1、移動通信課程設計 移動通信課 程 設 計 報 告 課程設計名稱： 通信系統中差錯控制的研究 系 ： 三系 學生姓名： 陳 班 級： 11通信（1） 學 號： 201103061 成 績： 指導教師： 馬英輝 開課時間： 2013-2014 學年 2 學期目錄1、課程設計目的12、設計任務書13、進度安排34、具體要求45、 基本原理45.1 分組碼（循環碼）編碼與譯碼原理45.1.1 循環碼編碼原理55.1.2循環碼的譯碼原理55.2 卷積碼編碼與譯碼原理85.2.1 卷積碼的編碼原理85.2.2 卷積碼的譯碼原理96、 Simulink單元模塊設計126.1 分組碼的差錯控制系統仿真模型12

2、6.1.1 總體設計框圖126.1.2 信源子系統12 6.1.3 信道146.1.4 信宿子系統156.2 卷積碼的差錯控制系統仿真模型176.2.1 總體設計框圖176.2.2 信源子系統176.2.3 信道196.2.4 信宿子系統207、MATLAB程序及程序編制248、運行程序過程中產生的問題及采取的措施259、總結和展望2510、參考文獻261、課程設計目的 移動通信也是一門實踐性非常強的課程，實驗教學在整個課程的教學中占據了非常重要的地位。在學生學習了現代通信原理、數字信號處理（DSP技術）等課程后，學生已經具有了一定的理論基礎和實驗技能，在此基礎上本實驗課程開設的主要作用和目的

3、在于：1  幫助學生更好地理解移動通信系統，掌握各種移動通信系統的模型2  幫助學生熟悉常用的通信系統仿真平臺，學習仿真模型的設計，掌握通信系統的仿真方法，學會利用仿真軟件對系統性能進行評價；2、設計任務書題目通信系統中差錯控制的研究課程設計目的移動通信也是一門實踐性非常強的課程，實驗教學在整個課程的教學中占據了非常重要的地位。在學生學習了現代通信原理、數字信號處理（DSP技術）等課程后，學生已經具有了一定的理論基礎和實驗技能，在此基礎上本實驗課程開設的主要作用和目的在于：1  幫助學生更好地理解移動通信系統，掌握各種移動通信系統的模型2  幫助學生熟悉

4、常用的通信系統仿真平臺，學習仿真模型的設計，掌握通信系統的仿真方法，學會利用仿真軟件對系統性能進行評價；課程設計的主要內容和要求課程設計的主要內容：應用MATLAB/SIMULINK設計出基于分組碼的差錯控制系統仿真模型和基于卷積碼的差錯控制系統仿真模型，并通過MATLAB對系統進行性能仿真分析。課程設計的要求：1、運用SIMULINK建立基于分組碼的差錯控制系統仿真模型（1）該模型包括信源部分、信道部分和信宿部分，（2）信源部分的數據源是隨機的二進制序列。(子系統實現)（3）信道部分采用二進制對稱信道。（4）信宿部分用子系統實現。（5）調通鏈路，能夠按照要求實現各項基本功能。2、運用SIMU

5、LINK建立基于卷積碼的差錯控制系統仿真模型（1）該模型包括信源部分、信道部分和信宿部分，（2）信源部分的數據源是隨機的二進制序列，隨機的二進制序列要經過卷積編碼，經過編碼的數據要進行調制。(子系統實現)（3）信道部分對調制后的信號進行加噪，采用加性高斯白噪聲。（4）信宿部分完成信號的解調和譯碼（維特比譯碼）。(子系統實現)（5）調通鏈路，能夠按照要求實現各項基本功能。 （6）運用MATLAB編寫M文件，繪制出不同編碼方式、不同信噪比下維特比譯碼的誤比特率的關系曲線圖進行分析。課程設計報告的要求： 本次課程設計的目的和意義；1、 仿真的系統的基本原理；2、 詳細的設計過程、各模塊參數的說明、仿

6、真波形；3、 給出分析結果、調試總結及心得體會；4、 參考文獻（在報告中參考文獻要做標注，不少于8篇）課程設計的工作進度安排序號內 容時間（天）1學習和熟悉仿真軟件Matlab/Simulink12系統的總體設計及各模塊設計23總體系統仿真、調試14驗收設計成果及上交設計報告（電子稿和打印稿）15合 計5成績評定辦法成績評定:（1）平時成績：無故曠課一次，平時成績減半；無故曠課兩次平時成績為0分，無故曠課三次總成績為0分。遲到15分鐘按曠課處理（2）設計成績：按照實際的設計過程及最終的實現結果給出相應的成績。（3）設計報告成績：按照提交報告的質量給出相應的成績。主要參考書1鄧華等.MATLAB

