2023年基于Matlab编译码器的仿真与设计.doc

摘 要 本课程设计主要解决信源编码和信道编码中的卷积码的数字调制，信源输出的模拟信号要转换成数字信号，就需要对信源信道进行编码译码操作，并通过Simulink软件进行设计与仿真，进行误码率分析。卷积码是一种性能优越的信道编码。它的编码器和译码器都比拟容易实现，同时它具有较强的纠错能力。随着纠错编码理论研究的不断深入，卷积码的实际应用越来越广泛。本文简明地介绍了卷积码的编码原理和译码原理。并在SIMULINK模块设计中，完成了对卷积码的编码和译码以及误比特统计整个过程的模块仿真。最后，通过在仿真过程中分别改变卷积码的重要参数来加深理解卷积码的这些参数对卷积码的误码性能的影响。经过仿真和实测，并对测试结果作了分析。得出了以下三个结论： 〔1〕当改变卷积码的码率时，系统的误码性能也将随之发生变化。 〔2〕对于码率一定的卷积码，当约束长度N 发生变化时，系统的误码性能也会随之发生变化。 〔3〕回溯长度也会不同程度上地影响误码性能。 关键词 ： 编译码器；simulink；设计与仿真 卷积码；码率 ABSTRACT This course is designed to solve source coding and channel coding convolutional codes in the digital modulation, the source output analog signals into digital signals to be converted to the need for the source and channel coding and decoding operations, and through the Simulink software design and simulation, and the bit error rate analysis. Convolutional code is a superior performance of channel coding. Its encoder and decoder are relatively easy to implement, and it has a strong error correction capability. Error-correcting coding theory research with the deepening of the practical application of convolutional codes more widely. This concise introduction to the principles of convolutional coding and decoding principles. SIMULINK module in the design, completed the coding and decoding convolutional code and bit error statistics of the whole process simulation module. Finally, changes in the simulation process of convolutional codes, respectively, to deepen our understanding of the important parameters of these parameters on convolutional codes convolutional codes error performance. The simulation and measurement, and test results are analyzed. Reached the following three conclusions: (1) When the change rate convolutional code, the system error performance will subsequently change. (2) For a certain rate convolutional codes, when the constraint length N changes, the system BER performance also will be changed. (3) back length will be affected to varying degrees, error performance. Keywords: codec; simulink;design and simulation of convolutional code 目 录 第1章 引言 1 1.1 课题背景 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 本课题的意义 1 1.4 本课题的研究方法 2 第2章 MATLAB组件介绍及通信系统概述 3 2.1 MATLAB与通信仿真的开展现状及应用 3 2.2 通信系统概述与组成 3 2.3 通信仿真 4 2.4 Simulink仿真及工作原理 6 第3章 信源编码 8 3.1 A律μ律编码特性 8 3.1.1 A律编码 8 3.1.2 μ律编码 8 3.1.3 A律13折线 9 3.2 A律、μ律的特性比拟 11 第4章 信道编码及译码 15 4.1 卷积码的概念介绍 15 4.2 卷积码的编码过程介绍 15 4.3 卷积码译码过程的概述 16 4.4 卷积码的最大似然译码 19 4.5 输入与同步单元 21 第5章 卷积码的仿真 22 5.1 Simulink仿真模块的参数设置以及重要参数的意义 22 5.2 简化维特比译码器的仿真 26 第6章 卷积码译码器的误码率分析 28 6.1信噪比与误码率的关系 28 6.2.