交织编码的Systemview仿真课程设计报告.docx

通信原理课程设计交织编码Systemview仿真 课题名称：差错编码系统仿真 专 业： 09 通 信 指导老师： 姓 名： 学 号： 目录一、引言2二、基本原理31 差错控制编码的介绍32 交织编码63 Systemview仿真软件介绍8三、交织编码仿真实验101 课程设计的目的102 交织编码实验原理103 数据波形图12四、总结17五、参考文献18 一、引言随着通信技术的飞速发展，数字信息的存储和交换日益郑家，对于数据传输过程中的可靠性要求也越来越高，数字通信要求传输过程中所造成的数码差错足够低。数字信号在传输过程中，由于受到干扰的影响，码元波形将变坏。接收端收到后可能发生错误判决。由乘性干扰引起的码间串扰，可以采用均衡的办法纠正。而加性干扰的影响则需要用其他办法解决。在设计数字通信系统时，应该首先从合理选择调制制度、解调方法以及发送功率等方面考虑，使加性干扰不足以影响达到误码率要求。在仍不能满足要求时，就要考虑采用差错控制措施了。一些通用的系统，其误码率要求因用途而异，也可以把差错控制作为附加手段，在需要时加用。在实际的通信系统中，由于信道传输特性不理想以及加性噪声的影响，传输的信息中不可避免地会发生错误，影响通信系统的传输可靠性。随着数字通信技术的发展，各种业务对系统误码率的要求也逐渐提高，采用差错控制编码技术是提高数字通信可靠性的有效办法之一。差错控制编码就是在发送端的信息码元序列中，以某种确定的编码规则加入一些监督码元，是信息码元与监督码元之间具有某种相关性。接收端通过检验这种相关性是否存在来判断在传输过程中是否出现了误码。线性分组码、巴克码、CRC冗余校验码等都是目前较为流行的差错控制编码技术之一。二、基本原理1、差错控制编码的介绍1.1差错控制编码在实际信道传输数字信号的过程中，引起传输差错的根本原因在于信道内存在的噪声以及信道传输特性不理想所造成的码间串扰。为了提高数字传输系统的可靠性，降低信息传输的差错率，可以利用均衡技术消除码间串扰，利用增大发射功率、降低接收设备本身的噪声、选择好的调制制度和解调方法、加强天线的方向性等措施，提高数字传输系统的抗噪性能，但上述措施也只能将传输差错减小到一定程度。要进一步提高数字传输系统的可靠性，就需要采用差错控制编码，对可能或已经出现的差错进行控制。差错控制编码是在信息序列上附加上一些监督码元，利用这些冗余的码元，使原来不规律的或规律性不强的原始数字信号变为有规律的数字信号；差错控制译码则利用这些规律性来鉴别传输过程是否发生错误，或进而纠正错误。原始数字信号是分组传输的，例如每k个二进制码元为一组（称为信息组），经信道编码后转换为每n个码元一组的码字（码组），这里nk，分组码通常表示为（n，k）。可见，信道编码是用增加数码，利用“冗余”来提高抗干扰能力的，也就是以降低信息传输速率为代价来减少错误的，或者说是用削弱有效性来增强可靠性的。1.2 差错控制方式常用的差错控制方式主要有三种：前向纠错（简称FEC）、检错重发（简称ARQ）和混合纠错（简称HEC），它们的结构如图1所示。图中有斜线的方框图表示在该端进行错误的检测。前向纠错系统中，发送端经信道编码后可以发出具有纠错能力的码字；接收端译码后不仅可以发现错误码，而且可以判断错误码的位置并予以自动纠正。然而，前向纠错编码需要附加较多的冗余码元，影响数据传输效率，同时其编译码设备比较复杂。但是由于不需要反馈信道，实时性较好，因此，这种技术在单工信道中普遍采用，例如无线电寻呼系统中采用的POGSAG编码等。检错重发方式中，发送端经信道编码后可以发出能够检测出错误能力的码字；接收端收到后经检测如果发现传输中有错误，则通过反馈信道把这一判断结果反馈给发送端。然后，发送端把前面发出的信息重新传送一次，直到接收端认为已经正确后为止。常用的检错重发系统有三种，即停发等候重发、返回重发和选择重发。图1 差错控制方式混合纠错方式是前向纠错方式和检错重发方式的结合。在这种系统中发送端不但具有纠正错误的能力，而且对超出纠错能力的错误有检测能力。遇到后一种情况时，系统可以通过反馈信道要求发送端重发一遍。混和纠错方式在实时性和译码复杂性方面是前向纠错和检错重发方式的折衷。1.3 差错控制编码的分类在差错控制系统中，信道编码存在着多种实现方式，同时信道编码也有多种分类方法。