其中规定每一帧的长度为 20ms的数据。一个典型 IS-95-A标准规定的9600信道的 CRC测试码的长度为192比特，其某某息位 172位、校验位12比特、尾部 全零8比特。感兴趣的读者可以参加一个速率为86

19、0bps 192bit/0.2ms =860的PN数据，然后观察经过 CRC编码后的波形。并可用对应的译码器 译码观察输出波形是否与输入的PN码一致。当码字c通过噪声信道传送时，会受到干扰而产生错误。如果信道产生的错 误图样是e,译码器收到的n重承受矢量是y,如此表示为：y=c+e 13上式也可以写成多项式形式：y(x)=c(x)+e(x) 14译码器的任务就是从y(x)中得到e(x)，然后求的估值码字c(x) = y(x)+ e(x)15并从中得到信息组 m(x) °循环码译码可按以下三个步骤进展：1有接收到的y(x)计算伴随式s(x);2根据伴随式s(x)找出对应的估值错误图样e

20、(x)；3计算 c(x) = y(x)+ e(x)，得到估计码字 c(x)。假如 c(x) =c(x), 如此译码正确，否如此，假如 c(x) c(x)，如此译码错误。由于g(x)的次数为n - k 次，g(x)除E(x)后得余式即伴随式的最 高次数为n-k-1次，故S(x)共有2n-k个可能的表达式，每一个表达式对应一个 错误格式。可以知道(7,4丨循环码的S(x)共有2(7-4) = 8个可能的表达式，可根 据错误图样表来纠正(7,4循环码中的一位错误，其伴随式如表所示。BCH7, 4循环码错误图样表:错误图样错误图样码字伴随式S(x)伴随式E6(x)=x61000000x2100E5(x

21、)=x50100000x2+x110E4(x)=x40010000x2+x+1111E3(x)=x30001000x+1011E2(x)=x20000100x2+1101E1(x)=x10000010x010E0(x)=x000000011001E(x)=000000000000BCH7, 4循环码错误图样表上式指出了系统循环码的译码方法：将收到的码字R(x)用g(x)去除，如果除尽如此无错；否如此有错。如果有错，可由余式S(x)找出对应图样，然后将错误图样E(x)与F(x)模2和，即为所求码字qx)，从而实现纠错目的。根据前面的讨论，可得7, 4循环码译码的程序框图如图5-1-2所示图5-2

22、-2译码程序框图6 Simuli nk单元模块设计6.1卷积码的过失控制系统仿真模型总体设计框图卷积码的过失控制系统由信源子模块，信道和信宿子模块组成，信源子模块发出随机二进制信号，经过卷积编码后经过加性高斯白噪声信道，传到信宿模块, 信宿模块完成解码并计算误码率的功能。总体设计框图如图6-1-1所示。SubsystemChan ng ISubsyytnul图6-1-1总体设计框图信源子系统信源模块由伯努利二进制序列发生器、卷积码编码器以与二进制相位调制模 块组成，伯努利二进制序列发生器产生的随机二进制序列经过卷积编码器编码以 与二进制相位调制后送入信道，二未经过调制的信号直接送入信宿。电路图

23、如图6-1-2所示。图6-1-2信源子系统模块各局部参数设置如如下图1Bernoulli Bin ary Gen erator伯努利发生器的参数设置Block Para>eter3- Bernoull1 Binary Generalot区ISeinoiilli Blnarp Cenerator hk_£J0i (link)&enera.t e % B-ernjoil 1 i random tins ry nwiber.Ta eene rats q vector out jut, specify the piobbi 1 it7 皇£ 我 vector.-Par

24、ametersProbabi1ity of 鱼 zeroiInitial seed.:25T00Sanp 1 e t ime:CL 001M Jr&mQtpusSamplE :p电e fiama:|1M)O厂 Iniecrret vector ugrr诡L_Danc«l罰吁I2Convolutional Encoder卷积码编码器的参数设置3BPSK Modulator Baseband二进制相位调制模块的参数设置信道信道是加性高斯白噪声信道，用于对传输的信号添加加性高斯白噪声。 信道 设计如图6-1-3所示。Al-VGM图6-1-3信道模块参数设置如如下图1AWGN Cha

25、nne加性高斯白噪声模块信宿子系统信宿模块由二进制相位解调模块、维特比译码、误比特率统计模块器、数值 显示模块、选择器组成。在接收到二进制相位调制信号后，首先由BPSKDemodulator Baseband （二进制相位解调模块）对信号进展量化，得到硬判决量 化信号，然后通过Viterbi Decoder（维特比译码器）对软判决信号译码。译码输 出信号和信源模块产生的原始信号输入到Error Rate Calculator误比特率统计模块）中，统计得到的数据一方面通过Display（显示模块）显示出来，另一方面通过一个Selector（选择器）把其中的第一个元素（编码信号的误比特率）保存 到

