通信原理課程設(shè)計報告數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)誤碼率測試器的MATLAB實現(xiàn)及性能分析

1、 xx 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)誤碼率測試器的matlab實現(xiàn)及性能分析 第23頁 共23頁 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)誤碼率測試器的matlab實現(xiàn)及性能分析學(xué)生姓名：xx 指導(dǎo)老師：ss摘 要 本課程設(shè)計主要運用matlab集成環(huán)境下的simulink仿真平臺設(shè)計進行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)誤碼率測試器的仿真。在本次課程設(shè)計中先根據(jù)9級m序列發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，從simulink工具箱中找所需元件，對輸入的隨機數(shù)據(jù)信號與其模2和計算以加密，合理設(shè)置好參數(shù)，送入含噪信道，在接收端與相同序列進行模2和以解密，改變信道誤碼率大小，測試發(fā)送信號與接收信號的誤碼率大小，其中可以通過不斷的修改優(yōu)化得到需要信號，最后通過對輸出波形的分析得出仿真是

2、否成功。關(guān)鍵詞 simulink；數(shù)據(jù)系統(tǒng)； m序列；誤碼率1引言本次課程設(shè)計主要運用matlab軟件，在simulink平臺下建立仿真模型。實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的的誤碼率計算的過程，通過比較發(fā)送信號與接收信號之間產(chǎn)生的誤碼率大小，分析比較，改變參數(shù)設(shè)置，觀察波形變化及誤碼率大小的變化，并對其進行分析總結(jié)。1.1 課程設(shè)計的目的通信原理是通信工程專業(yè)的一門骨干的專業(yè)課，是通信工程專業(yè)后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)。掌握通信原理課程的知識可使學(xué)生打下一個堅實的專業(yè)基礎(chǔ)，可提高處理通信系統(tǒng)問題能力和素質(zhì)。由于通信工程專業(yè)理論深、實踐性強，做好課程設(shè)計，對學(xué)生掌握本專業(yè)的知識、提高其基本能力是非常重要的。 通信課程設(shè)

3、計的目的是為了學(xué)生加深對所學(xué)的通信原理知識理解，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)，提高利用通信原理知識處理通信系統(tǒng)問題的能力，為今后的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計和工作打下良好的基礎(chǔ)。使學(xué)生能比較扎實地掌握本專業(yè)的基礎(chǔ)知識和基本理論，掌握數(shù)字通信系統(tǒng)及有關(guān)設(shè)備的分析、開發(fā)等基本技能，受到必要工程訓(xùn)練和初步的科學(xué)研究方法和實踐訓(xùn)練，增強分析和解決問題的能力，了解本通信專業(yè)的新發(fā)展。1.2 課程設(shè)計的基本任務(wù)和要求本次課程設(shè)計的基本任務(wù)：（1）使學(xué)生通過專業(yè)課程設(shè)計掌握通信中常用的信號處理方法，能夠分析簡單通信系統(tǒng)的性能。（2）使學(xué)生掌握通信電路的設(shè)計方法，能夠進行設(shè)計簡單的通信電路系統(tǒng)。（3）了解通信工程專業(yè)的發(fā)展

4、現(xiàn)狀及發(fā)展方向。（4）與運用學(xué)過的matlab基本知識，熟悉matlab集成環(huán)境下的simulink仿真平臺的使用課程設(shè)計中必須遵循下列要求：（1）對輸入隨機數(shù)據(jù)信號與m序列異或運算以實現(xiàn)信號加密，送入含噪信道，在接收端與相同序列再進行異或運算以解密，改變信道誤碼率大小，測試接收信號與發(fā)送信號之間的誤碼率，分析該種加密傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能（2）要求編寫課程設(shè)計論文，正確闡述和分析設(shè)計和實驗結(jié)果。1.3設(shè)計平臺simulink是matlab最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。sim

5、ulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于simulink。simulink是matlab中的一種可視化仿真工具， 是一種基于matlab的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模

6、型，simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(gui) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。simulik是matlab軟件的擴展，它與matlab語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指simulik提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要

