TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究畢業(yè)設(shè)計

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究 院（系） 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè) 通信工程 屆 別 2012 學(xué) 號 姓 名 王喆 指導(dǎo)老師 彭盛亮 摘要隨著無線通信的發(fā)展，特別是在未來4G通信中，高速傳輸和高可靠性傳輸成為信息傳輸?shù)膬蓚€主要方面。無線信道狀況通常比較惡劣，信號不可避免會受到干擾而出錯，所以可靠性尤其重要。為實現(xiàn)可靠性通信，常用的方法有兩種：一種是增加發(fā)送信號的功率，提高接收端的信號噪聲比；另一種是采用編碼的方法對信道差錯進(jìn)行控制。前者常常受客觀條件限制，不是所有場景都能采用。因此差錯控制編碼得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)及其信道編碼

2、技術(shù)，著重介紹了卷積碼的編碼方法。論文搭建了通信系統(tǒng)模型，編寫卷積碼的編碼程序，用MATLAB仿真軟件對TD-SCDMA通信系統(tǒng)中2種不同碼率（1/2碼率與1/3碼率）的卷積編碼的糾錯性能進(jìn)行驗證，并且對信源序列經(jīng)過卷積編碼、QPSK調(diào)制、AWGN信道、解調(diào)以及Viterbi解碼后的誤碼率進(jìn)行仿真和分析。關(guān)鍵詞：信道編碼；TD-SCDMA；卷積碼；誤碼率。Research on Channel Coding Techniques forTD-SCDMA SystemAbstractWith the development of wireless communication, especiall

3、y in the future 4G communication, high-speed transmission and high-reliability transmission are both of vital importance for information transmission. Considering the bad condition of wireless channel, the signal inevitably suffers from inference and distortion, and thus reliability is extremely cri

4、tical. There usually exist two ways to achieve reliable communication: One is to increase the transmitted signal power, which results in increase in the received signal to noise ratio; Another is the use of coding methods to eliminate the channel error. The former can not be adopted in all environme

5、nts, thereby error control coding has been widely applied.This thesis describes the TD-SCDMA mobile communication system and its channel coding techniques, which highlights the convolutional code encoding method, sets up a communication system model, provides convolutional code encoding program, use

6、s MATLAB simulation software to verify correction performance of the convolutional codes of different bit-rate (1/2 rate and 1/3 rate) in the TD-SCDMA communication system, and analyzes the BER of output sequences that have gone through the convolutional coding, QPSK modulation, AWGN channel, demodu

7、lation, and Viterbi decoding.Key words：Channel Coding; TD-SCDMA；Convolutional Codes；BER.目錄第1章 TD-SCDMA介紹41.1 TD-SCDMA介紹41.1.1 TD-SCDMA的發(fā)展過程51.1.2 TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀51.1.3 TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)發(fā)展61.1.4 中國TD與美、歐3G技術(shù)的優(yōu)缺點71.2 TD-SCDMA信道編碼介紹71.2.1 信道編碼介紹71.2.2 卷積編碼介紹8第2章 TD-SCDMA卷積編碼的實現(xiàn)102.1 卷積碼的解析表示法102.2 卷積編碼器的實現(xiàn)12

8、2.2.1 卷積編碼器原理122.2.2 卷積編碼器程序設(shè)計132.3 卷積編碼仿真142.3.1 (2,1)卷積碼的仿真142.3.2 (3,1)卷積碼的仿真15第3章 誤碼率分析183.1 仿真通信系統(tǒng)模型183.2 誤碼率分析183.2.1 (2,1)卷積碼的誤碼率曲線183.2.2 (3,1)卷積碼的誤碼率曲線213.2.3 (2,1)卷積碼與(3,1)卷積碼的星座圖23第4章 總 結(jié)28參考文獻(xiàn)29致 謝30附 錄31第1章 TD-SCDMA介紹1.1 TD-SCDMA介紹TD-SCDMA，Time Division-Synchronous Code Division Multipl

9、e Access，即時分同步的碼分多址技術(shù)，是ITU正式發(fā)布的第三代移動通信空間接口技術(shù)規(guī)范之一，它得到了CWTS及3GPP的全面支持。TD-SCDMA是集CDMA、TDMA、FDMA技術(shù)優(yōu)勢于一體、系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)的移動通信技術(shù)。它采用了智能天線、聯(lián)合檢測、接力切換、同步CDMA、軟件無線電、低碼片速率、多時隙、可變擴(kuò)頻系統(tǒng)、自適應(yīng)功率調(diào)整等技術(shù)。TD-SCDMA為TDD模式，在應(yīng)用范圍內(nèi)有其自身的特點：一是終端的移動速度受現(xiàn)有DSP運算速度的限制只能做到240km/h；二是基站覆蓋半徑在15km以內(nèi)時頻譜利用率和系統(tǒng)容量可達(dá)最佳，在用戶容量不是很大的區(qū)域，基站最大覆蓋

