巴克码识别器的设计与仿真 2.docx
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巴克码识别器的设计与仿真2
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实践教学
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兰州理工大学
计算机与通信学院
2013年秋季学期
通信系统综合训练
题目：
巴克码识别器的设计与仿真
专业班级：
姓名：
学号：
指导教师：
彭铎
成绩：
摘要
巴克码是一种具有特殊规律的二进制码组，它是一种非周期序列。
是目前已找到的最常用的群同步码字之一。
它具有尖锐的自相关特性，便于与随机的数字信息相区别，易于识别，出现伪同步的可能性小。
本次课程设计是在掌握群同步码巴克码的基础上，利用MATLAB完成对巴克码识别器的设计。
关键字：
巴克码识别器，MATLAB
前言
同步是通信系统中一个重要的实际问题。
通信系统中的同步可分为载波同步、位同步、帧同步等几大类。
在通信系统中，同步具有相当重要的地位。
通信系统能否有效地、可靠地工作，很大程度上依赖于有无良好的同步系统。
因此，如何使系统同步，如何保持同步，成为现代数字通信系统设计者所面临的重要课题。
在数字通信时，一般总是以一定数目的码元组成一个个的“字”或“句”，即组成一个个的“群”进行传输的。
因此，在接收这些数字流时，同样也必须知道这些“字”、“句”的起止时刻，在接收端产生与“字”、“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列，统称为群同步或帧同步。
群同步信号的频率很容易由位同步信号经分频而得出。
但是，每个群的开头和末尾时刻却无法由分频器的输出决定。
群同步的任务就是在位同步信息的基础上，识别出数字信息群（“字”或“句”）的起止时刻，或者说给出每个群的“开头”和“末尾”时刻。
为了实现群同步，可以在数字信息流中插入一些特殊码字作为每个群的头尾标记，这些特殊的码字应该在信息码元序列中不会出现，或者是偶然可能出现，但不会重复出现，此时只要将这个特殊码字连发几次，收端就能识别出来，接收端根据这些特殊码字就可以实现群同步。
在数字通信系统中，实现帧同步的方法通常有两种：
插入特殊码字实现群同步的方法有两种，即连贯式插入法和间隔式插入法。
作群同步码字用的特殊码字首先应该具有尖锐单峰特性的局部自相关特性，其次这个特殊码字在信息码元序列中不易出现以便识别，最后群同步识别器需要尽量简单。
巴克码是目前已经找到的最常用的群同步码字之一。
1．基本原理
1.1目的及意义
同步是通信系统中一个重要的实际问题。
在通信系统中，同步具有相当重要的地位。
通信系统是否能有效地、可靠地工作，在很大程度上依赖于有无良好的同步系统。
因此，如何使系统同步，如何保持同步，成为现代数字通信系统设计者所面临的重要课题。
为了实现群同步，可以再数字信息流中插入一些特数码字作为每个群的头尾标记，这些特殊的码字应该在信息码元序列中不会出现，或者是偶然可能出现，但不会重复出现，此时只要将这个特殊码字连发几次，收端就能识别出来，接收端根据这些特殊码字的位置就可以实现群同步。
作群同步码字用的特殊码字首先应该具有尖锐单峰特性的局部自相关特性，其次这个特殊吗自在信息吗员序列中不易出现以便识别，最后群同步识别器需要尽量简单。
“巴克”码是目前已经找的最常用的群同步码字之一。
1.2群同步
在群同步的通信系统中,传输的信息被分成若干"群"。
所谓的"群"，一般是以字符为单位，在每个字符的前面冠以起始位、结束处加上终止位，从而组成一个字符序列o数据传输过程中，字符可顺序出现在比特流中,字符与字符间的间隔时间是任意的，即字符间采用异步定时，但字符中的各个比特用固定的时钟频率传输。
在数据通信中，习惯于把群同步称为"异步传输"。
字符间的异步定时和字符中比特之间的同步定时，是群同步即异步传输的特征。
这种传输方式中，每个字符以起始位和停止位加以分隔，故也称"起一止"式传输。
群同步传输规程中的每个字符可由下列四部分组成:
（1）1位起始位,以逻辑、表示;
（2）5~8位数据位,即要传输的字符内容;
（3）1位奇/偶检验位,用于检错,该部分可以不选;
（4）1~2位停止位,以逻辑"1"表示,用以作字符间的间隔。
群同步的字符格式。
由图中可以看出，群同步是靠起始位（逻辑"0"）和停止位（逻辑"1"）来实现字符的定界及字符内比特的同步的。
接收端靠检测链路上由空闲位或前一字符停止位（均为逻辑"1"）到该字符起始位的下降沿来获知一个字符的开始，然后按收、发双方约定的时钟频率对约定的字符比特数（5~8位）进行逐位接收,最后以约定算法（奇/偶校验法）进行差错检测,完成一个字符的传输。
发送器和接收器中近似于同一频率的两个约定时钟,在一段较短的时间内能够保持同步。
在群同步传输中,起始位和停止位的作用是十分重要的。
起始位指示字符的开始,并启动接收端对字符中比特的同步;而停止位则是作为字符之间的间隔位而设置的,没有停止位,紧跟其后的下一字符的起始位下降沿便可能丢失。
