MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用徐明远第7章通信系统差错控制仿真试验.ppt

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第7章通信系统差错控制仿真试验,7.1缩短卷积码7.2有缩短卷积码加交织的差错控制系统研究7.3自适应均衡系统（LMS算法）7.4迭代译码的级联卷积码,7.1缩短卷积码,7.1.1缩短卷积码的基本原理现代通信系统的信道编码中几乎毫无例外地采用了先进的编码方式：

卷积编码。

如IS-95码分多址通信系统CDMA，数字蜂窝通信系统GSM，数字集群通信系统TETRA等。

在差错控制中，卷积码表现出了优秀的纠错能力。

卷积编码使得一列信号输入经编码后变成了几列信号输出,冗余度愈大，纠错能力越强。

代价是计算复杂，编码效率低，即降低了频带利用率。

生成多项式的形式决定了它的特性。

在发射端，如果将编码以后的信息按照某种规律删去一些码元（打孔），虽然提高了编码效率，但是纠错能力却相应下降。

在接收端，按照相同的规律，在删去码元的位置填入0（插零），则数据流就恢复了卷积编码后的形状，然后再进行解卷积运算，从而完成差错控制的全过程。

在功能完备的通信系统中有许多使命不同的逻辑信道。

不同的逻辑信道因为任务不同，对差错控制能力与频道利用率的要求是不一样的。

差错控制有两种实现的方法：

构建不同的卷积码；或者应用同一个卷积码，但是采用不同的缩短（打孔）方案以适应不同的传输数码率，自然也有着不同的纠错能力和频带利用率。

在先进的数字集群系统中就采用的是第二种方案。

实践证明，删除型缩短卷积码的性能可以和卷积码的性能做到相当接近，而且删除型缩短卷积码较容易实现。

构建一个具有卷积、解卷积和打孔、插零功能以及相应的传输环境的仿真系统，就可以对各类卷积码进行缩短卷积码的仿真研究，并且可以得到在不同频带利用率条件下的差错控制能力的定量结果，也可以得到在相同频带利用率条件下不同打孔（删除方案）图形的差错控制能力的定量结果。

这对设计新的通信系统或研究现有通信系统无疑有很重要的现实意义。

近年来，所谓RCPC（RateCompatiblePuncturedConvolutionCodes,速率适配缩短卷积码）亦是上述缩短卷积码的一项重要的应用。

比如在具有ARQ/FEC（即检错重发和前向纠错）的电路中，SSI（信源重要性信息）与CSI（信道状态信息）在信息传输过程中不断地通知编码器（可变速率）和解码器，根据SSI信息的重要性和解码检错的情况，被检测到的信道的状态信息CSI，以及调整编码速率的指令，在可变速率编码器、解码器之间传送，以实现最少的差错发生。

用相同的生成多项式构建的维特比译码器，不同的压缩图形的卷积码（不同的传输速率），都可以在原打孔图形位置上嵌入填充的码元后进行译码。

一个具有多种编码效率、多种纠错能力的电路共用一种生成多项式构建的编译码器，简化了电路，提高了可靠性。

7.1.2仿真系统介绍图7-1所示是具有缩短卷积码和调制解调功能的仿真系统。

图中只有Puncture（打孔）模块和InsertZezo（插零）模块是首次接触。

下面，我们先介绍系统的工作情况。

图7-1带有缩短卷积码和调制、解调的传输系统,BernoulliRandomBinaryGenerator（伯努利二进制随机数发生器）产生的每帧2码元的随机二进制码，进入卷积编码器后变成每帧6码元的二进制码流，因为ConvolutionalEncoder（卷积编码器）使用的是IS-95CDMA上行信道的卷积编码方案，该方案的格型结构是Poly2trellis（9，557663711）,即1进3出。

经过4/6的Puncture（打孔）模块后，即6个码元删去2个剩下4个，变为每帧4码元的二进制数据。

在调制、解调的过程中，数据帧的大小不变，通过InsertZezo（插零）模块后（即在原来删去码元的位置插入码元0），每帧4码元变为每帧6码元。

解卷积后，恢复为每帧2码元。

为了说明打孔与插零模块的功能，参看图7-2与图7-3所示的仿真试验及结果。

图中的Source1、Source2（源）就是前面介绍过的Constant（常数）模块,ToWorkspace（到工作空间）模块的结果（变量名为smp、dsmp）见下面所列：

