《移动通信》课程设计通信系统中差错控制的研究DOC.docx
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《移动通信》课程设计通信系统中差错控制的研究DOC
《移动通信》课程设计报告
课程设计名称：
通信系统中差错控制的研究
系：
三系
学生姓名：
陈文卿
班级：
11通信
（1）
学号：
20110306119
成绩：
指导教师：
马英辉
开课时间：
2013-2014学年2学期
1、课程设计目的
移动通信也是一门实践性非常强的课程，实验教学在整个课程的教学中占据了非常重要的地位。
在学生学习了现代通信原理、数字信号处理（DSP技术）等课程后，学生已经具有了一定的理论基础和实验技能，在此基础上本实验课程开设的主要作用和目的在于：
1． 帮助学生更好地理解移动通信系统，掌握各种移动通信系统的模型
2． 帮助学生熟悉常用的通信系统仿真平台，学习仿真模型的设计，掌握通信系统的仿真方法，学会利用仿真软件对系统性能进行评价；
2、设计任务书
题目
通信系统中差错控制的研究
课程设计目的
移动通信也是一门实践性非常强的课程，实验教学在整个课程的教学中占据了非常重要的地位。
在学生学习了现代通信原理、数字信号处理（DSP技术）等课程后，学生已经具有了一定的理论基础和实验技能，在此基础上本实验课程开设的主要作用和目的在于：
1． 帮助学生更好地理解移动通信系统，掌握各种移动通信系统的模型
2． 帮助学生熟悉常用的通信系统仿真平台，学习仿真模型的设计，掌握通信系统的仿真方法，学会利用仿真软件对系统性能进行评价；
课程设计的主要内容和要求
课程设计的主要内容：
应用MATLAB/SIMULINK设计出基于分组码的差错控制系统仿真模型和基于卷积码的差错控制系统仿真模型，并通过MATLAB对系统进行性能仿真分析。
课程设计的要求：
1、运用SIMULINK建立基于分组码的差错控制系统仿真模型
（1）该模型包括信源部分、信道部分和信宿部分，
（2）信源部分的数据源是随机的二进制序列。
（子系统实现）
（3）信道部分采用二进制对称信道。
（4）信宿部分用子系统实现。
（5）调通链路，能够按照要求实现各项基本功能。
2、运用SIMULINK建立基于卷积码的差错控制系统仿真模型
（1）该模型包括信源部分、信道部分和信宿部分，
（2）信源部分的数据源是随机的二进制序列，随机的二进制序列要经过卷积编码，经过编码的数据要进行调制。
（子系统实现）
（3）信道部分对调制后的信号进行加噪，采用加性高斯白噪声。
（4）信宿部分完成信号的解调和译码（维特比译码）。
（子系统实现）
（5）调通链路，能够按照要求实现各项基本功能。
（6）运用MATLAB编写M文件，绘制出不同编码方式、不同信噪比下维特比译码的误比特率的关系曲线图进行分析。
课程设计报告的要求：
本次课程设计的目的和意义；
1、仿真的系统的基本原理；
2、详细的设计过程、各模块参数的说明、仿真波形；
3、给出分析结果、调试总结及心得体会；
4、参考文献（在报告中参考文献要做标注，不少于8篇）
课程设计的工作进度安排
序号
内容
时间（天）
1
学习和熟悉仿真软件Matlab/Simulink
1
2
系统的总体设计及各模块设计
2
3
总体系统仿真、调试
1
4
验收设计成果及上交设计报告（电子稿和打印稿）
1
5
合计
5
成绩评定办法
成绩评定:
（1）平时成绩：
无故旷课一次，平时成绩减半；无故旷课两次平时成绩为0分，无故旷课三次总成绩为0分。
迟到15分钟按旷课处理
（2）设计成绩：
按照实际的设计过程及最终的实现结果给出相应的成绩。
（3）设计报告成绩：
按照提交报告的质量给出相应的成绩。
主要参考书
[1]邓华等.《MATLAB通信仿真及应用实例详解》[M].人民邮电出版社.2003年
