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卷积码的仿真
湖南科技大学
信息与电气工程学院
课程设计报告
课程:
通信原理
题目:
卷积码的仿真
专业:
电子信息工程
班级:
电子二班
姓名:
高二奎
学号:
1104030205
任务书
题目
卷积码的仿真
时间安排
2013-2014第二学期第19周
目的:
1巩固所学的专业知识
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将理论与实际相结合
4提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力
要求:
建立系统的数学模型;在systemview5.0仿真环境下,从各种功能库中选取、拖动可视化图符,组建系统,在信号源图符库、算子图符库、函数图符库、信号接收器图符库中选取满足需要的功能模块,将其图符拖到设计窗口,按设计的系统框图组建系统;设置、调整参数,实现系统模拟;设置观察窗口,分析模拟数据和波形。
总体方案实现:
1设计方案选择及论证
2总体电路的功能框图及其说明
3功能及其单元电路的设计
4总体电路原理图及其说明
5心得体会
6参考文献
指导教师评语:
评分等级:
【】
指导教师签名:
目录
一、任务与要求·····················································4
1.1设计的目的················································4
1.2设计的基本内容············································4
二、卷积码的介绍···················································4
2.1卷积码的介绍··············································4
2.2编码原理··················································4
2.3译码原理··················································7
三、SystemView软件简介············································8
3.1SystemView基本特点·······································8
3.2各单元模块功能介绍及电路设计······························8
3.3各模块的原理及介绍·······································10
3.4图符库选择按钮···········································10
3.5systemview的操作步骤···································11
3.6分析窗的接收计算器······································12
四、系统仿真和调试················································12
4.1系统仿真·················································12
4.2调试结果·················································13
五、总结···························································15
5.1设计小结·················································15
5.2心得体会·················································15
参考文献··························································16
一、任务与要求
1.1设计的目的
这次的课程设计就是基于SystemView软件的卷积码仿真设计,要学会运用SystemView,理解卷积码系统的原理,并用SystemView进行仿真设计。
1.2设计的基本内容
SystemView是一种动态系统分析软件,也是一个非常好的仿真工具。
它能按照物理概念直接建立分析和仿真,对通信技术的发展起到很大的作用。
本次课程设计就是利用软件SystemView对卷积码进行可视化仿真,对信息数据的编码,传输及译码等功能的实现,充分展示了SystemView在通信仿真中灵活的应用实例。
二、卷积码的简介
2.1卷积码介绍
卷积码(convolutioncode)是频道编码(channelcoding)技术的一种,在电信领域中,属于一种错误更正码(error-correctingcode)。
相对于分组码,卷积码维持频道的记忆效应(memoryproperty)。
卷积码的由来,是因为输入的原始讯息资料会和编码器(encoder)的脉冲响应(impulseresponse)做卷积运算。
卷积码具有以下特性:
一段m字符的讯息(m字符的二进制元字串)会被编码转换成n字符的符号,m/n即是编码率(coderate,n≥m)。
2.2编码原理
非分组码的卷积码的编码器是在任一段规定时间内产生n个码元,但它不仅取决于这段时间中的k个信息位,还取决于前(K-1)段规定时间内的信息位,这K段时间内的码元数目为K·k,称参数K为卷积码的约束长度,每k个比特输入,得到n比特输出,编码效率为k/n,约束长度为K。