（1）按照信道编码的不同功能，可以将它分为检错码和纠错码。检错码仅能检测误码，例如，在计算机串口通信中常用到的奇偶校验码等；纠错码可以纠正误码，当然同时具有检错的能力，当发现不可纠正的错误时可以发出出错指示。（2）按照信息码元和监督码元之间的检验关系，可以将它分为线性和非线性码。若信息码元与监督码元之间的关系为线性关系，即满足一组线性方程式，称为线性码；否则，称为非线性码。（3）按照信息码元和监督码元之间的约束方式不同，可以将它分为分组码和卷积码。在分组码中，编码后的码元序列每n位分为一组，其中k位信息码元，r个监督位，r = n-k。监督码元仅与本码字的信息码元有关。卷积码则不同，监督码元不但与本信息码元有关，而且与前面码字的信息码元也有约束关系。（4）按照信息码元在编码后是否保持原来的形式，可以将它分为系统码和非系统码。在系统码中，编码后的信息码元保持原样不变，而非系统码中的信息码元则发生了变化。除了个别情况，系统码的性能大体上与非系统码相同，但是非系统码的译码较为复杂，因此，系统码得到了广泛的应用。（5）按照纠正错误的类型不同，可以将它分为纠正随机错误码和纠正突发错误码两种。前者主要用于发生零星独立错误的信道，而后者用于对付以突发错误为主的信道。（6）按照信道编码所采用的数学方法不同，可以将它分为代数码、几何码和算术码。其中代数码是目前发展最为完善的编码，线性码就是代数码的一个重要的分支。除上述信道编码的分类方法以外，还可以将它分为二进制信道编码和多进制信道编码等等。同时，随着数字通信系统的发展，可以将信道编码器和调制器统一起来综合设计，这就是所谓的网格编码调制（TCM Trellis Coded Modulation）。1.4 差错控制编码原理信道编码的基本思想就是在被传送的信息中附加一些监督码元，在收和发之间建立某种校验关系，当这种校验关系因传输错误而受到破坏时，可以被发现甚至纠正错误，这种检错与纠错能力是用信息量的冗余度来换取的。下面将介绍几个与信道编码有关的基本概念：（1）码长：码字中码元的数目；（2）码重：码字中非0数字的数目；对于二进制码来讲，码重W就是码元中1的数目，例如码字10100，码长n = 5，码重W = 2。（3）码距：两个等长码字之间对应位不同的数目，有时也称作这两个码字的汉明距离，例如码字10100与11000之间的码距d = 2。（4）最小码距：在码字集合中全体码字之间距离的最小数值。对于二进制码字而言，两个码字之间的模二相加，其不同的对应位必为1，相同的对应位必为0。因此，两个码字之间模二相加得到的码重就是这两个码字之间的距离。以二进制分组码的纠错过程为例，可以较为详细地说明纠错码检错和纠错的基本原理。分组码对于数字序列是分段进行处理的，设每一段有k个码元组成（称作长度为k的信息组），由于每个码元有0或1两种值，故共有个不同的状态。每段长为k的信息组，以一定的规则增加r个多余度码元（称为监督元），监督这k个信息元，这样就组成长度为n k+r的码字（又称n重）。共可以得到个长度为n码字，它们通常被称为许用码字。而长度为n的数字序列共有2n种可能的组合，其中 -个长度为n码字未被选用，故称它们为禁用码字。上述个长度为n的许用码字的集合称为分组码。分组码能够检错或纠错的原因是存在 -多余度码字，或者说在 码字中有禁用码字存在。纠错码的抗干扰能力完全取决于许用码字之间的距离，码的最小距离越大，说明码字间的最小差别越大，抗干扰能力就越强。因此，码字之间的最小距离是衡量该码字检错和纠错能力的重要依据，最小码距是信道编码的一个重要的参数。信道编码的任务就是要根据不同的干扰特性，设计出编码效率高、纠错能力强的编码。在实际设计过程中，需要根据具体指标要求，尽量简化编码实现的复杂度，节省设计费用。2、交织编码交织编码是在实际移动通信环境下改善移动通信信号衰落的一种通信技术。将造成数字信号传输的突发性差错，利用交织编码技术可离散并纠正这种突发性差错，改善移动通信的传输特性。2.1 交织编码的决定因素交织深度越大，则离散度越大，抗突发差错能力也就越强。但交织深度越大，交织编码处理时间越长，从而造成数据传输时延增大，也就是说，交织编码是以时间为代价的。因此，交织编码属于时间隐分集。在实际移动通信环境下的衰落，将造成数字信号传输的突发性差错。