通信原理課程設(shè)計(jì)基于Simulink的卷積碼編碼技術(shù)仿真與性能分析(共21頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上長(zhǎng)沙理工大學(xué)通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告*學(xué) 院城南學(xué)院專(zhuān) 業(yè)通信工程 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師 熊 文 杰 課程成績(jī) 完成日期2015年1月9日課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定學(xué) 院城南學(xué)院專(zhuān) 業(yè)通信工程 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師 熊 文 杰 課程成績(jī) 完成日期2015年1月9日指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中的評(píng)價(jià)評(píng)分項(xiàng)目?jī)?yōu)良中及格不及格課程設(shè)計(jì)中的創(chuàng)造性成果學(xué)生掌握課程內(nèi)容的程度課程設(shè)計(jì)完成情況課程設(shè)計(jì)動(dòng)手能力文字表達(dá)學(xué)習(xí)態(tài)度規(guī)范要求課程設(shè)計(jì)論文的質(zhì)量指導(dǎo)教師對(duì)課程設(shè)計(jì)的評(píng)定意見(jiàn)綜合成績(jī) 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日基于Simulink的卷積碼編碼技術(shù)仿真與性能分析學(xué)生姓名：

2、* 指導(dǎo)老師：熊文杰摘 要 本課程設(shè)計(jì)主要解決通信系統(tǒng)中基帶傳輸信道糾錯(cuò)編碼技術(shù)中的卷積碼編碼技術(shù)。產(chǎn)生一段隨機(jī)的二進(jìn)制非歸零碼的基帶信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行卷積編碼，而后采用維特比(Viterbi)譯碼輸出，并通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，并進(jìn)行差錯(cuò)率-誤碼率曲線繪制和性能分析。關(guān)鍵詞 卷積碼編碼器；維特比譯碼器，Simulink；設(shè)計(jì)與仿真，性能分析1 引言本課程設(shè)計(jì)主要解決信號(hào)傳輸過(guò)程中的卷積編碼和卷積解碼的問(wèn)題。對(duì)一個(gè)串非歸零二進(jìn)制信號(hào)卷積碼序列進(jìn)行維特比(Viterbi)譯碼輸出,并通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。1.1 課程設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)的目的主要是仿真通信系統(tǒng)中基帶傳輸信道糾

3、錯(cuò)編碼技術(shù)中的卷積碼編碼技術(shù)。產(chǎn)生一段隨機(jī)的二進(jìn)制非歸零碼的基帶信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行卷積碼編碼后再送入二進(jìn)制對(duì)稱(chēng)信道傳輸，在接收端對(duì)其進(jìn)行卷積解碼以恢復(fù)原信號(hào)，觀察還原是否成功，改變二進(jìn)制對(duì)稱(chēng)信道的差錯(cuò)率，計(jì)算傳輸前后的誤碼率，繪制信道差錯(cuò)率-誤碼率曲線，并與理論曲線比較進(jìn)行說(shuō)明。卷積碼是一種向前糾錯(cuò)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(hào)。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?yàn)證的是在同樣復(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(duì)于某個(gè)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(jìn)行比較

4、時(shí)可用的技術(shù)。1.2 課程設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)為MATLAB中的Simulink。模型設(shè)計(jì)應(yīng)該符合工程實(shí)際，模塊參數(shù)設(shè)置必須與原理相符合。處理結(jié)果和分析結(jié)論應(yīng)該一致，而且應(yīng)符合理論。獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)并按要求編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。1.3 課程設(shè)計(jì)原理卷積編碼的最佳譯碼準(zhǔn)則為：在給定已知編碼結(jié)構(gòu)、信道特性和接收序列的情況下，譯碼器將把與已經(jīng)發(fā)送的序列最相似的序列作為傳送的碼字序列的估值。對(duì)于二進(jìn)制對(duì)稱(chēng)信道，最相似傳送序列就是在漢明距離上與接收序列最近的序列。卷積碼的編碼器一般都比較簡(jiǎn)單。如下圖1-1是一般情況下的卷積碼編碼器框圖。它包括NK級(jí)的輸入移位器，一組n個(gè)模2和加法器和n級(jí)的輸出移位寄存器

