基于Matlab的213卷積碼譯碼器的設(shè)計(jì)與仿真

1、2007級(jí)學(xué)生數(shù)字通信原理課程設(shè)計(jì) 數(shù)字通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)課題名稱基于matlab的（2，1，3）卷積碼譯碼器的設(shè)計(jì)與仿真姓 名學(xué) 號(hào)院、系、部物理與電信工程系專 業(yè)通信工程指導(dǎo)教師2010年 1 月 15 日一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)主要解決對(duì)一個(gè)卷積碼序列進(jìn)行維特比(viterbi)譯碼輸出,并通過(guò)matlab軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。卷積碼的譯碼有兩種方法軟判決和硬判決。本課程設(shè)計(jì)便是通過(guò)matlab設(shè)計(jì)一個(gè)硬判決維特比譯碼輸出的完整電路，并進(jìn)行誤碼率分析。設(shè)計(jì)要求本課程設(shè)計(jì)主要解決對(duì)一個(gè)卷積碼序列進(jìn)行維特比(viterbi)譯碼輸出,并通過(guò)matlab軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，并進(jìn)

2、行誤碼率分析。在課程設(shè)計(jì)中，程序設(shè)計(jì)與仿真均采用matlab 7.6.0(r2008a)，最后仿真詳單與理論分析一致 指導(dǎo)教師簽名： 2010年 1 月 15日 二、指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：指導(dǎo)教師簽名： 2010年 1 月 15日 三、成績(jī) 驗(yàn)收蓋章 2010年 1 月 15日 基于matlab的（2，1，3）卷積碼譯碼器的設(shè)計(jì)與仿真1、設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)主要解決對(duì)一個(gè)卷積碼序列進(jìn)行維特比(viterbi)譯碼輸出,并通過(guò)matlab軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。卷積碼的譯碼有兩種方法軟判決和硬判決。本課程設(shè)計(jì)便是通過(guò)matlab設(shè)計(jì)一個(gè)硬判決維特比譯碼輸出的完整電路，并進(jìn)行誤碼率分析。2、設(shè)計(jì)要求本課程設(shè)計(jì)主

3、要解決對(duì)一個(gè)卷積碼序列進(jìn)行維特比(viterbi)譯碼輸出,并通過(guò)matlab軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，并進(jìn)行誤碼率分析。在課程設(shè)計(jì)中，程序設(shè)計(jì)與仿真均采用matlab 7.6.0(r2008a)，最后仿真詳單與理論分析一致。3、整體設(shè)計(jì)方案3.1 設(shè)計(jì)原理采用概率譯碼的基本思想是：把已接收序列與所有可能的發(fā)送序列做比較，選擇其中碼距最小的一個(gè)序列作為發(fā)送序列。如果發(fā)送l組信息比特，那么對(duì)于(n,k)卷積碼來(lái)說(shuō)，可能發(fā)送的序列有2kl個(gè)，計(jì)算機(jī)或譯碼器需存儲(chǔ)這些序列并進(jìn)行比較，以找到碼距最小的那個(gè)序列。當(dāng)傳信率和信息組數(shù)l較大時(shí)，使得譯碼器難以實(shí)現(xiàn)。維特比算法則對(duì)上述概率譯碼做了簡(jiǎn)化，以至成為了一種

4、實(shí)用化的概率算法。它并不是在網(wǎng)格圖上一次比較所有可能的2kl條路徑(序列)，而是接收一段，計(jì)算和比較一段，選擇一段最大似然可能的碼段，從而達(dá)到整個(gè)碼序列是一個(gè)最大似然值得序列。下面圖3.1是(2，1，3)卷積碼編碼器所編出的碼。為了能說(shuō)明解碼過(guò)程，該碼的狀態(tài)圖，如圖3.2所示。圖3.1 (2,1,3)卷積碼編碼器圖3.2 (2,1,3)卷積碼狀態(tài)圖3.2、 matlab中卷積碼維特比譯碼器的設(shè)計(jì)整個(gè)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3圖3.3 整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模塊框圖可見(jiàn)，本設(shè)計(jì)由3個(gè)子系統(tǒng)組成：信源模塊對(duì)隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行卷積碼和二進(jìn)制相位調(diào)制，輸出基帶調(diào)制信號(hào)；信道模塊是一個(gè)有噪聲信道；信宿模塊對(duì)調(diào)制信號(hào)

5、進(jìn)行軟判決譯碼，得到原始信息序列，并且計(jì)算調(diào)制信號(hào)的誤碼率。信源模塊由貝努利二進(jìn)制序列產(chǎn)生器、卷積碼編碼器以及二進(jìn)制相位調(diào)制3個(gè)模塊組成，如圖3.4所示圖3.4 信源模塊系統(tǒng)框圖本設(shè)計(jì)使用相對(duì)較簡(jiǎn)單的一個(gè)加性高斯白噪聲信道作為噪聲信道，它在二進(jìn)制相位調(diào)制信號(hào)中疊加高斯白噪聲。信道模塊如下圖3.5所示。圖3.5 信道模塊示意圖信宿模塊在接收到二進(jìn)制相位調(diào)制信號(hào)后，首先由bpsk demodulator baseband (二進(jìn)制相位解調(diào)模塊)對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化，得到硬判決量化信號(hào)，然后通過(guò)viterbi decoder(維特比譯碼器)對(duì)軟判決信號(hào)實(shí)施譯碼。譯碼輸出信號(hào)和信源模塊產(chǎn)生的原始信號(hào)輸入到e

