卷积码差错系统控制的仿真的设计与实验

课程设计报告

课程设计名称：

系：

学生姓名：

班级：

学号：

成绩：

指导教师：

开课时间：学年学期

目录

第一章综述 (2)

1.1 课程设计的目的 (2)

1.2 课程设计的要求与思路 (3)

第二章原理 (4)

2.1 卷积码 (5)

2.2 卷积码的维特比译码 (6)

第三章Matlab中卷积码译码器的设计过程与仿真 (7)

3.1 仿真框图模型 (7)

3.2 各部分模块参数设置 (9)

第四章Matlab中卷积码译码器的误码率分析 (14)

第五章总结 (16)

5.1心得体会 (16)

5.2参考文献 (16)

卷积码差错系统控制的仿真

第一章综述

本课程设计主要解决对一个卷积码序列进行维特比(Viterbi)译码输出,并通过Matlab软件进行设计与仿真。卷积码的译码有两种方法（软判决和硬判决），此课程设计采用硬判决的维特比译码。

1.1课程设计的目的

1、熟悉Simulink与通信仿真；

2、掌握通信系统的构成；

实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。以基本的点对点通信为例，通信系统的组成[1]，如图 1-1 所示。

图1-1 通信系统的的模型

图中，信源（信息源，也称发终端）的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。信源输出的信号称为基带信号。所谓基带信号是指没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是信号频谱从零频附近开始，具有低通形式，。根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号，相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。

发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式；对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。

信道是指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。

在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。

它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。

信宿（也称受信者或收终端）是将复原的原始电信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。

3、利用Matlab设计一个硬判决维特比译码输出的完整电路，对一个卷积码

序列进行维特比(Viterbi)译码输出，并进行误码率分析。

卷积码是一种向前纠错控制编码。它将连续的信息比特序列映射为连续的编码器输出符号。这种映射是高度结构化的，使得卷积码的译码方法与分组码译码所采用的方法完全不同。可以验证的是在同样复杂度情况下，卷积码的编码增益要大于分组码的编码增益。对于某个特定的应用，采用分组编码还是采用卷积编码哪一种更好则取决于这一应用的具体情况和进行比较时可用的技术[2]。

译码是编码的逆过程，在编码时，每一种二进制代码，都赋予了特定的含义，即都表示了一个确定的信号或者对象。把代码状态的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码，实现译码操作的电路称为译码器。或者说，译码器是可以将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路[5]。

1.2课程设计的要求与思路

1、利用子系统实现；

2、系统包括信源部分、信道部分和信宿部分；

3、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；

4、信道部分对调制后的信号进行加噪；

5、信宿部分完成信号的解调和维特比译码；

6、对不同编码方式、不同信噪比下维特比译码的误比特率并画出图形。

第二章原理

2.1卷积码

卷积码是1955年由Elias等人提出的，是一种非常有前途的编码方法。我们在一些资料上可以找到关于分组码的一些介绍，分组码的实现是将编码信息分组单独进行编码，因此无论是在编码还是译码的过程中不同码组之间的码元无关。

卷积码将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。与分组码不同，卷积码编码后的n个码元不仅与当前段的k个信息有关，还与前面的N-1段信息有关，编码过程中互相关联的码元个数为nN。卷积码的纠错性能随N的增加而增大，而差错率随N 的增加而指数下降。在编码器复杂性相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。

卷积码的译码方法有两大类：一类是大数逻辑译码，又称门限译码(硬判决)；另一种是概率译码(软判决)，概率译码又分为维特比译码和序列译码两种。

由于可以通过将按时间移位的脉冲进行线性叠加，或者将输入序列和编码器的脉冲响应相卷积，来产生输出编码，因此这种编码器称为卷积编码器。简单图形如图2-1所示

图2-1卷积码编码器

2.2卷积码的维特比译码

维特比译码是最大似然译码，译码的任务是在树状图或网格图中选择一条路径，计算出各支路与接收到的信息序列的距离。从中选出距离最小的一条支路作为译码输出。这样选出来的输出序列和发送端发出的序列最为相似。

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。如果发送L组信息比特，那么对于(n,k)卷积码来说，可能发送的序列有2kL个，计算机或译码器需存储这些序列并进行比较，以找到码距最小的那个序列。当传信率和信息组数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，如下图2-3所示

图2-2 (2,1,3)卷积码编码器 图2-3 (2,1,3)卷积码状态图 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，可以画出该码的网格图，如图2-4所示。图中设输入信息数目L=5，所以画L+N=8个时间单位，图中分别标以0

至7，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2kL 条，其中节点a=00，b=01，c=10，d=11。

图2-4 (2,1,3)卷积码网格图

由上图可知若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)，编码器的状态转移路线为abdcbdca 。若收到的序列