[2]李贺冰.《Simulink通信仿真教程》[M].国防工业出版社.2006年
[3]孙屹.《MTALAB通信仿真开发手册》[M].国防工业出版社.2005年
教研室意见
教研室主任（签字）：
年月日
系（部）意见
系主任（签字）：
年月日
3、进度安排
星期一学习和熟悉仿真软件Matlab/Simulink
星期二系统的总体设计及各模块设计
星期三系统的总体设计及各模块设计
星期四总体系统仿真、调试
星期五验收设计成果及上交设计报告（电子稿和打印稿）
4、具体要求
4.1运用SIMULINK建立基于分组码的差错控制系统仿真模型
（1）该模型包括信源部分、信道部分和信宿部分，
（2）信源部分的数据源是随机的二进制序列。
（子系统实现）
（3）信道部分采用二进制对称信道。
（4）信宿部分用子系统实现。
（5）调通链路，能够按照要求实现各项基本功能。
4.2运用SIMULINK建立基于卷积码的差错控制系统仿真模型
（1）该模型包括信源部分、信道部分和信宿部分，
（2）信源部分的数据源是随机的二进制序列，随机的二进制序列要经过卷积编码，经过编码的数据要进行调制。
（子系统实现）
（3）信道部分对调制后的信号进行加噪，采用加性高斯白噪声。
（4）信宿部分完成信号的解调和译码（维特比译码）。
（子系统实现）
（5）调通链路，能够按照要求实现各项基本功能。
（6）运用MATLAB编写M文件，绘制出不同编码方式、不同信噪比下维特比译码的误比特率的关系曲线图进行分析。
5、基本原理
5.1分组码（循环码）编码与译码原理
循环码是线性分组码的一种，所以它具有线性分组码的一般特性，此外还具有循环性。
循环码的编码和解码设备都不太复杂，且检（纠）错能力强。
它不但可以检测随机的错误，还可以检错突发的错误。
（n,k）循环码可以检测长为n-k或更短的任何突发错误，包括首尾相接突发错误。
循环码是一种无权码，循环码编排的特点是相邻两个数码之间符合卡诺图中的邻接条件，即相邻两个数码之间只有一位码元不同，码元就是组成数码的单元。
符合这个特点的有多种方案，但循环码只能是表中的那种。
循环码的优点是没有瞬时错误，因为在数码变换过程中，在速度上会有快有慢，中间经过其它一些数码形式，称它们为瞬时错误。
这在某些数字系统中是不允许的，为此希望相邻两个数码之间仅有一位码元不同，即满足邻接条件，这样就不会产生瞬时错误。
循环码就是这样一种编码，它可以在卡诺图中依次循环得到。
循环码又称格雷码（GreyCode）。
循环码最大的特点就是码字的循环特性，所谓循环特性是指：
循环码中任一许用码组经过循环移位后，所得到的码组仍然是许用码组。
若（
…
）为一循环码组，则（
…
）、（
…
）、……还是许用码组。
也就是说，不论是左移还是右移，也不论移多少位，仍然是许用的循环码组。
5.1.1循环码编码原理
（1）有信息码构成信息多项式m（x）=
+……+
其中高幂次为k-1;
（2）用
乘以信息多项式m（x），得到的
m（x）最高幂次为n-1,该过程相当于把信息吗（
，
，……，
，
）移位到了码字德前k个信息位，其后是r个全为零的监督位;
（3）用g（x）除
m（x）得到余式r（x）,其次数必小于g（x）的次数，即小于（n-k）,将此r（x）加于信息位后做监督位，即将r（x）于
m（x）相加，得到的多项式必为一码多项式。
5.1.2循环码的译码原理
纠错码的译码是该编码能否得到实际应用的关键所在。
译码器往往比编码较难实现，对于纠错能力强的纠错码更复杂。
根据不同的纠错或检错目的，循环码译码器可分为用于纠错目的和用于检错目的的循环码译码器。
通常，将接收到的循环码组进行除法运算，如果除尽，则说明正确传输；如果未除尽，则在寄存器中的内容就是错误图样，根据错误图样可以确定一种逻辑，来确定差错的位置，从而达到纠错的目的。