6、rror rate calculator(誤比特率統(tǒng)計(jì)模塊)中，統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù)一方面通過(guò)display(顯示模塊)顯示出來(lái)，另一方面通過(guò)一個(gè)selector(選擇器)把其中的第一個(gè)元素(即編碼信號(hào)的誤比特率)保存到工作區(qū)變量biterrorrate中。將此完整設(shè)計(jì)保存，命名為convh.mdl。信宿模塊如下圖3.6所示。圖3.6 信宿模塊sink4、系統(tǒng)仿真及分析4.1 簡(jiǎn)化維特比譯碼器的仿真為了驗(yàn)證譯碼模塊的正確性，便讓其進(jìn)行最簡(jiǎn)模式運(yùn)行，為此，臨時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)化信號(hào)系統(tǒng)，關(guān)閉信道噪聲，不進(jìn)行二進(jìn)制相位的調(diào)制與解調(diào)，去掉誤比特率統(tǒng)計(jì)模塊。為了能看到輸入二進(jìn)制碼和譯碼輸出二進(jìn)制碼，增加了兩個(gè)to

7、 workspace(結(jié)果輸入到工作區(qū)模塊)將。to workspace1模塊和to workspace模塊的變量名分別設(shè)置為pdata和data。整個(gè)系統(tǒng)模塊框圖如圖4.1所示。圖4.1 簡(jiǎn)化譯碼模塊框圖運(yùn)行仿真()，在matlab的命令窗口中輸入pdata和data分別得到相應(yīng)的二進(jìn)制序列。對(duì)所得序列分別截圖，可得如圖4.2所示結(jié)果?？梢?jiàn)，譯碼器能夠正確進(jìn)行譯碼，所設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化譯碼器正確，因而，從理論上可推導(dǎo)，原設(shè)計(jì)正確。圖4.2 簡(jiǎn)化譯碼器仿真結(jié)通過(guò)對(duì)convh.mdl文件進(jìn)行仿真，證明設(shè)計(jì)正確，但因所得二進(jìn)制碼太多，此處便不進(jìn)行截圖證明。4.2 、matlab中卷積碼譯碼器的誤碼率分析編制

8、m文件convolutionh.m，使convh.mdl在不同的信噪比條件下重復(fù)執(zhí)行前面建立的項(xiàng)目convh.mdl。然后繪制信道的信噪比與編碼信號(hào)誤比特率之間的關(guān)系曲線圖。m文件代碼如下：x=-10:5 ; %x表示信噪比y=x; %y表示信號(hào)的誤比特率hold off; %準(zhǔn)備一個(gè)空白圖形for i=1:length(x) %重復(fù)運(yùn)行convh.mdl，檢驗(yàn)不同條件下硬判決譯碼的性能snr=x(i); %信道的信噪比依次取x中的元素sim('convh'); %運(yùn)行仿真程序，得到的誤比特率保存在工作區(qū)變量biterrorrate中y(i)=mean(biterrorrate

9、); %計(jì)算biterrorrate的均值作為本次仿真的誤比特率endsemilogy(x,y); %繪制x和y的關(guān)系曲線圖，縱坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)hold on %保持已經(jīng)繪制的圖形執(zhí)行此m文件，得到如圖4.3所示的關(guān)系曲線圖。圖4.3 convolutionh.m運(yùn)行結(jié)果由此圖可見(jiàn)，隨著信道信噪比的提升，維特比譯碼所得結(jié)果的誤比特率越低，信道的可信度越高，信噪比在大于-2時(shí)信道的誤碼率開(kāi)始明顯降低。5、心得體會(huì)此課程設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)包含的編碼、傳輸和譯碼都進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，從這些過(guò)程中我們看到了通信系統(tǒng)的基本工作原理。通過(guò)整個(gè)卷積碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，使我們加深了對(duì)卷積碼的理解，掌握維特比譯碼的基本思路，知道如何進(jìn)行誤碼率分析從而選者合適的信道傳輸信號(hào)，更重要的是學(xué)會(huì)了使用matlab作為學(xué)習(xí)工具來(lái)對(duì)我們的通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真等操作，這對(duì)我們以后的學(xué)習(xí)和工作有著重要意義。參考文獻(xiàn)1 rodger e.ziemer，roger l.peterson 著. 尹長(zhǎng)川，郝建軍，羅濤 等 譯. 數(shù)字通信基礎(chǔ) (introduction to digital communication). 原書(shū)第2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1：56-892 樊昌信，張甫翊，徐炳祥，吳成柯. 通信原理.第5版. 北京：國(guó)防工業(yè)出