5、 。對(duì)應(yīng)于每段k比特的輸入序列，輸出n個(gè)比特。由圖可知，n個(gè)輸出比特不但與當(dāng)前的k個(gè)輸入比特有關(guān)，而且與以前的(N-1)k個(gè)輸入信息比特有關(guān)。整個(gè)編碼過(guò)程可以看成是輸入信息序列與由移位寄存器和模2加法器的連接方式所決定的另一個(gè)序列的卷積，卷積碼由此得名。本文采用的是沖擊響應(yīng)描述法編碼思想。圖1-1 卷積碼編碼器原理框圖圖1-2 卷積編碼器如上圖1-2是卷積碼（2，1，3）卷積編碼器的一個(gè)框圖。左邊是信息的輸入。下面分別是系統(tǒng)位輸出和校驗(yàn)位輸出。其中間是3個(gè)移位寄存器和一個(gè)模2加法器。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是信息位經(jīng)過(guò)移位寄存器和一個(gè)模2加法器產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)位和校驗(yàn)位加在一起輸出?？梢钥闯觯好枯斎胍粋€(gè)比特，移

6、位寄存器中就向右移動(dòng)一個(gè)位子。原來(lái)的第三個(gè)寄存器就被移出?？梢?jiàn)卷積編碼不只與現(xiàn)在的輸入比特有關(guān)還與前面的3-1個(gè)比特有關(guān)。所以約束長(zhǎng)度是3。在這里，其中K=1 ，n=2所以碼率R=K/n=1/2。 卷積碼的譯碼方法有兩大類(lèi)：一類(lèi)是大數(shù)邏輯譯碼，又稱(chēng)門(mén)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。門(mén)限譯碼方法是以分組碼理論為基礎(chǔ)的，其譯碼設(shè)備簡(jiǎn)單，速度快，但其誤碼性能要比概率譯碼法差。當(dāng)卷積碼的約束長(zhǎng)度不太大時(shí)，與序列譯碼相比，維特比譯碼器比較簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快。維特比譯碼算法是1967年由Viterbi提出，近年來(lái)有大的發(fā)展。目前在數(shù)字通信的前向糾錯(cuò)系統(tǒng)中

7、用的較多，而且在衛(wèi)星深空通信中應(yīng)用更多，該算法在衛(wèi)星通信中已被采用作為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。采用概率譯碼的基本思想是：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(gè)序列作為發(fā)送序列。如果發(fā)送L組信息比特，那么對(duì)于(n,k)卷積碼來(lái)說(shuō)，可能發(fā)送的序列有2kL個(gè)，計(jì)算機(jī)或譯碼器需存儲(chǔ)這些序列并進(jìn)行比較，以找到碼距最小的那個(gè)序列。當(dāng)傳信率和信息組數(shù)L較大時(shí)，使得譯碼器難以實(shí)現(xiàn)。維特比算法則對(duì)上述概率譯碼做了簡(jiǎn)化，以至成為了一種實(shí)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(jì)算和比較一段，選擇一段最大似然可能的碼段，從而達(dá)到整個(gè)碼序列是一個(gè)最大似然值得序

8、列。mjmj-1mj-2輸出序列m1,m2,mj,y1jy2j輸入序列00adcb110011010110下面以圖1-3的(2，1，3)卷積碼編碼器所編出的碼為例，來(lái)說(shuō)明維特比解碼的方法和運(yùn)作過(guò)程。為了能說(shuō)明解碼過(guò)程，這里給出該碼的狀態(tài)圖1-4。 圖1-4 (2,1,3)卷積碼狀態(tài)圖圖1-3 卷積碼編碼器如上圖所示，維特比譯碼需要利用圖來(lái)說(shuō)明移碼過(guò)程。根據(jù)卷積碼畫(huà)網(wǎng)格的方法，我們可以畫(huà)出該碼的網(wǎng)格圖，如下圖1-5所示。該圖設(shè)輸入信息數(shù)目L=5，所以畫(huà)L+N=8個(gè)時(shí)間單位，圖中分別標(biāo)以0至7。這里設(shè)編碼器從a狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)作。該網(wǎng)格圖的每一條路徑都對(duì)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

9、有2kL個(gè)，因而網(wǎng)格圖中所有可能的路徑也為2kL條。這里節(jié)點(diǎn)a=00，b=01，c=10，d=11。abcd節(jié)點(diǎn)號(hào)0123456700000000000000111111111111111100000101010101010101010101111110101010圖1-5 卷積碼網(wǎng)格圖設(shè)輸入編碼器的信息序列為()，則由編碼器對(duì)應(yīng)輸出的序列為Y=(11100)，編碼器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移路線為abdcbdca。若收到的序列R=(11100)，對(duì)照網(wǎng)格圖來(lái)說(shuō)明維特比譯碼的方法。由于該卷積碼的約束長(zhǎng)度為6位，因此先選擇接收序列的前6位序列R1=()同到達(dá)第3時(shí)刻的可能的8個(gè)碼序列(即8條路徑)進(jìn)行比較，并計(jì)

