《通信原理》課程設(shè)計(jì)

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數(shù)字傳輸系統(tǒng)誤碼率測(cè)試器的MATLAB實(shí)

現(xiàn)及性能分析

學(xué)生姓名：指導(dǎo)老師：

摘要本課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)字傳輸系統(tǒng)誤碼率測(cè)試器的實(shí)現(xiàn)及性能分析。其主要目的是仿真數(shù)字傳輸系統(tǒng)誤碼率測(cè)試器。從Simulink工具箱中找所到該設(shè)計(jì)所需的各元件，設(shè)計(jì)m序列產(chǎn)生器，產(chǎn)生信號(hào)送入含噪信道，在接收端與一致m序列再進(jìn)行異或運(yùn)算來(lái)檢測(cè)誤碼。通過(guò)改變信道誤碼率大小，測(cè)試接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)之間的誤碼率，以及合理設(shè)置好參數(shù)可改變誤碼率與系統(tǒng)的抗噪聲性能，從而改善了該種數(shù)字傳輸系統(tǒng)誤碼率測(cè)試器的抗噪聲性能。

關(guān)鍵詞Simulink；數(shù)字系統(tǒng)；m序列；誤碼率測(cè)試器

1引言

本次課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用MATLAB軟件，在Simulink平臺(tái)下建立仿真模型。通過(guò)發(fā)送偽隨機(jī)序列，并在信道參與噪聲，測(cè)試收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)之間的誤碼率大小，分析比較，改變參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)字傳輸系統(tǒng)誤碼率計(jì)算過(guò)程。觀測(cè)輸入與輸出波形的變化以及誤碼率的大小，并對(duì)其進(jìn)行分析總結(jié)。

1.1課程設(shè)計(jì)的目的

通信原理課程設(shè)計(jì)是重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通信原理是通信工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)骨干的專(zhuān)業(yè)課，是通信工程專(zhuān)業(yè)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的基礎(chǔ)。在進(jìn)行了專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和《通信原理》課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)或分析一個(gè)簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)，有助于加深對(duì)通信系統(tǒng)原理及組成的理解。把握通信原理課程的知識(shí)可使學(xué)生打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，可提高處理通信系統(tǒng)問(wèn)題能力和素質(zhì)，同時(shí)也了解本通信專(zhuān)業(yè)的新發(fā)展。并可綜合運(yùn)用這些知識(shí)解決一

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定的實(shí)際問(wèn)題，使我們?cè)谒鶎W(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力上以及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力上得到一定的提高。同時(shí)通過(guò)課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，認(rèn)真的工作作風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。為我們以后做數(shù)字通信系統(tǒng)方面提供了更多的基礎(chǔ)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

1.2課程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和要求

本次課程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)：

（1）把握MATLAB中的Simulink仿真平臺(tái)。

（2）利用m序列模擬測(cè)試信號(hào)，送入含噪及延時(shí)信道，在接收端與一致m序列再進(jìn)行異或運(yùn)算以測(cè)試誤碼率。

（3）改變信道誤碼率或信噪比大小，測(cè)試接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)之間的誤碼率。（4）分析該種數(shù)字傳輸系統(tǒng)誤碼率測(cè)試器的抗噪聲性能。（5）按要求認(rèn)真編寫(xiě)并按時(shí)完成報(bào)告。課程設(shè)計(jì)中必需遵循以下要求：

（1）本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)為MATLAB中的Simulink。

（2）模型設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)符合工程實(shí)際，模塊參數(shù)設(shè)置必需與原理相符合。（3）處理結(jié)果和分析結(jié)論應(yīng)當(dāng)一致，而且應(yīng)符合理論。（4）獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)并按要求編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。

