卷積碼差錯控制系統(tǒng)的仿真

-17-第一章引言1.1題目卷積碼差錯控制系統(tǒng)的仿真1.2課程設(shè)計目的移動通信也是一門實踐性非常強的課程，實驗教學(xué)在整個課程的教學(xué)中占據(jù)了非常重要的地位。在學(xué)生學(xué)習(xí)了現(xiàn)代通信原理、數(shù)字信號處理（DSP技術(shù)）等課程后，學(xué)生已經(jīng)具有了一定的理論基礎(chǔ)和實驗技能，在此基礎(chǔ)上本實驗課程開設(shè)的主要作用和目的在于：1．幫助學(xué)生更好地理解移動通信系統(tǒng)，掌握各種移動通信系統(tǒng)的模型2.幫助學(xué)生熟悉常用的通信系統(tǒng)仿真平臺，學(xué)習(xí)仿真模型的設(shè)計，掌握通信系統(tǒng)的仿真方法，學(xué)會利用仿真軟件對系統(tǒng)性能進行評價；1.3課程設(shè)計的主要內(nèi)容和要求（1）課程設(shè)計的主要內(nèi)容：系統(tǒng)包括信源部分、信道部分和信宿部分。信源部分的數(shù)據(jù)源是隨機的二進制序列，隨機的二進制序列要經(jīng)過卷積編碼，經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)要進行調(diào)制。(子系統(tǒng)實現(xiàn))信道部分對調(diào)制后的信號進行加噪。信宿部分完成信號的解調(diào)和譯碼（維特比譯碼）。(子系統(tǒng)實現(xiàn))對不同編碼方式、不同信噪比下維特比譯碼的誤比特率并畫出圖形。（2）課程設(shè)計的主要要求：1、要有詳細(xì)的設(shè)計過程。即整個系統(tǒng)的仿真設(shè)計的選擇，功能模塊的設(shè)計過程和參數(shù)的選擇，程序的調(diào)試過程等。2、整個系統(tǒng)模型的仿真、調(diào)試結(jié)果。第二章原理2.1卷積碼卷積碼是1955年由愛里斯(Elias)提出的一種性能優(yōu)越的信道編碼。他通常用(n，K，N)表示，他是把K個信息比特編成n個信息比特,但K和n通常很小，特別適宜于以串行方式傳輸信息，延時小。N為編碼約束長度，說明編碼過程中互相約束的碼段個數(shù)。卷積碼編碼后的n個碼元不僅與當(dāng)前組的k個信息比特有關(guān)，而且與前N一1個輸入組的信息比特有關(guān)。編碼過程中相互關(guān)聯(lián)的碼元有N×n個。R=k／n．是卷積碼的碼率，碼率和約束長度是衡量卷積碼的兩個重要參數(shù)。卷積碼廣泛應(yīng)用在無線通信標(biāo)準(zhǔn)中，如GSM，CDMA2000，IS一95中。2.2卷積碼的算法卷積碼將k個信息比特編成n個比特，但k和n通常很小，特別適合以串行形式進行傳輸，時延小。與分組碼不同，卷積碼編碼后的n個碼元不僅與當(dāng)前段的k個信息有關(guān)，還與前面的N-1段信息有關(guān)，編碼過程中互相關(guān)聯(lián)的碼元個數(shù)為nN。卷積碼的糾錯性能隨N的增加而增大，而差錯率隨N的增加而指數(shù)下降。在編碼器復(fù)雜性相同的情況下，卷積碼的性能優(yōu)于分組碼。圖2-1卷積碼的編碼器2.3特比譯碼過程比譯碼是根據(jù)接收序列在碼的格圖上找出一條與接收序列距離（或其他量度）為最小的一種算法。它和運籌學(xué)中求最短路徑的算法相類似。若接收序列為R=(10100101100111)，譯碼器從某個狀態(tài),例如從狀態(tài)ɑ出發(fā),每次向右延伸一個分支（對于l＜L,從每個節(jié)點出發(fā)都有2=2種可能的延伸,其中L是信息序列段數(shù),對l≥L，只有一種可能＝,并與接收數(shù)字相應(yīng)分支進行比較,計算它們之間的距離，然后將計算所得距離加到被延伸路徑的累積距離值中。對到達每個狀態(tài)的各條路徑（有2=2條）的距離累積值進行比較，保留距離值最小的一條路徑，稱為幸存路徑（當(dāng)有兩條以上取最小值時，可任取其中之一）,譯碼過程如圖。