群同步法只需保持每个字符的起始点同步,在群内则按约定的频率进行位的接收就可以了。
这种方法实现简单,但需要添加诸如起始位、校验位和停止位等附加位,相对于同步传输来说,编码效率和信道利用率较低,一般用于低速数据传输的场合。
1.3巴克码
巴克码主要用于通信系统中的帧同步，其特点是具有尖锐的自相关函数，便于与随机的数字信息相区别，易于识别，出现伪同步的可能性小。
巴克码是一种具有特殊规律的二进制码组，它是一种非周期序列。
一个n位的巴克码组为{，：
，，.，}，其中的取值是+1或一1。
目前已发现的所有巴克码组如表1-1所示：
表1-1已发现的巴克码组
n
巴克码
2
++
3
++--
4
+++--;++--+
5
+++--+
7
+++----+--
11
+++------+----+--
13
+++++----++--+--+
其中，“+”表示取值为高电平1，“一”表示取值为低电平0。
依要求及上面的巴克码组可知，13位的巴克码发生器应在输入时钟信号作用下依次产生“1111100110101”的码元序列。
1.4系统设计框图
巴克码发生器设计原理如图1.1所示。
图1.1巴克码发生器设计原理图
1.5MATLAB仿真软件
1.5.1MATLAB的概况
MATLAB是一种集成度很高的语言，由于其功能强，使用便捷和使用范围广等特点而被广大科技工作者所接受，已经在教学、科研和工程实际中广泛应用，被一些学者称为是第四代计算机语言。
他用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了C语言和Fortran语言的冗长代码，给用户呈现的是最直观、最简洁的程序开发环境。
他提供的各种功能很强的工具箱更是为我们的学习和研究节省了大量的时间和精力。
在MATLAB6．1中开发组对通信系统工具箱进行了扩充，这将使人们在进行通信系统方面的实验和研究更加快捷。
1.5.2MATLAB的优势和特点
MATLAB是国际公认的优秀科技应用软件，是计算机辅助分析与设计、算法研究和应用开发的基础工具和首选平台，是目前科学研究领域最流行的应用软件，其特点概括为：
（1）高效的数字计算方法及符号计算功能，使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来。
（2）完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化。
（3）友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学习者易于学习和掌握。
（4）功能丰富的应用工具箱，为用户提供了大量方便而实用的处理工具。
（5）Simulink动态建模与仿真系统，丰富而功能强大的器件库，提供了实时方便的仿真手段。
1.5.3基本功能
MATLAB软件是由美国Mathworks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境。
MATLAB是英文MatrixLaborutory（矩阵实验室）的缩写。
是现今国际公认的最优秀的科技应用软件，它具有强大的数值计算和工程运算功能、符号计算功能和科学数据可视化能力。
广泛应用于数值计算、图形分析、过程控制、系统识别、实时控制和动态仿真等领域。
成为大学生、硕士生和博士生必须掌握的基本技能。
同时，MATLAB也被研究单位和工业部门广泛应用，使科学研究和解决各种具体问题的效率大大提高。
MATLAB集成环境主要包括五个部分：
MATLAB语言、MATLAB工作环境、句柄图形、MATLAB数学函数库和数学建模、小波分析、MATLABAPI（ApplicationProgramInterface）。
MATLAB语言是以数组为基本数据单位，包括控制流程语句、函数、数据结构、输人输出及面向对象等特点的高级语言。
利用Simulink对系统进行仿真与分析，在进入虚拟实验环境后，不需要书写代码，只需使用鼠标拖动库中的功能模块并将它们连接起来，再按照实验要求修改各元器件的参数。
通过虚拟实验环境建立实验仿真电路模型，可使一些枯燥的电路变得有趣味，复杂的波形变得形象生动，使得各种复杂的能量转换过程比较直观地呈现。
1.5.4基本应用
MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作：
●数值分析
●数值和符号计算
●工程与科学绘图
●控制系统的设计与仿真
●数字图像处理技术
●数字信号处理技术
●通讯系统设计与仿真
●财务与金融工程
●管理与调度优化计算（运筹学）
MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。
附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。
2．系统分析
2.1巴克码的发生
帧同步的概念比较简单，但又十分重要，在一般的移动通信系统中采用集中插入同步法，集中插入方式的帧同步码，要求在接收端进行同步识别时出现伪同步的可能性尽量小，并要求此码组具有尖锐的自相关函数，以便识别。