7、的系統(tǒng)模型，進而進行仿真與分析。2設(shè)計原理2.1 simulink工作環(huán)境（1）模型庫在matlab命令窗口輸入“simulink”并回車，就可進入simulink模型庫單擊工具欄上的 按鈕也可進入simulik模塊庫按功能進行分為以下8類子庫：continuous（連續(xù)模塊）discrete（離散模塊）function&tables（函數(shù)和平臺模塊）math（數(shù)學(xué)模塊）nonlinear（非線性模塊）signals&systems（信號和系統(tǒng)模塊）sinks（接收器模塊）sources（輸入源模塊）用戶可以根據(jù)需要混合使用歌庫中的模塊來組合系統(tǒng)，也可以封裝自己的模塊，自定義模塊庫、從而實現(xiàn)全

8、圖形化仿真。simulink模型庫中的仿真模塊組織成三級樹結(jié)構(gòu)simulink子模型庫中包含了continous、discontinus等下一級模型庫continous模型庫中又包含了若干模塊，可直接加入仿真模型。圖2.1-1 simulink工具箱（2）設(shè)計仿真模型在matlab子窗口或simulink模型庫的菜單欄依次選擇“file” | “new” | “model”，即可生成空白仿真模型窗口圖2.1-2 新建仿真模型窗口（3）運行仿真兩種方式分別是菜單方式和命令行方式，菜單方式：在菜單欄中依次選擇simulation | start 或在工具欄上單擊。命令行方式：輸入“sim”啟動仿真

9、進程比較這兩種不同的運行方式：菜單方式的優(yōu)點在于交互性，通過設(shè)置示波器或顯示模塊即可在仿真過程中觀察輸出信號。命令行方式啟動模型后，不能觀察仿真進程，但仍可通過顯示模塊觀察輸出，適用于批處理方式。2.2 m序列產(chǎn)生器 （1）m 序列產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)m序列是最長線性反饋移位寄存器序列的簡稱，m序列是帶線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生的。由n級串聯(lián)的移位寄存器和反饋邏輯線路可組成動態(tài)移位寄存器，如果反饋邏輯電路只由模2和構(gòu)成，則稱為線性反饋移位寄存器。帶線性反饋邏輯的移位寄存器設(shè)定初始狀態(tài)后，在時鐘觸發(fā)下，每次移位后各級寄存器會發(fā)生變化，其中任何一級寄存器的輸出，隨著時鐘節(jié)拍的推移都會產(chǎn)生一個序列，該序列稱為

10、移位寄存器序列。n級線性移位寄存器如圖所示： 圖2.2 n級線性移位寄存器 （2）m序列產(chǎn)生器的性質(zhì) 均衡性：在m序列中一個周期內(nèi)“1”的數(shù)目比“0”的數(shù)目多1，這表明，序列平均值很小。m序列和其移位后的序列逐位模2相加，所得的序列還是m序列，只是相移不同而已。m序列發(fā)生器中移位寄存器的各種狀態(tài)，除全0狀態(tài)外，其他狀態(tài)只在m序列中出現(xiàn)1次。m序列發(fā)生器中，并不是任何抽頭組合都能產(chǎn)生m序列 。m序列具有良好的自相關(guān)特性，其自相關(guān)系數(shù)：當(dāng)j等于0時，p(j)=1;當(dāng)j不等于0時，p(j)=1/n,從m序列的自相關(guān)系數(shù)可以看出m序列是一個狹義偽隨機碼。 2.3 誤碼率測量在數(shù)字通信中誤碼率是一項主要

11、的質(zhì)量指標。在實際測量數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率時，一般來說，測量結(jié)果與信源送出信號的統(tǒng)計特性有關(guān)。通常認為二進制信號中“0”和“1”是以等概率隨機出現(xiàn)的。所以測量誤碼率時最理想的信源是隨機序列發(fā)生器，在實際通信中一般都是單程傳輸信息的，在測量單程數(shù)字通信的誤碼率時，就不能用隨機序列，而是用性能相近的偽隨機序列代替它，如下圖所示：偽隨機序列發(fā)送信道接收比較記錄偽隨機序列 圖2.3 單程測試法2.4 通信加密解密原理數(shù)字通信的一個重要優(yōu)點是容易作到高度保密性的加密。信號加密的基本原理可用圖2-5表示。將信源產(chǎn)生的信息與一個周期很長的偽隨機序列模2相加，這樣就將原消息變成不可理解的另一個序列。將這種加密

