移动自组网系统理论研究及信道编码matlab仿真资料.docx
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移动自组网系统理论研究及信道编码matlab仿真资料
本科毕业设计论文
题目移动自组网系统理论研究及信道编码matlab仿真
专业名称通信工程
学生姓名王一豪
指导教师许哲
毕业时间2016年6月
设计
论文
毕业任务书
一、题目
移动自组网系统理论研究及信道编码matlab仿真
二、指导思想和目的要求
了解信道编码过程及其原理,理解码率和误码率的概念,主要研究汉明码和卷积码的信道编码,用MATLAB仿真信道编码在不同信道下的影响。
通过论文的撰写培养了自己进行调查研究、查阅文献、收集整理资料、思考加工,在相关专业领域独立地进行科研的基本能力。
三、主要技术指标
1)从移动自组网的相关知识入手,包括移动自组网的概念、特点及应用领域的分析和研究。
2)研究matlab的使用方法及相关代码的编写。
3)主要研究分析信道编码仿真图信噪比和误码率的变化,从而得出信道编码对信号的影响。
四、进度和要求
第3-4周:
查阅相关移动自组网和信道编码资料,确定方案,撰写开题报告;
第5-6周:
查阅matlab相关资料,利用网上视频教程学习matlab的使用;
第7-13周:
就汉明码和卷积码的编解码程序和矩阵进行这两个的仿真图。
;
第14-15周:
整理、完成毕业设计,并撰写论文;
第16-17周:
准备及完成毕业设计答辩。
五、主要参考书及参考资料
[1]樊昌信等,《通信原理(第四版)》国防工业出版社
[2]王立宁等,《MATLAB与通信仿真》人民邮电出版社
[3]吴伟陵,《信息处理与编码》北京邮电大学出版社
[4]刘玉君,信道编码[M].河南科学技术出版社,2001.9
[5]王秉钧,冯玉珉,田宝玉.通信原理[M].清华大学出版社
[6]王新梅,肖国镇.纠错码[M].西安电子科技大学出版社
[7]邓华.MATLAB通信仿真及应用实例详解[M].人民邮电出版社
[8]刘爱莲《纠错编码原理及MATLAB实现》清华大学出版社
[9]贺超英王少喻《MATLAB应用与实验教程》电子工业出版社
[10]张永光楼才义《信道编码及其识别分析》电子工业出版社
[11]赵鸿图茅艳《通信原理MATLAB仿真教程》人民邮电出版社
[12]樊昌信,曹丽娜编著,通信原理(第六版),国防工业出版社.2006
[13]邵玉斌编著,MATLAB/simulink通信系统建模与仿真实例分析(第一版),清华出版社.2008.6
[14]孙祥,徐流美,吴清编著,MATLAB基础教程,清华大学出版社2005
[15]曹雪虹,张宗橙.信息论与编码[M].清华大学出版社
学生___________指导教师___________系主任___________
摘要
伴随当今科学技术飞速的发展,人们对信息传输的质量要求越来越高,信道编码在通信的各个领域得到了广泛的应用,尤其是在通信领域和传输领域尤为重要。
众所周知,信号在传输的过程中存在种种因素对传输质量产生干扰,那么要提高信号的传输质量,就要用到信道编码。
提到信号的真实性是信道编码的主要目的,通过编码让信号抗干扰能力增加,从而提高安全性。
一般发送的码字和接收的码字之间存在一定的差异,我们将发送码字和传输后人们接收的码字之间的差异成为差错。
通常,信道噪声、干扰越大,码字产生的差错概率就越大。
本文主要使用matlab的simulink模块仿真,得出误码率的仿真图,通过误码率的曲线图了解各种信道的编码,如高斯白噪声信道、汉明码对信道的仿真。
主要利用simulink里面的卷积码viterbi译码器对二进制对称信道和高斯白噪声信道的仿真,通过误码率曲线图来区分两个信道的不同。
关键字:
matlab,信道,编码,译码,Simulink。
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthemodernscienceandtechnology,thechannelcodingintheareasofcommunicationhasbeenwidelyused,especiallyinthefieldofdigitalcommunicationsanddigitaltransmissionsectorisparticularlyimportant.Itiswellknownthatexistinthesignalsinthetransmissionprocessofvariousfactorsonthetransmissionqualityofthedisturbance,sotoimprovethequalityofsignaltransmission,willbeusedinchannelcoding.
