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通信原理课程设计基于systemview的卷积码抗噪声性能分析.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.64M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1.引言
    2.仿真设计平台的介绍
    3.卷积码的工作原理
    3.1 卷积码的结构
    3.2 卷积码的图解表示
    3.3 卷积码的译码
    3.4 硬判决与软判决
    4. 基于System View系统的仿真及结果
    4.1 卷积码仿真模型
    4.2 各元件说明及参数设定
    4.2 系统参数设定
    4.3 软判决与硬判决的误比特率
    4.4 系统抗噪声性能分析
    5. 小结
    内蒙古师范大学计算机与信息工程学院 《通信原理》课程设计报告 设计题目 卷积码编译码系统抗噪声性能 指导教师 职称 教授 姓 学 日 名 号 期 2010.7.18
    卷积码编译码系统抗噪声性能 计算机与信息工程学院 2007 级 32 班 指导教师 摘 要 本文基于 System View 平台，实现卷积码编译码系统的仿真，通过添加高 斯噪声测试系统的抗噪声性能，对比卷积码译码的硬判决与软判决下，来比较两种判决的抗 噪声性能，调整系统参数，分析系统抗噪声的最大值，通过仿真初步得到结果。 关键字 System View、卷积码、维特比算法、抗噪声性能 1.引言 卷 积 码 （ convolutional code ） 是 1955 年 由 麻 省 理 工 学 院 的 伊 利 亚 斯 （P.Elias）发明的。它也是将k个信息元编成n个码元，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个信息元有关，还与前面的N-1段信息有关，各码字间不再是相互 独立的，码字中互相关联的码元个数为n*N。同样，在译码过程中不仅从此时刻 收到的码元中提取译码信息，而且还利用以后若干时刻收到的码字提供有关信息 卷积码的纠错性能随k的增加而增大，而差错率随N的增加而指数下降。由于卷积 码的编码过程充分利用了码字间的相关性，因此在码率和复杂性相同的条件下， 卷积码的性能优于分组码因此在通信领域应用的越来越多。但目前尚未找到较严 密的数学手段，将码的构成与其纠/检错能力有规律地联系起来，一般是采用计 算机搜索来寻找合适的编码方式。另外，卷积码的译码算法也有待于进一步研究 与完善。 2.仿真设计平台的介绍 SystemView 是美国 ELANIX 公司推出的，基于 Windows 环境下运行的用于系 统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复 杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地 建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。System View 是一个完整 的动态系统设计、仿真和分析的可视化环境，是一个适合多种操作系统的单机和 1
    网络平台。在 System View 环境下，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合 系统和各种速率的系统，可用于线性或非线性控制、通信系统的设计和仿真。 System View 有诸多优点：直观、简单、易用；支持多速率系统和并行系统；无 限制分层结构；丰富的功能模块；广泛的滤波和线性系统设计，可扩展性[1]。 3.卷积码的工作原理 3.1 卷积码的结构 卷积码编码器的一般结构形式如图 1 所示，主要由移位寄存器和模二加法器 组成，输入移位寄存器有 N 段，每段有 K 个，共 NK 个移位寄存器，负责存储每 段 K 个信息码元，各信息码元通过 n 个模二加法器相加，产生每个输出码组 n 个码元，并寄存在一个 n 级的移位寄存器中移位输出。整个编码过程可以看成是 输入信息序列与由移位寄存器和模 2 加法器之间连接所决定的另一个序列的卷 积，卷积码即由此得名。通常把 N 称为卷积码的约束长度，通常把卷积码记为： （n，k，N）；其中，n 为码长，k 为码组中信息码元的个数，它的编码效率为 R=k/n[2]。 图 1 卷积码编码器的一般结构形式 本文以(2,1,3)卷积码为例。图 2 为编码器结构。 2
    图 2 (2,1,3)编码器结构 它的编码方式是：输入序列之间一次送入一个良机移位寄存器，编码器每输 入一位信息 b，输出端的开关就在 c1,c2 之间来回切换一次，输出 c1、c2。在图 二中，b1，b2，b3 为移位寄存器，他们的起始状态均为零。c1，c2 与 b1，b2， b3 之间的关系：c1=b1⊕b2⊕b3；c2=b1⊕b2。假设输入的信息位 D=[11010]，为 了使信息全部移出移位寄存器，还必须在信息位后面补三个 0。表 1 列出了进行 卷积的状态。 表 1 信息 D 卷积编码状态 输入信息 D 1 1 0 1 0 0 0 0 3b 2b 输出 1c 2c 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 3.2 卷积码的图解表示 根据卷积码的特点，常常还用树状图、网格图、状态图来表示卷积的过程。 3
