通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告-數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)誤碼率測(cè)試器的MATLAB實(shí)現(xiàn)及性能分析

1、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)誤碼率測(cè)試器的MATLAB實(shí)現(xiàn)及性能分析學(xué)生姓名：xx 指導(dǎo)老師：ss摘 要 本課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)誤碼率測(cè)試器的仿真。在本次課程設(shè)計(jì)中先根據(jù)9級(jí)m序列發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，從Simulink工具箱中找所需元件，對(duì)輸入的隨機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)與其模2和計(jì)算以加密，合理設(shè)置好參數(shù)，送入含噪信道，在接收端與相同序列進(jìn)行模2和以解密，改變信道誤碼率大小，測(cè)試發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)的誤碼率大小，其中可以通過不斷的修改優(yōu)化得到需要信號(hào)，最后通過對(duì)輸出波形的分析得出仿真是否成功。關(guān)鍵詞 Simulink；數(shù)據(jù)系統(tǒng)； m序列；誤碼率1引言本次課程設(shè)計(jì)主要

2、運(yùn)用MATLAB軟件，在Simulink平臺(tái)下建立仿真模型。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的的誤碼率計(jì)算的過程，通過比擬發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)之間產(chǎn)生的誤碼率大小，分析比擬，改變參數(shù)設(shè)置，觀察波形變化及誤碼率大小的變化，并對(duì)其進(jìn)行分析總結(jié)。1.1 課程設(shè)計(jì)的目的通信原理是通信工程專業(yè)的一門骨干的專業(yè)課，是通信工程專業(yè)后續(xù)專業(yè)課的根底。掌握通信原理課程的知識(shí)可使學(xué)生打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的專業(yè)根底，可提高處理通信系統(tǒng)問題能力和素質(zhì)。由于通信工程專業(yè)理論深、實(shí)踐性強(qiáng)，做好課程設(shè)計(jì)，對(duì)學(xué)生掌握本專業(yè)的知識(shí)、提高其根本能力是非常重要的。 通信課程設(shè)計(jì)的目的是為了學(xué)生加深對(duì)所學(xué)的通信原理知識(shí)理解，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)，提高利用通信原理

3、知識(shí)處理通信系統(tǒng)問題的能力，為今后的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和工作打下良好的根底。使學(xué)生能比擬扎實(shí)地掌握本專業(yè)的根底知識(shí)和根本理論，掌握數(shù)字通信系統(tǒng)及有關(guān)設(shè)備的分析、開發(fā)等根本技能，受到必要工程訓(xùn)練和初步的科學(xué)研究方法和實(shí)踐訓(xùn)練，增強(qiáng)分析和解決問題的能力，了解本通信專業(yè)的新開展。1.2 課程設(shè)計(jì)的根本任務(wù)和要求本次課程設(shè)計(jì)的根本任務(wù)：1使學(xué)生通過專業(yè)課程設(shè)計(jì)掌握通信中常用的信號(hào)處理方法，能夠分析簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)的性能。2使學(xué)生掌握通信電路的設(shè)計(jì)方法，能夠進(jìn)行設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的通信電路系統(tǒng)。3了解通信工程專業(yè)的開展現(xiàn)狀及開展方向。4與運(yùn)用學(xué)過的MATLAB根本知識(shí)，熟悉MATLAB集成環(huán)境下的Simulin

4、k仿真平臺(tái)的使用課程設(shè)計(jì)中必須遵循以下要求：1對(duì)輸入隨機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)與m序列異或運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)信號(hào)加密，送入含噪信道，在接收端與相同序列再進(jìn)行異或運(yùn)算以解密，改變信道誤碼率大小，測(cè)試接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)之間的誤碼率，分析該種加密傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能2要求編寫課程設(shè)計(jì)論文，正確闡述和分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。設(shè)計(jì)平臺(tái)Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已

5、被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同局部具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)立過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完

6、成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulik是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指Simulik提供了一些按功能分類的根本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)這些根本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。2設(shè)計(jì)原理2.1 Simulink工作環(huán)境1模型庫在MATLAB命令窗口輸入“s

7、imulink并回車，就可進(jìn)入Simulink模型庫單擊工具欄上的 按鈕也可進(jìn)入Simulik模塊庫按功能進(jìn)行分為以下8類子庫：Continuous連續(xù)模塊Discrete離散模塊Function&Tables函數(shù)和平臺(tái)模塊Math數(shù)學(xué)模塊Nonlinear非線性模塊Signals&Systems信號(hào)和系統(tǒng)模塊Sinks接收器模塊Sources輸入源模塊用戶可以根據(jù)需要混合使用歌庫中的模塊來組合系統(tǒng)，也可以封裝自己的模塊，自定義模塊庫、從而實(shí)現(xiàn)全圖形化仿真。Simulink模型庫中的仿真模塊組織成三級(jí)樹結(jié)構(gòu)Simulink子模型庫中包含了Continous、Discontinu

