基于SystemView的巴克碼識別器的課程設計報告

1、 湖南科技大學信息與電氣工程學院課程設計報告 課 程： 通信原理 題 目： 巴克碼識別器仿真設計 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學 號： 2016年07月10日任務書題 目基于System View的巴克碼識別器的仿真與分析 時間安排自 2015年7月4日 至 2015年7月10日 共 1 周 目 的：利用動態(tài)通信系統(tǒng)仿真軟件SystemView對巴克碼識別器的仿真設計及分析方法 PN序列產生器的原理和巴克碼識別器的工作過程,利用動態(tài)通信系統(tǒng)仿真軟件SystemView設計了由數(shù)據發(fā)生器、時鐘發(fā)生器、PN序列發(fā)生器、8位移位寄存器、加法器及邏輯比較器構成的巴克碼識別器的仿真電路,并對此次仿真過

2、程中的圖符參數(shù)設置及巴克碼生成波形，巴克碼識別輸出波形，檢測器檢測單峰脈沖、數(shù)據與時鐘的波形覆蓋圖等仿真結果加以分析。最后對系統(tǒng)性能指標漏同步概率、假同步概率、群同步平均建立時間以及群同步保護加以論述。 要 求：主要要求如下：1、掌握巴克碼的特點和巴克碼識別器的原理。2、設計一個基于System View的巴克碼識別器的仿真。3、對仿真結果進行必要的分析與討論.總體方案實現(xiàn)：1、認識數(shù)字通信系統(tǒng)中群同步碼的巴克碼的特點和巴克碼識別器的原理。2、利用動態(tài)通信系統(tǒng)仿真軟件System View對巴克碼識別器進行仿真設計。3、證明該設計方法的可行性和有效性，通過運用SystemView系統(tǒng)成功地仿真

3、出巴克碼識別器，檢測識別出同步單峰脈沖，為幀同步的實現(xiàn)提供了必要條件，這就證明了基于System View的巴克碼識別器的仿真的可行性和有效性。4、對設計中出現(xiàn)的問題以及解決措施進行探討。 指導教師評語： 評分等級：【 】指導教師簽名： 目錄摘要- 1 -第一章：設計原理與仿真軟件介紹- 3 -1.1 巴克碼簡介- 3 -1.2 群同步原理- 4 -1.3 連貫式插人法- 4 -1.4 system view簡介- 4 -第二章：模塊電路設計與參數(shù)設置- 4 -2.1 原理框圖- 4 -2.1 巴克碼生成電路- 5 -2.2 時鐘信號實現(xiàn)- 5 -2.3 PN序列產生器- 6 -2.4 檢測電

4、路- 8 -第三章 仿真設計步驟- 8 -3.1 系統(tǒng)設計步驟- 8 -第四章 仿真分析- 10 -4.1 各分析接收圖符的波形- 10 -4.2 各波形頻譜圖- 12 -第五章 總結- 14 -5.1 出現(xiàn)的問題及解決辦法- 14 -5.2 個人總結- 14 -參考文獻- 15 -摘要數(shù)字通信系統(tǒng)中群同步碼的巴克碼的特點和巴克碼識別器的原理是整個設計的思想，給出了利用動態(tài)通信系統(tǒng)仿真軟件SystemView對巴克碼識別器的仿真設計及分析方法 PN序列產生器的原理和巴克碼識別器的工作過程,利用動態(tài)通信系統(tǒng)仿真軟件SystemView設計了由數(shù)據發(fā)生器、時鐘發(fā)生器、PN序列發(fā)生器、8位移位寄存器

5、、加法器及邏輯比較器構成的巴克碼識別器的仿真電路,并對此次仿真過程中的圖符參數(shù)設置及巴克碼生成波形，巴克碼識別輸出波形，檢測器檢測單峰脈沖、數(shù)據與時鐘的波形覆蓋圖等仿真結果加以分析。最后對系統(tǒng)性能指標漏同步概率、假同步概率、群同步平均建立時間以及群同步保護加以論述。仿真結果證明了該方法的可行性和有效性。關鍵詞：System View；巴克碼識別器；仿真設計；群同步碼。AbstractGroup of synchronous code barker code in digital communication system and the characteristics of the princi