10、可達(dá)304km。所以，TD-SCDMA適合在城市和城郊使用，在城市和城郊這兩個不足均不影響實際使用。因在城市和城郊，車速一般都小于200km/h，城市和城郊人口密度高，因容量的原因，小區(qū)半徑一般都在15km以內(nèi)。而在農(nóng)村及大區(qū)全覆蓋時，用WCDMA FDD方式也是合適的，因此TDD和FDD模式是互為補(bǔ)充的。TDD模式是基于在無線信道時域里，周期地重復(fù)TDMA幀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。這個幀結(jié)構(gòu)被再分為幾個時隙。在TDD模式下，可以方便地實現(xiàn)上/下行鏈路間地靈活切換。這一模式的突出的優(yōu)勢是，在上/下行鏈路間的時隙分配可以被一個靈活的轉(zhuǎn)換點改變，以滿足不同的業(yè)務(wù)要求。這樣，運用TD-SCDMA這一技術(shù)，通過靈

11、活地改變上/下行鏈路的轉(zhuǎn)換點就可以實現(xiàn)所有3G對稱和非對稱業(yè)務(wù)。合適的TD-SCDMA時域操作模式可自行解決所有對稱和非對稱業(yè)務(wù)以及任何混合業(yè)務(wù)的上/下行鏈路資源分配的問題。TD-SCDMA的無線傳輸方案綜合了FDMA、TDMA和CDMA等基本傳輸方法。通過與聯(lián)合檢測相結(jié)合，它在傳輸容量方面表現(xiàn)非凡。通過引進(jìn)智能天線，容量還可以進(jìn)一步提高。智能天線憑借其定向性降低了小區(qū)間頻率復(fù)用所產(chǎn)生的干擾，并通過更高的頻率復(fù)用率來提供更高的話務(wù)量。基于高度的業(yè)務(wù)靈活性，TD-SCDMA無線網(wǎng)絡(luò)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）連接到交換網(wǎng)絡(luò)，如同三代移動通信中對電路和包交換業(yè)務(wù)所定義的那樣。在最終的版本里，計

12、劃讓TD-SCDMA無線網(wǎng)絡(luò)與INTERNET直接相連。TD-SCDMA所呈現(xiàn)的先進(jìn)的移動無線系統(tǒng)是針對所有無線環(huán)境下對稱和非對稱的3G業(yè)務(wù)所設(shè)計的，它運行在不成對的射頻頻譜上。TD-SCDMA傳輸方向的時域自適應(yīng)資源分配可取得獨立于對稱業(yè)務(wù)負(fù)載關(guān)系的頻譜分配的最佳利用率。因此，TD-SCDMA通過最佳自適應(yīng)資源的分配和最佳頻譜效率，可支持速率從8kbps到2Mbps的語音、互聯(lián)網(wǎng)等所有的3G業(yè)務(wù)。根據(jù)ITU的要求和原郵電部的準(zhǔn)備，我國于1998年6月底向國際電聯(lián)提交了我國對IMT2000無線傳輸技術(shù)（RTT）的建議(TD-SCDMA)。2000年5月5日，國際電聯(lián)正式公布了第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)

13、，我國提交的TD-SCDMA已正式成為ITU第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)IMT 2000建議的一個組成部分。我國自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA、歐洲WCDMA和美國CDMA2000成為3G時代最主流的技術(shù)。1.1.1 TD-SCDMA的發(fā)展過程1998年初，在當(dāng)時的郵電部科技司的直接領(lǐng)導(dǎo)下，由電信科學(xué)技術(shù)研究院組織隊伍在SCDMA技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究和起草符合IMT-2000要求的我國的TD-SCDMA建議草案。該標(biāo)準(zhǔn)草案以智能天線、同步碼分多址、接力切換、時分雙工為主要特點，于ITU征集IMT-2000第三代移動通信無線傳輸技術(shù)候選方案的截止日1998年6月30日提交到ITU，從而成為IMT-2000的

