01通信原理課程設(shè)計基于Simulink的卷積碼編碼技術(shù)仿真與性能分析

1、通信原理課程設(shè)計報告*學(xué) 院城南學(xué)院專 業(yè)通信工程 班 級學(xué) 號學(xué)生姓名指導(dǎo)老師 熊 文杰課程成績完成日期2015年1月9日課程設(shè)計成績評定學(xué) 院城南學(xué)院專 業(yè)通信工程 班 級學(xué) 號學(xué)生姓名指導(dǎo)老師 熊 文 杰 課程成績完成日期2015年1月9日指導(dǎo)教師對學(xué)生在課程設(shè)計中的評價評分項目優(yōu)良中及格不及格課程設(shè)計中的創(chuàng)造性成果學(xué)生掌握課程內(nèi)容的程度課程設(shè)計完成情況課程設(shè)計動手能力文字表達(dá)學(xué)習(xí)態(tài)度規(guī)范要求課程設(shè)計論文的質(zhì)量指導(dǎo)教師對課程設(shè)計的評定意見綜合成績 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：* 指導(dǎo)老師：熊文杰摘 要 本課程設(shè)計主要解決通信系統(tǒng)中基

2、帶傳輸信道糾錯編碼技術(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，對其進(jìn)行卷積編碼，而后采用維特比(Viterbi)譯碼輸出，并通過Matlab軟件進(jìn)行設(shè)計與仿真，并進(jìn)行差錯率-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)計與仿真，性能分析1 引言本課程設(shè)計主要解決信號傳輸過程中的卷積編碼和卷積解碼的問題。對一個串非歸零二進(jìn)制信號卷積碼序列進(jìn)行維特比(Viterbi)譯碼輸出,并通過Matlab軟件進(jìn)行設(shè)計與仿真。課程設(shè)計目的本課程設(shè)計的目的主要是仿真通信系統(tǒng)中基帶傳輸信道糾錯編碼技術(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

3、號，對其進(jìn)行卷積碼編碼后再送入二進(jìn)制對稱信道傳輸，在接收端對其進(jìn)行卷積解碼以恢復(fù)原信號，觀察還原是否成功，改變二進(jìn)制對稱信道的差錯率，計算傳輸前后的誤碼率，繪制信道差錯率-誤碼率曲線，并與理論曲線比較進(jìn)行說明。卷積碼是一種向前糾錯控制編碼。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。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?？梢则炞C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。對于某個特定的應(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)行比較時可用的技術(shù)。1.2 課程設(shè)計要求本設(shè)計開發(fā)平臺為MATLAB中的

4、Simulink。模型設(shè)計應(yīng)該符合工程實際，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。獨立完成課程設(shè)計并按要求編寫課程設(shè)計報告書。1.3課程設(shè)計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。對于二進(jìn)制對稱信道，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級的輸入移位器，一組n個模2和加法器和n級的輸出移位寄存器。對應(yīng)于每段k比特的輸入序列，輸出n個比特。由圖可知，n個輸出比特不

5、但與當(dāng)前的k個輸入比特有關(guān)，而且與以前的(N-1)k個輸入信息比特有關(guān)。整個編碼過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）卷積編碼器的一個框圖。左邊是信息的輸入。下面分別是系統(tǒng)位輸出和校驗位輸出。其中間是3個移位寄存器和一個模2加法器。簡單的說就是信息位經(jīng)過移位寄存器和一個模2加法器產(chǎn)生一個系統(tǒng)位和校驗位加在一起輸出?？梢钥闯觯好枯斎胍粋€比特，移位寄存器中就向右移動一個位子。原來的第三個寄存器就被移出?？梢娋矸e編碼

6、不只與現(xiàn)在的輸入比特有關(guān)還與前面的3-1個比特有關(guān)。所以約束長度是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：一類是大數(shù)邏輯譯碼，又稱門限譯碼(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。門限譯碼方法是以分組碼理論為基礎(chǔ)的，其譯碼設(shè)備簡單，速度快，但其誤碼性能要比概率譯碼法差。當(dāng)卷積碼的約束長度不太大時，與序列譯碼相比，維特比譯碼器比較簡單，計算速度快。維特比譯碼算法是1967年由Viterbi提出，近年來有大的發(fā)展。目前在數(shù)字通信的前向糾錯系統(tǒng)中用的較多，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)

7、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序列作為發(fā)送序列。如果發(fā)送L組信息比特，那么對于(n,k)卷積碼來說，可能發(fā)送的序列有2kL個，計算機(jī)或譯碼器需存儲這些序列并進(jìn)行比較，以找到碼距最小的那個序列。當(dāng)傳信率和信息組數(shù)L較大時，使得譯碼器難以實現(xiàn)。維特比算法則對上述概率譯碼做了簡化，以至成為了一種實用化的概率算法。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)到整個碼序列是一個最大似然值得序列。mjmj-1mj-2輸出序列m1,m2,mj,y1jy2j輸入序列0