7、通信仿真及應用實例詳解M.人民郵電出版社.2003年2李賀冰.Simulink 通信仿真教程M.國防工業出版社.2006年3孫屹.MTALAB通信仿真開發手冊M.國防工業出版社.2005年 教研室意見 教研室主任（簽字）： 年 月 日系（部）意見系主任（簽字）： 年 月 日3、進度安排星期一 學習和熟悉仿真軟件Matlab/Simulink星期二 系統的總體設計及各模塊設計星期三 系統的總體設計及各模塊設計星期四 總體系統仿真、調試星期五 驗收設計成果及上交設計報告（電子稿和打印稿)4、具體要求4.1 運用SIMULINK建立基于分組碼的差錯控制系統仿真模型（1）該模型包括信源部分、信道部分和

8、信宿部分，（2）信源部分的數據源是隨機的二進制序列。(子系統實現)（3）信道部分采用二進制對稱信道。（4）信宿部分用子系統實現。（5）調通鏈路，能夠按照要求實現各項基本功能。4.2 運用SIMULINK建立基于卷積碼的差錯控制系統仿真模型（1）該模型包括信源部分、信道部分和信宿部分，（2）信源部分的數據源是隨機的二進制序列，隨機的二進制序列要經過卷積編碼，經過編碼的數據要進行調制。(子系統實現)（3）信道部分對調制后的信號進行加噪，采用加性高斯白噪聲。（4）信宿部分完成信號的解調和譯碼（維特比譯碼）。(子系統實現)（5）調通鏈路，能夠按照要求實現各項基本功能。（6）運用MATLAB編寫M文件，

9、繪制出不同編碼方式、不同信噪比下維特比譯碼的誤比特率的關系曲線圖進行分析。5、 基本原理5.1 分組碼（循環碼）編碼與譯碼原理循環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，此外還具有循環性。循環碼的編碼和解碼設備都不太復雜，且檢(糾)錯能力強。它不但可以檢測隨機的錯誤，還可以檢錯突發的錯誤。（n,k）循環碼可以檢測長為n-k或更短的任何突發錯誤，包括首尾相接突發錯誤。循環碼是一種無權碼，循環碼編排的特點是相鄰兩個數碼之間符合卡諾圖中的鄰接條件，即相鄰兩個數碼之間只有一位碼元不同，碼元就是組成數碼的單元。符合這個特點的有多種方案，但循環碼只能是表中的那種。循環碼的優點是沒有瞬時錯誤，

10、因為在數碼變換過程中，在速度上會有快有慢，中間經過其它一些數碼形式，稱它們為瞬時錯誤。這在某些數字系統中是不允許的，為此希望相鄰兩個數碼之間僅有一位碼元不同，即滿足鄰接條件，這樣就不會產生瞬時錯誤。循環碼就是這樣一種編碼，它可以在卡諾圖中依次循環得到。循環碼又稱格雷碼（ Grey Code ）。循環碼最大的特點就是碼字的循環特性，所謂循環特性是指：循環碼中任一許用碼組經過循環移位后，所得到的碼組仍然是許用碼組。若（   ）為一循環碼組，則（  ）、（ ）、還是許用碼組。也就是說，不論是左移還是右移，也不論移多少位，仍然是許用的循環碼組。5.1.1 循環碼

11、編碼原理(1)有信息碼構成信息多項式m(x)= +其中高冪次為k-1;(2)用乘以信息多項式m(x)，得到的 m(x)最高冪次為n-1,該過程相當于把信息嗎（，）移位到了碼字德前k個信息位，其后是r個全為零的監督位;(3)用g(x)除 m(x)得到余式r(x),其次數必小于g(x)的次數，即小于（n-k）,將此r(x)加于信息位后做監督位，即將r(x)于 m(x)相加，得到的多項式必為一碼多項式。5.1.2循環碼的譯碼原理 糾錯碼的譯碼是該編碼能否得到實際應用的關鍵所在。譯碼器往往比編碼較難實現，對于糾錯能力強的糾錯碼更復雜。根據不同的糾錯或檢錯目的，循環碼譯碼器可分為用于糾錯目的和用于檢錯目