另外，识别器也要尽量简单，目前用得最广泛的是性能良好的“巴克码”（Barker）。
巴克码是一种具有特殊规律的二进制码组。
它是一个非周期序列，一个n位的巴克码{X1，X2，X3，···Xn。
），每个码元只可能取值十1或一1，它的局部自相关函数为:
目前已找到的只有7个：
n巴克码组
2＋＋
3＋＋－
4＋＋＋－，＋＋－＋
5＋＋＋－＋
7＋＋＋－－＋－
11＋＋＋－－－＋－－＋－
13＋＋＋＋＋－－＋＋－＋－＋
表中“＋”表示Xi取值为十l，“－”表示Xi取值为－l，以七位巴克码组{+++--+-}
为例，可以求出j＝2，3，4，5，6，7时R（j）的值分别为－l，0，－l，0，－l，O。
另外，再求出j为负值的自相关函数，两者一起画出的七位巴克码的R（j）与j的关系曲线如图2.2.1所示。
由图可见，自相关函数在j＝0时具有尖锐的峰值。
图2.1巴克码的自相关函数
产生巴克码的方法常用移位寄存器，七位巴克码产生器如图2.2
图2.2巴克码产生器
图2.2（a）是串行式产生器，移位寄存器的长度等于巴克码组的长度。
七位巴克码由七级移位寄存器单元组成，各寄存器单元的初始状态由预置线预置成巴克码组相应的数字。
七位巴克码的二进制数为lll00lO，移位寄存器的输出端反馈至输入端的第一级，因此，七位巴克码输出后，寄存器各单元均保持原预置状态。
移位寄存器的级数等于巴克码的位数。
另一种是采用反馈式产生器，同样也可以产生七位巴克码，如图2.2（b）所示，这种巴克码的识别仍以七位巴克码为例，用七级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一个巴克码识别器，如图2.3.1所示，各移位寄存器输出端的接法和巴克码的规律一致，即与巴克码产生器的预置状态相同。
2.2巴克码的判决
图2.3巴克码判决
当输入数据中的1进入移位寄存器时，输出电平为＋l，而0进入移位寄存器时，输出电平为－l，识别器实际是对输入的巴克码进行相关运算。
当七位巴克码在图2.3.2（a）中的tl时刻已全部进入了七级移位寄存器时，七个移位寄存器输出端都输出+l，相加后得最大输出+7、若判决器的判决电平定为+6，那么，就在七位巴克码的最后一位“0”进入识别器后，识别器输出一个帧同步脉冲表示一帧数字信号的开头，如图2.3.2所示。
图2.4巴克码用于帧同步
2.3巴克码的同步
在传送数据的数据通信系统中，接收端为了正确恢复所传消息的内容，必须知道每群码元序列的起止位置。
使接收端字、句、帧信号的起止位置与发送端的字、句、帧信号的起止位置对应起来，即进行相位校准，才能恢复发端的数据。
群同步的任务就是完成群的相位校准。
为了实现群同步，要在数据序列中插入特殊的同步码或同步字符。
为了实现字符的同步，在传输每一个字符时附加两个信号单元，一个表示字符的开始，称起信号；另一个表示字符的终止，称止信号。
其中起信号的宽度等于比特宽度T，用低电平信号表示；止信号的宽度可选，最小宽度为1.5T，用高电平信号表示
图2.5同步电平信号
在这种群同步方式中，被传输的数据比特被编成帧，每帧包含一个码组或一群码组，帧的首部加一个特殊字符来指明一帧的开始。
当接收端对接收到的比特流进行搜索时，一旦检测到这种特殊字符，就知道了帧的开始，并据此划分帧内的码组。
群同步（在这种数据格式中称为帧同步）就这样建立起来了。
2.4群同步码
在帧的首部插入特殊字符作为群同步码，它应该与随机的数字序列“很不相像”才行。
如何来选择群同步码呢？
根据伪随机码的理论分析表明，这种特殊码必须具有尖锐的自相关函数。
巴克序列、M序列等都具有这种性质，常被用作数字通信的群同步码。
计算机通信中，同步字符选用（026）8（0010110）群同步码是非周期序列。
设一非周期序列由符号ai组成（i＝l，2，…，n），ai的取值为±1，非周期序列的长度为n，则非周期序列的自相关函数定义为:
公式2.1
这种非周期序列的自相关函数称为局部自相关函数。
当j＝0时，很显然R（j）=n。
通常称它为自相关函数的主峰。
当1≤j≤n-1时，|R（j）|称为自相关函数的其他取值，在这些取值中一般都有副峰。
希望群同步码具有尖锐的自相关函数，也就是希望它的主峰与其他取值中的副峰之比越大越好，特别是靠近主峰的副峰应尽量小。
由此我们可以定义巴克码序列:
如果一个n长序列的自相关函数取值为
公式2.4.2
公式2.2公式2.2
以7位巴克码位列：
计算n＝7的巴克码序列1110010的自相关函数R（j），ai的则取值为+1或-1，分别对应码元“1”或“0”。
当j=0时，R（0）表示原序列逐位自乘后相加，即R（0）＝a1a1+a2a2+a3a3+a4a4+a5a5+a6a6+a7a7=7
当j=1时，R
（1）表示原序列与左移一位的序列逐位相乘后相加，即
R
（1）＝a1a2+a2a3+a3a4+a4a5+a5a6+a6a7=0公式2.3
当j=-1时，R（-1）表示原序列与右移一位的序列逐位相乘后相加，即
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