Source1（信源）123456puncture（打孔）110110smp（结果）1245,图7-2实验打孔器的传输系统,图7-3实验插零器的传输系统,可以看出，对应信源输出的序列3与6的位置是打孔的位置（0的位置），故3、6在打孔输出端已被删去，就完成了每帧6个码元经打孔后变为每帧4个码元的操作。

Source2（信源）1245InsertZero（插零）110110dsmp（结果）120450可以看出，对应信源序列1、2与4、5的位置之后是插零的位置，故在1、2、4、5之后插入0，通过插零电路后信号从每帧4码元变为每帧6码元。

填0的位置就是原先删去码元的位置。

参数设置时应注意：

（1）Puncture（打孔）模块中的Puncturevector（打孔矢量）应与输入信号具有相同的帧长度。

（2）Puncture（打孔）模块中的Puncturevector（打孔矢量）应与InsertZero（插零）中的Insertvector（插零矢量）相同。

（3）vector（矢量）中的0就是打掉的码元的位置，也是在解卷积之前插入0的位置，1是保留码元的位置。

矢量的长度与0的数目以及卷积码的结构共同决定了编码效率。

譬如：

卷积编码器是1进3出的结构：

poly2trellis（9，557663711）（本例），如果不打孔或者矢量元素全为1，此时编码效率为1/3。

图7-1中的BernoulliBinary（信号发生器）的Samplesperframe（每帧取样）设定为2，即两个码元为1帧，通过卷积编码器以后就是2进6出，通过上述的打孔以后6个码元打掉2个，此时的编码效率为乘6/4表示打孔前后从每帧输出6码元变为4码元，对编码效率的贡献是6/4。

这样卷积编码和打孔共同决定了码元是2进4出，编码效率为1/2。

按照上述方法，可以实现任意的编码效率。

（7-1）,譬如：

希望得到编码效率为7/8的编码电路，即即将信号发生器的Samplesperframe（每帧取样）设定为7，通过卷积后是7进21出，通过打孔后是剩8个码元（打掉13个码元）,连起来看是7进8出,编码效率是7/8。

编码效率决定了系统的差错控制能力。

编码效率越低，差错控制能力就越强。

当然，差错控制能力的提升是以降低信道利用率为代价的。

（7-2）,（4）0与1的排列，构成了打孔图形。

一般情况下,0与1较为均衡地分布时，相同编码效率情况下打孔图形对差错控制能力影响不大。

如果0与1分布不均衡、有较多的连0时，它与相同编码效率情况下0与1较为均衡地分布时的打孔图形相比，差错控制能力较差。

图7-4所示是各种RCPC传输特性比较，其中横轴是信噪比SNR，纵轴是误码率。

从左到右编码率R为1/3，3/8，1/2，2/3，3/4，未编码。

由图可见，在低信噪比时，编码与未编码的系统传输特性差别不大。

信噪比逐渐提高后，传输特性差别变大（编码效率愈低的传输性能愈好）。

实践中可根据信源的重要性，在允许的传输误码条件下，选择相应的编码效率。

图7-4各种RCPC传输特性比较,表7-1表7-8所示是缩短卷积码仿真系统中各个模块的主要参数。

缩短卷积码传输系统仿真模型的建立，为不同编码效率、不同打孔图形情况下的传输性能的定量研究，提供了方便的实验平台。

表7-1Puncture（打孔）的主要参数,表7-2InsertZero（插零）的主要参数,表7-3BernoulliRandomBinaryGenerator（伯努利二进制随机数产生器）的主要参数,表7-4ConvolutionalEncoder（卷积编码器）的主要参数,表7-5ViterbiDecoder（维特比解码器）的主要参数,表7-6BPSKModulatorBaseband（基带BPSK调制器）的主要参数,表7-7AWGNChannel（加性高斯白噪声信道）的主要参数,表7-8ErrorRateCalculation（误码率计算）的主要参数,7.2有缩短卷积码加交织的差错控制系统研究,7.2.1概述现代无线通信系统的差错控制几乎都采用了卷积编解码技术和交织技术。

