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

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(hào) 0815232021 姓 名 王喆 指導(dǎo)老師 彭盛亮摘要華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究隨著無線通信的發(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€(gè)主要方面。無線信道狀況通常比較惡劣，信號(hào)不可避免會(huì)受到干擾而出錯(cuò)，所以可靠性尤其重要。為實(shí)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(hào)的功率，提高接收端的信號(hào)噪聲比；另一種是采用編碼的方法對(duì)信道差錯(cuò)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

2、用。因此差錯(cuò)控制編碼得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)及其信道編碼技術(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(duì)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(cuò)性能進(jìn)行驗(yàn)證，并且對(duì)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。1華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究Research on Channel Coding Techniques forTD

3、-SCDMA SystemAbstractWith the development of wireless communication, especially 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 inevitabl

4、y suffers from inference and distortion, and thus reliability is extremely critical. 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

5、to eliminate the channel error. The former can not be adopted in all environments, 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

6、 communication system model, provides convolutional code encoding program, uses 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 hav

7、e gone through the convolutional coding, QPSK modulation, AWGN channel, demodulation, and Viterbi decoding.Key words：Channel Coding; TD-SCDMA；Convolutional Codes；BER.2華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究目錄第1章 TD-SCDMA介紹··············

8、;················································41.1 TD-SCD

9、MA介紹·················································&#

10、183;···············41.1.1 TD-SCDMA的發(fā)展過程·······························

11、······················51.1.2 TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀························

12、3;····························51.1.3 TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)發(fā)展··················

13、·······································61.1.4 中國TD與美、歐3G技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)·······&

14、#183;·································71.2 TD-SCDMA信道編碼介紹·············

15、···········································71.2.1 信道編碼介紹·····

16、;··················································

17、;·····71.2.2 卷積編碼介紹··········································

18、3;·················8第2章 TD-SCDMA卷積編碼的實(shí)現(xiàn)·····························&#

19、183;····················102.1 卷積碼的解析表示法···························

20、;······························102.2 卷積編碼器的實(shí)現(xiàn)·················

21、83;··········································122.2.1 卷積編碼器原理·····

22、··················································

23、··122.2.2 卷積編碼器程序設(shè)計(jì)·············································&

24、#183;······132.3 卷積編碼仿真·········································&

25、#183;······················142.3.1 (2,1)卷積碼的仿真························

26、······························142.3.2 (3,1)卷積碼的仿真·················

27、;·····································15第3章 誤碼率分析···········

28、··················································

29、···183.1 仿真通信系統(tǒng)模型············································

30、3;···············183.2 誤碼率分析·································

31、;··································183.2.1 (2,1)卷積碼的誤碼率曲線············&

32、#183;··································183.2.2 (3,1)卷積碼的誤碼率曲線···········

33、83;···································213.2.3 (2,1)卷積碼與(3,1)卷積碼的星座圖·········

34、3;··························23第4章 總 結(jié)······················&

35、#183;···············································28 參考文獻(xiàn)·

36、··················································

37、··························29 致 謝·······················

38、··················································

39、····30 附 錄·············································

40、································313華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究第1章 TD-SCDMA介紹1.1 TD-SCDMA介紹TD-SCDMA，Time Division-Synchronous Code Div

41、ision Multiple Access，即時(shí)分同步的碼分多址技術(shù)，是ITU正式發(fā)布的第三代移動(dòng)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(shì)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(dòng)通信技術(shù)。它采用了智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、接力切換、同步CDMA、軟件無線電、低碼片速率、多時(shí)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(diǎn)：一是終端的移動(dòng)速度受現(xiàn)有DSP運(yùn)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(shí)頻譜利用率和系統(tǒng)容量可達(dá)最佳，在用戶容量不

42、是很大的區(qū)域，基站最大覆蓋可達(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(gè)不足均不影響實(shí)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(shí)，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(shí)域里，周期地重復(fù)TDMA幀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)幀結(jié)構(gòu)被再分為幾個(gè)時(shí)隙。在TDD模式下，可以方便地實(shí)現(xiàn)上/下行鏈路間地靈活切換。這一模式的突出的優(yōu)勢(shì)是，在上/下行鏈路間的時(shí)隙分配可以被一個(gè)靈活的轉(zhuǎn)換點(diǎn)改變，以滿足不同的業(yè)務(wù)要求。這樣，運(yùn)用TD-