用于纠错目的的循环码的译码算法比较复杂，感兴趣的话可以参考一些参考书。
而用于检错目的循环码，一般使用ARQ通信方式。
检测过程也是将接受到的码组进行除法运算，如果除尽，则说明传输无误；如果未除尽，则表明传输出现差错，要求发送端重发。
用于这种目的的循环码经常被成为循环冗余校验码，即CRC校验码。
CRC校验码由于编码电路、检错电路简单且易于实现，因此得到广泛的应用。
在通过MODEM传输文件的协议如ZMODEM、XMODEM协议中均用到了CRC校验技术。
在磁盘、光盘介质存储技术中也使用该方法。
在SystemView中没有提供专用的CRC循环冗余校验码编码器，读者可根据有关参考书设计一个相应的仿真电路。
如果不想亲自动手设计，可以在CDMA库（IS95）中找到一个现成的专用的CRC编码器和译码器。
该图符（FrameQ）是的接入信道的数据帧品质指示编码器，其中使用了多种不同比特率的数据模型，通过CRC校验来判断接入信道的质量好坏。
其中规定每一帧的长度为20ms的数据。
一个典型IS-95-A标准规定的9600信道的CRC测试码的长度为192比特，其中信息位172位、校验位12比特、尾部全零8比特。
感兴趣的读者可以加入一个速率为860bps（192bit/0.2ms＝860）的PN数据，然后观察经过CRC编码后的波形。
并可用对应的译码器译码观察输出波形是否与输入的PN码一致。
当码字c通过噪声信道传送时，会受到干扰而产生错误。
如果信道产生的错误图样是e，译码器收到的n重接受矢量是y,则表示为：
y=c+e（13）
上式也可以写成多项式形式：
y（x）=c（x）+e（x）（14）
译码器的任务就是从y（x）中得到
，然后求的估值码字
=y（x）+
（15）
并从中得到信息组
。
循环码译码可按以下三个步骤进行：
（1）有接收到的y（x）计算伴随式s（x）;
（2）根据伴随式s（x）找出对应的估值错误图样
；
（3）计算
=y（x）+
，得到估计码字
。
若
=c（x）,则译码正确，否则，若
c（x），则译码错误。
由于g（x）的次数为n-k次，g（x）除E（x）后得余式（即伴随式）的最高次数为n-k-1次，故S（x）共有2n-k个可能的表达式，每一个表达式对应一个错误格式。
可以知道（7,4）循环码的S（x）共有2（7-4）=8个可能的表达式，可根据错误图样表来纠正（7,4）循环码中的一位错误，其伴随式如表所示。
BCH（7，4）循环码错误图样表：
错误图样
错误图样码字
伴随式S（x）
伴随式
E6（x）=x6
1000000
x2
100
E5（x）=x5
0100000
x2+x
110
E4（x）=x4
0010000
x2+x+1
111
E3（x）=x3
0001000
x+1
011
E2（x）=x2
0000100
x2+1
101
E1（x）=x1
0000010
x
010
E0（x）=x0
0000001
1
001
E（x）=0
0000000
0
000
BCH（7，4）循环码错误图样表
上式指出了系统循环码的译码方法：
将收到的码字R（x）用g（x）去除，如果除尽则无错；否则有错。
如果有错，可由余式S（x）一一找出对应图样，然后将错误图样E（x）与R（x）模2和，即为所求码字C（x），从而实现纠错目的。
根据前面的讨论，可得（7，4）循环码译码的程序框图如图5-1-2所示
图5-1-2译码程序框图
5.2卷积码编码与译码原理
5.2.1卷积码的编码原理
卷积码，又称连环码，是由伊莱亚斯（P.elias）于1955年提出来的一种非分组码。
积码将k个信息比特编成n个比特，但k和n通常很小，特别适合以串行形式进行传输，时延小。