12、的的循環碼譯碼器。 通常，將接收到的循環碼組進行除法運算，如果除盡，則說明正確傳輸；如果未除盡，則在寄存器中的內容就是錯誤圖樣，根據錯誤圖樣可以確定一種邏輯，來確定差錯的位置，從而達到糾錯的目的。用于糾錯目的的循環碼的譯碼算法比較復雜，感興趣的話可以參考一些參考書。而用于檢錯目的循環碼，一般使用ARQ通信方式。檢測過程也是將接受到的碼組進行除法運算，如果除盡，則說明傳輸無誤；如果未除盡，則表明傳輸出現差錯，要求發送端重發。用于這種目的的循環碼經常被成為循環冗余校驗碼，即CRC校驗碼。CRC校驗碼由于編碼電路、檢錯電路簡單且易于實現，因此得到廣泛的應用。在通過MODEM傳輸文件的協議如ZMODE

13、M、XMODEM協議中均用到了CRC校驗技術。在磁盤、光盤介質存儲技術中也使用該方法。 在SystemView中沒有提供專用的CRC循環冗余校驗碼編碼器，讀者可根據有關參考書設計一個相應的仿真電路。如果不想親自動手設計，可以在CDMA庫（IS95）中找到一個現成的專用的CRC編碼器和譯碼器。該圖符（FrameQ）是的接入信道的數據幀品質指示編碼器，其中使用了多種不同比特率的數據模型，通過CRC校驗來判斷接入信道的質量好壞。其中規定每一幀的長度為20ms的數據。一個典型IS-95-A標準規定的9600信道的CRC測試碼的長度為192比特，其中信息位172位、校驗位12比特、尾部全零8比特。感興趣

14、的讀者可以加入一個速率為860bps（192bit/0.2ms860）的PN數據，然后觀察經過CRC編碼后的波形。并可用對應的譯碼器譯碼觀察輸出波形是否與輸入的PN碼一致。當碼字c通過噪聲信道傳送時，會受到干擾而產生錯誤。如果信道產生的錯誤圖樣是e，譯碼器收到的n重接受矢量是y,則表示為： y=c+e （13）上式也可以寫成多項式形式：y(x)=c(x)+e(x) （14）譯碼器的任務就是從y(x)中得到，然后求的估值碼字= y(x)+ （15） 并從中得到信息組。循環碼譯碼可按以下三個步驟進行：（1）有接收到的y(x)計算伴隨式s(x);（2）根據伴隨式s(x)找出對應的估值錯誤圖樣； （3

15、）計算= y(x)+ ，得到估計碼字。若=c(x),則譯碼正確，否則，若c(x)，則譯碼錯誤。由于g(x) 的次數為n - k 次，g(x) 除E(x) 后得余式（即伴隨式）的最高次數為n-k-1次，故S(x) 共有2n-k 個可能的表達式，每一個表達式對應一個錯誤格式。可以知道(7,4）循環碼的S(x) 共有2(7-4) = 8個可能的表達式，可根據錯誤圖樣表來糾正(7,4）循環碼中的一位錯誤，其伴隨式如表所示。BCH（7，4）循環碼錯誤圖樣表：錯誤圖樣錯誤圖樣碼字伴隨式S(x)伴隨式E6(x)=x61000000x2100E5(x)=x50100000x2+x110E4(x)=x40010

16、000x2+x+1111E3(x)=x30001000x+1011E2(x)=x20000100x2+1101E1(x)=x10000010x010E0(x)=x000000011001E(x)=000000000000 BCH（7，4）循環碼錯誤圖樣表上式指出了系統循環碼的譯碼方法：將收到的碼字R(x) 用g(x) 去除，如果除盡則無錯；否則有錯。如果有錯，可由余式S(x) 一一找出對應圖樣，然后將錯誤圖樣E(x) 與R(x) 模2 和，即為所求碼字C(x) ，從而實現糾錯目的。根據前面的討論，可得（7，4）循環碼譯碼的程序框圖如圖5-1-2所示圖 5-1-2 譯碼程序框圖5.2 卷積碼編碼

17、與譯碼原理5.2.1 卷積碼的編碼原理卷積碼，又稱連環碼，是由伊萊亞斯(P.elias)于1955年提出來的一種非分組碼。積碼將k個信息比特編成n個比特，但k和n通常很小，特別適合以串行形式進行傳輸，時延小。卷積碼是在一個滑動的數據比特序列上進行模2和操作，從而生成一個比特碼流。卷積碼和分組碼的根本區別在于，它不是把信息序列分組后再進行單獨編碼，而是由連續輸入的信息序列得到連續輸出的已編碼序列。卷積碼具有誤碼糾錯的能力，首先被引入衛星和太空的通信中。NASA標準（2，1，6）卷積碼生成多項式為： 其卷積編碼器為： 圖5-2-1 K=7，碼率為1/2的卷積碼編碼器5.2.2 卷積碼的譯碼原理維特

