循環(huán)碼編碼產(chǎn)生電路simulink 仿真 課程設(shè)計

1、仿真技術(shù)綜合設(shè)計循環(huán)碼產(chǎn)生電路的設(shè)計班 級： 通信13-3班 姓 名： 王亞飛 學(xué) 號： 1306030318 指導(dǎo)教師： 楊春玲 成 績： 電子與信息工程學(xué)院 信息與通信工程系 目 錄1循環(huán)碼簡介32循環(huán)碼電路設(shè)計要求33循環(huán)碼編碼相關(guān)知識33.1 循環(huán)碼的多項式表示33.2 (n,k)循環(huán)碼的生成多項式43.3 循環(huán)碼的生成矩陣和一致校驗矩陣43.4 循環(huán)碼編碼原理64循環(huán)碼產(chǎn)生電路原理75 Simulink模型的建立95.1 在simulink中建立循環(huán)碼電路模型95.2 相關(guān)模塊參數(shù)設(shè)置96仿真結(jié)果和分析117循環(huán)碼的應(yīng)用127.1循環(huán)碼在微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用127.2循環(huán)碼在CDMA

2、中的應(yīng)用137.3循環(huán)碼在數(shù)字通信中的應(yīng)用137.4在前向糾錯中的應(yīng)用137.5循環(huán)碼在鐵路通訊安全中的應(yīng)用148心得體會151循環(huán)碼簡介在計算機(jī)通信信息碼中循環(huán)碼是線性分組碼的一個重要子集，是目前研究得最成熟的一類碼。它有許多特殊的代數(shù)性質(zhì)，它使計算機(jī)通信以一種以數(shù)據(jù)通信形式出現(xiàn)，實現(xiàn)了在計算機(jī)與計算機(jī)之間或計算機(jī)與終端設(shè)備之間進(jìn)行有效的與正確地信息傳遞，它使得現(xiàn)代通信的可靠性與有效性實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。它是現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)飛速發(fā)展的產(chǎn)物，在日常生活通信領(lǐng)域、武器控制系統(tǒng)等領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用。循環(huán)碼是線性分組碼的一種，所以它具有線性分組碼的一般特性，此外還具有循環(huán)性。循環(huán)碼的編碼和解碼設(shè)備

3、都不太復(fù)雜，且檢(糾)錯能力強。它不但可以檢測隨機(jī)的錯誤，還可以檢錯突發(fā)的錯誤。 循環(huán)碼可以檢測長為 或更短的任何突發(fā)錯誤，包括首尾相接突發(fā)錯誤。循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，循環(huán)碼編排的特點是相鄰兩個數(shù)碼之間符合卡諾圖中的鄰接條件，即相鄰兩個數(shù)碼之間只有一位碼元不同，碼元就是組成數(shù)碼的單元。符合這個特點的有多種方案，但循環(huán)碼只能是表中的那種。循環(huán)碼的優(yōu)點是沒有瞬時錯誤，因為在數(shù)碼變換過程中，在速度上會有快有慢，中間經(jīng)過其它一些數(shù)碼形式，稱它們?yōu)樗矔r錯誤。這在某些數(shù)字系統(tǒng)中是不允許的，為此希望相鄰兩個數(shù)碼之間僅有一位碼元不同，即滿足鄰接條件，這樣就不會產(chǎn)生瞬時錯誤。循環(huán)碼就是這樣一種編碼，它可以在卡諾圖

4、中依次循環(huán)得到。循環(huán)碼又稱格雷碼（Gray Code）。2循環(huán)碼電路設(shè)計要求循環(huán)碼產(chǎn)生電路設(shè)計要求：1、用simulink對系統(tǒng)建模2、寫出其生成多項式（自定）。3、對所設(shè)計的系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真分析（輸出m小序列）4、對其應(yīng)用舉例闡述。3循環(huán)碼編碼相關(guān)知識3.1 循環(huán)碼的多項式表示設(shè)碼長為n的循環(huán)碼表示為（），其中為二進(jìn)制數(shù)，通常把碼組中各碼元當(dāng)做二進(jìn)制的系數(shù)，即把上式中長為n的各個分量看做多項式：的各項系數(shù)，則碼字與碼多項式一一對應(yīng)，這種多項式中，x僅表示碼元位置的標(biāo)記,因此我們并不關(guān)心x的取值，這種多項式稱為碼多項式。3.2 (n,k)循環(huán)碼的生成多項式 (n,k)循環(huán)碼的生成多項式寫為g(