利用交织编码技术可离散并纠正这种突发性差错，改善移动通信的传输特性。2.2 交织编码原理在实际通信系统中常常存在突发性错误。突发错误一般是一个错误序列。纠正突发错误的通常采用交织编码。交织编码的基本思路是，将i个能纠t个错的分组码（n，k）中的码元比特排列成i行n列的方阵。每个码元比特记作B（i，n）。交织前如果遇到连续j个比特的突发错误（用阴影方块表示），且jt，对其中的连续两个码组而言，错误数已远远大于纠错能力t，因而无法正确对出错码组进行纠错。交织后，总的比特数不变，传输次序由原来的B（1，1），B（1，2），B（1，3）B（1，n），B（2，1），B（2，2），B（2，3）B（2，n），B（i，1），B（i，2），B（i，3）B（i，n）转变为B（1，1），B（2，1），B（3，1）B（i，1），B（1，2），B（2，2），B（3，2）B（i，2）B（1，n），B（2，n），B（3，n），B（i，n）的次序。此时因干扰或衰落引起的突发错误图样正好落在分组码的纠错能力范围内，可以正确纠错错误。通常把码组数i称为交织度，用这种方法构造的码称为交织码。 使用交织编码的好处是提高了抗突发错误的能力但不增加新的监督码元，从而不会降低编码效率。理论上交织度i越大，抗突发错误的能力就越强，但是要求译码器的暂存区就越大，而且译码延时也相应加大。因此，实际工程中会根据设计成本和系统的延时要求选取合适的i。图2 交织编码示意图3、 Systemview仿真软件介绍Systemview可视化软件工具3.1 Systemview简介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。 3.2 Systemview主要作用利用System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从System View配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。 3.3 Systemview工具特点SystemView的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库（Main Library）及专业库(Optional Library)，基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等；它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、RLC电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析System View能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。 System View的另一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式，按要求设计多种滤波器，并可自动完成滤波器各指标如幅频特性（伯特图）、传递函数、根轨迹图等之间的转换。在系统设计和仿真分析方面，System View还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。System View还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。提供了与编程语言VC+或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的调用其函数。还具备与硬件设计的接口：与Xilinx公司的软件Core Generator配套，可以将System View系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件；另外，System View还有与DSP芯片设计的接口，可以将其DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码。三、 交织编码仿真实验1、 课程设计的目的1巩固所学的专业技术知识；2熟悉SystemView仿真环境并能在其环境下了解并掌握通信系统的一般设计方法，具备初步的独立设计能力；3. 