43、SCDMA這一技術(shù)，通過靈活地改變上/下行鏈路的轉(zhuǎn)換點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)所有3G對(duì)稱和非對(duì)稱業(yè)務(wù)。合適的TD-SCDMA時(shí)域操作模式可自行解決所有對(duì)稱和非對(duì)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(cè)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?；诟叨鹊臉I(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(dòng)通信中對(duì)電路和包交換業(yè)務(wù)所定義

44、的那樣。在最終的版本里，計(jì)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(dòng)無線系統(tǒng)是針對(duì)所有無線環(huán)境下對(duì)稱和非對(duì)稱的3G業(yè)務(wù)所設(shè)計(jì)的，它運(yùn)行在不成對(duì)的射頻頻譜上。TD-SCDMA傳輸方向的時(shí)域自適應(yīng)資源分配可取得獨(dú)立于對(duì)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) 4華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究 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(duì)IMT2000無線傳

45、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(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，我國提交的TD-SCDMA已正式成為ITU第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)IMT 2000建議的一個(gè)組成部分。我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA、歐洲WCDMA和美國CDMA2000成為3G時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)分雙工為主要特點(diǎn)，于ITU征集IMT-2000第

46、三代移動(dòng)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15個(gè)候選方案之一。ITU綜合了各評(píng)估組的評(píng)估結(jié)果，在1999年11月赫爾辛基ITU-RTG8/1第18次會(huì)議上和2000年5月在伊斯坦布爾的ITU-R全會(huì)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(gè)月的充分準(zhǔn)備，并與3GPPPCG(項(xiàng)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

47、年12月在法國尼斯的3GPP會(huì)議上，我國的提案被3GPPTSGRAN(無線接入網(wǎng))全會(huì)所接受，正式確定將TD-SCDMA納入到Release 2000(后拆分為R4和R5)的工作計(jì)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(shí)間，經(jīng)歷了幾十次工作組會(huì)議，幾百篇文稿的提交和討論，在2001年3月棕櫚泉的RAN全會(huì)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(gè)目標(biāo)。至此，TD-SCDMA不論在形式上還是在實(shí)質(zhì)上，都已在國際上被廣大運(yùn)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.

48、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(shí)質(zhì)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(shí)間里，大唐與其他眾多的業(yè)界運(yùn)營商、設(shè)備制造商 5華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究 一起，又經(jīng)過無數(shù)次會(huì)議討論、郵件組討論，通過提交的大量文稿，對(duì)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(cè)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

49、差別，TD-SCDMA的所有技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)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WCDMA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(gè)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(gè)設(shè)備制造商、運(yùn)營商，還是各個(gè)研究機(jī)構(gòu)、政府、I

50、TU，都已經(jīng)開始對(duì)3G技術(shù)以后的發(fā)展方向展開研究。在ITU認(rèn)定的幾個(gè)技術(shù)發(fā)展方向中，包含了智能天線技術(shù)和TDD時(shí)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(shì)，而智能天線和TDD時(shí)分雙工這兩項(xiàng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)基站之間的同步，作為基站同步的另一個(gè)備用方案，尤其適用于緊急情況下對(duì)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

51、信號(hào)到達(dá)角對(duì)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(dòng)重傳、自適應(yīng)調(diào)制編碼，實(shí)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)，采用基站和終端多天線技術(shù)和信號(hào)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(duì)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(yùn)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(dòng)，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(yàn)的大規(guī)模開展，TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)也必將

52、得到進(jìn)一步的驗(yàn)證和加強(qiáng)。6華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究為了加快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-SCDMA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(cè)試儀表的各個(gè)環(huán)節(jié)。1.1.4 中國TD-SCDMA與美、歐3G技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1.頻譜利用率高，TD-SCDMA一個(gè)載頻1.6M，WCDMA一個(gè)載頻10M；2.對(duì)功控要求低，TD-SCDMA為0200MZ WCDMMA為1500MZ；3.采用了

53、智能天線和聯(lián)合測(cè)試，引入了所謂的空中分級(jí)，但效果如何，還待驗(yàn)證；4.避免了呼吸效應(yīng)，TD-SCDMA不同業(yè)務(wù)對(duì)覆蓋區(qū)域的大小的要求較低,易于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃； 缺點(diǎn):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(gè)系統(tǒng)是否正常工作；2.碼資源受限，TD-SCDMA只有16個(gè)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(dòng)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(hào)

54、的有效性以及為了使模擬信號(hào)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(shí)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，由信息碼元和監(jiān)督碼元共同組成一個(gè)由信道傳輸?shù)拇a字。一旦傳輸過程中發(fā)生錯(cuò)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(yàn)這種約束關(guān)系，從而達(dá)到發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)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(cuò)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