1.3設(shè)計(jì)基本思路

首先熟悉MATLAB軟件系統(tǒng)中Simulink模塊庫(kù)，生成空白仿真模型窗口；其次在空白仿真模型窗口產(chǎn)生一個(gè)n級(jí)m序列。確定本次設(shè)計(jì)產(chǎn)生一個(gè)15級(jí)的m序列，將設(shè)計(jì)好的m序列輸出端送入含噪信道中（可通過(guò)參與高斯噪聲來(lái)實(shí)現(xiàn)），然后在接收端用一致m序列（稱(chēng)本地序列）與它進(jìn)行異或運(yùn)算，即將接收端序列與本地序列進(jìn)行比較，從而檢測(cè)出誤碼。設(shè)置各模塊參數(shù)，改變信道誤碼率大小，測(cè)試接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)之間的誤碼率，分析該種數(shù)字傳輸系統(tǒng)誤碼率測(cè)試器的抗噪聲性能。

1.4設(shè)計(jì)平臺(tái)

MATLAB集成環(huán)境下的Simulink平臺(tái)。

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2設(shè)計(jì)原理

2.1Simulink工作環(huán)境

Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個(gè)創(chuàng)立過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明白的方式，而且用戶可以馬上看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它與MATLAB語(yǔ)言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語(yǔ)言的編程上。

設(shè)計(jì)仿真模型時(shí)，從模型庫(kù)中選中模塊，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇\，或直接把模塊拖到仿真模型中，即可參與模塊。Simulink模型庫(kù)窗口還提供了查找功能，，在查找對(duì)話框中輸入模塊名稱(chēng)關(guān)鍵字，單擊

按鈕或按回車(chē)鍵，即可自動(dòng)探尋到所需

的模型庫(kù)。可以用Simulink輕松的搭建一個(gè)系統(tǒng)模型，并設(shè)置模型參數(shù)和方針參數(shù)，并且馬上觀測(cè)到改變后的仿真結(jié)果，進(jìn)而進(jìn)行分析。

2.2數(shù)字傳輸系統(tǒng)誤碼率測(cè)試器原理

（1）m序列產(chǎn)生原理

m序列是最長(zhǎng)線性移位寄放器序列的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是由多級(jí)移位寄放器或其他延遲元件通過(guò)線性反饋產(chǎn)生的最長(zhǎng)的碼序列。由于m序列簡(jiǎn)單產(chǎn)生、規(guī)律性強(qiáng)、有大量?jī)?yōu)良的性能。特別是由于m序列的均衡性、游程分布和自相關(guān)特性與偽隨機(jī)序列的這些性質(zhì)極相像，所以偽隨機(jī)序列可由線性反饋移位寄放器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生，如圖2-1所示。改變反饋規(guī)律的位置及數(shù)量還可以得到更多不同的序列輸出。線性反饋移位寄放器的相關(guān)特性如下：

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①線性移位寄放器的輸出序列是一個(gè)周期序列，對(duì)于級(jí)數(shù)為r的線性移位寄放器，最長(zhǎng)周期N＝2r－1。

②當(dāng)時(shí)始狀態(tài)是0狀態(tài)時(shí)，線性移位寄放器的輸出全0序列。③級(jí)數(shù)一致的線性移位寄放器的輸出序列和反饋規(guī)律有關(guān)。④同一個(gè)線性移位寄放器的輸出序列還和起始狀態(tài)有關(guān)。

⑤對(duì)于級(jí)數(shù)為r的線性移位寄放器，當(dāng)周期N＝2r－1時(shí)，改變移位寄放器初始狀態(tài)只改變序列的初相。

圖2-1線性反饋移位寄放器原理框圖

(2)數(shù)字信號(hào)誤碼率測(cè)量原理

誤碼率是數(shù)字通信系統(tǒng)中一項(xiàng)主要的質(zhì)量指標(biāo)，也就是數(shù)字系統(tǒng)的可靠性主要用誤碼率來(lái)衡量。在實(shí)際測(cè)量數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率時(shí)，一般說(shuō)來(lái)，測(cè)量結(jié)果與信源送出信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性有關(guān)。尋常認(rèn)為二進(jìn)制信號(hào)中“0〞和“1〞是以等概率隨機(jī)出現(xiàn)的。所以測(cè)量誤碼率時(shí)最理想的信源應(yīng)是隨機(jī)序列產(chǎn)生器。