14、15個候選方案之一。ITU綜合了各評估組的評估結(jié)果，在1999年11月赫爾辛基ITU-RTG8/1第18次會議上和2000年5月在伊斯坦布爾的ITU-R全會上，TD-SCDMA被正式接納為CDMA TDD制式的方案之一。CWTS(中國無線通信標(biāo)準(zhǔn)研究組)作為代表中國的區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)化組織，從1999年5月加入3GPP以后，經(jīng)過4個月的充分準(zhǔn)備，并與3GPPPCG(項目協(xié)調(diào)組)、TSG(技術(shù)規(guī)范組)進(jìn)行了大量協(xié)調(diào)工作后，在同年9月向3GPP建議將TD-SCDMA納入3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的工作內(nèi)容。1999年12月在法國尼斯的3GPP會議上，我國的提案被3GPPTSGRAN(無線接入網(wǎng))全會所接受，正式確

15、定將TD-SCDMA納入到Release 2000(后拆分為R4和R5)的工作計劃中，并將TD-SCDMA簡稱為LCRTDD(低碼片速率TDD方案)。經(jīng)過一年多的時間，經(jīng)歷了幾十次工作組會議，幾百篇文稿的提交和討論，在2001年3月棕櫚泉的RAN全會上，隨著包含TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的3GPPR4版本規(guī)范的正式發(fā)布，TD-SCDMA在3GPP中的融合工作達(dá)到了第一個目標(biāo)。至此，TD-SCDMA不論在形式上還是在實質(zhì)上，都已在國際上被廣大運營商、設(shè)備制造商所認(rèn)可和接受，形成了真正的國際標(biāo)準(zhǔn)。1.1.2 TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀自2001年3月3GPPR4發(fā)布后，TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的實質(zhì)

16、性工作主要在3GPP體系下完成。在R4標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之后的兩年多時間里，大唐與其他眾多的業(yè)界運營商、設(shè)備制造商一起，又經(jīng)過無數(shù)次會議討論、郵件組討論，通過提交的大量文稿，對TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的物理層處理、高層協(xié)議棧消息、網(wǎng)絡(luò)和接口信令消息、射頻指標(biāo)和參數(shù)、一致性測試等部分的內(nèi)容進(jìn)行了一次次的修訂和完善，使得到目前為止的TD-SCDMAR4規(guī)范達(dá)到了相當(dāng)穩(wěn)定和成熟的程度。在3GPP的體系框架下，經(jīng)過融合完善后，由于雙工方式的差別，TD-SCDMA的所有技術(shù)特點和優(yōu)勢得以在空中接口的物理層體現(xiàn)。物理層技術(shù)的差別是TD-SCDMA與WCDMA最主要的差別所在。在核心網(wǎng)方面，TD-SCDMA與WCDM

17、A采用完全相同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括核心網(wǎng)與無線接入網(wǎng)之間采用相同的Iu接口；在空中接口高層協(xié)議棧上，TD-SCDMA與WCDMA二者也完全相同。這些共同之處保證了兩個系統(tǒng)之間的無縫漫游、切換、業(yè)務(wù)支持的一致性、QoS的保證等，也保證了TD-SCDMA和WCDMA在標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的后續(xù)發(fā)展上保持相當(dāng)?shù)囊恢滦浴?.1.3 TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)發(fā)展在3G技術(shù)和系統(tǒng)蓬勃發(fā)展之際，不論是各個設(shè)備制造商、運營商，還是各個研究機(jī)構(gòu)、政府、ITU，都已經(jīng)開始對3G技術(shù)以后的發(fā)展方向展開研究。在ITU認(rèn)定的幾個技術(shù)發(fā)展方向中，包含了智能天線技術(shù)和TDD時分雙工技術(shù)，認(rèn)為這兩種技術(shù)都是以后技術(shù)發(fā)展的趨勢，而智能天線和

18、TDD時分雙工這兩項技術(shù)，在目前的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)體系中已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)和應(yīng)用，從這一點中，也能夠看到TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展前途。另外，在R4之后的3GPP版本發(fā)布中，TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)也不同程度地引入了新的技術(shù)特性，用以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，其中主要包括：通過空中接口實現(xiàn)基站之間的同步，作為基站同步的另一個備用方案，尤其適用于緊急情況下對于通信網(wǎng)可靠性的保證；終端定位功能，可以通過智能天線，利用信號到達(dá)角對終端用戶位置定位，以便更好地提供基于位置的服務(wù)；高速下行分組接入，采用混合自動重傳、自適應(yīng)調(diào)制編碼，實現(xiàn)高速率下行分組業(yè)務(wù)支持；多天線輸入輸出技術(shù)(MIMO)，采