圖中標(biāo)出到達各級節(jié)點的幸存路徑的距離累積值。對給定R的估值序列為=(10111)。這種算法所保留的路徑與接收序列之間的似然概率為最大，所以又稱為最大似然譯碼。這種譯碼的譯碼約束長度常為編碼約束長度的數(shù)倍，因而可以糾正不多于(df/2)個錯誤圖2-2Viterbi譯碼流程2.4維特比譯碼原理：下面以圖2-3的(2，1，3)卷積碼編碼器所編出的碼為例，來說明維特比解碼的方法和運作過程。為了能說明解碼過程，這里給出該碼的狀態(tài)圖，如圖2-4所示。圖2-4(2,1,3)卷積碼狀態(tài)圖圖2-4(2,1,3)卷積碼狀態(tài)圖圖2-3(2,1,3)卷積碼編碼器維特比譯碼需要利用圖來說明移碼過程。根據(jù)卷積碼畫網(wǎng)格的方法，我們可以畫出該碼的網(wǎng)格圖，如圖2-5所示。該圖設(shè)輸入信息數(shù)目L=5，所以畫L+N=8個時間單位，圖中分別標(biāo)以0至7。這里設(shè)編碼器從a狀態(tài)開始運作。該網(wǎng)格圖的每一條路徑都對應(yīng)著不同的輸入信息序列。由于所有可能輸入信息序列共有2kL個，因而網(wǎng)格圖中所有可能的路徑也為2kL條。這里節(jié)點a=00，b=01，c=10，d=11。圖2-5圖2-5(2,1,3)卷積碼網(wǎng)格圖設(shè)輸入編碼器的信息序列為(11011000)，則由編碼器對應(yīng)輸出的序列為Y=(1101010001011100)，編碼器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移路線為abdcbdca。若收到的序列R=(0101011001011100),對照網(wǎng)格圖來說明維特比譯碼的方法。由于該卷積碼的約束長度為6位，因此先選擇接收序列的前6位序列R1=(010101)同到達第3時刻的可能的8個碼序列(即8條路徑)進行比較，并計算出碼距。該例中到達第3時刻a點的路徑序列是(000000)和(111011)，他們與R1的距離分別為3和4；到達第3時刻b點的路徑序列是(000011)和(111000)，他們與R1的距離分別為3和4；到達第3時刻c點的路徑序列是(001110)和(110101)，他們與R1的距離分別為4和1；到達第3時刻d點的路徑序列是(001101)和(110110)，他們與R1的距離分別為2和3。上述每個節(jié)點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(000000)、(000011)、(1101001)和(001101)，如圖2-6所示。用于上面類似的方法可以得到第4、5、6、7時刻的幸存路徑。圖2-6圖2-6維特比譯碼第3時刻幸存路徑需要指出的是，對于某個節(jié)點，如果比較兩條路徑與接收序列的累計碼距值相等時，則可以任意選者一條路徑作為幸存路徑，吃時不會影響最終的譯碼結(jié)果。在碼的終了時刻a狀態(tài)，得到一條幸存路徑。如果圖2-7所示。由此可看到譯碼器圖2-7圖2-7第8時刻幸存路徑輸出是R’=(1101010001011100)，即可變換成序列(11011000)，恢復(fù)了發(fā)端原始信息。比較R’和R序列，可以看到在譯碼過程中已糾正了在碼序列第1和第7位上的差錯。當(dāng)然如果差錯出現(xiàn)太頻繁，以致超出卷積碼的糾錯能力，還是會發(fā)生糾誤的。第三章仿真過程3.1仿真模擬框圖圖3-1總電路框圖說明：信源模塊對隨機二進制信號進行卷積碼和二進制相位調(diào)制，輸出基帶調(diào)制信號；信道模塊是一個有噪聲信道；信宿模塊對調(diào)制信號進行軟判決譯碼，得到原始信息序列，并且計算調(diào)制信號的誤碼率。