用真正隨機(jī)序列產(chǎn)生器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，只適用于閉環(huán)線路測(cè)試。但是閉環(huán)測(cè)試法所用的信道不符合狀況。因此，在實(shí)際過(guò)程中采用單程測(cè)試法。在測(cè)量單程數(shù)字通信誤碼率時(shí)，就不能利用隨機(jī)序列，而只好利用相近的偽隨機(jī)序列代替它。圖2-2示出這種狀況。這時(shí)，發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備分出兩地。由于發(fā)送端用的是偽隨機(jī)序列，而且尋常是m序列，接收端可以用同樣的m序列產(chǎn)生器，由同步信號(hào)控制，產(chǎn)生出一致的本地序列。本地序列和接收序列相比較，就可檢測(cè)誤碼。

信源發(fā)送信道接收同步信號(hào)比較記錄偽隨機(jī)序列圖2-2誤碼率單程測(cè)試法

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3設(shè)計(jì)步驟

3.1熟悉MATLAB系統(tǒng)中Simulink模型庫(kù)

（1）開(kāi)啟MATLAB軟件，單擊工具欄上的按鈕，即可進(jìn)入斯Simulink工具箱，如圖3-1所示。查看Simulink模塊庫(kù)中的每個(gè)模塊，通過(guò)查閱資料弄明白每個(gè)模塊的功能和用法。用同樣的方法熟悉communication模塊庫(kù)中的常用模塊。

圖3-1Simulink工具箱

Simulink圖庫(kù)目錄，如圖3-2所示。

圖3-2Simulink圖庫(kù)目錄

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（2）設(shè)計(jì)仿真模型

在MATLAB子窗口或Simulink模型庫(kù)的菜單欄依次選擇“File〞|“New〞|“Model〞，即可生成空白仿真模型窗口，如圖3-3所示。

圖3-3新建仿真模型窗口

3.2繪制電路級(jí)框圖

（1）15級(jí)m序列的繪制

根據(jù)一個(gè)線性反饋移存器能產(chǎn)生m序列的充要條件為：反饋移存器的特征方程為本原多項(xiàng)式。換言之，本原多項(xiàng)式對(duì)應(yīng)的反饋移存器產(chǎn)生的序列稱(chēng)為m序列。通過(guò)查表[1]得15級(jí)的m序列的本原多項(xiàng)式為：x15+x+1。由于本原多項(xiàng)式的逆多項(xiàng)式也是本原多項(xiàng)式，x15+x+1的逆多項(xiàng)式為：x15+x14+1。.

ITU建議用于數(shù)字傳輸系統(tǒng)測(cè)量的m序列周期是215-1=32767，其特征多項(xiàng)式建議采用x15+x14+1。[1]

所以本設(shè)計(jì)為15級(jí)m序列，本原多項(xiàng)式選用x15+x14+1，因此把第14和第15個(gè)延時(shí)單元的輸出端進(jìn)行異或運(yùn)算，然后送入第一個(gè)延時(shí)單元。

m序列所需要的模塊：延時(shí)模塊和異或模塊，如圖3-4所示。

圖3-4m序列所需模塊

在圖3-2中繪制框圖，繪制好的框圖如圖3-5所示：

圖3-515級(jí)m序列的繪制

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（2）在含噪信道中傳輸過(guò)程的繪制

選出此過(guò)程稱(chēng)所要用到的模塊，包括：高斯噪聲模塊、抽樣判決器、示波器。如圖3-6所示。

圖3-6信號(hào)在含噪信道傳輸過(guò)程中需要用到的模塊

把加m序列與高斯噪聲相加，表示送入含噪信道。從加法器輸出的信號(hào)由于參與了噪聲，因此會(huì)存在一定程度的干擾，這時(shí)為了最大程度的減小噪聲的干擾，應(yīng)在加法器后加一個(gè)抽樣判決器，用中間電平值代替實(shí)際電平，參與噪聲過(guò)程如圖3-7所示：