55、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)。 7華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究(3)根據(jù)碼的用途，可分為檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼。檢錯(cuò)碼以檢錯(cuò)為目的，不一定能糾錯(cuò)；而糾錯(cuò)碼以糾錯(cuò)為目的，一定能檢錯(cuò)。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(jì)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(cuò)，其差錯(cuò)概率完全取決于信道特性。因此，一個(gè)完整、實(shí)用的通信系統(tǒng)通常包括信道編譯碼模塊。視頻信號(hào)在傳輸前

56、都會(huì)經(jīng)過高度壓縮以降低碼率，傳輸錯(cuò)誤會(huì)對(duì)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(hào)能量與噪聲能量的比例，減小發(fā)生差錯(cuò)的可能性；二是增加糾錯(cuò)能力，使得即便出現(xiàn)差錯(cuò)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(dòng)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。3G移動(dòng)通信系統(tǒng)所提供的業(yè)務(wù)種類的多樣性、靈活性，對(duì)差錯(cuò)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(duì)于傳輸質(zhì)量等級(jí)小于10要求時(shí)，使用卷積深度從1 到1/

57、3的帶有前向糾錯(cuò)的卷積編碼。傳輸質(zhì)量等級(jí)大于10要求時(shí)，傳輸速率大于32Kbps時(shí)，使用超級(jí)編碼（Turbo code）。 還可以選擇沒有編碼。而卷積編碼是3G移動(dòng)通信技術(shù)TD-SCDMA系統(tǒng)中主要信道編碼方式之一。 -3-31.2.2 卷積編碼介紹卷積碼的編碼器是由一個(gè)有k個(gè)輸入位(端)、n個(gè)輸出位(端)，且具有m級(jí)移位寄存器所構(gòu)成的有限狀態(tài)的有記憶系統(tǒng)，通常稱它為時(shí)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(shí)間內(nèi)產(chǎn)生n個(gè)碼元，但它不僅取決于這段時(shí)間中的k個(gè)信息位，還取決于前(K-1)段規(guī)定時(shí)間內(nèi)的信息位，這K段時(shí)間內(nèi)的碼元數(shù)目為K·k，稱參數(shù)K為卷積碼的約束長度，每k個(gè)比特輸

58、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(jí)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(K<10)，以獲得既簡單又高性能的信道編碼。8華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究卷積碼是1955年Elias最早提出，1957年Wozencraft提出了序列譯碼。1963年Massey提出了一種性能稍差，但比較實(shí)用的門限譯碼方法。1967年維特比(Viterbi)提出了最大似然譯碼

59、。它對(duì)存儲(chǔ)器級(jí)數(shù)較小的卷積碼的譯碼很容易實(shí)現(xiàn)，稱為維特比算法或維特比譯碼。9華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究第2章 TD-SCDMA卷積編碼的實(shí)現(xiàn)2.1 卷積編碼的解析表示法一個(gè)二元(2,1,4)卷積碼的編碼器，它是由k=1，即一個(gè)輸入位(端)，n=2，即兩個(gè)輸出位(端)，K=4,m=3即三級(jí)移位寄存器所組成的有限狀態(tài)的有記憶系統(tǒng)。(1) 離散卷積若輸入信息序列為(這里的卷積碼是u0首先輸入)u則對(duì)應(yīng)輸出為兩個(gè)碼字序列=(u0u1u2) (2.1)cc其相應(yīng)編碼方程可寫為=(c0cc=(ccc1122) (2.2) )ccc=u*g=u*g(2.3)=(c,

60、c)其中“*”表示卷積運(yùn)算，g g表示編碼器的兩個(gè)脈沖沖擊響應(yīng)，即編碼可由輸入信息序列u和編碼器的兩個(gè)沖擊響應(yīng)的卷積得到，故稱為卷積碼。這里的脈沖沖擊響應(yīng)是指，當(dāng)輸入信息為u=(100)時(shí)，所觀察到的兩個(gè)輸出序列值。由于編碼器有m=3級(jí)寄存器，故沖激響應(yīng)至多可持續(xù)到K=m+1=3+1=4位，且可寫成：gg在一般情況下有：=(1011)=(1111)(2.4)gg=(g=(g00gg11g) (2.5) mg)m經(jīng)編碼器后，兩個(gè)輸出序列合并為一個(gè)輸出碼字序列為：c若輸入信息序列為：=(c0ccc11) (2.6)u則有：=(10111) (2.7)c=(10111)*(1011)=(100000