6、ple of barker code recognizer is the soul of the whole design, was given by using the dynamic communication system simulation software SystemView simulation design and analysis method of barker code recognizer. The principle of PN sequence generator and the working process of the barker code recogni

7、zer, using dynamic communication system simulation software SystemView designed by data generator, clock generator, PN sequence generator, 8 bits shift register, adder and logic in the composition of the comparator barker code discriminator circuit simulation, and the simulation of the glyphs in the

8、 process of parameter setting and barker code to generate the waveform, barker code recognition output waveform, pulse single-peak detector, data and clock waveforms overlay, etc. The results of simulation analysis. Finally, the system performance index missed synchronization probability and false s

9、ynchronization probability, group of synchronous average set up time and group synchronization protection. The simulation results show that the method is feasible and effective.Key words: The System View.Barker code recognizer; The simulation design; Group synchronization code.第一章：設計原理與仿真軟件介紹1.1 巴克碼

10、簡介通過資料查詢，對巴克碼歸納如下：巴克碼是50年代初，R.H.巴克提出的一種具有特殊規(guī)律的二進制碼組。它是一個非周期序列，一個n位的巴克碼X1，X2，X3，···Xn。)，每個碼元只可能取值+1或-1，它的自相關函數(shù)為:目前已找到的只有10組，并且已經證明在長度小于12100的范圍內不存在其他長度的巴克碼，已知的其中長度的巴克碼如下：n 巴克碼組2 + ，+3 +4 +，+5 +7 +11 +13 +表中“+”表示+1，“”表示1。以n = 7的巴克碼為例，它的局部自相關函數(shù)可求出j2、3、4、5、6、7時的R（j）值分別為1、0、1、0、1、0，再求出j為負值

11、時的自相關函數(shù)值，兩者一起畫在圖3-2 中。由圖可見，其自相關函數(shù)在j0時出現(xiàn)尖銳的單峰，如圖所示。圖1-1 七位巴克碼的自相關函數(shù)1.2 群同步原理通信系統(tǒng)的幀同步中的消息數(shù)字流總是用若干碼元組成一個“字”，又用若干“字”組成一“句”，即組成一個個的“群”進行傳輸?shù)?。因此，在接收這些數(shù)字流時，同樣也必須知道這些“字”、“句”的起止時刻，在接收端產生與“字”、“句”起止時刻相一致的定時脈沖序列，統(tǒng)稱為群同步或幀同步。接收碼組與發(fā)送碼組在結構、頻率和相位上須完全一致，否則就不能正常接收所發(fā)送的信息，接收到的只是一片噪聲。若實現(xiàn)了收發(fā)同步但不能保持同步，也無法準確可靠地獲取所發(fā)送的信息數(shù)據。發(fā)送端

12、和接收端可以采用高精確度和高穩(wěn)定度的時鐘頻率源，以保證頻率和相位的穩(wěn)定性。但在實際應用中，存在許多事先無法估計的不確定因素，如收發(fā)時鐘不穩(wěn)定、發(fā)送時刻不確定、信道傳輸時延及干擾等，尤其在移動通信中，這些不確定因素都有隨機性，不能預先補償，因此只能通過同步系統(tǒng)消除。群同步的任務就是在位同步信息的基礎上，識別出數(shù)字信息群（“字”或“句”）的起止時刻，或者說給出每個群的“開頭”和“末尾”時刻。這些特殊的碼字應該在信息碼元序列中不會出現(xiàn)，或者是偶然可能出現(xiàn)，但不會重復出現(xiàn)，此時只要將這個特殊碼字連發(fā)幾次，收端就能識別出來，接收端根據這些特殊碼字的位置使接收設備的幀定時與接收到的信號中的幀定時處于同步狀