圖3-7信號(hào)在含噪信道中傳輸

接著，對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行抽樣判決，把抽樣判決后的信號(hào)與同樣的15級(jí)m序列（與加密所用的m序列初值應(yīng)一致）進(jìn)行異或運(yùn)算，即相當(dāng)于將輸出信號(hào)與原信號(hào)進(jìn)行比較，如圖3-8所示：

圖3-8輸出信號(hào)與輸入信號(hào)比較模塊圖

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（3）誤碼率測(cè)量和控制部分的繪制

選出此過(guò)程稱(chēng)所要用到的模塊，包括：數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換器、誤碼率測(cè)試器模塊、顯示器，如圖3-9所示。其中，數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換模塊是把數(shù)據(jù)類(lèi)型由boolean轉(zhuǎn)換成double型；誤碼率計(jì)算模塊即是計(jì)算出輸入兩端的數(shù)字信號(hào)的誤碼率；顯示器是用來(lái)顯示誤碼率大小。

圖3-9誤碼率測(cè)試部分用到的模塊

誤碼率計(jì)算部分的模型圖如圖3-10所示。首先，進(jìn)行數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換。由于原輸入m序列信號(hào)和通過(guò)信道后輸出的數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)類(lèi)型都是boolean，而誤碼率計(jì)算模塊的輸入應(yīng)是double型的，所以需要參與一個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換器，通過(guò)它輸出的數(shù)據(jù)類(lèi)型就是double型的。

然后便把轉(zhuǎn)換過(guò)數(shù)據(jù)類(lèi)型的兩路數(shù)字信號(hào)分別與誤碼率計(jì)算器模塊的兩個(gè)輸入端相連，再把計(jì)算出的誤碼率輸出到一個(gè)顯示器上。

最終，由于信號(hào)在經(jīng)過(guò)傳輸以后有可能出現(xiàn)延時(shí)現(xiàn)象，而誤碼率計(jì)算器是一對(duì)對(duì)碼元分別輸入進(jìn)行比較的，那么若有延時(shí)，則誤碼率增大好多，因此查看系統(tǒng)是否有延時(shí)必不可少。在經(jīng)過(guò)finddelay模塊后同樣接一個(gè)顯示模塊，把延時(shí)個(gè)數(shù)顯示出來(lái)，再作為依據(jù)設(shè)置誤碼率計(jì)算模塊的延時(shí)接收參數(shù)。

圖3-10誤碼率測(cè)量部分框圖

（4）總體整合框圖

把三個(gè)部分的電路級(jí)框圖按順序連好，在需要觀測(cè)數(shù)字信號(hào)波形的地方加上示波器以觀測(cè)波形變化和誤碼變化，得到圖3-11。

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圖3-11總體框圖

4

模塊仿真及分析

4.1模塊參數(shù)設(shè)置

電路級(jí)框圖完成后，需要對(duì)每個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置，這樣仿真出的結(jié)果才更加正確、合理。（1）m序列參數(shù)設(shè)置

延時(shí)單元的設(shè)置如圖4-1所示，所有延時(shí)單元的sampletime都取“1〞，表示延時(shí)一個(gè)時(shí)間間隔，而Initialconditions表示所給的初值，此項(xiàng)設(shè)置為：從第一到第十三個(gè)延時(shí)單元初值都為“0〞。而第十四和第十五個(gè)延時(shí)單元初值為“1〞。接收端同步信號(hào)時(shí)用到的m序列同樣進(jìn)行此步的設(shè)置，且對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置與輸入時(shí)的一致。

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圖4-1延時(shí)單元參數(shù)

（2）噪聲信號(hào)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置

雙擊高斯噪聲信號(hào)模塊，出現(xiàn)如圖4-2的窗口，此時(shí)將Variance設(shè)置為0，以便產(chǎn)生無(wú)噪信道。

圖4-2噪聲信號(hào)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置

（3）示波器參數(shù)設(shè)置，如圖4-3所示：

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F=0.5/10^(0.1*x(i));sim('G:\\m2023.mdl');y(i)=ErrorVec(1);end

semilogy(x,y)

xlabel('信噪比');ylabel('誤碼率Pe');title('誤碼率曲線圖');grid;