61、01) (2.8)10華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究c最后輸出的碼字為：=(10111)*(1111)=(11011101) (2.9)c(2) 生成矩陣=(1101000101010011) (2.10)上述沖激響應(yīng)g g又稱為生成序列，若將該生成序列g(shù) g按如下方法排列，構(gòu)成如下生成矩陣(當(dāng)K=4,m=3時(shí))：g0g0G=gggg1010gggggg210210gggggg321321gggg3232 (2.11) g3g3上述矩陣中，其中空白部分均為0。則上述編碼方程可改為矩陣形式Gc=u·(2.12)G為卷積碼的生成矩陣,若輸入信息序列為

62、一無限序列時(shí)，即u=(10111)，生成矩陣則為一個(gè)半無限矩陣，即有起點(diǎn)無終點(diǎn)，因此稱它為半無限。若：u則：=(10111),g=(1011),g=(1111) (2.13)c=u·G1101111111011111 (2.14) =(10111)110111111101111111011111=(1101000101010011)(3) 碼多項(xiàng)式若將生成序列表達(dá)成多項(xiàng)式形式，有g(shù)g輸入信息序列也可表達(dá)為多項(xiàng)式形式)=1xx=(101123(2.15)3)=1xxx=(11112u則卷積碼可以用下列碼多項(xiàng)式形式表達(dá)=(10111)=1xxx (2.16)23411華僑大學(xué)2012屆本

63、科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究c=1+x+x+x1+x+x23424(234)(23)56356767=1+x+x+x+x+x+x+x+x+x+x+x (2.17) =1+2x+2x+2x+2x+2x+x=1+x=(10000001)72345c=1+x+x+x1+x+x+x23434(234)(23)524563567=1+x+x+x+x+x+x+x+x+x+x+x+x+x+x+x=1+x+x+x+x+x=1+x73457 (2.18)=(110111012.2 卷積編碼器的實(shí)現(xiàn)2.2.1 卷積編碼器原理圖(1)是碼速率為1/2、約束長度為9的卷積編碼器的結(jié)構(gòu)框圖。它有一個(gè)

64、輸入端，兩個(gè)輸出端，每次向編碼器中移入一位碼元。圖(2)是碼速率為1/3、約束長度為9的卷積編碼器的結(jié)構(gòu)框圖。它有一個(gè)輸入端，三個(gè)輸出端，每次向編碼器中移入一位碼元。1/2卷積編碼器輸出序列的順序應(yīng)為：輸出1，輸出2，輸出1，輸出2，輸出1，輸出2。1/3卷積編碼器輸出序列的順序應(yīng)為：輸出1，輸出2，輸出3，輸出1，輸出2，輸出3，輸出1，輸出3。編碼之前，編碼器的移位寄存器則應(yīng)初始化為全0狀態(tài)。輸入信息碼組末尾應(yīng)加上值為0的8位尾比特，以還原編碼器的初始狀態(tài)。12華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究卷積編碼的實(shí)現(xiàn)很簡單，要注意的是分清約束長度為9的卷積碼分為：

65、編碼率分別為1/2和1/3兩種。對(duì)于編碼率為R=1/2的約束長度為9的卷積碼，其編碼矩陣為：G0 =561(八進(jìn)制數(shù))，G1=753。對(duì)于編碼率為R=1/3的約束長度為9的卷積碼，其編碼矩陣為：G0=557(八進(jìn)制數(shù))，G1=663，G2=711。即，碼率為R=1/2時(shí)：101110001 G=111101011當(dāng)碼率為R=1/3時(shí)：101101111 G=1101100111110010012.2.2卷積編碼器程序設(shè)計(jì)卷積編碼器源程序如下：function output=cnv_code(G,k0,input)% G為生成矩陣，k0為輸入端個(gè)數(shù)，input為輸入序列if rem(length

66、(input),k0)>0input=input,zeros(size(1:k0-rem(length(input),k0);endn=length(input)/k0;% n為輸入序列長度if rem(size(G,2),k0)>0error('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(gè)數(shù)u=zeros(size(1:(L-1)*k0),input,zeros(size(1:(L-1)*k0);% 輸入矩陣前后補(bǔ)0 u2=zeros(n0,n

67、+L-1);for i=1:n+L-1u1=u(i+L-1)*k0:-1:i*k0);uu=G*u1'u2(:,i)=uu;endoutput=reshape(rem(u2,2),1,n0*(L+n-1);13華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究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(duì)這個(gè)卷積碼進(jìn)行噪聲干擾，在實(shí)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(cuò)誤，出現(xiàn)誤碼，譯碼器接收到錯(cuò)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