Thepurposeofthechannelcodingistoimprovethequalityofsignaltransmission.Wewillsendthecodewordandtransportpeoplereceivethedifferencebetweenthecodewordtobeanymistakes.Usually,thebiggerthechannelnoise,interference,thegreatertheprobabilityoferrorcodeword.
Inthispaper,weusematlabsimulinkmodule,throughthebercurvetounderstandallkindsofchannelcoding,suchasbinarysymmetricchannel,whitegaussiannoisechannel,hammingcodeforchannelsimulation.Theinsideofthemainuseofsimulinkconvolutioncodeviterbidecoderforbinarysymmetricchannelandwhitegaussiannoisechannelsimulation,throughthebercurvetodistinguishthedifference.
Keywords:
matlab,channel,coding,decoding,Simulink.
目录
第一章绪论1
1.1选题的目的和意义1
1.2选题研究内容及理论依据1
第二章移动自组网的介绍2
2.1移动自组网的概念2
2.2自组网的特点2
2.3移动自组网的应用领域3
第三章信道编码以及运行环境MATLAB的介绍4
3.1信道编码的概念及分类4
3.2信道编码的定理及信道编码中包含的各种码类的简介4
3.2.1卷积码4
3.2.2线性分组码5
3.2.3循环码5
3.3MATLAB语言的简介6
3.4Simulink6
第四章信道8
4.1二进制对称信道(BSC)8
4.2二进制删除信道8
4.3加性高斯白噪声信道(AWGN)9
第五章Hamming码11
5.1汉明码11
5.2校验方法11
5.3汉明码编码12
5.3.1汉明码对高斯白噪声信道12
5.3.2汉明码对二进制对称信道的仿真15
第六章卷积码19
6.1卷积码定义与原理19
6.2维特比译码原理20
6.3卷积码译码器对高斯白噪声信道的设计与仿真25
6.3.1卷积码与未编码的性能比较25
6.3.2不同编码参数的卷积码性能比较29
6.3.3卷积码译码器的误码率分析32
6.4卷积编码器在二进制对称信道(BSC)中的性能34
6.5卷积码译码器对二进制对称信道和高斯白噪声信道仿真比较39
第七章总结与展望41
7.1课题总结41
7.2前景展望41
参考文献42
致谢43
毕业设计小结44
第1章绪论
1.1选题的目的和意义
数字信号在传输过程中,总会因为某种因素的干扰而产生失真。
由于信道的干扰,数字信号经过有绕信道传输到接收端解调器时,解调的信息已经产生了误码,对于一些应用来说,这样的误码率会产生很大的影响。
为了使原有的信息可以真实有效的被接收端的终端设备接收,我们采用信道编码,经过译码器可以定义误码进行纠错。
1.2选题研究内容及理论依据
在数字通信系统的信号传输中,产生错误译码的因素也很多,主要信道的内存在加性噪声和信道传输的不理性容易造成多用户干扰、功率限制和多径传播。
采用信道编码可以有效地控制误比特率的指标在正常范围内,信道编码的主要目的就是为了改善传输信号的真实性和有效性,通过在传输信号中加入许多多余的码元,使得码字具有一定的抗干扰能力。
通信技术的最终目标是提高传输的可靠性和有效性,而信道编码就能够显著提高信息的可靠性。
阐述信道编码理论和说明分组码的编译原理、实现方法及检纠错能力,使用MATLAB仿真及分析不同信道下的影响。
学习卷积码的编码方式和基本原理。
学习基本分组码的编码方式和原理。
学习卷积码的基本原理和编码方式。
理解二进制对称信道(BSC),二进制擦除信道(BEC),高斯白噪声(AWGN)。
理解码率和误码率的意义。
利用Hamming码对不同信道进行仿真。
通过利用viterbi译码二进制对称信道(BSC),高斯白噪声(AWGN),两个信道与自己设计的卷积码进行仿真,比较结果。
第2章移动自组网的介绍
2.1移动自组网的概念