8、s等下一級(jí)模型庫Continous模型庫中又包含了假設(shè)干模塊，可直接參加仿真模型。圖2.1-1 Simulink工具箱2設(shè)計(jì)仿真模型在MATLAB子窗口或Simulink模型庫的菜單欄依次選擇“File | “New | “Model，即可生成空白仿真模型窗口圖2.1-2 新建仿真模型窗口3運(yùn)行仿真兩種方式分別是菜單方式和命令行方式，菜單方式：在菜單欄中依次選擇"Simulation" | "Start" 或在工具欄上單擊。命令行方式：輸入“sim啟動(dòng)仿真進(jìn)程比擬這兩種不同的運(yùn)行方式：菜單方式的優(yōu)點(diǎn)在于交互性，通過設(shè)置示波器或顯示模塊即可在仿真過程中觀察

9、輸出信號(hào)。命令行方式啟動(dòng)模型后，不能觀察仿真進(jìn)程，但仍可通過顯示模塊觀察輸出，適用于批處理方式。2.2 m序列產(chǎn)生器 1m 序列產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)m序列是最長(zhǎng)線性反應(yīng)移位存放器序列的簡(jiǎn)稱，m序列是帶線性反應(yīng)的移位存放器產(chǎn)生的。由n級(jí)串聯(lián)的移位存放器和反應(yīng)邏輯線路可組成動(dòng)態(tài)移位存放器，如果反應(yīng)邏輯電路只由模2和構(gòu)成，那么稱為線性反應(yīng)移位存放器。帶線性反應(yīng)邏輯的移位存放器設(shè)定初始狀態(tài)后，在時(shí)鐘觸發(fā)下，每次移位后各級(jí)存放器會(huì)發(fā)生變化，其中任何一級(jí)存放器的輸出，隨著時(shí)鐘節(jié)拍的推移都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)序列，該序列稱為移位存放器序列。n級(jí)線性移位存放器如下圖： 圖2.2 n級(jí)線性移位存放器 2m序列產(chǎn)生器的性質(zhì) 均衡性

10、：在m序列中一個(gè)周期內(nèi)“1”的數(shù)目比“0”的數(shù)目多1，這說明，序列平均值很小。m序列和其移位后的序列逐位模2相加，所得的序列還是m序列，只是相移不同而已。m序列發(fā)生器中移位存放器的各種狀態(tài)，除全0狀態(tài)外，其他狀態(tài)只在m序列中出現(xiàn)1次。m序列發(fā)生器中，并不是任何抽頭組合都能產(chǎn)生m序列 。m序列具有良好的自相關(guān)特性，其自相關(guān)系數(shù)：當(dāng)j等于0時(shí)，p(j)=1;當(dāng)j不等于0時(shí)，p(j)=1/N,從m序列的自相關(guān)系數(shù)可以看出m序列是一個(gè)狹義偽隨機(jī)碼。 2.3 誤碼率測(cè)量在數(shù)字通信中誤碼率是一項(xiàng)主要的質(zhì)量指標(biāo)。在實(shí)際測(cè)量數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率時(shí)，一般來說，測(cè)量結(jié)果與信源送出信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性有關(guān)。通常認(rèn)為二進(jìn)制

11、信號(hào)中“0”和“1”是以等概率隨機(jī)出現(xiàn)的。所以測(cè)量誤碼率時(shí)最理想的信源是隨機(jī)序列發(fā)生器，在實(shí)際通信中一般都是單程傳輸信息的，在測(cè)量單程數(shù)字通信的誤碼率時(shí)，就不能用隨機(jī)序列，而是用性能相近的偽隨機(jī)序列代替它，如以下圖所示：偽隨機(jī)序列發(fā)送信道接收比擬記錄偽隨機(jī)序列 圖 單程測(cè)試法2.4 通信加密解密原理數(shù)字通信的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是容易作到高度保密性的加密。信號(hào)加密的根本原理可用圖2-5表示。將信源產(chǎn)生的信息與一個(gè)周期很長(zhǎng)的偽隨機(jī)序列模2相加，這樣就將原消息變成不可理解的另一個(gè)序列。將這種加密序列在信道中傳輸，被他人竊聽后也不可理解其內(nèi)容。在接收端必須再加上同一樣的偽隨機(jī)序列，才能恢復(fù)原發(fā)送信息以實(shí)現(xiàn)解