19、用基站和終端多天線技術(shù)和信號處理，提高無線系統(tǒng)性能；上行增強(qiáng)技術(shù)，采用自適應(yīng)調(diào)制和編碼、混合ARQ技術(shù)、對專用/共享資源的快速分配以及相應(yīng)的物理層和高層信令支持的機(jī)制，增強(qiáng)上行信道和業(yè)務(wù)能力。在政府和運營商的全力支持下，TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和產(chǎn)業(yè)鏈已基本建立起來，產(chǎn)品的開發(fā)也得到進(jìn)一步的推動，越來越多的設(shè)備制造商紛紛投入到TD-SCDMA產(chǎn)品的開發(fā)陣營中來。隨著設(shè)備開發(fā)、現(xiàn)場試驗的大規(guī)模開展，TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)也必將得到進(jìn)一步的驗證和加強(qiáng)。為了加快TD-SCDMA的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，早日形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈和多廠家供貨環(huán)境, 2002年10月30日，TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在北京成立。TD-SCD

20、MA產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的成員企業(yè)由最初的7家，發(fā)展到目前的30家企業(yè)，覆蓋了TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈從系統(tǒng)、芯片、終端到測試儀表的各個環(huán)節(jié)。1.1.4 中國TD-SCDMA與美、歐3G技術(shù)的優(yōu)缺點優(yōu)點:1.頻譜利用率高，TD-SCDMA一個載頻1.6M，WCDMA一個載頻10M；2.對功控要求低，TD-SCDMA為0200MZ WCDMMA為1500MZ；3.采用了智能天線和聯(lián)合測試，引入了所謂的空中分級，但效果如何，還待驗證；4.避免了呼吸效應(yīng)，TD-SCDMA不同業(yè)務(wù)對覆蓋區(qū)域的大小的要求較低,易于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；缺點:1.同步要求高，TD-SCDMA需要GPS同步，同步的準(zhǔn)確程度影響整個系統(tǒng)是否正常工作；

21、2.碼資源受限，TD-SCDMA只有16個碼，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于業(yè)務(wù)需求所需要的碼數(shù)量；3.干擾問題，上下行、本小區(qū)、鄰小區(qū)都可能存在干擾；4.移動速度慢，TD-SCDMA：120KM/H，WCDMA：500KM/H。1.2 TD-SCDMA信道編碼介紹1.2.1 信道編碼介紹在數(shù)字通信中，根據(jù)不同的目的，編碼可分為信源編碼和信道編碼。信源編碼是為了提高數(shù)字信號的有效性以及為了使模擬信號數(shù)字化而采取的編碼。信道編碼是為了降低誤碼率，提高數(shù)字通信的可靠性而采取的編碼。信道編碼現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。信道編碼的實質(zhì)是在信息碼中增加一定數(shù)量的多余碼元(稱為監(jiān)督碼元)，使它們滿足一定的約束關(guān)系，這樣，由信息碼元

22、和監(jiān)督碼元共同組成一個由信道傳輸?shù)拇a字。一旦傳輸過程中發(fā)生錯誤，則信息碼元和監(jiān)督碼元間的約束關(guān)系被破壞。在接收端按照既定的規(guī)則校驗這種約束關(guān)系，從而達(dá)到發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤的目的。信道編碼有多種分類方式，主要按照關(guān)系、范圍及用途分為三種：(1)根據(jù)糾錯碼各碼組信息元和監(jiān)督元的函數(shù)關(guān)系，可分為線性碼和非線性碼。如果函數(shù)關(guān)系是線性的，即滿足一組線性方程式，則稱為線性碼，否則為非線性碼。(2)根據(jù)上述關(guān)系涉及的范圍，可分為分組碼和卷積碼。分組碼的各碼元僅與本組的信息元有關(guān)；卷積碼中的碼元不僅與本組的信息元有關(guān)，而且還與前面若干組的信息元有關(guān)。(3)根據(jù)碼的用途，可分為檢錯碼和糾錯碼。檢錯碼以檢錯為目的，不

23、一定能糾錯；而糾錯碼以糾錯為目的，一定能檢錯。信息通過信道傳輸，由于物理介質(zhì)的干擾和無法避免的噪聲，信道的輸入和輸出之間僅具有統(tǒng)計意義上的關(guān)系，在做出唯一判決的情況下將無法避免差錯，其差錯概率完全取決于信道特性。因此，一個完整、實用的通信系統(tǒng)通常包括信道編譯碼模塊。視頻信號在傳輸前都會經(jīng)過高度壓縮以降低碼率，傳輸錯誤會對最后的圖像恢復(fù)產(chǎn)生極大的影響，因此信道編碼尤為重要。信道編碼的作用一是使碼流的頻譜特性適應(yīng)通道的頻譜特性，從而使傳輸過程中能量損失最小，提高信號能量與噪聲能量的比例，減小發(fā)生差錯的可能性；二是增加糾錯能力，使得即便出現(xiàn)差錯也能得到糾正。信道編碼技術(shù)可改善數(shù)字信息在傳輸過程中噪聲