在k=1的条件下,移位寄存器级数m=K-1。
卷积码一般可用(n,k,K)来表示,其中k为输入码元数,n为输出码元数,而K则为编码器的约束长度。
典型的卷积码一般选n和k(k 卷积码是1955年Elias最早提出,1957年Wozencraft提出了序列译码。 1963年Massey提出了一种性能稍差,但比较实用的门限译码方法。 1967年维特比(Viterbi)提出了最大似然译码。 它对存储器级数较小的卷积码的译码很容易实现,称为维特比算法或维特比译码。 图1、二进制卷积码的编码器 图2给出了(3,1,2)二进制卷积码编码器。 在每一时间单位,输入一个比特信息 ,同时存贮器内的数据向右移一位,产生3个比特的输出 ,其中一个是输入比特 ,两个是校验比特 , 。 图2 由图可知: 因为校验比特是输入信息元 的模2和,它们是线性关系,所以这类卷积码是线性码。 称 为卷积码的一个子码或码段,它不仅与当前输入信息有关,还与前2个(m)时间单位的输入信息有关,即和前2个子码有关;而且 要经过2个时间单位才能移出存贮器,所以 也参与了后2个子码中的校验运算,称 为编码约束度,说明编码过程中互相约束的码段个数。 本例的编码约束度为3。 m或 是表示卷积码编码器复杂性的一个重要参数。 m或 越大,编码器和译码器越复杂,但卷积码的纠错能力也越强。 因此这是一对矛盾,在具体设计时要根据应用要求进行折衷处理,选择适当的码型。 卷积码的描述方式为解析法和图解法两类。 解析法包括矩阵形式和生成多项式形式,图解法包括树图、状态图和网格图。 图3卷积码的树图表示 图4卷积码的网格图 图5卷积码的状态图 2.3译码原理 采用概率译码的基本思想是: 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6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,如图7所 图6(2,1,3)卷积码编码器 图7(2,1,3)卷积码状态图 示。 根据卷积码画网格的方法,我们可以画出该码的网格图,如图8所示。 该图设输入信息数目L=5,所以画L+N=8个时间单位,图中分别标以0至7。 这里设编码器从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。 这里节点a=00,b=01,c=10,d=11。 图8(2,1,3)卷积码网格图 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),对照网格图来说明维特比译码的方法。 图9维特比译码第3时刻幸存路径 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R1=(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,并计算出码距。 该例中到达第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),如图9所示。 用于上面类似的方法可以得到第4、5、6、7时刻的幸存路径。 三、SystemView软件简介 3.1SystemView基本特点 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)描述程序。 利用SystemView,可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统,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SystemView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。 3.2各单元模块功能介绍及电路设计 1)系统设计窗口 启动SystemView后就会出现如图所示的系统设计窗口,它包括标题栏、菜单栏、工具条、滚动条、提示栏、图符库和设计窗工作区。 图3.1系统设计窗口 系统视窗最上边一行为主菜单栏,包括: 文件(File)、编辑(Edit)、参数优选(Preferences)、视窗观察(View)、便笺(NotePads)、连接(Connetions)、编译器(Compiler)、系统(System)、图符块(Tokens)、工具(Tools)和帮助(Help)共11项功能菜单。 与最初的SystemView1.8相比,SystemView3.0的操作界面和对话框布局有所改变。 2)定时窗口: 图3.2SystemView系统定时窗口 设定系统定时窗口: 此窗口定义系统仿真的起始和终止时间(StartTimeandStopTime)、采样率(SampleRate)、采样间隔(TimeSpacing)、采样点表(No.ofSamples)、频率分辨率(Freq.Res.)和系统的循环次数(No.ofSystemLoops)。 系统仿真之前首先必须定义这些参数,系统定时直接控制系统的仿真。 同时系统定时的设定直接影响系统仿真的精度,所以选取参数必须十分注意,这也是我们应重点注意的内容,采样频率过高会增加仿真的时间,过低则有肯能得不到正确的仿真效果。 3.3各模块的原理及介绍 1)SystemView工具条图标介绍 图3.3SystemView工具条 以上工具条包括许多常用功能的图标快捷键,分别为: 清除工作区、删除按钮、断开图符、间连接连接按钮、复制按钮、图符翻转、创建便笺、创建子系统、显示子系统、根轨迹、波特图、画面重画、停止仿真、开始仿真、系统定时、分析窗口。 3.4图符库选择按钮 在设计窗口中间的大片区域就是设计区域,也就是供用户搭建各种系统的地方。 