自组网包含移动通信和计算机网络,网络的信息交换采用计算机网络中的分组交换机制,用户终端是例如手机的无线用户终端设备,自组网中每个用户终端都兼有路由器和主机两种功能。
作为主机,终端需要运行各种面向用户的应用程序,如编辑器、浏览器等;作为路由器,终端需要运行相应的路由协议,根据路由策略和路由表完成数据分组的转发和路由维护工作,故要求节点实现合适的路由协议。
自组网路由协议的目标是快速、准确和高效,要求在尽可能短的时间内查找到准确可用的路由信息,并能适应网络拓扑的快速变化,同时减小引入的额外时延和维护路由的控制信息,降低路由协议的开销,以满足移动终端计算能力、储存空间以及电源等方面的限制。
2.2自组网的特点
移动自组网的独有特点很多,这就使得它具备其他网络所不具备的功能,这些特点包括无中心、自组织、多跳路由、动态网络拓扑结构、临时性、有限的无线传输带宽等。
(1) 无中心
自组网的所有节点都是对等的,是一个对等式网络,节点也是比较自由的,相互独立,不会说因为某个节点而影响到整个网络的运行,并且节点可以随时离开或加入网络。
因此它的抗毁灭能力很强。
(2)自组织
之所以叫做自组织网络,是因为移动自组网不受时间和地点的限制,也不需要现有的一些设备去维持网络的运行,这就是与传统网络的区别。
(3) 多跳路由
无线自组织网络可以是终端,也可以是服务器,又可以是路由器。
(4)动态的网络拓扑结构
在自组网中,网络节点会受到诸多因素的干扰影响,网络节点形成的网络拓扑结构会发生不稳定的变化,所以这将会对路由协议提出更高的要求。
(5) 移动终端的局限性
自组网具有的灵巧、便捷、移动性等优点,因而可以使用于许多轻便的移动终端设备。
但是电源不足和CPU性能不足称为限制,所以我们应该在使用中考虑到这些因素。
2.3移动自组网的应用领域
移动自组网通常在没有便利设施的复杂环境中,常用在一下方面:
(1)战场通信。
无线自组织网络具有很强的适应能力,因其方便、快捷的特点被使用于很多复杂环境,如战场通信。
利用它这些特点可以在战场上实现快速的兵力部署和装备监视、地形勘察和定位追踪等强大的功能,而不必一味的依赖陆地及卫星系统。
(2)应急通信。
对于抢险救灾,自组网可以起到很大的作用。
在陆地固定设施被摧毁后,这时就需要自组网来部署网络实现通信。
(3)宇宙开发。
在宇宙中进行基础设施的覆盖基本是不可能的。
通过节点间的自组网络,实现宇宙开发过程中的移动通信功能。
(4)医疗领域。
自组网中的传感器网络在医疗方面也有一定的应用,如医生可以利用传感器网络随时监察病人的情况,实现远程医疗技术。
自组网不仅对各种恶劣环境具有很强的适应性,而且可以将他的这些特点广泛应用于救灾、环境、军事、医学等各个领域。
因此自组网及相关技术研究不仅能够给我们生活带来便利,更能对我国的民生、军事能力起到很大的帮助。
所以对于自组网的研究十分具有意义。
第三章信道编码以及运行环境MATLAB的介绍
3.1信道编码的概念及分类
信道编码从本质上来讲其主要作用就是改善信号传输过程中的误码,提高信号的传输质量,把信源发出的消息转换成二进制形式的信息序列。
我们可以通过对信源编码器的输出数据进行加密的这种方式来增加信息的保密性;通过对加密后数据进行增加多余码元,也就是信道编码来提高传输的可靠性。
因此,人们在为了减少传输过程中的各种干扰,在信号中增加了多余的码元,是系统有自动纠错和进行编码的能力,这样的方式成为抗干扰编码。
在数字通信中,信道编码一般包括加扰、纠错及交织三种类型的编码,而这三种编码分别采用混乱、加冗及置换的数学处理。
目前这三种编码都在通信领域得到了广泛的应用。
3.2信道编码的定理及信道编码中包含的各种码类的简介
1948年,Shannon在其经典理论文“AMathematicalTheoryofCommunications”中指出:
如果信源的信息速率R小于C(R 8,差错概率将接近于0。 反之,如果R>C,则不管在发送端和接收端采用了多少信号处理措施,都不可能达到可靠传输。 在信道编码定理中,香农提出了实现最佳编码的三个基本条件: (1)采用实际编码方式; (2)编码长度L? 8,即分组的码长有限;(3)译码采用最佳的最大似然译码算法。 3.2.1卷积码 卷积码是1955年有Elias提出的,它是一种非常重要的差错控制编码。 卷积码编码时虽然也是讲k个比特的信息段编成n个比特的码组,但是监督码元不但和当前的信息段有关,而且与前面若干时刻输入至编码器的信息段有关。 