13、態(tài)實現(xiàn)群同步。1.3 連貫式插人法連貫式插人法，又稱集中插入法。它是指在每一信息群的開頭集中插入作為群同步碼組的特殊碼組，該碼組在信息碼中很少出現(xiàn)，其基本要求是具有尖銳單峰特性的自相關函數(shù)，便于與信息碼區(qū)別，碼長適當、以保證傳輸效率。滿足此要求的特殊碼組有：全0碼、全1碼、1與0交替碼、巴克碼、電話基群幀同步碼0011011。由于巴克碼具有建立時間短、碼組易于識別等優(yōu)點8，因此應用是最普遍的。1.4 system view簡介 System View是美國Elanix公司推出的基于個人計算機Windows環(huán)境的動態(tài)通信系統(tǒng)仿真工具，它可用于DSP信號處理、濾波器設計以及復雜的通信系統(tǒng)數(shù)學模型的

14、建立和仿真分析它的用戶界面友好，分析窗口功能強大，用戶只需用鼠標點擊圖符庫中的相應圖符就能完成各種系統(tǒng)的搭建、設計和仿真分析。第二章：模塊電路設計與參數(shù)設置2.1 原理框圖巴克碼識別系統(tǒng)由偽隨機序列（數(shù)據）發(fā)生器、時鐘發(fā)生器、巴克碼生成電路、檢測電路共同組成，其中巴克碼由時鐘脈沖加到PN序列產生器上生成。系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示圖2-1 系統(tǒng)原理框圖2.1巴克碼生成電路時鐘脈沖加到PN序列產生器上生成巴克碼，巴克碼生成電路如圖2-2 所示 圖2-2 巴克碼生成電路原理圖2.2 時鐘信號實現(xiàn) 時鐘信號：為系統(tǒng)提供一連串穩(wěn)定的脈沖信號，從而滿足系統(tǒng)各部分協(xié)

15、同工作需要的穩(wěn)定的脈沖信號。時鐘信號源參數(shù)設置：一個周期脈沖序列應等于，或長于指定的脈沖寬度，即保證一周期內有脈沖信號顯示。脈沖寬度一般設置為 5e-3 sec即0005s，那么輸入頻率應小于200Hz，因為1/200=0005s，這里頻率定義為常用值100Hz，具體操作如下。打開SystemView仿真軟件，從圖符庫中拖出一個信號源圖符“Source”到設計窗口，雙擊該圖符，在出現(xiàn)的如圖3-4 信號源庫窗口中，選擇周期信號“Periodic”中的脈沖信號“Pulse Train”，按“Parameter”按鈕，如圖2-3所示。圖2-3 信號源庫窗口彈出如圖2-4參數(shù)設置窗口，將電壓

16、幅度“Amp”定義為1，頻率“Frequency”定義為100，脈沖寬度“PulseW”定義為5e-3，偏置電壓“Offset”定義為 -500e-3。按確定退出。圖2-4 時鐘參數(shù)設置窗口2.3 PN序列產生器SystemView在通信圖符庫中給出了一個PN碼發(fā)生器的圖符。只需在該圖符的輸入端加入一定頻率的時鐘信號，給出相應的移位寄存器長度、反饋系數(shù)（或抽頭）和起始種子（Seed）便可得到所需的PN序列。下面具體介紹偽隨機(PN)序列生成原理。偽隨機(PN)序列:可預先確定的，且可以重復地生產和復制的又具有某種隨機序列的隨機特性（即統(tǒng)計特性）的確定的序列。偽隨機序列系列具有良好的隨機性和自相

17、關性，并且有預先的可確定性和可重復性。最常見的二進制PN 序列是最大長度線性移位寄存器序列，簡稱m 序列3，它是由一個線性反饋的n 級移位寄存器生成的。所謂線性反饋，是指反饋函數(shù)中僅包含模2 加運算而不含非線性運算。n 級移位寄存器共有2n 個狀態(tài)，除去全0狀態(tài)外有2 n -1 種狀態(tài)，因此它能產生的最大長度的碼序列為2 n -1位。這樣生成的m 序列是一個以P2 n -1為周期的循環(huán)序列。下面介紹一般n 級移位寄存器產生m序列的方法。圖2-5是由n 級移位寄存器構成的碼序列發(fā)生器。寄存器的狀態(tài)決定于時鐘控制下輸入的信息（“