12、密，因?yàn)閷⒋诵蛄心?參加兩次，就等于未參加。 信源發(fā)送信道接收用戶偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器 圖 利用偽隨機(jī)序列加密的原理 3 設(shè)計(jì)步驟隨機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào) 輸入隨機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)模塊為：輸入隨機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)參數(shù)設(shè)置： 3.1-2 隨機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)參數(shù)設(shè)置示波器產(chǎn)生的圖： 3.1-3 隨機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)波形圖3.2 噪聲信號(hào)參加噪聲信號(hào)模塊為： 3.2-1 噪聲信號(hào)模塊其參數(shù)設(shè)置為： 3.2-2 噪聲信號(hào)參數(shù)設(shè)置示波器產(chǎn)生的圖形為：3.2-3 噪聲信號(hào)波形圖改變參數(shù)設(shè)置Variance為0.01，其噪聲波形變?yōu)?改變?cè)肼曅盘?hào)參數(shù)后波形圖1改變參數(shù)設(shè)置Variance為1，其噪聲波形變?yōu)?改變?cè)肼曅盘?hào)參數(shù)后波形圖2

13、m 序列產(chǎn)生器m序列產(chǎn)生器模塊圖形：-1 m序列產(chǎn)生器模型圖其參數(shù)設(shè)置為： Unit Delay4 和Unit Delay8設(shè)置相同： 3.3-2 參數(shù)設(shè)置1其余Unit Delay單元設(shè)置相同，為： 3.3-3 參數(shù)設(shè)置2示波器產(chǎn)生的圖形為：-4 m序列產(chǎn)生器波形圖 加密 通過輸入隨機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)與m序列進(jìn)行異或運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)加密，二者異或運(yùn)算之后產(chǎn)生產(chǎn)生的波形為： 3.4-1 加密信號(hào)信道中參加了噪聲，對(duì)加密之后的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生影響，所以要參加一個(gè)抽樣判決器，復(fù)原原來的加密之后的信號(hào)，抽樣判決器模塊為 3.4-2 抽樣判決器其參數(shù)設(shè)置為：3.4-3 抽樣判決器參數(shù)設(shè)置加密信號(hào)在含噪信道中傳輸，之后經(jīng)過

14、抽樣判決器，二者波形為： 3.4-5 加密信號(hào)在含噪信道中傳輸波形與經(jīng)過抽樣判決之后的波形比擬3.5 解密 對(duì)經(jīng)過抽樣判決之后的信號(hào)，讓其與原m序列進(jìn)行異或運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)解密，解密之后的波形為：3.5-1 解密后的波形 3.6 誤碼率計(jì)算比擬實(shí)現(xiàn)誤碼計(jì)算比擬所需要的模塊有： 3.6-1 誤碼率計(jì)算所需要的模塊 參數(shù)設(shè)置為：3.6-2 各模塊參數(shù)設(shè)置 將之前的模塊連線之后，檢查線路連接，整個(gè)模塊框圖為： 3.6-3 誤碼率測(cè)試器整體框圖運(yùn)行該模塊，Display 顯示為：3.6-4 第一次運(yùn)行Display顯示說明：Display1顯示的是誤碼率的大??；Display顯示的是延時(shí)時(shí)間。示波器顯示為：

15、3.6-5 示波器顯示說明：第一幅圖表示的是輸入隨機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)的波形圖； 第二幅圖表示的是輸入噪聲信號(hào)的波形圖； 第三幅圖表示的是信號(hào)加密后的波形圖； 第四幅圖表示的是信號(hào)加密后送入含噪信道產(chǎn)生的波形圖； 第五幅圖表示的是經(jīng)過抽樣判決之后的信號(hào)波形圖； 第六幅圖表示的是解密之后的波形圖。改變?cè)肼晠?shù)設(shè)置，設(shè)置Variance為1，再次運(yùn)行，結(jié)果為：3.6-6 改變?cè)肼曉O(shè)置后運(yùn)行結(jié)果Display顯示說明：Display1顯示的是誤碼率的大小，為；Display顯示的是延時(shí)時(shí)間。示波器顯示為： 3.6-7 改變?cè)肼晠?shù)設(shè)置后運(yùn)行結(jié)果示波器顯示說明：第一幅圖表示的是輸入隨機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)的波形圖； 第二幅

16、圖表示的是輸入噪聲信號(hào)的波形圖； 第三幅圖表示的是信號(hào)加密后的波形圖； 第四幅圖表示的是信號(hào)加密后送入含噪信道產(chǎn)生的波形圖； 第五幅圖表示的是經(jīng)過抽樣判決之后的信號(hào)波形圖； 第六幅圖表示的是解密之后的波形圖。 誤碼率曲線生成1在MATLAB界面下新建窗口： 圖-1 新建Editor窗口輸入以下程序：for i=1:100 power=0.001*i; sim('wumalv3.mdl'); error(i)=ErrorVec(1);endk=1:100.*0.001;plot(k,error);xlabel('噪聲功率'),ylabel('誤碼率'

