通信原理课程设计报告数据传输系统误码率测试器的matlab实现及性能分析.docx
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通信原理课程设计报告数据传输系统误码率测试器的matlab实现及性能分析
数据传输系统误码率测试器的MATLAB实现及性能分析
学生姓名：
xx指导老师：
ss
摘要本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台设计进行数据传输系统误码率测试器的仿真。
在本次课程设计中先根据9级m序列发生器的结构，从Simulink工具箱中找所需元件，对输入的随机数据信号与其模2和计算以加密，合理设置好参数，送入含噪信道，在接收端与相同序列进行模2和以解密，改变信道误码率大小，测试发送信号与接收信号的误码率大小，其中可以通过不断的修改优化得到需要信号，最后通过对输出波形的分析得出仿真是否成功。
关键词Simulink；数据系统；m序列；误码率
1引言
本次课程设计主要运用MATLAB软件，在Simulink平台下建立仿真模型。
实现数据传输系统的的误码率计算的过程，通过比较发送信号与接收信号之间产生的误码率大小，分析比较，改变参数设置，观察波形变化及误码率大小的变化，并对其进行分析总结。
1.1课程设计的目的
通信原理是通信工程专业的一门骨干的专业课，是通信工程专业后续专业课的基础。
掌握通信原理课程的知识可使学生打下一个坚实的专业基础，可提高处理通信系统问题能力和素质。
由于通信工程专业理论深、实践性强，做好课程设计，对学生掌握本专业的知识、提高其基本能力是非常重要的。
通信课程设计的目的是为了学生加深对所学的通信原理知识理解，培养学生专业素质，提高利用通信原理知识处理通信系统问题的能力，为今后的专业课程的学习、毕业设计和工作打下良好的基础。
使学生能比较扎实地掌握本专业的基础知识和基本理论，掌握数字通信系统及有关设备的分析、开发等基本技能，受到必要工程训练和初步的科学研究方法和实践训练，增强分析和解决问题的能力，了解本通信专业的新发展。
1.2课程设计的基本任务和要求
本次课程设计的基本任务：
（1）使学生通过专业课程设计掌握通信中常用的信号处理方法，能够分析简单通信系统的性能。
（2）使学生掌握通信电路的设计方法，能够进行设计简单的通信电路系统。
（3）了解通信工程专业的发展现状及发展方向。
（4）与运用学过的MATLAB基本知识，熟悉MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台的使用
课程设计中必须遵循下列要求：
（1）对输入随机数据信号与m序列异或运算以实现信号加密，送入含噪信道，在接收端与相同序列再进行异或运算以解密，改变信道误码率大小，测试接收信号与发送信号之间的误码率，分析该种加密传输系统的抗噪声性能
（2）要求编写课程设计论文，正确阐述和分析设计和实验结果。
设计平台
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulik是MATLAB软件的扩展，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。
所谓模型化图形输入是指Simulik提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。
2设计原理
2.1Simulink工作环境
（1）模型库
在MATLAB命令窗口输入“simulink”并回车，就可进入Simulink模型库
单击工具栏上的
按钮也可进入
Simulik模块库按功能进行分为以下8类子库：
Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）用户可以根据需要混合使用歌库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块，自定义模块库、从而实现全图形化仿真。
Simulink模型库中的仿真模块组织成三级树结构Simulink子模型库中包含了Continous、Discontinus等下一级模型库Continous模型库中又包含了若干模块，可直接加入仿真模型。
图2.1-1Simulink工具箱
（2）设计仿真模型
在MATLAB子窗口或Simulink模型库的菜单栏依次选择“File”|“New”|“Model”，即可生成空白仿真模型窗口
图2.1-2新建仿真模型窗口
（3）运行仿真
两种方式分别是菜单方式和命令行方式，菜单方式：
在菜单栏中依次选择"Simulation"|"Start"或在工具栏上单击
。
命令行方式：
输入“sim”启动仿真进程
比较这两种不同的运行方式：
菜单方式的优点在于交互性，通过设置示波器或显示模块即可在仿真过程中观察输出信号。
命令行方式启动模型后，不能观察仿真进程，但仍可通过显示模块观察输出，适用于批处理方式。
2.2m序列产生器
（1）m序列产生器的结构
m序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，m序列是带线性反馈的移位寄存器产生的。
由n级串联的移位寄存器和反馈逻辑线路可组成动态移位寄存器，如果反馈逻辑电路只由模2和构成，则称为线性反馈移位寄存器。