5、x),它是(n,k)循環(huán)碼碼集中唯一的，冪次為n-k的碼多項式，則是一個冪次為n的碼多項式。按模()運算，此時： 即 且因 g(x)也是n階冪，故Q(x)=1。由于它是循環(huán)碼，故按模()運算后的“余式”也是循環(huán)碼的一個碼字，它必能被g(x)整除，即 由以上兩式可以得到一下兩式： 從上式中可以看出，生成多項式g(x)應(yīng)該是的一個因式，即循環(huán)碼多項式應(yīng)該是的一個n-k次因式。3.3 循環(huán)碼的生成矩陣和一致校驗矩陣循環(huán)碼的生成多項式寫為,它是循環(huán)碼碼集中唯一的，冪次為的碼多項式，則是一個冪次為的碼多項式。按模運算，此時： 即，且因也是次冪，故。由于它是循環(huán)碼，故按模運算后的“余式”也是循環(huán)碼的一個碼

6、字，它必能被整除，即：由以上兩式可以得到：從上式中可以看出，生成多項式g(x)應(yīng)該是的一個因式，即循環(huán)碼多項式應(yīng)該是的一個次因式。由生成多項式可以得出相應(yīng)的典型生成矩陣及標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督矩陣：已知（7，3）循環(huán)碼的生成多項式為：。寫得其生成矩陣為：3.4 循環(huán)碼編碼原理有信息碼構(gòu)成信息多項式，其中最高冪次為k-1；用乘以信息多項式m(x)，得到的，最高冪次為n-1，該過程相當(dāng)于把信息碼（，）移位到了碼字德前k個信息位，其后是r個全為零的監(jiān)督位；用g(x)除得到余式r(x),其次數(shù)必小于g(x)的次數(shù)，即小于（n-k），將此r(x)加于信息位后做監(jiān)督位，即將r(x)于相加，得到的多項式必為一碼多項式。

7、根據(jù)上面的討論，可得到在循環(huán)碼編碼的程序框圖如圖3.1 所示：初始化確定余式r(x): 存儲c(x)圖3.1 循環(huán)碼編碼的程序框圖確定c(x): 循環(huán)碼最大的特點就是碼字的循環(huán)特性，所謂循環(huán)特性是指：循環(huán)碼中任一許用碼組經(jīng)過循環(huán)移位后，所得到的碼組仍然是許用碼組，也就是說，不論是左移還是右移，也不論移多少位，仍然是許用的循環(huán)碼組。循環(huán)碼的編譯碼過程如下：第一步：將信息碼字表示為，其最高次冪為；第二步：將與求模得出相應(yīng)的余式；第三步：編碼結(jié)果為。4循環(huán)碼產(chǎn)生電路原理上面討論的產(chǎn)生監(jiān)督碼元的方法可用以下兩個式子加以概括因此采用系統(tǒng)碼的循環(huán)碼編碼器就是將信息組乘上，然后用生成多項式除以，求余式的電路

8、，如圖4.1所示，其中生成多項式為：若，其中，則電路就無反饋，否則支路就有反饋。圖4.1 循環(huán)碼產(chǎn)生電路原理由于本課程設(shè)計選擇的設(shè)計參數(shù)為n=7, k=3，且生成多項式為所以設(shè)計電路如下：圖4.2 （7，3）循環(huán)碼產(chǎn)生電路原理電路編碼過程如下：（1） 四級移存器初始狀態(tài)全為“0”，門1開，門2關(guān)。信息組以高位先入的次序送入電路，一方面經(jīng)或門輸出編碼的前k個信息碼元，另一方面送入g(x) 除法電路的右端，這對應(yīng)于完成用g(x)除的除法運算。   （2） 三次移位后，信息組全部通過或門輸出，它就是系統(tǒng)碼碼字的前三個信息碼元，同時它也全部進(jìn)入除g(x)電路，完成除法運算。此時在移

9、存器abcd中存的數(shù)就是余式r(x)的系數(shù)，也就是碼字的校驗碼元。（3） 門1關(guān)閉，門2打開，再經(jīng)四次移位后，移存器中的校驗碼元跟在信息組后面輸出，形成一個完整的碼字。（4） 門1打開，門2關(guān)閉，送入第二組信息組，重復(fù)上述過程。  表4-1列出了上述編碼器的工作過程。設(shè)輸入信息組為(110)，七個移位脈沖過后，在輸出端得到已編好的碼字(1100101)。輸入m移位寄存器abcd反饋e輸出f0 (初始狀態(tài))0000001101110100110101111100000010100100001000001010101表4-1 寄存器狀態(tài)5 Simulink模型的建立5.1 在s