26、BitErrorRate 中。电路图如图6-1-4所示。图6-1-4信宿子系统模块各局部参数设置如如下图(1)DPSK Demodulator Baseba nd 二进制相位解调器(2)Viterbi Decoder维特比译码器Block Para*eters: Viterbi Decoder? |XVi terbi Decoder (mask) (lini)Uses the Vi terbi Ecri tKn to de code coavoLutiomal lr encodedUse the poliZtrellis function to create 鶴 lis： ilsliie ti

27、tE constraint 1 engco 日亡 jene rat-or (octal) a ltd feedback comectioitParametersTrl lis. atrncture :厂"R吕奁电t InpiAtOKCancelError Rate Calculatio n误比特率统计模块器Display 显示输出模块Selector选择模块(6)To Workspace工作空间模块卷积码的过失控制系统M文件x=-10:5;%y表示信号的误比特率，它的长度与x 一样y=x；%准备一空白图形hold off;%定义不同卷与方式时的Trellis 结构A=poly2tre

28、llis(9,557 663 711),poly2trellis(7,171 133);%不同卷积方式、信噪比情况下重复运行untitledl,检验不同条件下硬判决译码的性能for j=1:2%卷积方式分别取1/3卷积和1/2卷积STRUCTURE=A(j);%新到的信噪比依次取x中的元素for i=1:le ngth(x)SNR=x(i);%运行仿真程序，误比特率保持在工作区变量BitErrorRate 中sim('juanjima');%计算BitErrorRate 的均值作为本次仿真的误比特率y(i)=mea n(cwq);end%绘制x和y的关系曲线图，纵坐标采用对数坐

29、标semilogy(x,y);hold on;endgrid on;运行结果:7 Figure 1匚叵1冈£il« £dit 盯聊 Insert IqoIe Msktap Window help卜DgSQI fe|etO|QI3 口口6.2分组码的过失控制系统仿真模型 总体设计框图总体设计框图由信源子模块，信道和信宿子模块构成。信源子模块负责发生 两路信号，一路信号信号时随机二进制信号经循环编码后送入二进制对称信道， 一路信号未经调制直接送入信宿子系统。信宿子系统负责将编码后的信号译码并 与原信号比拟计算出误码率。总电路图如 6-2-1所示。图6-2-1总体设计框

30、图信源子系统信源模块由伯努利二进制序列发生器和循环码编码器组成，功能是伯努利二进制序列发生器发生随机二进制信号，经过循环编码器编码再将信号传送至信道。电路图如图6-2-2图6-2-2信源子系统模块各局部参数设置如如下图1Bernoulli Bin ary Gen erator伯努利发生器的参数设置QBlock Ptu*uclers： BerKowlli Bi&ary GeneratorE$TMiu.li BinAry & siier a tor(liTJc)Gener&t e 电 Befiioull i ：良ndoin Pina. ly numberBToa u 电 c

31、tor out jut specify th® ptobabi 1. ity 叠営 a vector.PixamielersTrotp&bi 1 i tr of a 工eto;Initial EEEd.：FSample time:|pcoi17 Jra.me_tia sed outputsEadIom ref虫m 电：|i oca厂 Intsi-pttt wtetor rartmettrs is 1D娶1CarLC«lH»1PApply2Ge neral CRC Ge nerator 循环码编码器Black PhT we ter s： General C&

32、#163;£ Generator1 CKC(m&Mk) Cl ink)Canek&l q CILC bi ts kccerdinc to the «nftrAtor jol juoiniil and tpierid therii Io ih* irnt dati fyiMM The fr*lrrnii41 iwist 'be mt电上ified 吉m 总 biniir ”电亡tsr cr a dtscendinE ordered Dolynomiil, to indicate the connection Doints.Th 电 initialMiA

33、mettr mus：t 核 & biitarT sa Lat ot vector &f lnEth $iul <&Ih电 detree of the polnonia.1.Th电 irwiit must be 臣 Mnar? f rstn-tsd column uectot.Pa letsGena Tatar polynomial:Initial ri'Chtclsums per fr*m套:623信道信道为二进制对称信道，是离散无记忆信道在J=K=2时的特例。它的输入和 输出都只有0和1两种符号，并且发送0而接收到1,以与发送1而收到0即 误码的概率一样

34、，所以称信道是对称的。信道设计如图 6-2-3所示。CZDIn1二辻帆片那亘連1Outl图6-2-3信道模块参数设置如如下图1Binary Symmetric Channel二进制对称信道624信宿子系统信宿子系统由循环码编码译码器，误码率发生器，数值显示模板构成，功能 是对经过循环编码的信号进展译码，然后将信号传到误码率发生器Rx端，未经调制的信号传到误码率发生器的 Tx端，误码率发生器将两路信号比拟计算，得 出误码率，经数值显示模板显示出来。电路图如图6-2-4所示。:1)in:工)ln2TxTkError RiteOanerjl CRC Syndrome D讹湎 ErrErr&r RsUClculBtionClculBtiont/'isplay6nerjl CRCSynd romeDetects rErroi RateCjIcuI Jiion图6-2-4信宿子系统模块各局部参数设