12、序列在信道中傳輸，被他人竊聽后也不可理解其內(nèi)容。在接收端必須再加上同一樣的偽隨機序列，才能恢復(fù)原發(fā)送信息以實現(xiàn)解密，因為將此序列模2加入兩次，就等于未加入。 信源發(fā)送信道接收用戶偽隨機序列產(chǎn)生器偽隨機序列產(chǎn)生器 圖2.4 利用偽隨機序列加密的原理 3 設(shè)計步驟3.1隨機數(shù)據(jù)信號 輸入隨機數(shù)據(jù)信號模塊為：3.1-1隨機數(shù)據(jù)信號模塊輸入隨機數(shù)據(jù)信號參數(shù)設(shè)置： 3.1-2 隨機數(shù)據(jù)信號參數(shù)設(shè)置示波器產(chǎn)生的圖： 3.1-3 隨機數(shù)據(jù)信號波形圖3.2 噪聲信號加入噪聲信號模塊為： 3.2-1 噪聲信號模塊其參數(shù)設(shè)置為： 3.2-2 噪聲信號參數(shù)設(shè)置示波器產(chǎn)生的圖形為：3.2-3 噪聲信號波形圖改變參數(shù)設(shè)

13、置variance為0.01，其噪聲波形變?yōu)?.2-4 改變噪聲信號參數(shù)后波形圖（1）改變參數(shù)設(shè)置variance為1，其噪聲波形變?yōu)?3.2-5 改變噪聲信號參數(shù)后波形圖（2） 3.3 m 序列產(chǎn)生器m序列產(chǎn)生器模塊圖形：3.3-1 m序列產(chǎn)生器模型圖其參數(shù)設(shè)置為： unit delay4 和unit delay8設(shè)置相同： 3.3-2 參數(shù)設(shè)置（1）其余unit delay單元設(shè)置相同，為： 3.3-3 參數(shù)設(shè)置（2）示波器產(chǎn)生的圖形為：3.3-4 m序列產(chǎn)生器波形圖3.4 加密 通過輸入隨機數(shù)據(jù)信號與m序列進行異或運算以實現(xiàn)加密，二者異或運算之后產(chǎn)生產(chǎn)生的波形為： 3.4-1 加密信號信

14、道中加入了噪聲，對加密之后的信號會產(chǎn)生影響，所以要加入一個抽樣判決器，還原原來的加密之后的信號，抽樣判決器模塊為 3.4-2 抽樣判決器其參數(shù)設(shè)置為：3.4-3 抽樣判決器參數(shù)設(shè)置加密信號在含噪信道中傳輸，之后經(jīng)過抽樣判決器，二者波形為： 3.4-5 加密信號在含噪信道中傳輸波形與經(jīng)過抽樣判決之后的波形比較3.5 解密 對經(jīng)過抽樣判決之后的信號，讓其與原m序列進行異或運算以實現(xiàn)解密，解密之后的波形為：3.5-1 解密后的波形 3.6 誤碼率計算比較實現(xiàn)誤碼計算比較所需要的模塊有： 3.6-1 誤碼率計算所需要的模塊 參數(shù)設(shè)置為：3.6-2 各模塊參數(shù)設(shè)置 將之前的模塊連線之后，檢查線路連接，整

15、個模塊框圖為： 3.6-3 誤碼率測試器整體框圖運行該模塊，display 顯示為：3.6-4 第一次運行display顯示說明：display1顯示的是誤碼率的大??；display顯示的是延時時間。示波器顯示為：3.6-5 示波器顯示說明：第一幅圖表示的是輸入隨機數(shù)據(jù)信號的波形圖； 第二幅圖表示的是輸入噪聲信號的波形圖； 第三幅圖表示的是信號加密后的波形圖； 第四幅圖表示的是信號加密后送入含噪信道產(chǎn)生的波形圖； 第五幅圖表示的是經(jīng)過抽樣判決之后的信號波形圖； 第六幅圖表示的是解密之后的波形圖。改變噪聲參數(shù)設(shè)置，設(shè)置variance為1，再次運行，結(jié)果為：3.6-6 改變噪聲設(shè)置后運行結(jié)果di

16、splay顯示說明：display1顯示的是誤碼率的大小，為0.3095；display顯示的是延時時間。示波器顯示為： 3.6-7 改變噪聲參數(shù)設(shè)置后運行結(jié)果示波器顯示說明：第一幅圖表示的是輸入隨機數(shù)據(jù)信號的波形圖； 第二幅圖表示的是輸入噪聲信號的波形圖； 第三幅圖表示的是信號加密后的波形圖； 第四幅圖表示的是信號加密后送入含噪信道產(chǎn)生的波形圖； 第五幅圖表示的是經(jīng)過抽樣判決之后的信號波形圖； 第六幅圖表示的是解密之后的波形圖。3.7 誤碼率曲線生成（1）在matlab界面下新建窗口： 圖3.7-1 新建editor窗口輸入以下程序：for i=1:100 power=0.001*i; si