再在信號(hào)的整體框圖中做以下修改：

①高斯噪聲模塊的參數(shù)Variance窗口中改為F；

②誤碼率計(jì)算ErrorRateCalculation中的OutputDate設(shè)置為Workspace。保存以上修改。

保存好M文件后，單擊M文件窗口中的

圖標(biāo)運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果生產(chǎn)圖如4-12所示：

圖4-12誤碼率曲線圖（1）

分析：由于信噪比與噪聲功率關(guān)系為：噪聲功率增加，信噪比減小；又由于噪聲功率增

加，誤碼率也增加。因此誤碼率增加，信噪比減??；或者信噪比增加，誤碼率減小。由圖4-12可知，該曲線符合相關(guān)理論，但曲線不光滑，為了更明顯說(shuō)明問(wèn)題，所以要繼續(xù)修改。

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將Simulationstoptime作以下修改，如圖4-13

圖4-13Simulationstoptime參數(shù)修改圖

再次運(yùn)行，結(jié)果如圖4-14所示：

圖4-14誤碼率曲線圖（1）

由仿真所得的誤碼率曲線圖4-14可以看出，該曲線符合相關(guān)理論，誤碼率隨信噪比增加而減小，同時(shí)也說(shuō)明白信號(hào)在信道中傳輸會(huì)受到噪聲的干擾而使接受端受到錯(cuò)誤信息，所以在實(shí)際應(yīng)用中，我們?cè)O(shè)計(jì)好信道，盡量減少噪聲的干擾。

5出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法

在本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了不少問(wèn)題，不過(guò)通過(guò)自己的努力摸索，以及在老師和同學(xué)的幫助下都一一解決了，總結(jié)如下：

首先，由于對(duì)m序列不是很了解，不知道它的哪個(gè)特征多項(xiàng)式是能產(chǎn)生m序列的，后來(lái)通過(guò)看書(shū)和查找相關(guān)資料得知：一個(gè)線性反饋移存器能產(chǎn)生m序列的充要條件為：反饋移存器的特征方程為本原多項(xiàng)式。而且一般的n級(jí)m序列的本原多項(xiàng)式都可以查表

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可知。

其次，在仿真及生成曲線時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法：

（1）運(yùn)行后如示波器沒(méi)有出現(xiàn)完整波形或波形不明了等，可以點(diǎn)擊scope菜單欄的

圖標(biāo)，再單擊右鍵，選擇Axesproperties即可出現(xiàn)明了波形。

（2）在整個(gè)仿真過(guò)程中，各模塊的參數(shù)設(shè)置十分重要，一定要設(shè)置適合的參數(shù)，才會(huì)得出所需要的信號(hào)。

（3）修改示波器參數(shù)時(shí)，title不能為中文名，否則將出錯(cuò)，用英文字母表示即可。（4）若出現(xiàn)波形很差，可以把修正因子（默認(rèn)為1）加大，具體步驟為選擇模型菜單中的“Simulink|configurationparameters|Dataimport/export〞修改Decimation中數(shù)據(jù)，可加大。

(5)生成誤碼率曲線時(shí)若高斯噪聲模塊參數(shù)的沒(méi)有修改，則誤碼率曲線是一條直線；但將Variance改為F時(shí)，運(yùn)行即可完成。

解決了上述問(wèn)題后，就能順利完成設(shè)計(jì)任務(wù)了。

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數(shù)字傳輸系統(tǒng)誤碼率測(cè)試器的MATLAB實(shí)現(xiàn)及性能分析

終止語(yǔ)

通過(guò)這兩周的通信原理課程設(shè)計(jì)實(shí)踐，它使我加深了對(duì)課堂知識(shí)的理解，更加熟

悉了MATLAB里的Simulink工具箱，重溫了模擬調(diào)制系統(tǒng)和相干解調(diào)等知識(shí)，同時(shí)把握了一般的課程設(shè)計(jì)的基本思路和方