卷积码是在一个滑动的数据比特序列上进行模2和操作，从而生成一个比特码流。
卷积码和分组码的根本区别在于，它不是把信息序列分组后再进行单独编码，而是由连续输入的信息序列得到连续输出的已编码序列。
卷积码具有误码纠错的能力，首先被引入卫星和太空的通信中。
NASA标准（2，1，6）卷积码生成多项式为：
其卷积编码器为：
图5-2-1K=7，码率为1/2的卷积码编码器
5.2.2卷积码的译码原理
维特比译码，采用概率译码的基本思想是：
把已接收序列与所有可能的发送序列做比较，选择其中码距最小的一个序列作为发送序列。
如果接收到L组信息比特，每个符号包括v个比特。
接收到的Lv比特序列与2L条路径进行比较，汉明距离最近的那一条路径被选择为最有可能被传输的路劲。
当L较大时，使得译码器难以实现。
维特比算法则对上述概率译码做了简化，以至成为了一种实用化的概率算法。
它并不是在网格图上一次比较所有可能的2kL条路径（序列），而是接收一段，计算和比较一段，选择一段最大似然可能的码段，从而达到整个码序列是一个最大似然值得序列。
下面以图5-2-2的（2，1，3）卷积码编码器所编出的码为例，来说明维特比解码的方法和运作过程。
为了能说明解码过程，这里给出该码的状态图，如图
图5-2-3（2,1,3）卷积码状态图
图5-2-2（2,1,3）卷积码编码器
维特比译码需要利用图来说明移码过程。
根据卷积码画网格的方法，我们可以画出该码的网格图，如图5-2-4所示。
该图设接收到的序列长度为8，所以画8个时间单位，图中分别标以0至7。
这里设编码器从a状态开始运作。
该网格图的每一条路径都对应着不同的输入信息序列。
由于所有可能输入信息序列共有2kL个，因而网格图中所有可能的路径也为2L条。
这里节点a=00，b=10，c=01，d=11。
图5-2-4（2,1,3）卷积码网格图
设输入编码器的信息序列为（11011000），则由编码器对应输出的序列为Y=（1101010001011100）。
若收到的序列R=（0101011001011100）,对照网格图来说明维特比译码的方法。
首先选择接收序列的前6位序列R1=（010101）同到达第3时刻的可能的8个码序列（即8条路径）进行比较，并计算出码距。
该例中到达第3时刻a点的路径序列是（000000）和（111011），他们与R1的距离分别为3和4；到达第3时刻b点的路径序列是（000011）和（111000），他们与R1的距离分别为3和4；到达第3时刻c点的路径序列是（001110）和（110101），他们与R1的距离分别为4和1；到达第3时刻d点的路径序列是（001101）和（110110），他们与R1的距离分别为2和3。
上述每个节点都保留码距较小的路径作为幸存路径，所以幸存路径码序列是（000000）、（000011）、（1101001）和（001101），如图5-2-5所示。
用于上面类似的方法可以得到第4、5、6、7时刻的幸存路径。
图5-2-5维特比译码第3时刻幸存路径
需要指出的是，对于某个节点，如果比较两条路径与接收序列的累计码距值相等时，则可以任意选者一条路径作为幸存路径，此时不会影响最终的译码结果。
在码的终了时刻a状态，得到一条幸存路径。
如果5-2-6所示。
由此可看到译码器
图5-2-6第8时刻幸存路径
输出是R’=（1101010001011100），即可变换成序列（11011000），恢复了发端原始信息。
比较R’和R序列，可以看到在译码过程中已纠正了在码序列第1和第7位上的差错。
当然-+/+-如果差错出现太频繁，以致超出卷积码的纠错能力，还是会发生纠误的。
6、Simulink单元模块设计
6.1分组码的差错控制系统仿真模型
6.1.1总体设计框图
总体设计框图由信源子模块，信道和信宿子模块构成。