为了表示这种关联性,卷积码一般表示为(n,k,m),其中k为信息组的长度,n表示每组信息对应输出的码长度,m表示与此前输入的m个信息相关,N=m+1称为信息组约束长度,m是编码编码电路的移位寄存器数目。 与分组码一样,(n,k,m)卷积码的码率为R=k/n。 卷积码分为两种: (1)基本卷积码: 基本卷积码有纠错能力强的优点,但是其编码效率低下,编码效率为η=1/2。 (2)收缩卷积码: 收缩卷积码的效率为: η=1/2、2/3、3/4、5/6、7/8这几种编码效率高,一定带宽内可传输的有效比特率增大,但是纠错能力越来越弱。 3.2.2线性分组码 如果将信源的输出序列分成长为k的段u=(uk-1uk-2…u1u0),序列中的每一个分量都是随机变量。 为了能够纠错,信道编码器(纠错码编码器)按一定的规则将长为k的段u=(uk-1uk-2…u1u0)编为长为n的码字c=(ck-1ck-2…c1c0)(n>k)。 码字共有n位,其中k位为信息位,(n-k)位为校验码(监督位)。 假设共有M个消息序列,则对应的M个码字的集合{c1,c2,…,cM}称为一个(n,k)分组码,记为C。 在分组码中,若u与c的对应关系是线性的,则称为线性分组码。 对二进制而言,假设ci和cj是(n,k)二进制分组码中的两个码字,当且仅当ci+cj也是一个码字时,这个码才是线性的;特别地,当ci=cj时,ci+cj=0。 由此我们可以发现,线性分组码的子集以外的矢量不能由该子集内的码字相加产生。 3.2.3循环码 循环码的结构是建立在有限域的基础上,是分组码中的一个重要的分类。 循环码是1957年由普兰奇提出的,此后得到了很大的发展。 所谓循环码,就是线性码中任意许用码组经过循环移位后得到的码组仍为一许用码组。 [an-2an-3…a0an-1]、[an-3an-4…an-1an-2]等也是许用码组。 循环码的特点是码内的任意两个码字之和为该码字中的一个码字,所以可以说明(n,k)循环码属于(n,k)线性分组码的一个子类。 所以说该码中的任意码字连续向后位移i位后的码字,仍属于该循环码的一个码字。 循环码是一种线性码,因此线性码的一切特性均适用于循环码;但它的特殊性是其循环性,码字集合或者说码组中任意一个码字的循环移位得到的序列仍是该码字集合中的码字,对循环操作满足封闭性。 循环码编码步骤: 源码为m(x)=m x +…+m x+m ,应首先提升n-k位,变为x m(x)。 然后以生成多项式g(x)去除,得式3.1。 =q(x)+ (3.1) 可得循环码: C(x)=x m(x)+b(x)。 3.3MATLAB语言的简介 MATLAB名字由matrix和laboratory两词的前三个字母组合而成,是矩阵实验室的意思,是一款具有强大数值计算能力和仿真功能的软件。 MATLAB本身内置了很多函数,可以应用于科学计算、控制系统和信息处理等领域的分析、仿真和设计。 MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学工程中常用的表达式十分相似,因此用MATLAB来解决运算问题比用C、Fortran等语言简单且方便的多。 而且MATLAB在通信领域的应用作用有明显,因为通信领域的很多问题都是研究系统性能的,传统的方法只有构建一个实验系统,采用各种方法进行测量,才能得到需要的数据结果。 这样不仅效率不高,而且耗费资金也是相当庞大,十分困难。 而MATLAB可以通过计算机来仿真通信系统,这样的模拟实现不仅操作简单方便,而且在结构的观测和数据的存储方面也比传统的方式有很多优势,将会得到更多的应用和发展。 3.4Simulink MATLABSimulink工具箱是20世纪90年代初由MathWorks公司开发的,对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。 其文件类型为.mdl,支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统的仿真,同时也支持各种采样速率的多速率仿真。 Simulink提供了封装和模块化数据,简化了设计过程,减轻了设计负担。 Simulink通过交互式图形化环境及可定制的模块库,可对各种时变系统等进行设计、仿真、执行和测试。 例如: 通信的信号处理和控制、视频处理、图像处理等。 Simulink的功能可以不断的扩展,它可以通过自定义和购买的工具箱来实现许多新的功能。 