基于matlab的差错控制技术仿真本科毕业论文

基于matlab的差错控制技术仿真本科毕业论文内容摘要：

................................................................................ 32 参考文献 ................................................................................................................... 33 致 谢 ....................................................................................................................... 34 毕业设计（论文）知识产权声明 ................................................................... 35 毕业设计（论文）独创性声明 ........................................................................ 36 附录 1 二进制线性分组码的差错控制仿真流程图 ................................. 37 附录 2 二进制循环码的差错控制仿真流程图 .......................................... 38 附录 3 相关绘图程序 .......................................................................................... 39 1 绪论 1 1 绪论 综述 通信过程中，在实际信道上传输数字信号时，由于信道传输特性不理想以及加性噪声的影响，导致接收端所收到的数字信号不可避免地会发生一些随机性的错误。 为了能够在已知信噪比的情况下达到一定的比特误码率指标，首先应该合 理的设计基带信号，选择调制解调方式，来使比特误码率尽可能降低。 而实际上，在许多通信系统中的比特误码率并不能够满足实际的需求。 保证通信中较低信噪比情况下的数据无误传输，提高通信的有效性和可靠性显得越来越重要 [1]。 此时则必须采用有效的信道编码 ,即差错控制编码才能够将比特误码率进一步的降低，以满足系统的要求。 题目背景 近些年来，通信增值业务得到迅速发展，保证通信中较低信噪比情况下的数据无误传输，提高通信的有效性和可靠性显得越来越重要。 差错控制技术对于提高通信系统的传输可靠性，降低通信设备的发射功率和减 小体积具有重要意义，随着数字通信的发展与电子计算机的广泛应用，差错控制编码日益受到人们的重视并取得迅速发展，因而在通信系统发达的今天，差错控制技术已经广泛的应用于卫星通信系统，移动通信系统，数据存储等各种数字通信方面，它对保证信息传输的可靠运行起着重要作用。 以差错控制技术，实现对信道传输数据进行纠错编码，在现有的通信系统和将来的新型通信系统数据传输中进行有效差错控制是一种必然的趋势，可以预见，在寻求一种在较低信噪比情况下具有强大纠错能力的差错控制技术是我们急待解决的课题。 课题研究意义 由于在 信道传输中存在多种干扰因素，严重影响数据传输性能，因此，如何在信道中实现可靠有效的通信成为业界非常关注的问题，而对差错控制技术的研究正是实现更佳的可靠性，有效性的最佳方法之一。 差错控制编码技术广泛应用于通信系统 .在通信系统中应用差错控制编码不仅可给系统提供很高的可靠性和传输稳定性 ,而且编码增益的提高对于降低发射机功率和个人移动终端的体积都具有重要意义 ,特别是对低功率受限的卫星信道 [2]。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 2 国内外相关研究情况 目前，利用差错控制技术降低各类数字通信系统以及计算机存储和计算系统中的误码率，提高通信质量，在 西方国家中已经作为一门标准技术而广泛应用，而且差错控制技术还应用于超大规模集成电路中，以提高集成电路芯片的成品率 [3]，不仅如此，差错控制技术中的许多译码思想和方法，可以解决神经网络 [4]中的一些问题，差错控制技术方兴未艾，当然差错控制技术还存在一些现实的问题，以目前世界范围内研究最热门的随机码为例，由于随机码的算法非常复杂，随机性的可靠度不高，随即交织器的实现难度大，使随机码在通信系统中应用存在成本过高，稳定性不够，无法大规模的普及等问题，而此类问题正是国际研究的热点方向，有待在今后的研究中进一步加以解决。 