信源子模块负责发生两路信号，一路信号信号时随机二进制信号经循环编码后送入二进制对称信道，一路信号未经调制直接送入信宿子系统。
信宿子系统负责将编码后的信号译码并与原信号比较计算出误码率。
总电路图如6-1-1所示。
图6-1-1总体设计框图
6.1.2信源子系统
信源模块由伯努利二进制序列发生器和循环码编码器组成，功能是伯努利二进制序列发生器发生随机二进制信号，经过循环编码器编码再将信号传送至信道。
电路图如图6-1-2
图6-1-2信源子系统
模块各部分参数设置如下图
（1）BernoulliBinaryGenerator伯努利发生器的参数设置
（2）GeneralCRCGenerator循环码编码器
6.1.3信道
信道为二进制对称信道，是离散无记忆信道在J=K=2时的特例。
它的输入和输出都只有0和1两种符号，并且发送0而接收到1，以及发送1而收到0（即误码）的概率相同，所以称信道是对称的。
信道设计如图6-1-3所示。
图6-1-3信道模块
参数设置如下图
（1）BinarySymmetricChannel（二进制对称信道）
6.1.4信宿子系统
信宿子系统由循环码编码译码器，误码率发生器，数值显示模板构成，功能是对经过循环编码的信号进行译码，然后将信号传到误码率发生器Rx端，未经调制的信号传到误码率发生器的Tx端，误码率发生器将两路信号比较计算，得出误码率，经数值显示模板显示出来。
电路图如图6-1-4所示。
图6-1-4信宿子系统
模块各部分参数设置如下图
（1）GeneralCRCSyndromeDetector（循环码编码译码器）
（2）ErrorRateCalculation（误比特率统计模块器）
（3）Display（数值显示模板）
6.2卷积码的差错控制系统仿真模型
6.2.1总体设计框图
卷积码的差错控制系统由信源子模块，信道和信宿子模块组成，信源子模块发出随机二进制信号，经过卷积编码后经过加性高斯白噪声信道，传到信宿模块，信宿模块完成解码并计算误码率的功能。
总体设计框图如图6-2-1所示。
图6-2-1总体设计框图
6.2.2信源子系统
信源模块由伯努利二进制序列发生器、卷积码编码器以及二进制相位调制模块组成，伯努利二进制序列发生器产生的随机二进制序列经过卷积编码器编码以及二进制相位调制后送入信道，二未经过调制的信号直接送入信宿。
电路图如图6-2-2所示。
图6-2-2信源子系统
模块各部分参数设置如下图
（1）BernoulliBinaryGenerator伯努利发生器的参数设置
（2）ConvolutionalEncoder（卷积码编码器）的参数设置
（3）BPSKModulatorBaseband（二进制相位调制模块）的参数设置
6.2.3信道
信道是加性高斯白噪声信道，用于对传输的信号添加加性高斯白噪声。
信道设计如图6-2-3所示。
图6-2-3信道模块
参数设置如下图
（1）AWGNChannel加性高斯白噪声模块
6.2.4信宿子系统
信宿模块由二进制相位解调模块、维特比译码、误比特率统计模块器、数值显示模块、选择器组成。
在接收到二进制相位调制信号后，首先由BPSKDemodulatorBaseband（二进制相位解调模块）对信号进行量化，得到硬判决量化信号，然后通过ViterbiDecoder（维特比译码器）对软判决信号译码。
译码输出信号和信源模块产生的原始信号输入到ErrorRateCalculator（误比特率统计模块）中，统计得到的数据一方面通过Display（显示模块）显示出来，另一方面通过一个Selector（选择器）把其中的第一个元素（编码信号的误比特率）保存到BitErrorRate中。
电路图如图6-2-4所示。
图6-2-4信宿子系统
模块各部分参数设置如下图