24、和干擾造成的誤差，提高系統(tǒng)可靠性，因而提供高效的信道編譯碼技術(shù)成為3G移動通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。3G移動通信系統(tǒng)所提供的業(yè)務(wù)種類的多樣性、靈活性，對差錯控制編譯碼提出了更高的要求。在TD-SCDMA中，信道編碼有3種選擇：對于傳輸質(zhì)量等級小于10-3要求時，使用卷積深度從1 到1/3的帶有前向糾錯的卷積編碼。傳輸質(zhì)量等級大于10-3要求時，傳輸速率大于32Kbps時，使用超級編碼（Turbo code）。還可以選擇沒有編碼。而卷積編碼是3G移動通信技術(shù)TD-SCDMA系統(tǒng)中主要信道編碼方式之一。1.2.2 卷積編碼介紹卷積碼的編碼器是由一個有k個輸入位(端)、n個輸出位(端)，且具有m級移

25、位寄存器所構(gòu)成的有限狀態(tài)的有記憶系統(tǒng)，通常稱它為時序網(wǎng)絡(luò)。非分組碼的卷積碼的編碼器是在任一段規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生n個碼元，但它不僅取決于這段時間中的k個信息位，還取決于前(K-1)段規(guī)定時間內(nèi)的信息位，這K段時間內(nèi)的碼元數(shù)目為Kk，稱參數(shù)K為卷積碼的約束長度，每k個比特輸入，得到n比特輸出，編碼效率為k/n，約束長度為K。在k=1的條件下，移位寄存器級數(shù)m=K-1。 卷積碼一般可用(n，k，K)來表示，其中k為輸入碼元數(shù)，n為輸出碼元數(shù)，而K則為編碼器的約束長度。典型的卷積碼一般選n和k ( k n ) 值較小，但約束長度K可取較大值(K0 input=input,zeros(size(1:k0-r

26、em(length(input),k0);endn=length(input)/k0;% n為輸入序列長度if rem(size(G,2),k0)0 error(Error,G is not of the right size.)endL=size(G,2)/k0;% L為約束長度n0=size(G,1);% n0為輸出端個數(shù)u=zeros(size(1:(L-1)*k0),input,zeros(size(1:(L-1)*k0);% 輸入矩陣前后補(bǔ)0u2=zeros(n0,n+L-1);for i=1:n+L-1 u1=u(i+L-1)*k0:-1:i*k0); uu=G*u1; u2(:,

27、i)=uu; end output=reshape(rem(u2,2),1,n0*(L+n-1);2.3 卷積編碼仿真2.3.1 (2,1)卷積碼的仿真隨機(jī)輸入一組序列，通過卷積編碼器程序?qū)λ斎氲男蛄羞M(jìn)行編碼，得到卷積碼輸出，再對這個卷積碼進(jìn)行噪聲干擾，在實際通信系統(tǒng)中即相當(dāng)于在空中傳輸過程中出現(xiàn)傳輸錯誤，出現(xiàn)誤碼，譯碼器接收到錯誤的碼字進(jìn)行解碼，理論上按照Viterbi譯碼算法是可以回溯到原始的正確碼字的，即原始的輸入序列?，F(xiàn)在用卷積編碼器程序在MATLAB中對該實驗進(jìn)行仿真，驗證譯碼是否正確，以得出是否有差錯控制的功能，即卷積碼是否可以實現(xiàn)差錯控制。設(shè)置編碼器輸入端：隨機(jī)輸入序列：cod

28、er_input=1 0 1 1 0 1 0 0 輸入(2,1)卷積碼的生成矩陣：設(shè)置輸入端個數(shù)：k=1 則通過仿真得到編碼器輸出的卷積碼序列：channel_output =1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0仿真結(jié)果如圖2.3.1所示。圖2.3.1 編碼器輸出的卷積碼當(dāng)通信過程中遇到噪聲干擾，就會出現(xiàn)誤碼。例如本次實驗中將編碼器輸出序列的第一位、第五位、第十位和最后一位更改，得到加噪之后的序列，再將加噪序列送入Viterbi譯碼器程序進(jìn)行譯碼輸出。經(jīng)過譯碼之后輸出的序列理論上應(yīng)該是原始的輸入序列，若實

29、際輸出與輸入序列相同，則驗證成功。設(shè)置解碼器輸入端：編碼器輸出的卷積碼序列：channel_output =1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0加了噪聲之后的序列(被送到譯碼器中進(jìn)行譯碼的序列)：channel_output =0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1經(jīng)過譯碼器譯碼之后的輸出序列：decoder_output =1 0 1 1 0 1 0 0該序列與原始的輸入序列coder_input=1 0 1 1 0