不同回溯长度对卷积码性能的影响 29 6.3 不同码率对卷积码误码性能的响 31 6.4 不同约束长度对卷积码的误码性能影响 32 第7章 结论 35 参考文献 36 致 谢 37 第1章 引言 1.1 课题背景 随着现代通信的开展，高速信息传输和高可靠性传输成为信息传输的两个主要方面，而可靠性尤其重要。A律编码、μ律编码以及卷积码以其高速性和可靠性在实际应用中越来越广泛。其中1967年Viterbi译码算法的提出，使卷积码成为信道编码中最重要的编码方式之一[1]。 1.2 国内外研究现状 在对A律、μ律研究中，随着数字化技术的开展，逐步形成了使用折现分段近似压扩特性的方法，这类方法简单且准确，因而获得了广泛的应用，并被采纳为相应的国际建议。而在对卷积码的研究中，其中编码器较简单，模式也很统一。主要是研究提高卷积码的译码速度和可靠度。译码算法中最重要的卷积码的Viterbi算法问世以来，软件仿真和实现都得到了迅速开展。目前，利用计算机仿真Viterbi算法，模拟在各种不同情况下卷积编码时的译码性能，寻找Viterbi算法的最正确适用信道和不同要求(如误码率)下最优编码。 1.3 本课题的意义 在信源编码中，随着数字化技术的开展，逐步形成了使用折现分段近似压扩特性的方法，这类方法简单且准确，因而获得了广泛的应用，并被采纳为相应的国际建议。在卷积码中，因为Viterbi算法效率高，速度快，结构相对简单等特点，被广泛应用于各种数据传输系统。在现代信息处理系统中，需要处理的信息量越来越大，实时性要求越来越高。为减少对主处理器各种资源的占用，要求通信模块方面的大局部工作能独立完成。因此采用Viterbi译码算法具有非常现实的意义。 1.4 本课题的研究方法 本文通过基于MATLAB的SIMULINK下的模块对A律和μ律码以及卷积编码，解码进行仿真。通过仿真可以更清楚的认识到卷积码的编码，解码的各个环节，并对仿真结果进行了分析。得出卷积码Viterbi译码的误比特性能和回溯长度，码率，约束长度的关系。 第2章 MATLAB组件介绍及通信系统概述 2.1 MATLAB与通信仿真的开展现状及应用 MATLAB是由美国的Math Works 公司推出的一种科学计算和工程仿真软件，它的名字院子Matrix Laboratory，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的科学计算、结果可视化和编程集中在一个易于操作的环境中，并提供大量的内置函数，具有强大的矩阵计算和绘画功能，是用于科学计算、控制系统、信息处理等领域分析、仿真和设计工作。目前，在世界范围内被科研工作者、工程技术人员和院校师生广泛应用。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，广泛应用于线性系统、数字控制、非线性系统以及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink采用模块化建模方式，每个模块都有自己的输入/输出端口，实现其功能[5]。 本课题能避开硬件系统的缺乏，巧妙的运用软件来仿真硬件才能实现的实验结果，大大降低了实验设备要求，节约了人力和财力，而且有很多的库函数可以在实验时直接调用，防止了用硬件做实验的局限性。可以更方便的做信号系统实验，为教学和研究提供了方便。还能够锻炼一个人在面对一个具体的项目时，遇到问题，分析问题，解决问题的能力；获得独立筹划、实施课题，并按照既定方案进行开发的经验，以及查找相关文献的能力。通过自己的努力使得对于Matlab有一个全面的、深刻的认识,并且对Matlab做界面的软件有了一定的了解，对系统规划有了初步的认识。为以后研发工作打下坚实的根底，积累珍贵的经验。 2.2 通信系统概述与组成 通信系统〔Communication System〕是用以完成信息传输过程的技术系统的总称。现代通信系统主要借助电磁波在自由空间的传播或导引媒体中的传输机理来实现，前者成为无线通信系统，后者成为有线通信系统。由于人们对通信容量要求越来越高，对通信的业务要求越来越多样化，所以通信系统正迅速向着宽带化方向开展，而光纤通信系统将在通信网中发挥越来越重要的作用[2]。 通信是将信息从发信者传递给在另外一个时空点的收信者。通信流程可用以下列图2-1所示根本模型图来表示。整个流程是由信源、发送设备、信道〔或传输媒质〕、接收设备和收信者〔信宿〕五局部组成。 图2-1 通信系统的根本模型 〔1〕 信源 信源是信息的产生者或信息的形成者。根据信源所产生信号的性质不同，可分为模拟信源和离散信源。 〔2〕发送设备 发送设备的根本功能是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的消息信号变换为有利于传送的信号形式送往传输媒介。 〔3〕信道 信道是指信号传输的媒介，信号是经过信道传送到接收设备的。 在信号传输过程中，必然会引入发送设备、接收设备和传输媒介的热噪声和各种干扰和衰减，及信号在信道中传输时，会产生信道噪声。 〔4〕接收设备 接收设备的主要作用是将来自信道的带有干扰的发送信号加以处理，并从中提取原始信息，完成发送变换过程的逆变换——解调和译码。 〔5〕信宿 信宿是将复原的原始信号转换成相应的消息。 2.3 通信仿真 通信仿真是衡量通信系统性能的工具。实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统作出的任何改变都可能影响到整个系统的性能和稳定。因此，在对原有的通信系统作出改良或建立一个新系统之前，通常对这个系统进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后在应用到实际系统中，这个过程就叫通信仿真[2]。 通信系统仿真一般分为3个步骤，即仿真建模、仿真实验、仿真分析。由于仿真过程是一个螺旋式开展的过程，因此