    图 3 为(2,1,3)卷积码的树状图，输入信息位为 0，则树状图向上支路移动，输 入 1 则向下支路移动。用 a、b、c、d 表示四种状态。 图 3 (2,1,3)卷积码树状图 利用树状图观察出来的重复性，把其中具有相同状态的节点合并到一起可形成网 格图，如图 4。状态图如图 5。实线代表输入 0，虚线代表输入 1。 图 4 (2,1,3)卷积码网格图 4
    3.3 卷积码的译码 常用的卷积码译码方法是维特比(VB)译码法。这种解码方法比较简单，计算 快，得到广泛的应用。这种译码方法的原理是将接受到的信号序列和所有可能发 生的信号序列作比较，选出汉明距离最小的序列作为现在发送信号序列。维特比 算法的复杂度随约束长度 N 按指数增长 2N，故维特比适合约束长度较小的编码， (2,1,3)卷积码约束长度位 3，需要计算和存储 8 条路径参量。 图 5 (2,1,3)卷积码状态图 3.4 硬判决与软判决 Viterbi 译码分硬判决和软判决两种，在结构和译码过程上没有区别，区别 在于分支度量的计算方法。硬判决是指解调器根据其判决门限对接收到的信号波 形直接进行判决后输出 0 或 1，换句话说，就是解调器供给译码器作为译码用的 每个码元只取 0 或 1 两个值，以序列之间的汉明距离作为度量进行译码。而软判 决的解调器不进行判决，直接输出模拟量，或是将解调器输出波形进行多电平量 化（不是简单的 0、1 两电平量化），然后送往译码器，即编码信道的输出是没有 经过判决的“软信息”。软判决译码器以欧几里德距离作为度量进行译码，软判 决译码算法的路径度量采用“软距离”而不是汉明距离，最常采用的是欧几里德 距离，也就是接收波形与可能的发送波形之间的几何距离。对于数字电路，硬判 决的实现是通过截取解调量化信号的符号位，可以认为是一级量化，而软判决可 认为多级量化，包括高位符号位在内，还含有信道信息的有效位。软判决避免了 5
    解调后误判影响，直接送入译码器进行译码处理。一般而言，硬判决译码较软判 决译码简单而易于实现，但判决译码由于充分利用了信道输出信号的信息，在性 能上要增加 2～3dB。目前，通用的量化电平为 8 电平（3bit 量化）和 16 电平（4bit 量化），再高的话，只能增加译码器复杂度，几乎没有性能的提高[4]。 4. 基于 System View 系统的仿真及结果 4.1 卷积码仿真模型 用 System View 进行系统设计，得到一个完整的卷积码编译码模型如图 6 所示。在本设计中，该模型可用于分析卷积码编译码系统的抗噪声性能。图符 1、 8、9 道用于模拟噪声。为了便于进行抗噪声性能的对比，在这个模型中，将硬 判决和软判决方式放在一个系统中。 4.2 各元件说明及参数设定 (1)图符 0 信号发生源：是一个伪随机 PN 序列信号发生器，幅度(Amplitude) ±1V；电平数(NO.Levels)：2。 (2)图符 1 采样器：对时间连续的模拟信号进行采样，转化成时间离散的数 字信号，采样频率(Sample Rate)：1Hz。 (3)图符 2、3 采样延迟：按设定采样点数对数据传输进行延迟。 (4)图符 4 卷积码编码器：生成(2,1,3)卷积码，码长 2、信息位 1、约束长 度 3。 (5)图符 5 多项式符：PN 序列的电平为±1，而卷积出的序列电平为 0,1。所 以用多项式线性关系将 1,0 电平变为±1 电平。 (6)图符 6 采样保持：保持系统采样率。 (7)图符 7 加法器：将噪声加入系统。 (8)图符 8 增益：对输入信号进行放大。Gain=-5。 (9)图符 9 高斯噪声信号源：1W/Hz。 (10)图符 10 采样器：对经积分滤波器，卷积编码器编码的序列采样，由于 码率是 1/2,所以为保持采样频率，则采样器设为 2Hz。 (11)图符 11 卷积码译码器：码长为 2，信息位为 1，约束长度为 3 的卷积码。 选择硬判决。 6
    (12)图符 12 卷积码译码器：码长为 2，信息为为 1，约束长度为 3 的卷积码。 选择软判决，信噪比为 5，译码约束长度为 3。 (13)图符 13、14 重新采样：经过译码，将译出的序列重新按 1Hz 采样。 (14)图符 15、16 误比特码率(BER)：将经过译码和没有经过编码的序列进行 比较，查看误比特率[3]。 图 6 卷积码抗噪声性能仿真图 (15)图符 17、18 波形观察窗口：只保留每次循环的一个样本。 (16)图符 19 停止窗口：当接收到的数据值大于设定的门限值时停止仿真。 (17)图符 10 积分滤波器：无码间扰，每个输入周期都独立，更好的抗噪声。 4.2 系统参数设定 系统参数设定如图 7 所示。图中设定了循环次数为 5 次，另外，为了能对不同信 道噪声下的误码率进行仿真，还需设置全局变量，将增益(图符 8)设为全局变量， 使用 Tools 菜单中的 Global Parameter Link 项，在 Linked System Tokens 中 选择 8，然后再 F(Gi,Vi)中输入-cl，增益图符的增益为 G=-cl，cl 为循环次数。 这样，每次循环信噪比增加 1dB[5]。 7
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