18、0”或“1”），例如第i 級移位寄存器決定于前一時鐘脈沖后的第i -1級移位寄存器狀態(tài)。參加反饋的各級輸出經多次模2和后把最后結果送入第一級。需要注意的是，結構需有全0檢測電路和啟動電路，否則由于某種原因（如啟動）發(fā)生器可能死在全“0”狀態(tài)。圖2-5 n級循環(huán)序列發(fā)生器的模型圖2-7中C0，C1，Cn均為反饋線，其中C0=Cn=1，表示反饋連接。因為m序列是由循環(huán)序列發(fā)生器產生的，因此C0和Cn肯定為1，即參與反饋。而反饋系數(shù)C1，C2，Cn-1若為1，參與反饋；若為0，則表示斷開反饋線，即開路無反饋連線。反饋系數(shù)即反饋信號的抽頭系數(shù)。以7位巴克碼為例，查表2-1知

19、0;n=3,Ci =(13)8 ，P2 n-1=7。級數(shù)n周期P反饋系數(shù)Ci（八進制）37134152353145，67，75663103，147，155 表2-1 部分m序列反饋系數(shù)表反饋系數(shù)Ci =(13)8，將它化成二進制數(shù)為1011，即相應的反饋系數(shù)依次為C0=1， C1=0 ，C2=1，C3=1。那么n=3，Ci=(13)8的m序列發(fā)生器的電路原理圖如圖2-6所示。 圖2-6 n=3,Ci=(13)8的m序列發(fā)生器原理圖根據圖2-6所示電路，假設移位寄存器的初始態(tài)為001，在時鐘脈沖作用下，逐級移位，碼序列產生過程

20、如表2-2所示。D CPD1D2D3D2D30001111000201013101141101511106011070011表2-2 n=3,Ci=(13)8的m序列發(fā)生器狀態(tài)表由表2-2可知，經過7個時鐘脈沖，又回到起始狀態(tài)001，輸出碼序列為10010111001011?？梢姡a序列周期長度P23-1=7。上面假設一種初始狀態(tài)，如果反饋邏輯關系不變，換另一種初始狀態(tài)，則產生的序列仍為序列只是起始位置不同而已，所以起始狀態(tài)為111時，輸出序列為11100101110010，即以7位巴克碼1110010為周期。據上述理論，PN序列產生器就可以通過設置仿真出來。2.4 檢測電路如圖2-

21、7使用一個8位移位寄存器（圖符5）的前7位，3個非門（圖符6、7、8），加法器（圖符9）和比較器（圖符16）構成檢測電路。信號輸出經過比較判決器（圖符16）檢測識別出大于6的單峰脈沖。 圖2-7檢測電路原理圖第三章 仿真設計步驟4.1 系統(tǒng)設計步驟1）.進入System View。雙擊桌面上的System View快捷圖標或單擊程序組中的System View即可啟動System View。2）.點擊菜單欄的“File->New System”建立一個新文件。3）.定義一個幅度為1V，頻率為100Hz的數(shù)據信號源。從圖符庫中拖出一個信號源圖符 “Source”到設計窗口，雙擊該

22、圖符，在出現(xiàn)的信號源庫窗口中，選擇噪聲/偽隨機序列“Noise/PN”中的偽隨機序列信號“PN Seq”，按“Parameter”按鈕，將參數(shù)設置窗口中的幅度“Amp”定義為1，頻率“Frequency”定義為100。確定退出。4）.定義一個幅度為1V，頻率為100Hz的信時鐘號源。從圖符庫中拖出一個信號源圖符“Source”到設計窗口，雙擊該圖符，在出現(xiàn)的信號源庫窗口中，選擇周期信號“Periodic”中的脈沖信號“Pulse Train”，按“Parameter”按鈕，將參數(shù)設置窗口中的電壓幅度“Amp”定義為1，頻率“Frequency”定義為100，脈沖寬度“PulseW”定義為5e-