在设计窗口的最上端一行是下拉式命令菜单行,通过调用这些菜单可以执行SystemView的各项功能;设计窗口中菜单行的下面,紧邻在设计区域上端一行是工具栏,它包含了在系统设计、仿真中可能用到的各种操作按钮;在工具栏的最右端是提示信息,当鼠标置于某一工具按钮上时,在该处会显示对该按钮的说明和提示信息;紧邻在设计区域左端是各种器件图标库,下面介绍些常用的几个库图标,如表3-1所示。 表3-1常用图标 图标 名称 作用 连接节点 用于多个图符输入输出信号的汇聚、连接,在图符连接点较多时使用该节点功能可使设计窗口内的连线美观,有利于检查。 信号源 用于产生用户系统所需的信号源。 这个库中的图符只有输出,没有输入。 子系统 它代表一个复杂的子系统、子函数或仿真的子过程的图符。 加法器 对输入信号进行加法操作。 算子 对输入数据进行某一算子操作,如延时、平均、滤波等。 函数 对输入数据进行某一指定函数操作。 乘法器 对输入信号进行乘法操作。 接收器 用于实现信号的收集、显示、分析以及输出(包括输出到文件)等功能。 它只有输入,没有输出。 3.5systemview的操作步骤 (一)选择设置信号源(Source) 选中该图标并按住鼠标左键将其拖至设计区内,这时所选中的图标会出现在设计区域中。 双击设计窗口中的图标后,弹出的对话框,通过PeriodicNoise/PNAperiodic和Import按钮进行分类选择和调用。 选中后单击对话框中的参数按钮Parameters,在出现的参数设置对话框中设置幅度、频率、相位。 完成后分别单击参数设置和源库对话框的按钮OK,从而完成该图标的设置。 (二)选择设置分析窗(Sink) 当需要对系统中各测试点或某一图标输出进行观察时,则应放置一个分析窗(Sink)图标,一般将其设置为“Analysis”属性。 Analysis图标相当于示波器或频谱仪等仪器的作用,它是最常使用的分析型图标之一。 具体操作和信号源设置类似。 (三)系统定时(SystemTime) SystemView系统是一个离散时间系统。 在每次系统运行之前,首先需要设定一个系统频率。 各种仿真系统运行时,是先对信号以系统频率进行采样,然后按照系统对信号的处理计算各个采样点的值,最后在输出时,在分析窗内,按要求画出各个点的值或拟合曲线。 所以,系统定时是系统运行之前一个必不可少的步骤。 如果这类参数设置不合理,仿真运行后的结果往往不能令人满意,甚至根本得不到预期的结果。 当在系统设计区域完成设计输入操作后,单击“系统定时”(SystemTime)按钮,此时将出现系统定时设置(SystemTimeSpecification)对话框,如图1.19所示。 用户需要设置几个参数框内的参数,包括起始时间(StartTime)和终止时间(StopTime),采样率(SampleRate)、采样间隔(TimeSpacing)和采样点数(No.ofSamples),频率分辨率(Freq.Res.),自动标尺(AutoSetNo.Samples),系统循环次数(No.ofSystemLoops)。 需要注意的是采样率,一般为了获得较好的仿真波形,系统的采样率应设为系统信号最高频率的5至7倍。 当采样率为系统信号最高频率的10倍以上时,仿真波形就几乎没有失真了。 3.6分析窗的接收计算器 分析窗的一个重要的特点是帮助用户获得各种输出数据的时域和频域参数,并对其进行分析处理,比较或进一步组合运算。 而接收计算器就是完成这些进一步工作的必备工具。 在分析窗下面的提示栏按 键就进入了接收计算器。 分析窗的接受计算器可对所选择的活动窗口进行的操作或进一步的运算主要有十一种。 这些操作和运算都是以选定的活动窗口中显示的数据为基础进行运算得到一个新的窗口。 例如Arithmetic算术运算是一个常用的操作,其功能有求活动窗口之和、求两个窗口之差、取反、归一化窗口、窗口相乘、曲线相乘、取倒数。 图3.6分析窗口 四、系统仿真和调试 4.1系统仿真 系统仿真图如下,各参数的设置已在图中标出 系统仿真图 4.2调试的结果 W0 W1 W2 W3 W4 卷积码的硬判决和软判决译码器BER曲线比较覆盖图 由图可知软判决的性能要优与硬判决。 五、总结 5.1设计小结 通过SystemView软件对汉明编译码的仿真,可以看出,卷积码是一种编码效率极高的码形;同时,还可以看出SystemView作为一种基于windows平台的对系统进行设计,仿真和分析的EDA软件工具,其功能非常强大有有非常好的灵活性。 5.2心得体会 SystemView软件的学习。 以前没有接触这个软件,这个第一次接触这个软件,对于这个软件的了解及其熟悉是一个非常重要的方面。 SystemView在软件中也是具有分出重要的地位的,作为我们电技的专业的人来说,熟悉使用一款以上的绘图软件是必须得。 所以这次对于我来说是一个非常好的机会来学习这款软件,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。 提高了动手能力。 在这次课程设计中,我通过由不熟悉这款软件,到学习其中的知识,并且在书本中查找窗口中的界面的介绍,学习这款软件,并独立完成全部的内容。 提高了思维能力,非常好的利用了课本的知识,结合课本的知识,把原来的绘图做了很多的改进。 有些过程按照自己的设计的思维去做,最终绘制了全部仿真波形,学以致用,这次的课程设计是一个非常好的时间机会,同时,是对于课本的知识的更深的理解。 通过本次课程设计,更使我明白了学习和实践之间的密切关系,同时也为我在以后的工作岗位上能够更好的发挥自己的能力,累积了不少的经验 参考文献 [1]樊昌信曹丽娜编著.通信原理.[M].北京: 国防工业出版社,2006。 [2]李东生.SystemView系统设计及仿真入门与应用[M]北京: 电子工业出版社。
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