比特误码率是衡量一个通信系统优劣的重要指标；4. 利用SystemView软件仿真测试和生成一个交织编解码系统的BER曲线。熟悉对于系统延时的处理。5提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力；6更好地将理论与实践相结合。2、 交织编码仿真实验过程2.1设计思路根据差错控制编码的原理电路图利用systemview仿真软件进行仿真分析，在进行交织编码以前，先将数据用戈雷码编码器进行了纠错编码，然后再进行23行、23列的交织编码。在传输信道上用了一个周期为1Hz、脉宽为100ms、幅度为2V的方波信号模拟突发干扰源。2.2 设计过程第1步：进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如图3所示。图3 参数设置第2步：创建如图2所示的仿真分析系统，主要参数设置见图符。图4所示为交织编码仿真实验原理图。图4 交织编码仿真实验原理图第3步：点击运行按钮，点击分析窗口，观察输出实验结果。3、 数据波形图w0：Sink 5 DECODEw1:Sink 7 Source Inputw2：Sink 8 Interleaver Code Adder Noise得到如上三个图后，为了进行更深一步的分析，做如下设置：点击计算器功能窗口，选择Scale Scale Axes，进行如图5中设置，可得到波形图w3。图5 计算器功能窗口设置w3：X-Y Scaled w2点击计算器功能窗口，选择Scale Scale Axes，进行如图6中设置，可得到波形图w4。图6 计算器功能窗口设置w4: X-Y Scaled w1点击计算器功能窗口，进行如图7中设置，可得到波形图w4。图7 计算器功能窗口设置w5: Overlay Sink 5,w3: X-Y Scaled w2，w4:X-Y Scaled四、总结为期 4周的通信原理课程设计结束了。通过本次课程设计对于我上学期所学的差分控制编码这一部分的内容进一步熟悉，并且学习了交织编码这种以前没学过的差分编码类型。不仅如此，我通过这次还学习到了利用 SystemView 的仿真，使得我在学好理论知识的时候应用于实际中的去，在做课程设计的时候遇到问题，使得对于通信原理的知识更加的深刻，同时也增加了动手能力和独立思考能力，更能培养我们对通信原理课程的兴趣。以前没有接触 SystemView 这个软件，第一次接触这个软件，了解及其熟悉这个软件是在做课设前必须要克服的困难。SystemView 在通信仿真软件中也是具有分出重要的地位的，作为学习信息的我们，掌握 SystemView 软件是对我们最基本的要求。所以这次课程设计对于我来说是一个非常好的机会来学习这款软件，通过自己把这些电路图实现，能够基本掌握了其中一些常用的软件的相关知识。对于以后进一步去掌握这款软件打下坚实的基础。在这次课程设计中，我通过由不熟悉这款软件，到自学其中的知识，并且阅读相关指导书了解窗口中的界面的介绍，结合老师所给的参考的资料内容，通过不断摸索最终学会了这款软件，并独立完成全部的仿真的内容，仿真的结果达到了我们预期的效果，同时也验证了课本知识的正确性。在这次课程设计中，我非常好的利用了课本的知识，结合课本的知识，通过自己的检测和利用我这学期在这一章的差分控制编码的学习的掌握。理论与实践相结合，使我不仅学会了 SystemView 软件的使用，同时也锻炼了自己的动手能力、独立思考的能力和团队合作意识，也是对自己所学知识的一次实践验证。五、参考文献1、 樊昌信， 张甫翊， 徐炳祥， 吴成柯.通信原理(第五版)M北京：国防工业出版社，20022、 罗卫兵，孙桦，张捷.SystemView 动态系统分析及通信 系统仿真设计M 北京：电子工业出版社，20023、 李东生, 雍爱霞, 左洪浩。System View 系统设计及仿 真入门与应用M 北京: 电子工业出版社, 20024、 青松, 程岱松, 武建华等。 数字通信系统的 System View 仿真与分析M 北京: 北京航空航天大学出版社, 2001 5、（美）Shu Lin Daniel Costello.Jr. 差错控制编码（原书第2版）M 机械工业出版社，2007