圖3-2信源模塊電路框圖圖3-3信道模塊電路框圖圖3-4信宿模塊電路框圖3.2各部件的配置1）BernoulliBinaryGenerator伯努利發(fā)生器（貝努利二進制序列產(chǎn)生器）的參數(shù)設(shè)置2）ConvolutionalEncoder（卷積碼編碼器）的參數(shù)設(shè)置3）BPSKModulatorBaseband（二進制相位調(diào)制模塊）的參數(shù)設(shè)置4）AWGNChannel（加性高斯白噪聲模塊）的參數(shù)設(shè)置5）BPSKDemodulatorBaseband（二進制相位解調(diào)模塊）的參數(shù)設(shè)置6）ViterbiDecoder（維特比譯碼器）的參數(shù)設(shè)置7）ErrorRateCalculation（誤碼率發(fā)生器）的參數(shù)設(shè)置8）Display（顯示輸出模塊）的參數(shù)設(shè)置9）Selector（選擇模塊）的參數(shù)設(shè)置10）ToWorkspace（工作空間模塊）的參數(shù)設(shè)置結(jié)論執(zhí)行上述文件，得到的關(guān)系曲線圖，由圖4-1見，隨著信道信噪比的提升，維特比譯碼所得結(jié)果的誤比特率越低，信道的可信度越高，信道的誤碼率開始明顯降低。心得體會做課程設(shè)計是為了讓我們對平時學(xué)習(xí)的理論知識與實際操作相結(jié)合，在理論和實驗教學(xué)基礎(chǔ)上進一步鞏固已學(xué)基本理論及應(yīng)用知識并加以綜合提高，學(xué)會將知識應(yīng)用于實際的方法，提高分析和解決問題的能力。通過一周的課程設(shè)計中，我通過結(jié)合課本知識，對照實驗指導(dǎo)，有計劃、有目的地完成自身設(shè)計的課程目標(biāo)。通過這次的卷積碼差錯控制的系統(tǒng)仿真設(shè)計與制作，讓我了解了Matlab軟件，了解了移動通信理念。但是最后的成品卻不一定與理想的不太一樣，因為，在實際有著各種各樣的條件制約著。所以，在設(shè)計時應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計方法。在做課程設(shè)計的過程中，我在老師的指導(dǎo)下，認(rèn)真對照參考文獻、實驗指導(dǎo)以及課本相關(guān)知識，針對卷積碼差錯控制在理論和實現(xiàn)兩方面分別進行了較深的學(xué)習(xí)與實踐。在實驗過程中對照實驗指導(dǎo)書，一步一步對照講解，實踐、掌握了Matlab的卷積編碼和差錯控制算法應(yīng)用過程，將其拓展到Simulink模塊仿真方面的應(yīng)用。在老師的幫助下，進一步培養(yǎng)了我們一絲不茍的科學(xué)態(tài)度和不厭其煩的耐心。在實驗的過程中我們互相討論互相合作，使得我們的實驗得以順利完成。所有的這些心得會對我以后的學(xué)習(xí)和工作有幫助作用，忠心感謝馬老師實驗過程中的諄諄教導(dǎo)；忠心感謝學(xué)校給我們提供這次實驗機會。最后，通過這樣的實踐讓我對所學(xué)的理論知識更加理解，更加明白。因為只是通過學(xué)習(xí)課本上的知識，在實際應(yīng)用中不能很好的運用，而借助這個軟件我可以更好的運用,也能更好的鍛煉自己，提高自身的分析能力、解決問題的能力。參考文獻[1]鄧華等.《MATLAB通信仿真及應(yīng)用實例詳解》[M].人民郵電出版社2004[2]張威編.《MATLAB基礎(chǔ)與編程入門》[M].西安電子科技大學(xué)出版社2008[3]鄧華.《Matlab通信仿真及應(yīng)用實例詳解》[M].北京人民郵電出版社2003[4]主編李賀冰副主編袁杰萍.《SIMULINK通信仿真教程》[M].國工業(yè)出版社2006[5]孫祥，徐流美，吳清.《Matlab7.0基礎(chǔ)教程》[M].北京清華大學(xué)出版社2005[6]姜楠，王健.《信息論與編碼理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