带线性反馈逻辑的移位寄存器设定初始状态后，在时钟触发下，每次移位后各级寄存器会发生变化，其中任何一级寄存器的输出，随着时钟节拍的推移都会产生一个序列，该序列称为移位寄存器序列。
n级线性移位寄存器如图所示：
图2.2n级线性移位寄存器
（2）m序列产生器的性质
均衡性：
在m序列中一个周期内“1”的数目比“0”的数目多1，这表明，序列平均值很小。
m序列和其移位后的序列逐位模2相加，所得的序列还是m序列，只是相移不同而已。
m序列发生器中移位寄存器的各种状态，除全0状态外，其他状态只在m序列中出现1次。
m序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m序列。
m序列具有良好的自相关特性，其自相关系数：
当j等于0时，p（j）=1;当j不等于0时，p（j）=1/N,从m序列的自相关系数可以看出m序列是一个狭义伪随机码。
2.3误码率测量
在数字通信中误码率是一项主要的质量指标。
在实际测量数字通信系统的误码率时，一般来说，测量结果与信源送出信号的统计特性有关。
通常认为二进制信号中“0”和“1”是以等概率随机出现的。
所以测量误码率时最理想的信源是随机序列发生器，在实际通信中一般都是单程传输信息的，在测量单程数字通信的误码率时，就不能用随机序列，而是用性能相近的伪随机序列代替它，如下图所示：
图单程测试法
2.4通信加密解密原理
数字通信的一个重要优点是容易作到高度保密性的加密。
信号加密的基本原理可用图2-5表示。
将信源产生的信息与一个周期很长的伪随机序列模2相加，这样就将原消息变成不可理解的另一个序列。
将这种加密序列在信道中传输，被他人窃听后也不可理解其内容。
在接收端必须再加上同一样的伪随机序列，才能恢复原发送信息以实现解密，因为将此序列模2加入两次，就等于未加入。
图利用伪随机序列加密的原理
3设计步骤
随机数据信号
输入随机数据信号模块为：
输入随机数据信号参数设置：
3.1-2随机数据信号参数设置
示波器产生的图：
3.1-3随机数据信号波形图
3.2噪声信号
加入噪声信号模块为：
3.2-1噪声信号模块
其参数设置为：
3.2-2噪声信号参数设置
示波器产生的图形为：
3.2-3噪声信号波形图
改变参数设置Variance为0.01，其噪声波形变为
改变噪声信号参数后波形图
（1）
改变参数设置Variance为1，其噪声波形变为
改变噪声信号参数后波形图
（2）
m序列产生器
m序列产生器模块图形：
-1m序列产生器模型图
其参数设置为：
UnitDelay4和UnitDelay8设置相同：
3.3-2参数设置
（1）
其余UnitDelay单元设置相同，为：
3.3-3参数设置
（2）
示波器产生的图形为：
-4m序列产生器波形图
加密
通过输入随机数据信号与m序列进行异或运算以实现加密，二者异或运算之后产生产生的波形为：
3.4-1加密信号
信道中加入了噪声，对加密之后的信号会产生影响，所以要加入一个抽样判决器，还原原来的加密之后的信号，抽样判决器模块为
3.4-2抽样判决器
其参数设置为：
3.4-3抽样判决器参数设置
加密信号在含噪信道中传输，之后经过抽样判决器，二者波形为：
3.4-5加密信号在含噪信道中传输波形与经过抽样判决之后的波形比较
3.5解密
对经过抽样判决之后的信号，让其与原m序列进行异或运算以实现解密，解密之后的波形为：
3.5-1解密后的波形
3.6误码率计算比较
实现误码计算比较所需要的模块有：
3.6-1误码率计算所需要的模块
参数设置为：
3.6-2各模块参数设置
将之前的模块连线之后，检查线路连接，整个模块框图为：
3.6-3误码率测试器整体框图
运行该模块，Display显示为：
3.6-4第一次运行Display显示
说明：
Display1显示的是误码率的大小；Display显示的是延时时间。
示波器显示为：
3.6-5示波器显示
说明：
第一幅图表示的是输入随机数据信号的波形图；
第二幅图表示的是输入噪声信号的波形图；
第三幅图表示的是信号加密后的波形图；
第四幅图表示的是信号加密后送入含噪信道产生的波形图；
第五幅图表示的是经过抽样判决之后的信号波形图；
第六幅图表示的是解密之后的波形图。
改变噪声参数设置，设置Variance为1，再次运行，结果为：
3.6-6改变噪声设置后运行结果Display显示
说明：
Display1显示的是误码率的大小，为；Display显示的是延时时间。
示波器显示为：
3.6-7改变噪声参数设置后运行结果示波器显示
说明：
第一幅图表示的是输入随机数据信号的波形图；
第二幅图表示的是输入噪声信号的波形图；
第三幅图表示的是信号加密后的波形图；
第四幅图表示的是信号加密后送入含噪信道产生的波形图；
第五幅图表示的是经过抽样判决之后的信号波形图；
第六幅图表示的是解密之后的波形图。
误码率曲线生成
（1）在MATLAB界面下新建窗口：
图-1新建Editor窗口
输入以下程序：
fori=1:
100
power=0.001*i;
sim（'wumalv3.mdl'）;
error（i）=ErrorVec
（1）;
end
k=[1:
100].*0.001;
plot（k,error）;
xlabel（'噪声功率'）,ylabel（'误码率'）;
title（'误码率变化曲线图'）;
grid;
此时相应的在整体框图中作以下改变：
输入噪声信号模块，Variance设置为power
-2噪声信号模块参数改变设置