23、3 ，偏置電壓“Offset”定義為-500e-3。確定退出。5）.定義四個接收圖符。拖動一個接收圖符“sink” 到設計窗口，點擊 復制三個同樣的圖符，雙擊它們，將它們都選擇分析類“Analysis”中的分析接收“Analysis”，確定退出。6）按快捷鍵 切換到通信圖符庫，從圖符庫中拖出一個邏輯圖符 “ Logic”至設計窗口，點擊 復制三個同樣的圖符，雙擊其中一個，在出現(xiàn)的窗口中，選擇“FF/Latch/Reg”中的8位移位寄存器“Shft-8in”按“Parameter”按鈕，將參數(shù)設置窗口中的輸出真值“True Output”定義為1，輸出假值“False Out

24、put”定義為-1。確認退出，圖符變成 。另外三個圖符選擇門/緩沖器“Gates/Buffers”中的邏輯非“Invert”，按“Parameter”按鈕，將參數(shù)設置窗口中的輸出真值“True Output” 定義為1，輸出假值 “False Output” 定義為-1。確認退出。7）從圖符庫中拖出一個加法器圖符“Adder”到設計窗口。8）從圖符庫中拖出一個圖符“Comm”到設計窗口，雙擊該圖符，在跳出的窗口中選擇“Filters/Data”中的PN序列產生器“PN Gen”，按“Parameter”按鈕，依據前面理論，n=3,Ci=(13)8的m序列故將參數(shù)設置窗口中的寄存器長度“Reg

25、Len”定義為3，種子“Seed”定義為7，抽頭項“Taps”的2和3打勾。確認退出。9）從圖符庫中拖出一個算子圖符“Operator”到設計窗口,雙擊該圖符，在跳出的窗口中選擇邏輯算子”Logic”中的比較器“Compare”， 按“Parameter”按鈕，將參數(shù)設置窗口中的比較“Comparison”選取“a>b”，真值輸出“True Output”定義為 2 ，假值輸出“ False Output”定義為 0 。確認退出。10）. 從圖符庫中拖出一個信號源圖符 “Source”到設計窗口，雙擊該圖符，在跳出的窗口中選“Aperiodic”的階躍函數(shù)“

26、Step Fct” ，按“Parameter”按鈕，將參數(shù)設置窗口中的電壓幅度“Amp”定義為0，確認退出，圖符變成 。點擊 復制一個同樣的圖符，電壓幅度“Amp”定義為 6。11）連接圖符。將數(shù)據信號源輸出圖符分別連接到移位寄存器圖符和接收圖符；時鐘信號源輸出圖符分別連接到移位寄存器圖符、接收圖符和PN序列產生器圖符，圖符再連接到接收圖符；移位寄存器圖符的0，2，3口分別經過非門再接到加法器圖符，而圖符5的1，4，5，6口直接接到加法器圖符，另外加法器外加一個階躍信號源圖符4；加法器圖符5 輸出到判決器圖符，最后由判決器圖符輸出到接收圖符。得到如圖3-1所示的巴克碼識別器仿真系統(tǒng)原理圖。 圖

27、3-1 仿真系統(tǒng)原理圖12）.設置系統(tǒng)運行時間。單擊工具條中的系統(tǒng)定時“System Time”按鈕，把采樣頻率“Samp1e Rate”設置為載波頻率的10倍1e+3 Hz，采樣點數(shù)“No. of Samples”設置為1024。13）.按創(chuàng)建便箋按鈕，加入注釋Note Pad，漢字的顏色和字體可以在文字框內單擊右鍵定義。14）.運行系統(tǒng)。單擊工具條中的運行按鈕運行系統(tǒng)。15）.單擊“Analysis”快捷按鈕進入分析窗口，單擊窗口工具條的水平分布，使整個窗口排列顯示四個圖形W0、W1、W2、W3，利于對照觀察分析。這時可以看到四個圖形W0、W1、W2、W3。16）.將三個波形圖疊加顯示，單