10、imulink中建立循環(huán)碼電路模型打開matlab，在simulink庫里先新建文件，保存到指定位置，然后開始建立模型。從simulink庫里拖入信號源模塊、邏輯控制模塊、延時模塊、示波器等相關(guān)控件，如圖5.1所示。圖5.1循環(huán)碼產(chǎn)生電路 simulink仿真框圖5.2 相關(guān)模塊參數(shù)設(shè)置1、m序列輸入源設(shè)置M序列的輸入是用” Repeating Sequence Stair”模塊來完成的。” Repeating Sequence Stair”模塊可以直接按照人為設(shè)定的序列進(jìn)行輸出，在這里我們利用它來輸入信息碼m(x),現(xiàn)設(shè)置如下：圖5.2 m序列輸入源設(shè)置2、反饋控制源設(shè)置反饋控制信號源是用來

11、控制如圖5.1所示的“門1”，當(dāng)輸入信息碼時，反饋打開，當(dāng)3位信息碼輸完之后，反饋關(guān)閉，之后把四位寄存器里儲存的值輸出來就是監(jiān)督碼。故將反饋信號源設(shè)置如下:圖5.3反饋信號源設(shè)置3、輸出控制源輸出控制信號源是用來控制輸出的，當(dāng)輸入信息碼時，一方面把信息碼送入除法電路，另一方面直接輸出，這時就需要把如圖5.1所示的“門2”打開，故將輸出控制信號源設(shè)置如下：圖5.4輸出控制源4、延時模塊（移位寄存器）設(shè)置這里延時模塊選擇的是離散的 單位延時模塊，作用就相當(dāng)于移位寄存器，現(xiàn)設(shè)置參數(shù)如下：“Sample time”設(shè)為-1，代表采樣時間是繼承的。圖5.5延時模塊（移位寄存器）設(shè)置6仿真結(jié)果和分析根據(jù)上

12、述的各模塊的設(shè)置，點擊“運行按鈕”，然后雙擊示波器“Scope”可以觀看編碼結(jié)果如下圖6.1，經(jīng)過驗證，編碼結(jié)果正確，輸入信息碼（110），輸出編碼結(jié)果為（1100101）.圖6.1 仿真輸出波形7循環(huán)碼的應(yīng)用7.1循環(huán)碼在微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用在微機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)中由于信息傳輸所造成的錯誤會影響系統(tǒng)的工作性能，降低系統(tǒng)的靠性。因此采用循環(huán)碼編碼,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,是提高系統(tǒng)性能和可靠性的重要措施。1.生成多項式G(X)的選取;2.并行信息傳輸技術(shù);3.接收檢測技術(shù);4.接收碼檢錯電路;5.發(fā)現(xiàn)雙列、糾正單列錯碼的并行傳輸;7.2循環(huán)碼在CDMA中的應(yīng)用碼分多址是衛(wèi)星通信與移動電臺通信中的一種重要的多址方

13、式,碼序列的選擇是CDMA系統(tǒng)中的重要因素 .選擇碼序列的關(guān)鍵在于它們應(yīng)當(dāng)具有良好的相關(guān)系數(shù),同時還應(yīng)當(dāng)具有足夠的可供選擇的碼序列數(shù)目(即地址數(shù)目)。循環(huán)碼是一種糾錯碼,通常只用來提高數(shù)據(jù)通信的可靠性,抵抗信道 中的干擾和噪聲,然而下面的定 理證明,某 些循環(huán)碼同樣具有良好的相關(guān)系數(shù)和足夠的碼序列數(shù)目 ,因而也適合用作CDMA中的碼序列。7.3循環(huán)碼在數(shù)字通信中的應(yīng)用循環(huán)碼是編碼方式的一種,檢錯率高.循環(huán)碼用來檢測隨機(jī)或突發(fā)錯誤是非常有效的.在通信軟件中大多數(shù)采用循環(huán)碼進(jìn)行數(shù)據(jù)差錯控制。數(shù)字通信要求傳輸過程中所造成的數(shù)碼差錯足夠低,引起傳輸差錯的根本原因是信道內(nèi)存在著噪聲,以及信道特性不理想所

14、造成的碼間串?dāng)_,雖然我們可以通過提高通信系統(tǒng)的信噪比及抗噪聲性能,將差錯減小到一定程度,但要進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的可靠性,就需要采用差錯控制技術(shù)。7.4在前向糾錯中的應(yīng)用循環(huán)碼是線性分組碼的一個重要子類,有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu),具有糾、檢錯能力,且編碼、解碼用軟件、硬件都容易實現(xiàn)。研究了循環(huán)碼實現(xiàn)的方法和應(yīng)用原理, 結(jié)果表明，將該方法應(yīng)用于前向糾錯方式中, 能大大提高通信質(zhì)量。數(shù)字通信要求傳輸過程中所造成的數(shù)碼差錯足夠低,引起傳輸差錯的根本原因是信道內(nèi)存在著噪聲,以及信道特性不理想所造成的碼間串?dāng)_。雖然可以通過提高通信系統(tǒng)的信噪比及抗噪聲性能, 將差錯減小到一定程度,但要進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的可靠性,就