18、比譯碼，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送序列做比較，選擇其中碼距最小的一個序列作為發送序列。如果接收到L組信息比特，每個符號包括v個比特。接收到的Lv比特序列與2L條路徑進行比較，漢明距離最近的那一條路徑被選擇為最有可能被傳輸的路勁。當L較大時，使得譯碼器難以實現。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，從而達到整個碼序列是一個最大似然值得序列。下面以圖5-2-2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

19、運作過程。為了能說明解碼過程，這里給出該碼的狀態圖，如圖 mjmj-1mj-2輸出序列m1,m2,mj,y1jy2j輸入序列00ad 10（）cb110011010110圖5-2-3 (2,1,3)卷積碼狀態圖圖5-2-2 (2,1,3)卷積碼編碼器維特比譯碼需要利用圖來說明移碼過程。根據卷積碼畫網格的方法，我們可以畫出該碼的網格圖，如圖5-2-4所示。該圖設接收到的序列長度為8，所以畫8個時間單位，圖中分別標以0至7。這里設編碼器從a狀態開始運作。該網格圖的每一條路徑都對應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，因而網格圖中所有可能的路徑也為2L條。這里節點a=00，b=

20、10，c=01，d=11。abcd節點號0123456700000000000000111111111111111100000101010101010101010101111110101010圖5-2-4 (2,1,3)卷積碼網格圖設輸入編碼器的信息序列為(11011000)，則由編碼器對應輸出的序列為Y=(1101010001011100)。若收到的序列R=(0101011001011100),對照網格圖來說明維特比譯碼的方法。首先選擇接收序列的前6位序列R1=(010101)同到達第3時刻的可能的8個碼序列(即8條路徑)進行比較，并計算出碼距。該例中到達第3時刻a點的路徑序列是(00000

21、0)和(111011)，他們與R1的距離分別為3和4；到達第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)，如圖5-2-5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節點號0123000000111111

22、010101圖5-2-5 維特比譯碼第3時刻幸存路徑需要指出的是，對于某個節點，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徑，此時不會影響最終的譯碼結果。在碼的終了時刻a狀態，得到一條幸存路徑。如果5-2-6所示。由此可看到譯碼器abcd節點號0123110101456780001011100圖5-2-6 第8時刻幸存路徑輸出是R=(1101010001011100)，即可變換成序列(11011000)，恢復了發端原始信息。比較R和R序列，可以看到在譯碼過程中已糾正了在碼序列第1和第7位上的差錯。當然-+/+-如果差錯出現太頻繁，以致超出卷積碼的糾錯能力，還

23、是會發生糾誤的。6、 Simulink單元模塊設計6.1 分組碼的差錯控制系統仿真模型6.1.1 總體設計框圖總體設計框圖由信源子模塊，信道和信宿子模塊構成。信源子模塊負責發生兩路信號，一路信號信號時隨機二進制信號經循環編碼后送入二進制對稱信道，一路信號未經調制直接送入信宿子系統。信宿子系統負責將編碼后的信號譯碼并與原信號比較計算出誤碼率。總電路圖如6-1-1所示。圖6-1-1 總體設計框圖6.1.2 信源子系統信源模塊由伯努利二進制序列發生器和循環碼編碼器組成，功能是伯努利二進制序列發生器發生隨機二進制信號，經過循環編碼器編碼再將信號傳送至信道。電路圖如圖6-1-2圖6-1-2 信源子系統模

24、塊各部分參數設置如下圖（1）Bernoulli Binary Generator伯努利發生器的參數設置（2）General CRC Generator 循環碼編碼器6.1.3 信道信道為二進制對稱信道，是離散無記憶信道在J=K=2時的特例。它的輸入和輸出都只有0和1兩種符號，并且發送0而接收到1，以及發送1而收到0（即誤碼）的概率相同，所以稱信道是對稱的。信道設計如圖6-1-3所示 。圖6-1-3 信道模塊參數設置如下圖（1）Binary Symmetric Channel （二進制對稱信道）6.1.4 信宿子系統信宿子系統由循環碼編碼譯碼器，誤碼率發生器，數值顯示模板構成，功能是對經過循環編