28、擊接收計算器按鈕，彈出分析窗的接收計算器窗口選擇“Operatrs”的“Overlay Plots”分析按鈕，按鍵盤的Ctrl鍵并單擊選中W0、W1、W2，就會出現(xiàn)一個新的圖形W4，三個波形分別用不同的顏色表示。鼠標雙擊圖形頂部的說明文字，可修改成漢字，命名為“巴克碼檢測器檢測單峰脈沖、數(shù)據與時鐘的波形覆蓋圖”。17）. 對輸出波形進行頻譜分析。單擊接收計算器按鈕，彈出分析窗的接收計算器窗口，選擇“Spectrum”分析按鈕，并分五次選中W0、W1、W2、W3、W4，就會出現(xiàn)五個新的圖形，分別對應前面五個波形。18）.結束仿真，保存系統(tǒng)。通過選擇“File -> Save”把剛

29、才設計的內容保存下來。第四章 仿真分析4.1 各分析接收圖符的波形信源信號波形如圖4-1所示：圖4-1 信源信號波形圖定義了一個幅度為1V，頻率為100Hz的數(shù)據信號源。通過從圖符庫中拖出一個信號源圖符 “Source”到設計窗口，雙擊該圖符，在出現(xiàn)的信號源庫窗口中，選擇噪聲/偽隨機序列“Noise/PN”中的偽隨機序列信號“PN Seq”，按“Parameter”按鈕，將參數(shù)設置窗口中的幅度“Amp”定義為1，頻率“Frequency”定義為100。時鐘信號波形如圖4-2 所示：圖4-2 時鐘信號波形圖顯然這是時鐘信號波形，且時鐘信號源圖符1 直接連接到接收圖符3，故可確定W1（圖4-2）為

30、時鐘信號波形。PN序列波形如圖4-3所示：圖4-3 PN序列波形通過選擇“Filters/Data”中的PN序列產生器“PN Gen”， n=3,Ci=(13)8的m序列故將參數(shù)設置窗口中的寄存器長度“Reg Len”定義為3，種子“Seed”定義為7，抽頭項“Taps”的2和3打勾后就產生了該圖。輸出檢測波形如圖4-4所示圖4-4 輸出波形巴克碼檢測器檢測單峰脈沖、數(shù)據與時鐘的波形覆蓋圖如圖4-5所示：圖4-5 波形覆蓋圖而有時仿真得到如圖4-5所示的覆蓋圖，可以看到在同步脈沖前面出現(xiàn)了一組應數(shù)據代碼與巴克碼相同產生的偽同步信號。這是因為無論選用何種巴克碼始終存在與同步碼組碼元序列相同的數(shù)據

31、碼組。所以使用巴克碼組作為幀同步信號，和后面群同步保護講到的同步碼的保護，以實現(xiàn)正確的幀同步，避免偽同步的發(fā)生。一般通過判斷前后多個同步脈沖的出現(xiàn)周期來剔除偽同步信號。4.2 各波形頻譜圖 對輸出波形進行頻譜分析。單擊接收計算器按鈕，彈出分析窗的接收計算器窗口，選擇“Spectrum”分析按鈕，并分五次選中W0、W1、W2、W3、W4，就會出現(xiàn)五個新的圖形，分別對應前面五個波形。信源信號頻譜圖如圖4-6所示圖4-6 信源信號頻譜圖時鐘信號頻譜圖如圖4-7所示圖 4-7 時鐘信號頻譜圖PN序列頻譜圖如圖4-8所示：圖4-8 PN序列頻譜圖巴克碼輸出波形頻譜圖如圖4-9所示圖4-9巴克碼輸出波形頻譜圖組合頻譜圖如圖4-10所示：圖4-10組合頻譜圖：通過以上不同時刻仿真的巴克碼檢測器檢測單峰脈沖、數(shù)據與時鐘的波形覆蓋圖的對照觀察，看出頻譜平穩(wěn)有規(guī)律，失真極小，這也正是數(shù)字通信的優(yōu)點之一。 第五章 總結5.1 出現(xiàn)的問題及解決辦法（1）仿真運行時如果看不到單峰脈沖，應重復仿真或加