10、算出碼距。該例中到達(dá)第3時(shí)刻a點(diǎn)的路徑序列是()和()，他們與R1的距離分別為3和4；到達(dá)第3時(shí)刻b點(diǎn)的路徑序列是()和()，他們與R1的距離分別為3和4；到達(dá)第3時(shí)刻c點(diǎn)的路徑序列是()和()，他們與R1的距離分別為4和1；到達(dá)第3時(shí)刻d點(diǎn)的路徑序列是()和()，他們與R1的距離分別為2和3。上述每個(gè)節(jié)點(diǎn)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()、()、()和()，如下圖1-6所示。用于上面類(lèi)似的方法可以得到第4、5、6、7時(shí)刻的幸存路徑。abcd節(jié)點(diǎn)號(hào)0123000000111111010101圖1-6 維特比譯碼第3時(shí)刻幸存路徑需要指出的是，對(duì)于某個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果比較兩條路徑

11、與接收序列的累計(jì)碼距值相等時(shí)，則可以任意選者一條路徑作為幸存路徑，吃時(shí)不會(huì)影響最終的譯碼結(jié)果。在碼的終了時(shí)刻a狀態(tài)，得到一條幸存路徑。如下圖1-7所示，由此可看到譯碼器abcd節(jié)點(diǎn)號(hào)0123110101456780001011100圖1-7 第8時(shí)刻幸存路徑輸出是R=(11100)，即可變換成序列()，恢復(fù)了發(fā)端原始信息。比較R和R序列，可以看到在譯碼過(guò)程中已糾正了在碼序列第1和第7位上的差錯(cuò)。當(dāng)然如果差錯(cuò)出現(xiàn)太頻繁，以致超出卷積碼的糾錯(cuò)能力，還是會(huì)發(fā)生糾誤的。2 Simulink中卷積碼編碼器和譯碼器的設(shè)計(jì)與仿真2.1 Simulink卷積碼編碼及模塊參數(shù)設(shè)置本設(shè)計(jì)是采用正弦波作為信源，整個(gè)

12、信源模塊如下圖2-1所示：圖2-1 信源模塊其中，各個(gè)元件具體參數(shù)如下各圖所示：圖2-2 正弦波參數(shù)設(shè)置圖2-3 zero-order hold參數(shù)設(shè)置圖2-4 Gain1參數(shù)設(shè)置將所得到的采樣信號(hào)進(jìn)行PCM編碼，PCM編碼模塊如下圖2-5所示，再通過(guò)并串轉(zhuǎn)換，如下圖2-6所示：圖2-5 PCM編碼模塊圖2-6并串轉(zhuǎn)換模塊具體參數(shù)設(shè)置如下列各圖所示：圖2-7 Saturation參數(shù)設(shè)置圖2-8 Relay參數(shù)設(shè)置圖2-9 A-Law Compressor參數(shù)設(shè)置圖2-10 Buffer參數(shù)設(shè)置在正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)信源上述模塊后，模擬信號(hào)將會(huì)變?yōu)榉菤w零二進(jìn)制基帶信號(hào)，接著就可以進(jìn)行本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步

13、驟了卷積編碼。2.2 Simulink卷積碼編碼解碼及參數(shù)設(shè)置在得到二進(jìn)制非歸零信號(hào)后，為了增加數(shù)據(jù)的可靠性，就可以進(jìn)行卷積編碼了。卷積碼編碼模塊設(shè)計(jì)如下圖2-11所示。圖2-11 卷積編碼，卷積解碼模塊此模塊分別由Convolutional Encoder(卷積碼編碼器)，BSC信道，Viterbi Decoder(維特比譯碼器)。其各元件具體參數(shù)設(shè)置如下列各圖所示:圖2-12 卷積編碼器參數(shù)設(shè)置圖2-13 BSC信道參數(shù)設(shè)置圖2-14 維特比譯碼器參數(shù)設(shè)置信道中差錯(cuò)率可以人為修改，這里暫時(shí)設(shè)為0。通過(guò)示波器觀測(cè)，如下圖2-15所示，可以看出延時(shí)34個(gè)碼元。故Traceback depth