R=(0101011001011100),对照网格图来则可说明维特比译码的方法。

由于该卷积码的约束长度为6位，因此先选择接收序列的前6位序列R 1=(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

b

a b c d 节点号 0

1 2 3 4 5 6 7

出码距。其中中到达第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)。

第三章Matlab中卷积码译码器的设计过程与仿真

3.1 仿真框图模型

1、仿真系统通信模型

图3-1 仿真通信系统模型

其中，信源模块对随机二进制信号进行卷积码和二进制相位调制，输出基带调制信号，信道为简单的加性高斯白噪声信道，调制方式为BPSK调制，信宿模块对调制信号进行软判决译码，得到原始信息序列，并且计算调制信号的误码率,适用于二进制对称信道(BSC)。

2、仿真设计结构模块框图

（1）信源为随机输入的二进制码元，信道为简单的加性高斯白噪声信道，调制方式为BPSK调制，译码方式采用了Viterbi硬判决译码。总电路图如3-1所示：

图3-1 总电路图

（2）信源模块：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这三个模块组成，如图3-2所示：

图3-2 信源部分

（3）信道模块：使用相对较简单的一个加性高斯白噪声信道作为噪声信道，它在二进制相位调制信号中叠加高斯白噪声，如图3-3所示：

图3-3 信道部分

（4）信宿模块：在接收到二进制相位调制信号后，首先由BPSK Demodulator Baseband (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Viterbi Decoder(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Error Rate Calculator(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，如图3-4所示：

图3-4信宿部分

3.2 各部分模块参数设置

（1）Bernoulli Binary Generator伯努利发生器的参数

（2）Convolutional Encoder（卷积码编码器）的参数设置

（3）BPSK Modulator Baseband（二进制相位调制模块）的参数设置

（4）AWGN Channel（加性高斯白噪声模块）的参数设置

（5）Viterbi Decoder（维特比译码器）的参数设置

（6）Error Rate Calculation（误码率发生器）的参数设置

（7）Display（显示输出模块）的参数设置

（8）Selector（选择模块）的参数设置

（9）To Workspace（工作空间模块）的参数设置

第四章 Matlab中卷积码译码器的误码率分析

文件代码如下：

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

hold off;

%定义不同卷及方式时的Trellis结构

A=[poly2trellis(9,[557 663 711]),poly2trellis(7,[171 133])];

%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

for j=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

for i=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('C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\移动通信

\Untitled1.mdl');

%计算BitErrorRate的均值作为本次仿真的误比特率

y(i)=mean(YY);

end

%绘制x和y的关系曲线图，纵坐标采用对数坐标

semilogy(x,y);

hold on;

end

grid on;

执行此代码文件，得到的关系曲线图，由图4-1所示，由图可知随着信道信噪比的提升，维特比译码所得结果的误比特率越低，信道的可信度越高，信道的误码率开始明显降低。

图4-1

第五章总结

5.1心得体会

通过本次的移动通信课程的设计题目是卷积码差错控制的仿真，通过Matlab软件以及其中的Simulink仿真进行设计与制作。

首先通过本次课题的研究，在网络和书籍查找有关本次课题的资料，然后利用Matlab 软件和Simulink仿真画出信源、信道和信宿三部分的电路图，同时还要再画出一个总电路图，其中将输入和输出都建立成子系统模式，最后将信源和信宿两部分的电路加到总电路图的输入输出中。在具体操作时，对各部件进行配置时，没有将其与代码中的名称相对应，比如卷积码编码器、噪声模块和维特比译码器，把它们都改正之后，运行代码出来图，从中可知信道信噪比与译码器的误比特率之间关系。

这一学期的理论知识学习，加上这次课程设计，我对移动通信这门学科有了更为深刻的了解，掌握了Simulink仿真的硬件操作、软件分析和编程技巧。对以后的实际工作的应用提供了有力的基础。总之，只有大量的实践才能更深层次的了解这类软件，熟练的运用其功能。相信本次课程设计，无论是对我以后的学习，还是工作等方面都有一个很大的帮助。因此，本次课程设计我受益匪浅。

5.2参考文献

[1]陈国通. 数字通信. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002.4

[2] 邓华. Matlab通信仿真及应用实例详解. 北京：人民邮电出版社，2003.9

[3] Rodger E.Ziemer，Roger L.Peterson 著. 尹长川，郝建军，罗涛等译. 数字通信基础(Introduction to Digital Communication). 原书第2版. 北京：机械工业出版社，2005.1

[4]孙祥，徐流美，吴清. Matlab7.0基础教程. 北京：清华大学出版社，2005.5

[5] 樊昌信，张甫翊，徐炳祥，吴成柯. 通信原理.第5版. 北京：国防工业出版社，2007.1

[6]张威编《MATLAB基础与编程入门》西安电子科技大学出版社2008

[7]邓华《Matlab通信仿真及应用实例详解》北京人民邮电出版社2003

[8]孙祥，徐流美，吴清《Matlab7.0基础教程》北京清华大学出版社2005