30、 1 0 0相同，即還原到了原始的輸入序列，達(dá)到了糾錯的目的，驗證成功。仿真結(jié)果如圖2.3.2所示。圖2.3.2 解碼器輸出的序列2.3.2 (3,1)卷積碼的仿真隨機(jī)輸入一組序列，通過卷積編碼器程序?qū)λ斎氲男蛄羞M(jìn)行編碼，得到卷積碼輸出，再對這個卷積碼進(jìn)行噪聲干擾，在實際通信系統(tǒng)中即相當(dāng)于在空中傳輸過程中出現(xiàn)傳輸錯誤，出現(xiàn)誤碼，譯碼器接收到錯誤的碼字進(jìn)行解碼，理論上按照Viterbi譯碼算法是可以回溯到原始的正確碼字的，即原始的輸入序列?，F(xiàn)在用卷積編碼器程序在MATLAB中對該實驗進(jìn)行仿真，驗證譯碼是否正確，以得出是否有差錯控制的功能，即卷積碼是否可以實現(xiàn)差錯控制。 設(shè)置編碼器輸入端：隨機(jī)輸

31、入序列：coder_input=1 0 1 1 0 1 0 0輸入(2,1)卷積碼的生成矩陣：設(shè)置輸入端個數(shù)：k=1則通過仿真得到編碼器輸出的卷積碼序列：channel_output=1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0仿真結(jié)果如圖2.3.3所示。圖2.3.3 編碼器輸出的卷積碼當(dāng)通信過程中遇到噪聲干擾，就會出現(xiàn)誤碼。例如本次實驗中將編碼器輸出序列的第一位、第五位、第十位和最后一位更改，得到加噪之后的序列，再將加噪序列送入Viterbi譯碼器

32、程序進(jìn)行譯碼輸出。經(jīng)過譯碼之后輸出的序列理論上應(yīng)該是原始的輸入序列，若實際輸出與輸入序列相同，則驗證成功。設(shè)置譯碼器輸入端：編碼器輸出的卷積碼序列：channel_output=1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0加了噪聲之后的序列(被送到譯碼器中進(jìn)行譯碼的序列)：channel_output=0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1

33、 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1經(jīng)過譯碼器譯碼之后的輸出序列：decoder_output =1 0 1 1 0 1 0 0該序列與原始的輸入序列coder_input=1 0 1 1 0 1 0 0相同，即還原到了原始的輸入序列，達(dá)到了糾錯的目的，驗證成功。仿真結(jié)果如圖2.3.4所示。圖2.3.4 解碼器輸出的序列第3章 誤碼率分析3.1 仿真通信系統(tǒng)模型為了模擬實際通信系統(tǒng)，進(jìn)行誤碼率分析，需要建立通信系統(tǒng)模型，仿真通信系統(tǒng)框圖如圖3.1.1所示，其中信源為隨機(jī)輸入的二進(jìn)制碼元，卷積編碼即是通過MATLAB仿真的部分。信道為簡單的加性高斯白噪聲信道，即產(chǎn)生誤碼的原因。調(diào)制方式為QP

34、SK調(diào)制,譯碼方式采用了Viterbi算法的卷積碼譯碼，也是通過MATLAB仿真的部分。信源卷積編碼器輸出Viterbi譯碼器解調(diào)AWGN信道QPSK調(diào)制圖3.1.1 仿真通信系統(tǒng)框圖模型3.2 誤碼率分析當(dāng)隨機(jī)輸入一組序列時，通過卷積編碼程序?qū)λ斎氲男蛄羞M(jìn)行編碼，得到卷積碼輸出，再對這個卷積碼進(jìn)行噪聲干擾，在實際通信系統(tǒng)中即相當(dāng)于在空中傳輸過程中出現(xiàn)傳輸錯誤，或在高斯白噪聲傳播信道中傳輸出現(xiàn)誤碼，該錯誤的碼字被譯碼器接收，而譯碼器會對接收到的錯誤的碼字進(jìn)行解碼，理論上，按照Viterbi譯碼算法可以回溯到原始的正確碼字，即正確的輸入序列。但是由于通信信道質(zhì)量不同，加入的噪聲可能很大，輸入的