本文主要研究工作 差错控制编码基本的实现方法是在发送端要被传输的信息上附加上一些监督码元，这些多余的码元与信息码元之间以某种的确定规则相互关联约束。 在接收端按照既定之规则校验信息码元和监督码元之间的关系，一旦传输途中发生差错，会导致信息码元与监督码元之间的关系受到破坏，进而接收端可以发现错误乃至纠正错误。 因此，研究各种的编码和译码的方法是差错控制编码所需要解决的问题。 编码涉及到的内容也比较广泛，前向纠错编码（ FEC）、普通线性码、线性分组码（汉明码、循环码）、理德－所罗门码（ RS 码）、 BCH 码、 FIRE 码、交织码，卷积码、 TCM 编码、 Turbo 码等都是差错控制常用编码。 本文只对其中的线性分组码、线性循环码做以介绍，并对相关内容进行仿真。 先分别进行线性分组码编码与循环码编码的基于 Matlab 系统仿真，分别得到最终的误码率曲线图，进行单一变量的两次对比，分别是未经过差错控制编码 [5]的系统传输比特差错率与经过差错控制编码的系统传输比特差错率，经过线性分组码编码的系统传输比特差错率与经过线性循环码编码的系统传输比特差错率的数据比较，由此以来可以得出结果：在信号传输过程中经过差错控制编码 后的信道比特差错率会有明显的下降，即差错控制编码技术对于提高通信系统的传输可靠性具有重要意义；不同的差错控制编码方式会产生不同的差错可控效果，选择一种有效的编码方式对于提高数通信系统的传输可靠性至关重要。 2 相关技术介绍 3 2 相关技术介绍 差错控制技术 差错控制的基本方式 a. 检错重发方式 （ ARQ）。 采用检错重发方式，发端经编码后发出能够发现错误的码，接收端收到后经检验如果发现传输中有错误，则通过反向信道把这一判断结果回馈给发送端。 然后，发送端把信息重发一次，直到接收端确认为止。 采用这种差 错控制方法需 要具备双向信道 ，一般在计算机数据通信中应用。 检错重发方式分为三种类型： (1) 停发等待重发，发对或发错，发送端均要等待接收端的回应。 特点是系统简单，时延长； (2) 返回重发，无 ACK 信号，当发送端收到 NAK 信号后，重发错误码组以后的所有码组，特点是系统较为复杂，时延减小； (3) 选择重发，无 ACK 信号，当发送端收到 NAK 信号后，重发错误码组，特点是系统复杂，时延最小。 b. 前向纠错方式（ FEC）。 发送端经编码发出能纠正错误的码，接收端收到这些码组后，通过解 码能发现并纠正误码。 前向纠错方式 不需要回馈通道 ，特别适合只能提供单向通道的场合，特点是时延小，实时性好，但系统复杂。 但随着编码理论和微电子技术的发展，编译码设备成本下降，加之有单向通信和控制电路简单的优点，在实际应用中日益增多。 c. 混合纠错检错方式（ HEC）。 混合纠错检错方式是 前向纠错方式和检错重发方式的结合 ，发送端发出的码不但有一定的纠错能力，对于超出纠错能力的错误要具有检错能力。 这种方式在实时性和复杂性方面是前向纠错和检错重发方式的折衷 ，因而在近年来，在数据通信系统中采用较多。 d. 回馈校验方式（ IRQ）。 回馈校验方式 (IRQ)又称回程校验。 收端把收到的数据序列全部由反向信道送回发送端，发送端比较发送数据与回送数据，从而发现是否有错误，并把认为错误的资料重新发送，直到发送端没有发现错误为止。 优点：不需要纠错、检错的编译器，设备简单。 缺点：不仅需要反向信道；而且实时性会比较差；在发送端需要一定容量的内存。 (IRQ)方式仅适用于于传输速率较低、数据差错率较低的控制简单的系统中。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 4 差错控制编码 通常差错控制技术包括两个主要内容：差错的检查和差错的纠正。 差错检测 通常是通过差错控制编码来实现的，而差错纠正是通过差错控制的方法来实现的。 差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正错误，将差错限制在尽可能小的允许范围内。 差错控制的基本思想是在发送端根据要传输的数据序列，按一定的规律加入多余码元，即附加一些监督码元，这些多余的码元与信息码元之间是以某种确定的规则相互关联的，使原来不相关的数据序列变成相关的，即编码 [6]。 