14、參數(shù)設(shè)置為34。圖2-15 卷積編碼，卷積解碼2.3 Simulink卷積碼編碼還原及參數(shù)設(shè)置為了得到完整的正弦波信號(hào)，就得接受到的信號(hào)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，PCM解碼，串并轉(zhuǎn)換，最后對(duì)信號(hào)還原，接入示波器中觀察。其原理圖如下圖2-16所示：圖2-16 信宿模塊各元件參數(shù)設(shè)置均和編碼時(shí)參數(shù)相同，接入信號(hào)還原元件，再接一個(gè)示波器觀察原正弦波和還原后的正弦波的區(qū)別。Bit to Integer Converter和前面圖2-5中的Integer to Bit Converter參數(shù)設(shè)置一樣，參數(shù)設(shè)置如下圖2-17所示：圖2-16 Bit to Integer Converter參數(shù)設(shè)置2.4 Simuli

15、nk卷積編碼維特比譯碼系統(tǒng)測(cè)試完成上述三大步驟后，再接入Error Rate Calculation進(jìn)行誤碼率統(tǒng)計(jì)。整個(gè)原理圖如下圖2-18所示：圖2-18 卷積編碼維特比譯碼系統(tǒng)由圖2-2至2-6可知，本系統(tǒng)延時(shí)34，故如下圖2-19所示參數(shù)設(shè)置。圖2-19 Error Rate calculation參數(shù)設(shè)置完成上述參數(shù)設(shè)置后點(diǎn)擊運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)束后，觀察示波器，所得信號(hào)和原信號(hào)一樣，說(shuō)明該設(shè)計(jì)成功。各示波器顯示如下圖2-20所示：圖2-20 卷積編碼輸入，維特比譯碼輸出由圖2-18可以看出，輸入和輸出對(duì)比，除了在時(shí)間上有34個(gè)碼元的延遲以外，波形是一樣的，所以此卷積編碼，維特比譯碼正確。如下

16、圖2-21所示：圖2-21 輸入波形和輸出波形對(duì)比由上圖2-21所示，輸入波形和輸出波形基本上一樣，這是因?yàn)樾诺赖牟铄e(cuò)率為0，改變信道的差錯(cuò)率為0.1。輸入輸出波形對(duì)比如下圖2-22所示圖 2-22 加入噪聲的輸入波形和輸出波形由此可知，信道的特性是影響信息傳輸?shù)囊淮笠蛩兀挥行诺赖牟铄e(cuò)率在一定范圍內(nèi)，才能保證信息的正確傳輸。3 Matlab中卷積碼差錯(cuò)率誤碼率分析執(zhí)行M文件，隨著信道差錯(cuò)率的提升，維特比譯碼所得結(jié)果的誤碼率升高，信道的可信度降低，本應(yīng)該得出關(guān)系曲線圖，但是由于部分原因并經(jīng)查找資料都無(wú)法出現(xiàn)關(guān)系曲線圖。4 出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法1、加入聲源的問(wèn)題及解決辦法最初本課程設(shè)計(jì)采用聲源作

17、為信源，要求采用8000HZ的聲源，但是MATLAB總是無(wú)法調(diào)用聲源文件。解決辦法：把聲源換成正弦波作為信源，成功解決信源問(wèn)題。2、各模塊參數(shù)設(shè)置的問(wèn)題及解決辦法該課程設(shè)計(jì)是采用的聲源作為信源，因此前期各模塊的參數(shù)是基于聲源的前提下設(shè)置的，但是后面把信源修改為正弦波時(shí)需要修改各模塊的參數(shù)，就需要對(duì)部分模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。解決辦法：首先設(shè)置正弦波的參數(shù)，把正弦波的頻率設(shè)置為3000。其次設(shè)置數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Quantizer）的量化區(qū)間（Quantization interval）設(shè)置為7位二進(jìn)制，故設(shè)置為7。最后設(shè)置BSC信道的參數(shù)，誤差為0的時(shí)候，還原后的圖像基本上與原正弦波吻合；改變信道的誤差為0.1，以便觀察原正弦波和加入噪聲的輸出波形進(jìn)行對(duì)比。3、誤碼率分析的問(wèn)題及解決辦法設(shè)計(jì)的最后步驟需要對(duì)誤碼率進(jìn)行分析，但是無(wú)法產(chǎn)生關(guān)系曲線圖。我們后期MATLAB學(xué)習(xí)中關(guān)注并解決該問(wèn)題。5 結(jié)束語(yǔ)此課程設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)包含的編碼、傳輸和譯碼都進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，從這些過(guò)程中我們看到了通信系統(tǒng)的基本工作原理。通過(guò)整個(gè)卷積碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，使我們加深了對(duì)卷積碼的理解，掌握維特比譯碼的基本思路，知道如何進(jìn)行誤碼率分析從而