而且,Simulink与MATLAB有着很密切的联系,可以访问许多MATLAB的工具进行算法的研发、仿真、分析和可视化、脚本的创建、建模环境的创建以及信号参数和测试数据的定义。 它的特点有: 1.它的预定义模块库十分丰富,可以通过扩充的方式实现模块库的资源多样化。 2.模块图的管理及组合可以通过交互式的图形编辑器来管理。 3.提供API用于其他的程序手写代码的继承和连接。 4.通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性,生成模型代码。 5.诊断设计性能和异常行为我们可以使用图形化的调试器解剖器检查仿真结果。 6.模型分析和诊断工具来保证模型的一致性,确定模型中的错误。 第4章信道 4.1二进制对称信道(BSC) 二进制对称信道是离散无记忆信道(discretememorylesschannel)在J=K=2时的特例。 二进制对称信道它的输入和输出都只是0和1两种符号,并且发送0而接受到1,以及发送1而接收到0(误码)的概率相同,所以称信道是对称的。 此时条件差错概率由P表示。 二进制对称信道的转移概率如图4.1所示。 图4.1二进制对称信道 4.2二进制删除信道 图4.2二进制删除信道 信道的特点是,信源传输0或1时,接收端以1-a的概率正确接收,以概率a被删除。 4.3加性高斯白噪声信道(AWGN) 高斯白噪声的概念: “白”是指功率谱恒定;高斯指幅度取各种值时的概率p(x)是高斯函数。 加性高斯白噪声可以在很宽的频带内得到广泛分布,是随机无线噪声。 称为白噪声的原因是因为在各个频谱中都是相对均匀的分布,而且白噪声的幅度分布符合高斯分布,所以称为高斯白噪声。 加性高斯白噪声的信号波动可以维持在相对对稳定的范围内进行波动,是一种简单的噪声。 在通信系统的理论分析中,特别是在分析,计算系统抗噪声性能时,经常假设系统中的信道噪声为高斯白噪声。 其原因在于,一是高斯白噪声可用具体的数学表达式表示,比如只要知道了均值α和方差σ2,则高斯白噪声的一维概率密度函数便可由式4.1 (4.1) 确定;只要知道了功率谱的密度值n0/2,高斯白噪声的功率谱密度函数便可由式(4.2) (4.2) 确定,便于推导分析和运算。 而是高斯白噪声确实反映了实际信道中的加性噪声的情况,比较真实的代表了信道噪声的特征。 第五章Hamming码 5.1汉明码 汉明码是1951年由汉明提出的能纠正单个错误的线性分组码。 它是一种性能非常强大的码字。 在具备超常的可靠性的同时,汉明码可以高效的传输,而且简单的编码电路很容易掌握,在工程中得到了较为广泛的应用,所以汉明码发明不久,就在各个领域中得到广泛应用。 计算机在进行计算和数据的存储时,会产生一些不可避免的误差,这样我们就可以使用汉明码就行检测纠错。 通俗来讲,汉明码的作用实际上是不断纠错的检验码集。 汉明码校验原理是奇偶校验位的概念,通过在一些数据位后边增加一些比特,这样就可以验证数据是否有效。 所以汉明码通过利用这个原理,不仅能够查验证数据的有效性,而且会给出这段错误段的确切位置。 然后在分析接收端错误段的精确位置纠错译码的差错,这样就可以在接收端实现精准纠错,这样的纠错方式称为前向纠错FEC。 如果数据链路产生很多干扰的时候,FEC可以增加吞吐量,通过增加传输码列中加入的冗余位来实现前向纠错,但是这种方法的成本比较高。 而汉明码的成本可以让人们接受。 5.2校验方法 汉明码的校验方法可以分为两种: 奇校验和偶校验。 通过确定数据中1的个数,然后将1的数量变为奇数则为奇校验,反之为偶校验。 例如,数据1001共有4个比特位,其中包含两个1,1的数目是偶数,因此,如果是偶校验,那么增加的校验位数就是一个0,反之,增加一个1作为校验码。 偶校验可以通过“异或”来实现校验,“奇校验”则通过“同或”来实现校验。 通过检测1的数目可以检测单个比特位的错误,如果1的数目出错,则说明有一个比特位出错,这就说明数据传输过程中出现噪声干扰。 如果想要检测更多的两位的码错,则需要更过的检验位。 检验位的数目与传输数据的总数有关。 汉明码的校验矩阵H具有特殊性质,所有可以用相对简单的方法来构造码。 由于(n,k)分组码的校验矩阵H是(n-k)×n矩阵,可看成是有n个(n-k)×1列矢量组成的。 二进制n-k重列矢量的全部组合(全零矢量除外)是2n-k-1个,恰好和列矢量数目n=2m-1=2n-k-1相等。 只要排列所有列,通过列置换将矩阵H转换成系统形式,就可得到相应的
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