68、，即原始的輸入序列。現(xiàn)在用卷積編碼器程序在MATLAB中對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證譯碼是否正確，以得出是否有差錯(cuò)控制的功能，即卷積碼是否可以實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制。設(shè)置編碼器輸入端：隨機(jī)輸入序列：coder_input=1 0 1 1 0 1 0 0輸入(2,1)卷積碼的生成矩陣：101110001G= 111101011設(shè)置輸入端個(gè)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14華僑大學(xué)

69、2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究當(dāng)通信過程中遇到噪聲干擾，就會(huì)出現(xiàn)誤碼。例如本次實(shí)驗(yàn)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(shí)際輸出與輸入序列相同，則驗(yàn)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_

70、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 1 0 0相同，即還原到了原始的輸入序列，達(dá)到了糾錯(cuò)的目的，驗(yàn)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(duì)這個(gè)卷積碼進(jìn)行噪聲干擾，在實(shí)際通信系統(tǒng)中即相當(dāng)于在空中傳輸

71、過程中出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤，出現(xiàn)誤碼，譯碼器接收到錯(cuò)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(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證譯碼是否正確，以得出是否有差錯(cuò)控制的功能，即卷積碼是否可以實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制。15華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究 設(shè)置編碼器輸入端：隨機(jī)輸入序列：coder_input=1 0 1 1 0 1 0 0輸入(2,1)卷積碼的生成矩陣：101101111 G=110110011111001001設(shè)置輸入端個(gè)數(shù)：k=1則通過仿真得到編碼器輸出的卷積碼序列：channel_

72、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(huì)出現(xiàn)誤碼。例如本次實(shí)驗(yàn)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(shí) 16華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究 際輸出與輸入序列相同，

73、則驗(yàn)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 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_outp

74、ut =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(cuò)的目的，驗(yàn)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17華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究第3章 誤碼率分析3.1 仿真通信系統(tǒng)模型為了模擬實(shí)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QPSK調(diào)制,譯碼方式采用

75、了Viterbi算法的卷積碼譯碼，也是通過MATLAB仿真的部分。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(shí)，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(duì)這個(gè)卷積碼進(jìn)行噪聲干擾，在實(shí)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(cuò)誤，或在高斯白噪聲傳播信道中傳輸出現(xiàn)誤碼，該錯(cuò)誤的碼字被譯碼器接收，而譯碼器會(huì)對(duì)接收到的錯(cuò)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，輸入的序列長，產(chǎn)生錯(cuò)誤的碼字不一定只是簡單的幾個(gè)而已，因此經(jīng)過噪聲干擾之后的序列經(jīng)過譯碼之后，

76、有可能無法回溯到源碼字，這樣就會(huì)出現(xiàn)誤碼。因此應(yīng)該對(duì)序列進(jìn)行誤碼率分析。對(duì)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：SNR 信息功率 噪聲功率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(gè)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(gè)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

77、制同一序列僅通過QPSK調(diào)制，AWGN信道，解調(diào)后所得輸出 18華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究 序列的信噪比-誤碼率曲線作為對(duì)比。源程序如下：clcclear all;input=randint(1,100000);% 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(gè)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);%

78、不經(jīng)過編碼直接調(diào)制，作為參考序列L1=length(iout1);output=cnv_code(G,k0,input);% 對(duì)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(duì)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(duì)參考序列加噪X1=Z1(1:L1);Y1=Z1(L1+1:length(Z1);Z2=AWGN(iout2,qout2,SNR);% 對(duì)

79、已編碼已調(diào)制信號(hào)加噪X2=Z2(1:L2);Y2=Z2(L2+1:length(Z2);undata=qpskdemod(X1,Y1,para,L1,ml);% 對(duì)加噪后的參考序列解調(diào)demodata=qpskdemod(X2,Y2,para,L2,ml);% 對(duì)加噪后的信號(hào)解調(diào)decoder_output,survivor_state,cumulated_metric=viterbi(G,k0,demodata); % 將解調(diào)后的信號(hào)通過viterbi解碼器解碼% 參考序列誤碼率計(jì)算output_add1=undata-input;% 解碼器輸出矩陣減去輸入矩陣得到差矩陣bit_errors

80、1=find(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(gè)數(shù)即為誤碼個(gè)數(shù)ber1(p)=bit_error_count1/LL;% 誤碼個(gè)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(jì)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(gè)數(shù)即為誤碼個(gè)數(shù)ber2(p)=bit_error_count2/LL;% 誤碼個(gè)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);19華僑大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文 TD-SCDMA系統(tǒng)信道編碼技術(shù)研究 m=0:0.5:6;semilogy(