前者用于克服随机干扰，而后者用来解决突发干扰。

理论与实践都证明了交织技术对于克服突发干扰是十分有效的。

将缩短卷积编解码技术和交织技术、调制技术组成一个综合的通信仿真系统，需要注意许多问题，特别是系统的时间延迟。

7.2.2仿真模型的建立图7-5（a）是具有缩短卷积码、交织、调制解调，传输环境是高斯白噪声加突发干扰的一个综合数字通信的仿真试验系统。

图7-5（b）与图7-5（a）完全一样，只是没有交织的用于做比对试验的仿真试验系统。

图7-5差错控制综合试验系统（a）具有缩短卷积码、交织、突发干扰等的仿真试验系统;,图7-5差错控制综合试验系统（b）具有缩短卷积码、突发干扰、无交织的仿真试验系统（用于对比试验）,卷积码是采用数字集群系统TETRA的码型，它的生成多项式为G1（D）=1+D+D4G2（D）=1+D2+D3+D4G3（D）=1+D+D2+D4G4（D）=1+D+D3+D4由此可导出它的生成多项式八进制代码为31；27；35；33，它的卷积编码器的格型结构表示为：

poly2trellis（5，31273533），并构建相应的卷积码编码器和维特比解码器。

以编码效率为1/3进行打孔，打孔图形为：

（7-3）,011011111011以MATLAB仿真工具箱中的CommunicationsBlocksetInterleavingConvolutionalInterleaver（Deinterleaver）为交织的功能模块。

采用MPSKModulatorBaseband（基带MPSK调制器）和高斯白噪声加突发干扰的传输环境，相应的解卷积解调插零模块构成仿真系统。

应用MATLAB软件构建上述的仿真模型时应注意以下问题：

（1）卷积码的约束长度、解码器的反馈深度及交织特性决定了误码表的时延，即系统时延设置。

ViterbiDecoder（维特比解码器）中，Tracebackdepth（反馈深度）“50”与ConvolutionEncoder（卷积编码器）的约束长度5有关，通常反馈深度是约束长度的5倍以上。

Puncture（打孔）、Insertzero（插零）过程带来“6”的时间延迟。

ConvolutionInterleave（卷积交织器）的交织参数设置决定了交织、解交织运算过程要带来“90”的时间延迟。

所以在ErrorRateCalculation（误码率计算）中，Recsivedelay（接收延迟）是所有延迟的叠加，即50690146。

（2）打孔图形及填充码元的正确表达。

RandomBinaryGenerator（伯努利二进制随机数产生器）输出的信号FrameBasedOutputs不是基于帧的。

在Puncture（打孔）、Insertzero（插零）模块的描述中就应该体现出序列的列的特征：

011;011;111;011。

（3）输入码率、卷积后的码率和缩短后的码率是三种不同的数值。

它们分别是：

1/3、4/3、1。

因为信号源1个码元采样时间是3，卷积是1进4出，打孔是4进3出。

（4）构建具有不同突发干扰尺寸的突发加随机干扰（加性高斯白噪声）信道传输模型。

在原有AWGN（加性高斯白噪声）模块中加入突发干扰，如图7-6所示。

SignalFromWorkspace（来自工作空间）的0、1相间的方波，可以任意设定0、1的持续长度。

0与信号相乘时相当于受到突发干扰，0持续的时间就是突发干扰的长度。

1持续的时间就是没有受到突发干扰的区间。

图7-6加上突发干扰的传输环境模块,表7-9表7-15所示是仿真系统中模块的主要参数。

改造过的传输环境模块里的SNR（dB）信噪比设置为“SNR”。

在下面的程序中要对它不断赋值，以求出传输特性。

表7-9BernoulliRandomBinaryGenerator（伯努利二进制随机数产生器）的主要参数,表7-10M