17、;);title('誤碼率變化曲線圖');grid;此時(shí)相應(yīng)的在整體框圖中作以下改變：輸入噪聲信號(hào)模塊，Variance設(shè)置為power -2 噪聲信號(hào)模塊參數(shù)改變?cè)O(shè)置誤碼率計(jì)算Error Rata Calulation1中Output Data 設(shè)置為Workspace: -3 Error Rata Calulation1模塊參數(shù)改變?cè)O(shè)置2運(yùn)行文件，生成的圖： -4 MATLAB運(yùn)行程序后顯示的誤碼率曲線示意圖說明：當(dāng)噪聲功率小于等于0.01時(shí)，發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)之間的誤碼率大小為0；當(dāng)噪聲功率大于0.01時(shí)，發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)之間的誤碼率大小隨著噪聲功率的增大而增大，呈階梯

18、形改變。3上述圖形只顯示了100個(gè)數(shù)據(jù)，為了更明顯的表示其變化曲線，取600個(gè)數(shù)據(jù)，相應(yīng)的進(jìn)行修改：程序的修改： for i=1:600 power=0.001*i; sim('wumalv3.mdl'); error(i)=ErrorVec(1);endk=1:600.*0.001;plot(k,error);xlabel('噪聲功率'),ylabel('誤碼率');title('誤碼率變化曲線圖');grid; Simulation Stop Time 修改 運(yùn)行文件，得到的圖形為： -6 改變?nèi)≈捣秶蟮贸龅恼`碼率變化曲線圖

19、4 出現(xiàn)的問題及解決方法在本次課程設(shè)計(jì)運(yùn)用了MATLAB軟件建立工作模型，在仿真的過程中遇到了各種不同的問題，通過自己的探索和在同學(xué)的幫助下都一一解決，總結(jié)分析分析如下：1運(yùn)行后如沒有出現(xiàn)波形、出現(xiàn)多路波形的混合或是出現(xiàn)波形的幅度過小或過大，可以點(diǎn)擊scope菜單欄的或者點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇autoscale即可出現(xiàn)清晰波形。2假設(shè)出現(xiàn)波形很差，可以把修正因子默認(rèn)為1加大，具體步驟為選擇模型菜單中的“Simulink|configuration parameters|Data import/export修改Decimation中數(shù)據(jù)默認(rèn)為1，可加大為50或100。3m序列產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照其

20、原理和本原多項(xiàng)式連接線路圖，進(jìn)行加密和解密時(shí)采用的m序列均為同一序列，其參數(shù)設(shè)置要一致，否那么加密和解密之后的波形不一致；4假設(shè)波形出錯(cuò)或者波形變換不夠明顯，可以把模塊參數(shù)適當(dāng)減小或增大，得到適合的波形，允許誤差變大，便于波形的輸出和分析。 5在整個(gè)仿真過程中，各模塊的參數(shù)設(shè)置十分重要，一定要設(shè)置適宜的參數(shù)，才會(huì)得出所需要的信號(hào)。 6各模塊的連線要到位，深刻理解課程設(shè)計(jì)任務(wù)，發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)之間如何進(jìn)行比擬分析 解決了上述問題后，就能順利完成設(shè)計(jì)任務(wù)了。5 結(jié)束語 信息作為人類社會(huì)賴以生存和開展的重要資源和財(cái)富，其平安可能會(huì)受到種種認(rèn)為的和自然的威脅，信息的完整性、保密性和可用性可能遭到破壞。因此在信息的傳輸、交換、存儲(chǔ)和處理過程中，必須采取相應(yīng)的技術(shù)防范措施，保護(hù)信息的完整性、保密性、和可用性，必須研究如何防止人為的和自然的對(duì)信息平安的威脅，如何保護(hù)信息不被他人篡改，如何保證收到的信息不時(shí)偽造的，自己發(fā)送出去的信息不被未授權(quán)的人截收。本次課程設(shè)計(jì)我的設(shè)計(jì)任務(wù)是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)誤碼率測(cè)試器的MATLAB實(shí)現(xiàn)及性能分析，設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括信息的加密和解密，以及誤碼率的測(cè)試等等，經(jīng)過為期兩周的課程設(shè)計(jì)，我順利的完成了任務(wù)。不同于在教室里上的理論課，本次課程設(shè)計(jì)需要我們運(yùn)用到課本中學(xué)到的