35、序列長，產(chǎn)生錯誤的碼字不一定只是簡單的幾個而已，因此經(jīng)過噪聲干擾之后的序列經(jīng)過譯碼之后，有可能無法回溯到源碼字，這樣就會出現(xiàn)誤碼。因此應(yīng)該對序列進(jìn)行誤碼率分析。對卷積碼譯碼誤碼率的分析離不開信噪比-誤碼率曲線圖。該曲線圖以信噪比(SNR)為橫坐標(biāo)，以誤碼率(BER)為縱坐標(biāo)。信噪比是指信息功率與噪聲功率的比值，單位是分貝(dB)，即：3.2.1 (2,1)卷積碼的誤碼率曲線通過matlab仿真繪制(2,1)卷積碼的誤碼率曲線圖。為了使仿真結(jié)果準(zhǔn)確性更高，隨機(jī)輸入數(shù)據(jù)個數(shù)要達(dá)到一定的數(shù)量，本次仿真將隨機(jī)產(chǎn)生10萬個輸入數(shù)據(jù)，并繪制其通過卷積編碼，QPSK調(diào)制，AWGN信道，解調(diào)，Viterbi解

36、碼后所得輸出序列的信噪比-誤碼率曲線。為了使結(jié)果更有說服力，繪制同一序列僅通過QPSK調(diào)制，AWGN信道，解調(diào)后所得輸出序列的信噪比-誤碼率曲線作為對比。源程序如下：clcclear all;input=randint(1,);% 產(chǎn)生隨機(jī)輸入序列LL=length(input);% 輸入序列長度k0=1;% 輸入端個數(shù)k0=1p=1;para=1;% qpsk調(diào)制器輸入矩陣行數(shù)為1ml=2;G=1,0,1,1,1,0,0,0,1;1,1,1,1,0,1,0,1,1;% 1/2碼率生成矩陣iout1,qout1=qpskmod(input,para,LL,ml);% 不經(jīng)過編碼直接調(diào)制，作為參

37、考序列L1=length(iout1);output=cnv_code(G,k0,input);% 對輸入序列進(jìn)行卷積編碼dataL=size(output,2);% 經(jīng)過編碼后的序列的長度為dataLiout2,qout2=qpskmod(output,para,dataL,ml);% 對已編碼序列進(jìn)行qpsk調(diào)制L2=length(iout2);for SNR=0:0.5:6Z1=AWGN(iout1,qout1,SNR);% 對參考序列加噪 X1=Z1(1:L1); Y1=Z1(L1+1:length(Z1); Z2=AWGN(iout2,qout2,SNR);% 對已編碼已調(diào)制信號加噪

38、 X2=Z2(1:L2); Y2=Z2(L2+1:length(Z2); undata=qpskdemod(X1,Y1,para,L1,ml);% 對加噪后的參考序列解調(diào) demodata=qpskdemod(X2,Y2,para,L2,ml);% 對加噪后的信號解調(diào)decoder_output,survivor_state,cumulated_metric=viterbi(G,k0,demodata);% 將解調(diào)后的信號通過viterbi解碼器解碼% 參考序列誤碼率計算 output_add1=undata-input;% 解碼器輸出矩陣減去輸入矩陣得到差矩陣 bit_errors1=fin

39、d(output_add1);% 找出差矩陣中的非零元素bit_error_count1=size(bit_errors1,2);% 非零元素的個數(shù)即為誤碼個數(shù) ber1(p)=bit_error_count1/LL;% 誤碼個數(shù)除以輸入序列長度，得到誤碼率% 經(jīng)過卷積編碼的序列誤碼率計算 output_add2=decoder_output-input;% 解碼器輸出矩陣減去輸入矩陣得到差矩陣 bit_errors2=find(output_add2);% 找出差矩陣中的非零元素 bit_error_count2=size(bit_errors2,2);% 非零元素的個數(shù)即為誤碼個數(shù)ber2

40、(p)=bit_error_count2/LL;% 誤碼個數(shù)除以輸入序列長度，得到誤碼率 p=p+1;end% 畫出誤碼率曲線figure(1);m=0:0.5:6;semilogy(m,ber1,r);hold on;semilogy(m,ber2);xlabel(SNR);ylabel(BER);legend(參考序列,(2,1)卷積碼);grid on在matlab中運行后，得到參考序列的誤碼率曲線與(2,1)卷積碼的誤碼率曲線圖如圖3.2.1圖3.2.1 (2,1)卷積碼的誤碼率曲線由圖可知，當(dāng)碼率一定時（本次仿真碼率為1/2），隨著噪聲功率的減小，信噪比(SNR)逐漸升高，誤碼率逐漸