（1）DPSKDemodulatorBaseband（二进制相位解调器）
（2）ViterbiDecoder（维特比译码器）
（3）ErrorRateCalculation（误比特率统计模块器）
（4）Display（显示输出模块）
（5）Selector（选择模块）
（6）ToWorkspace（工作空间模块）
7、MATLAB程序及程序编制
x=-10:
5;
%y表示信号的误比特率,它的长度与x相同
y=x;
%准备一空白图形
holdoff;
%定义不同卷及方式时的Trellis结构
A=[poly2trellis（9,[557663711]）,poly2trellis（7,[171133]）];
%不同卷积方式、信噪比情况下重复运行untitledl,检验不同条件下硬判决译码的性能
forj=1:
2
%卷积方式分别取1/3卷积和1/2卷积
STRUCTURE=A（j）;
%新到的信噪比依次取x中的元素
fori=1:
length（x）
SNR=x（i）;
%运行仿真程序，误比特率保持在工作区变量BitErrorRate中
sim（'juanjima'）;
%计算BitErrorRate的均值作为本次仿真的误比特率
y（i）=mean（cwq）;
end
%绘制x和y的关系曲线图，纵坐标采用对数坐标
semilogy（x,y）;
holdon;
end
gridon;
运行结果
8、运行程序过程中产生的问题及采取的措施
本次课程设计可分为Simulink仿真设计和Matlab程序设计，二者紧密相关。
在编写Matlab程序时，在“sim（'juanjima'）;”语句中，这个语句是调用Simulink电路的mdl文件，以完成运行，所以括号中的名字一定要与mdl文件名一致。
由于疏忽，我将文件名打错导致程序不能运行，后经过检查改成，终于使程序运行。
9、总结和展望
移动通信对于我们通信工程来说是一门很重要的课程，做这个课程实际开始的时候，由于之前学的这部分内容不太记得了，有点无从下手的。
重新看课本和给出的实验原理，学习了一下相关理论知识。
由于之前学过相关的内容，再次温习花的时间也不会太多，而且可以顺便复习考试的相关内容。
这个课程设计从开始做到完成，虽然总共花的时间并不算长，但是让我明白了无论是这次的移动通信课程设计还是其他工程或是毕业设计，乃至今后的实习和工作中，都是一个温故而知新的过程，技术的更新是非常迅速的，但是理论基础是根本，是必不可少的，只有学好基础知识才有可能谈其他创新和发展。
经过这次设计，我学会了许多东西，学会了严密的思考，构想及怎样把计划付诸于实际行动之中。
同时与社会的不断高速发展的步伐相比，我认识到自己所学的知识和技能还远远不足，有些实际性的问题还不能够解决，缺少很多有实际运用价值的知识储备，缺乏应有的动手解决实际问题的能力，缺乏些高效利用及筛选大量资料的能力，缺乏资源共享及应有的团队合作精神，有待进一步提高，我应当学好自己的专业知识以适应不断发展的社会。
在这次课程设计中，我学会了如何有效的利用网络资源及图书馆的藏书，找到了几个很不错的专业网站，为以后的查阅专业方面的信息和相互之间的交流打下了坚实的基础。
在这次课程设计中，我掌握了通信系统中差错控制拟信号数字化的过程，深刻理解了其中的原理，并且自己动手，用Matlab实现了这一过程，既让我掌握了理论知识，又培养了我的动手能力；用Matlab仿真，我明白了细心与耐心对学习和工作的重要性，也明白了同学之间互相帮助，与老师沟通的必要性。
总之，这一次的课程设计已经结束，其中我品尝了成功的喜悦，也感受了失败的懊恼，感谢马英辉老师孜孜不倦的教导和同学
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