8、0adcb110011010110下面以圖1-3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，如下圖1-5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=

9、01，c=10，d=11。abcd節(jié)點號0123456700000000000000111111111111111100000101010101010101010101111110101010圖1-5 卷積碼網(wǎng)格圖，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(dá)第3時刻的可能的8個碼序列(即8條路徑)進(jìn)行比較，并計算出碼距。該例中到達(dá)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(dá)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(dá)

10、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(dá)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)，如下圖1-6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。abcd節(jié)點號0123000000111111010101圖1-6 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

11、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。如下圖1-7所示，由此可看到譯碼器abcd節(jié)點號0123110101456780001011100圖1-7 第8時刻幸存路徑2 Simulink中卷積碼編碼器和譯碼器的設(shè)計與仿真2.1Simulink卷積碼編碼及模塊參數(shù)設(shè)置本設(shè)計是采用正弦波作為信源，整個信源模塊如下圖2-1所示：圖2-1 信源模塊其中，各個元件具體參數(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2-4Gain1參數(shù)設(shè)置將所得到的采樣信號進(jìn)行PCM編碼，PCM編碼模塊如下圖2-5所示，再通過并串轉(zhuǎn)換，如下圖2-6

12、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2-7Saturation參數(shù)設(shè)置圖2-8 Relay參數(shù)設(shè)置圖2-9A-Law Compressor參數(shù)設(shè)置圖2-10Buffer參數(shù)設(shè)置在正弦波信號經(jīng)過信源上述模塊后，模擬信號將會變?yōu)榉菤w零二進(jìn)制基帶信號，接著就可以進(jìn)行本次設(shè)計的關(guān)鍵步驟了卷積編碼。2.2Simulink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

13、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2-13BSC信道參數(shù)設(shè)置圖2-14 維特比譯碼器參數(shù)設(shè)置信道中差錯率可以人為修改，這里暫時設(shè)為0。通過示波器觀測，如下圖2-15所示，可以看出延時34個碼元。故Traceback depth 參數(shù)設(shè)置為34。圖2-15 卷積編碼，卷積解碼2.3Simulink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，就得接受到的信號進(jìn)行延時補償，PCM解碼，串并轉(zhuǎn)換，最后對信號還原，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)置均和編碼時參數(shù)相同

14、，接入信號還原元件，再接一個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2-16Bit to Integer Converter參數(shù)設(shè)置2.4Simulink卷積編碼維特比譯碼系統(tǒng)測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。整個原理圖如下圖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34，故如下圖2-19所示參數(shù)設(shè)置。圖2-19Error Rate calcu

15、lation參數(shù)設(shè)置完成上述參數(shù)設(shè)置后點擊運行。運行結(jié)束后，觀察示波器，所得信號和原信號一樣，說明該設(shè)計成功。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，輸入和輸出對比，除了在時間上有34個碼元的延遲以外，波形是一樣的，所以此卷積編碼，維特比譯碼正確。如下圖2-21所示：圖2-21 輸入波形和輸出波形對比由上圖2-21所示，輸入波形和輸出波形基本上一樣，這是因為信道的差錯率為0，改變信道的差錯率為。輸入輸出波形對比如下圖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?，只有信道的差錯率在一定范圍內(nèi)，

16、才能保證信息的正確傳輸。3Matlab中卷積碼差錯率誤碼率分析執(zhí)行M文件，隨著信道差錯率的提升，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)查找資料都無法出現(xiàn)關(guān)系曲線圖。4 出現(xiàn)的問題及解決辦法1、加入聲源的問題及解決辦法最初本課程設(shè)計采用聲源作為信源，要求采用8000HZ的聲源，但是MATLAB總是無法調(diào)用聲源文件。解決辦法：把聲源換成正弦波作為信源，成功解決信源問題。2、各模塊參數(shù)設(shè)置的問題及解決辦法該課程設(shè)計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需要修改各模塊的參數(shù)，就需要對部分模塊

17、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)行對比。3、誤碼率分析的問題及解決辦法設(shè)計的最后步驟需要對誤碼率進(jìn)行分析，但是無法產(chǎn)生關(guān)系曲線圖。我們后期MATLAB學(xué)習(xí)中關(guān)注并解決該問題。5結(jié)束語此課程設(shè)計對整個通信系統(tǒng)包含的編碼、傳輸和譯碼都進(jìn)行了設(shè)計與仿真，從這些過程中我們看到了通信系統(tǒng)的基本工作原理。通過整個卷積碼系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，使我們加深了對卷積碼的理解，掌握維特比譯碼的基