25、碼的信號進行譯碼，然后將信號傳到誤碼率發生器Rx端，未經調制的信號傳到誤碼率發生器的Tx端，誤碼率發生器將兩路信號比較計算，得出誤碼率，經數值顯示模板顯示出來。電路圖如圖6-1-4所示。圖6-1-4 信宿子系統模塊各部分參數設置如下圖(1)General CRC Syndrome Detector （循環碼編碼譯碼器）(2) Error Rate Calculation （誤比特率統計模塊器）(3) Display （數值顯示模板）6.2 卷積碼的差錯控制系統仿真模型6.2.1 總體設計框圖卷積碼的差錯控制系統由信源子模塊，信道和信宿子模塊組成，信源子模塊發出隨機二進制信號，經過卷積編碼后經過

26、加性高斯白噪聲信道，傳到信宿模塊，信宿模塊完成解碼并計算誤碼率的功能。總體設計框圖如圖6-2-1所示。圖6-2-1 總體設計框圖 6.2.2 信源子系統信源模塊由伯努利二進制序列發生器、卷積碼編碼器以及二進制相位調制模塊組成，伯努利二進制序列發生器產生的隨機二進制序列經過卷積編碼器編碼以及二進制相位調制后送入信道，二未經過調制的信號直接送入信宿。電路圖如圖6-2-2所示。圖6-2-2 信源子系統模塊各部分參數設置如下圖（1）Bernoulli Binary Generator伯努利發生器的參數設置（2）Convolutional Encoder（卷積碼編碼器）的參數設置（3）BPSK Modu

27、lator Baseband（二進制相位調制模塊）的參數設置6.2.3 信道信道是加性高斯白噪聲信道，用于對傳輸的信號添加加性高斯白噪聲。信道設計如圖6-2-3所示。圖6-2-3 信道模塊參數設置如下圖（1）AWGN Channel加性高斯白噪聲模塊6.2.4 信宿子系統信宿模塊由二進制相位解調模塊、維特比譯碼、誤比特率統計模塊器、數值顯示模塊、選擇器組成。在接收到二進制相位調制信號后，首先由BPSK Demodulator Baseband (二進制相位解調模塊)對信號進行量化，得到硬判決量化信號，然后通過Viterbi Decoder(維特比譯碼器)對軟判決信號譯碼。譯碼輸出信號和信源模塊

28、產生的原始信號輸入到Error Rate Calculator(誤比特率統計模塊)中，統計得到的數據一方面通過Display(顯示模塊)顯示出來，另一方面通過一個Selector(選擇器)把其中的第一個元素(編碼信號的誤比特率)保存到BitErrorRate中。電路圖如圖6-2-4所示。圖6-2-4 信宿子系統模塊各部分參數設置如下圖(1)DPSK Demodulator Baseband （二進制相位解調器）(2)Viterbi Decoder （維特比譯碼器）(3)Error Rate Calculation（誤比特率統計模塊器）(4)Display（顯示輸出模塊）(5)Selector（

29、選擇模塊）(6)To Workspace（工作空間模塊）7、MATLAB程序及程序編制x=-10:5; % y表示信號的誤比特率,它的長度與x相同 y=x; %準備一空白圖形hold off;%定義不同卷及方式時的Trellis結構A=poly2trellis(9,557 663 711),poly2trellis(7,171 133);%不同卷積方式、信噪比情況下重復運行untitledl,檢驗不同條件下硬判決譯碼的性能for j=1:2%卷積方式分別取1/3卷積和1/2卷積STRUCTURE=A(j);%新到的信噪比依次取x中的元素for i=1:length(x) SNR=x(i); %

30、運行仿真程序，誤比特率保持在工作區變量BitErrorRate中 sim('juanjima'); %計算BitErrorRate的均值作為本次仿真的誤比特率 y(i)=mean(cwq);end%繪制x和y的關系曲線圖，縱坐標采用對數坐標semilogy(x,y);hold on;endgrid on;運行結果8、運行程序過程中產生的問題及采取的措施本次課程設計可分為Simulink仿真設計和Matlab程序設計，二者緊密相關。在編寫Matlab程序時，在“sim('juanjima');”語句中，這個語句是調用Simulink電路的mdl文件，以完成運行，所以括號中的名字一定要與mdl文件名一致。由于疏忽，我將文件名打錯導致程序不能運行，后經過檢查改成，終于使程序運行。9、總結和展望移動通信對于我們通信工程來說是一門很重要的課程，做這個課程實際開始的時候，由于之前學的這部分內容不太記得了，有點無從下手的。重新看課本和給出的實驗原理，學習了一下相關理論知識。由于之前學過相關的內容，再次溫習花的時間也不會太多，