误码率计算ErrorRataCalulation1中OutputData设置为Workspace:
-3ErrorRataCalulation1模块参数改变设置
（2）运行文件，生成的图：
-4MATLAB运行程序后显示的误码率曲线示意图
说明：
当噪声功率小于等于0.01时，发送信号与接收信号之间的误码率大小为0；当噪声功率大于0.01时，发送信号与接收信号之间的误码率大小随着噪声功率的增大而增大，呈阶梯形改变。
（3）上述图形只显示了100个数据，为了更明显的表示其变化曲线，取600个数据，相应的进行修改：
程序的修改：
fori=1:
600
power=0.001*i;
sim（'wumalv3.mdl'）;
error（i）=ErrorVec
（1）;
end
k=[1:
600].*0.001;
plot（k,error）;
xlabel（'噪声功率'）,ylabel（'误码率'）;
title（'误码率变化曲线图'）;
grid;
SimulationStopTime修改
运行文件，得到的图形为：
-6改变取值范围后得出的误码率变化曲线图
4出现的问题及解决方法
在本次课程设计运用了MATLAB软件建立工作模型，在仿真的过程中遇到了各种不同的问题，通过自己的探索和在同学的帮助下都一一解决，总结分析分析如下：
（1）运行后如没有出现波形、出现多路波形的混合或是出现波形的幅度过小或过大，可以点击scope菜单栏的
或者点击鼠标右键，选择autoscale即可出现清晰波形。
（2）若出现波形很差，可以把修正因子（默认为1）加大，具体步骤为选择模型菜单中的“Simulink|configurationparameters|Dataimport/export”修改Decimation中数据（默认为1），可加大为50或100。
（3）m序列产生器的设计，严格按照其原理和本原多项式连接线路图，进行加密和解密时采用的m序列均为同一序列，其参数设置要一致，否则加密和解密之后的波形不一致；
（4）若波形出错或者波形变换不够明显，可以把模块参数适当减小或增大，得到适合的波形，允许误差变大，便于波形的输出和分析。
（5）在整个仿真过程中，各模块的参数设置十分重要，一定要设置合适的参数，才会得出所需要的信号。
（6）各模块的连线要到位，深刻理解课程设计任务，发送信号和接收信号之间如何进行比较分析
解决了上述问题后，就能顺利完成设计任务了。
5结束语
信息作为人类社会赖以生存和发展的重要资源和财富，其安全可能会受到种种认为的和自然的威胁，信息的完整性、保密性和可用性可能遭到破坏。
因此在信息的传输、交换、存储和处理过程中，必须采取相应的技术防范措施，保护信息的完整性、保密性、和可用性，必须研究如何避免人为的和自然的对信息安全的威胁，如何保护信息不被他人篡改，如何保证收到的信息不时伪造的，自己发送出去的信息不被未授权的人截收。
本次课程设计我的设计任务是数据传输系统误码率测试器的MATLAB实现及性能分析，设计的内容包括信息的加密和解密，以及误码率的测试等等，经过为期两周的课程设计，我顺利的完成了任务。
不同于在教室里上的理论课，本次课程设计需要我们运用到课本中学到的理论知识，和自己的实际操作来完成。
因为是以所学理论为基础，所以在课程设计的过程中，我又重温了m序列产生器和通信加密解密、误码率测量等知识，更加熟悉了MATLAB里的Simulink工具箱，学会了独立建立模型，分析结果，通过自己不断的修改参数值，更好的理解加入噪声对信道的影响。
在设计的过程中遇到不少问题，在自己的努力和与同学的交流中一一解决。
通过这次课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了实际操作能力，综合素质也得到了提高。
我觉得安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。
尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力，并学会理论结合实际来分析结果。
检验学习成果：
看一看课堂学习与实际到底有多大距离，并通过这次课程设计，找出学习中存在的不足，完善所学知识。
在做课程设计的过程中，我也认识到实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。
这一次的学习也是为以后的毕业设计工作打下基础，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。
参考文献
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国防工业出版社，2006
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北京邮电大学出版社，2003
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西安电子科技大学出版社，2005
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[5]《Simulink通信仿真开发手册》，孙屹，国防工业出版社
[6]《通信原理》（第五版），樊昌信等，国防工业出版社
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