15、須采用差錯控制技術(shù)。差錯控制的基本工作方式有 4種, 即前向糾錯、檢錯重發(fā)、信息反饋和混合糾錯,在測井系統(tǒng)中,采用單芯電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,由于受傳輸線的限制,雙向信息傳輸不能同時進(jìn)行,若采用信息反饋或檢錯重發(fā)或混合糾錯方式,傳輸線又用作反饋信道, 必然導(dǎo)致傳輸速率降低, 為此,通信中采用前向糾錯方式。糾錯編碼的目的在于利用編碼后碼字的規(guī)律性。應(yīng)用實例：在單芯電纜測井系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中,應(yīng)用了循環(huán)碼糾錯編碼。生產(chǎn)測井中需要的參數(shù)主要有溫度、壓力、含水率、磁定位信號、流量等, 由于油井環(huán)空測試只能在油井環(huán)空范圍內(nèi)進(jìn)行, 測井難度大大增加。鎧裝單芯電纜內(nèi)有一條電纜芯,與外層鎧裝構(gòu)成了兩股傳輸線,其中外層

16、鎧裝在傳輸中可作地線。首先將各物理量轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號, 并將各種信號的傳送從時間上分開, 從而實現(xiàn)了分時傳送。為了使傳輸信號具有同步能力,對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行了雙相位信號碼編碼; 為了降低傳輸誤碼率,采用了( 18,13)循環(huán)碼。該碼最小碼距 , 編碼效率為, 不僅能糾正一個錯誤,同時還能檢出一個錯誤。實驗表明,經(jīng)過 500 m 單芯電纜的傳輸,由井下至地面發(fā)送數(shù)據(jù)波特率為 5 kb/ s時,雖然在發(fā)送端設(shè)計了幅度均衡電路,但由于信道對不同頻率信號的衰減不同,造成“ 1”和“ 0”信號由井下發(fā)往地面后接收幅度不同。統(tǒng)計結(jié)果顯示, 未采用循環(huán)碼糾錯編碼時,誤碼率為 0. 3%,采用循環(huán)碼后,誤碼率降至0

17、. 01%以下。這樣大大提高了通信質(zhì)量,收到良好效果。7.5循環(huán)碼在鐵路通訊安全中的應(yīng)用隨著數(shù)字化技術(shù)在鐵路運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，要求數(shù)據(jù)傳輸具有高可靠性和低誤碼率。因此在通訊信道達(dá)不到要求時,需要應(yīng)用循環(huán)碼技術(shù)進(jìn)行檢錯和糾錯。目前,很多成熟的數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)在鐵路運輸中得到應(yīng)用，其中有許多系統(tǒng)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸和處理，要求數(shù)據(jù)在傳輸中具有高度的可靠性和很低的誤碼率。但由于鐵路行業(yè)的特殊性，有些通訊信道還達(dá)不到應(yīng)用系統(tǒng)的誤碼率要求，因此檢錯和糾錯成為系統(tǒng)應(yīng)用必須解決的問題，而循環(huán)碼是當(dāng)前應(yīng)用最多、最廣的檢錯和糾錯技術(shù)。循環(huán)碼在糾錯中的應(yīng)用：當(dāng)采用循環(huán)碼編碼后的碼在實際中發(fā)生變化時， 如果改變的

18、位數(shù)小于循環(huán)碼中非零編碼的最碼重半數(shù)或改變的連續(xù)位數(shù)在可糾正范圍內(nèi)，該編碼將不再屬于此循環(huán)碼集，在接收時就能檢測到此類錯誤，并通過還原得到原始編碼，從而達(dá)到糾錯的目的。當(dāng)用循環(huán)碼進(jìn)行糾錯時，可根據(jù)不同的使用場合使用不同的循環(huán)碼。如果使用循環(huán)碼來糾正隨機(jī)錯誤，那么就要求循環(huán)碼中具有最小碼重的非零編碼的碼重盡可能的大，因為其碼重決定了此循環(huán)碼糾正隨機(jī)錯誤的能力。如果使用循環(huán)碼來糾正突發(fā)錯誤，就要求循環(huán)碼中非零編碼的最長非零位數(shù)盡可能的少，因為它決定了此循環(huán)碼糾正突發(fā)錯誤的能力。循環(huán)碼在系統(tǒng)中的應(yīng)用：隨著鐵路調(diào)度管理信息系統(tǒng)（DMIS）、調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）的大面積的推廣使用，由于有些通訊信道還達(dá)不到相應(yīng)的誤碼率要求，在通訊中會出現(xiàn)一些誤碼，影響系統(tǒng)的正常使用，通過應(yīng)用循環(huán)碼檢錯功能，可以使通道質(zhì)量提升到滿足系統(tǒng)誤碼率