17、m(wumalv3.mdl); error(i)=errorvec(1);endk=1:100.*0.001;plot(k,error);xlabel(噪聲功率),ylabel(誤碼率);title(誤碼率變化曲線圖);grid;此時相應(yīng)的在整體框圖中作以下改變：輸入噪聲信號模塊，variance設(shè)置為power 3.7-2 噪聲信號模塊參數(shù)改變設(shè)置誤碼率計算error rata calulation1中output data 設(shè)置為workspace: 3.7-3 error rata calulation1模塊參數(shù)改變設(shè)置（2）運行文件，生成的圖： 3.7-4 matlab運行程序后顯示的

18、誤碼率曲線示意圖說明：當(dāng)噪聲功率小于等于0.01時，發(fā)送信號與接收信號之間的誤碼率大小為0；當(dāng)噪聲功率大于0.01時，發(fā)送信號與接收信號之間的誤碼率大小隨著噪聲功率的增大而增大，呈階梯形改變。（3）上述圖形只顯示了100個數(shù)據(jù)，為了更明顯的表示其變化曲線，取600個數(shù)據(jù)，相應(yīng)的進行修改：程序的修改： for i=1:600 power=0.001*i; sim(wumalv3.mdl); error(i)=errorvec(1);endk=1:600.*0.001;plot(k,error);xlabel(噪聲功率),ylabel(誤碼率);title(誤碼率變化曲線圖);grid; simu

19、lation stop time 修改 3.7-5 simulation stop time修改為600.0運行文件，得到的圖形為： 3.7-6 改變?nèi)≈捣秶蟮贸龅恼`碼率變化曲線圖4 出現(xiàn)的問題及解決方法在本次課程設(shè)計運用了matlab軟件建立工作模型，在仿真的過程中遇到了各種不同的問題，通過自己的探索和在同學(xué)的幫助下都一一解決，總結(jié)分析分析如下：（1）運行后如沒有出現(xiàn)波形、出現(xiàn)多路波形的混合或是出現(xiàn)波形的幅度過小或過大，可以點擊scope菜單欄的或者點擊鼠標右鍵，選擇autoscale即可出現(xiàn)清晰波形。（2）若出現(xiàn)波形很差，可以把修正因子（默認為1）加大，具體步驟為選擇模型菜單中的“sim

20、ulink|configuration parameters|data import/export”修改decimation中數(shù)據(jù)（默認為1），可加大為50或100。（3）m序列產(chǎn)生器的設(shè)計，嚴格按照其原理和本原多項式連接線路圖，進行加密和解密時采用的m序列均為同一序列，其參數(shù)設(shè)置要一致，否則加密和解密之后的波形不一致；（4）若波形出錯或者波形變換不夠明顯，可以把模塊參數(shù)適當(dāng)減小或增大，得到適合的波形，允許誤差變大，便于波形的輸出和分析。 （5）在整個仿真過程中，各模塊的參數(shù)設(shè)置十分重要，一定要設(shè)置合適的參數(shù)，才會得出所需要的信號。 （6）各模塊的連線要到位，深刻理解課程設(shè)計任務(wù)，發(fā)送信號和接

21、收信號之間如何進行比較分析 解決了上述問題后，就能順利完成設(shè)計任務(wù)了。5 結(jié)束語 信息作為人類社會賴以生存和發(fā)展的重要資源和財富，其安全可能會受到種種認為的和自然的威脅，信息的完整性、保密性和可用性可能遭到破壞。因此在信息的傳輸、交換、存儲和處理過程中，必須采取相應(yīng)的技術(shù)防范措施，保護信息的完整性、保密性、和可用性，必須研究如何避免人為的和自然的對信息安全的威脅，如何保護信息不被他人篡改，如何保證收到的信息不時偽造的，自己發(fā)送出去的信息不被未授權(quán)的人截收。本次課程設(shè)計我的設(shè)計任務(wù)是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)誤碼率測試器的matlab實現(xiàn)及性能分析，設(shè)計的內(nèi)容包括信息的加密和解密，以及誤碼率的測試等等，經(jīng)過為期兩周的課程設(shè)計，我順利的完成了任務(wù)。不同于在教室里上的理論課，本次課程設(shè)計需