传输时将多余码元和信息码元一并传送。 接收端根据信息码元和多余码元（监督码元）之间的规则进行检验，即译码，根据译码结果进行错误检测，一旦传输过程中发 生错误，信息码元与监督码元之间的关系将受到破坏，从而发现错误乃至纠正错误。 当发现错误时，或者通过反馈信道要求发送方重发有错的数据，或者由接收端的译码器自动将错误纠正。 多余码元为监督码元，根据信息码元产生监督码元的方法叫差错控制编码。 差错控制编码的分类 a. 按照差错控制编码的不同功能，可以分为检错码（仅能检测误码）、纠错码（仅可以纠正误码）和 纠删码 （兼有纠错和检错功能）。 b. 按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系可以分为线性码（信息码元和监督码元满足一组线性方程式）和非线 性码。 c. 按照信息码元和监督码元之间的约束关系可以分为分组码和卷积码。 分组码中，码元序列每 n 位分成一组，其中 k 个是信息码元， r=nk 个是监督码元，监督码元仅与本组的信息码元有关。 卷积码中，编码后序列也编为分组，但监督码元不仅与本组信息码元有关，还与前面码组的信息码元有关。 d. 按照纠正错误的类型不同，可以分为纠正随机错误的码和纠正突发错误的码。 e. 按照构成差错控制编码的数学方法来分类，可以分为代数码、几何码和算术码。 其中代数码建立在近代数学基础上，是目前发展最为完善的编码 ，其中线性码是是代数码的一个最重要的分支。 f. 按照每个码元的取值不同，可以分为二进制代码和多进制码。 差错控制编码的 基本原理 纠错编码：对原来的信息代码重新编写，根据需要增加一些监督码，使在输出端能够识别出错码。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 5 分组码的结构：将信息码分组，为每组信息码附加若干监督码的编码称为分组码。 在分组码中，监督码元仅监督本码组中的信息码元。 分组码结构图如图。 图 分组码的基本结构 分组码的符号： (n, k)码中 n 表示码组的总位数，称为码组长度（码长）， k表示码组中信息码元的数目， nk=r 表示码组中的监督码元数目，或称监督位数目。 线性分组码 线性分组码基本概念 所谓线性码就是码字集中的元（码字）之间的任意线性组合仍然是合法的码字，即是线性组合运算封闭的码字集。 线性分组码是一类奇偶校验码，它可以由（ n， k）形式表示 ， 编码器将一个 k 比特信息分组（信息矢量）转变为一个更长的由给定元素符号集组成的 n比特编码分组 ， 当这个符号集包含两 个元素（ 0 和 1），与二进制相对，称为二进制编码。 分组码是对每段 k 位长的信息组 ， 以一定规则增加 r = n k 个检验元，组成长为 n 的序列：  0121 , cccc nn  ，称这个序列为码字。 在二进制情况下，信息组总共有 k2 个 ( q 进制为 kq 个 ) ，因此通过编码器后，相应的码字也有 k2 个 ， 称这 k2 个码字集合为 ( n , k) 分组码。 n 长序列的可能排列总共有 n2 种。 称被选取的 k2 个 n 重为许用码组，其余 kn 22  个为禁用码组。 对于长度为 n 的二进制分组码，可以表示成（ n， k）， 通常用于前向纠错。 在分组码中，监督位加到信息位之后，形成新码，在编码中， k 个信息位，被编为 n 位长度，（ nk）个监督码的作用是实现检错和纠错。 1na 2na  ra 1ra  0a k 个信息位 r 个监督位 码长 n=k+r 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 6 线性分组码编码原理 线性码是一种分组码，而线性分组码的编码过程可以分为以下两个步骤： 首先，把信息序列按照一定的长度分割成为若干信息码组，每组由 k 位组成；然后，编码器按照既定的由线性方程组规定的线性规则，将信息码组变换成为 n（ nk）重码字，其中 r=nk 个附加码元是线性运算产生的。 在编码的过程中，首先将数据每 k 个比特分为一组，记作 m，成为信息组。 然后将 长度为 k 的信息组进行映射运算，即编码。 可以得到一个 n 比特构成的码字 iC ，这样的分组码成为（ n,k）码。 分组码的一个重要特性就是它的码元仅与当前编码的。