41、減小。這是信噪比較低時，卷積碼的整體趨勢。信噪比極低時，卷積編碼無法改善系統(tǒng)誤碼率，反而使得誤碼率升高。這種現(xiàn)象可以解釋為：當(dāng)環(huán)境極其惡劣時，誤碼率本身已經(jīng)很高了（圖中大于10%），此時解調(diào)出的信號中存在大量錯誤，超出了卷積編碼的糾錯能力。在此情形下，維特比譯碼不但無法正常糾錯，反而會導(dǎo)致更多的錯誤。需要指出的是，現(xiàn)實中人們并不會令通信系統(tǒng)工作在如此高的誤碼率條件下（如此高誤碼率的通信系統(tǒng)沒有實際意義；即使信噪比確實很低，人們也會通過分集接收、聯(lián)合檢測等技術(shù)改善系統(tǒng)性能）。隨著信噪比逐漸升高，經(jīng)過(2,1)卷積編碼的序列誤碼率明顯低于參考序列的誤碼率，所以，可以認(rèn)為經(jīng)過卷積編碼的序列整體誤碼率

42、低于未經(jīng)過卷積編碼的參考序列的誤碼率，證明卷積編碼對降低信號誤碼率還是有意義的。信噪比趨于5dB以上時，噪聲功率很小，對信息的干擾也很小，信息加噪后只產(chǎn)生了少量誤碼，再經(jīng)過解調(diào)與Viterbi解碼，對其誤碼進(jìn)行糾錯后，誤碼個數(shù)進(jìn)一步降低甚至接近于0。3.2.2 (3,1)卷積碼的誤碼率曲線通過matlab仿真繪制(3,1)卷積碼的誤碼率曲線圖。為了使仿真結(jié)果準(zhǔn)確性更高，隨機(jī)輸入數(shù)據(jù)個數(shù)要達(dá)到一定的數(shù)量，本次仿真將隨機(jī)產(chǎn)生10萬個輸入數(shù)據(jù)，并繪制其通過卷積編碼，QPSK調(diào)制，AWGN信道，解調(diào)，Viterbi解碼后所得輸出序列的信噪比-誤碼率曲線。為了使結(jié)果更有說服力，繪制同一序列僅通過QPSK

43、調(diào)制，AWGN信道，解調(diào)后所得輸出序列的信噪比-誤碼率曲線作為對比。源程序如下：clcclear all;input=randint(1,);% 產(chǎn)生隨機(jī)輸入序列LL=length(input);% 輸入序列長度k0=1;% 輸入端個數(shù)k0=1p=1;para=1;% qpsk調(diào)制器輸入矩陣行數(shù)為1ml=2;G=1,0,1,1,0,1,1,1,1;1,1,0,1,1,0,0,1,1;1,1,1,0,0,1,0,0,1;% 1/3碼率生成矩陣iout1,qout1=qpskmod(input,para,LL,ml);% 不經(jīng)過編碼直接調(diào)制，作為參考序列L1=length(iout1);outpu

44、t=cnv_code(G,k0,input);% 對輸入序列進(jìn)行卷積編碼dataL=size(output,2);% 經(jīng)過編碼后的序列的長度為dataLiout2,qout2=qpskmod(output,para,dataL,ml);% 對已編碼序列進(jìn)行qpsk調(diào)制L2=length(iout2);for SNR=0:0.5:6Z1=AWGN(iout1,qout1,SNR);% 對參考序列加噪 X1=Z1(1:L1); Y1=Z1(L1+1:length(Z1); Z2=AWGN(iout2,qout2,SNR);% 對已編碼已調(diào)制信號加噪 X2=Z2(1:L2); Y2=Z2(L2+1:

45、length(Z2); undata=qpskdemod(X1,Y1,para,L1,ml);% 對加噪后的參考序列解調(diào) demodata=qpskdemod(X2,Y2,para,L2,ml);% 對加噪后的信號解調(diào)decoder_output,survivor_state,cumulated_metric=viterbi(G,k0,demodata);% 將解調(diào)后的信號通過viterbi解碼器解碼% 參考序列誤碼率計算 output_add1=undata-input;% 解碼器輸出矩陣減去輸入矩陣得到差矩陣 bit_errors1=find(output_add1);% 找出差矩陣中的非

46、零元素bit_error_count1=size(bit_errors1,2);% 非零元素的個數(shù)即為誤碼個數(shù) ber1(p)=bit_error_count1/LL;% 誤碼個數(shù)除以輸入序列長度，得到誤碼率% 經(jīng)過卷積編碼的序列誤碼率計算 output_add2=decoder_output-input;% 解碼器輸出矩陣減去輸入矩陣得到差矩陣 bit_errors2=find(output_add2);% 找出差矩陣中的非零元素 bit_error_count2=size(bit_errors2,2);% 非零元素的個數(shù)即為誤碼個數(shù)ber2(p)=bit_error_count2/LL;% 誤碼個數(shù)除以輸入序列長度，得到誤碼率 p