基于MATLAB的通信系统信道编码的研究及其仿真

本科毕业设计论文
题目：基于MATLAB的通信系统信道编码的研
究及其仿真
所在系：电气与信息工程系
专业：电子信息工程
班级：学号
学生姓名：
指导老师：
摘要
论文题目：基于MATLAB的通信系统信道编码的研究及仿真
学科专业：电子信息工程
姓名：班级：电信学号：指导教师：
摘要
现代社会发展要求通信系统功能越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂:另一方面，要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期，降低成本，提高水平。

这样尖锐对立的两个方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。

现代计算机科学技术快速发展，已经研发出了新一代的可视化的仿真软件。

这些功能强大的仿真软件，使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。

通信系统仿真贯穿着通信系统工程设计的全过程. 对通信系统的发展起着举足轻重的作用。

通信系统仿真具有广泛的适应性和极好的灵活性，有助于我们更好地研究通信系统性能。

本文首先介绍了通信系统仿真的墓本内容，包括通信系统仿真的一般步骤MATLAB中的一种可视化仿真工具Simulink 以及S-函数的相关概念。

从理论上对通信系统进行深入细致的研究是非常必要的。

本文对通信系统中的一些重要环节，包括信道、噪声、模拟信号的数字化传输、信道编码以及信号调制的原理、方法和过程进行了详细的阐述。

理论知识是用来指导具体实践的。

本文在深刻理解通信系统理论的基础上利用MATLAB强大的仿真功能，设计了许多具体的通信系统仿真模型。

在仿真模型设计过程中，本文对模型设计的目的、具体的结构组成、仿真流程以及仿真结果都给出了具体详实的分析和说明。

最后,本文对所做的研究工作进行了总结，并且提出了今后的工作和研究方向。

关键词：通信系统，仿真，MATLAB. S-函数，系统设计
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ABSTRACT
Title: The communications system based on MATLAB simulation research and channel coding
Applicant: Li Jie
Speciality: Electronic information project
ABSTRACT
Modern social development requirements will increasingly communication system, performance and high, more and more complex, on the other hand, the requirement communication system technology research and product development and shorten the cycle, reduce cost, improve level. So sharp opposition in two aspects, only through the use of powerful computer aided analysis and design techniques and tools to achieve. The modern computer science and technology development, have developed a new generation of visual simulation software. These powerful simulation software, communication system design and analysis of the simulation process relatively intuitive and convenient, which also makes communication system simulation technology faster development. Communication system simulation through the communication system design process of the development of communication system. Plays an important role. Communication system Simulation has extensive adaptability and good flexibility and help us to better research communications system performance. This paper introduces the system simulation of the content, including the communication system of general steps of MATLAB simulation of a visualization simulation tools and Simulink related concepts - function. From the theory of communication system intensive study is very necessary. This paper is an important link of some of the communication system, including channel simulation signal and noise, the digital transmission, channel coding modulation signal and the principle, method and process in detail. Knowledge is used to guide practice. Based on the profound understanding of the communication system based on the theory of MATLAB simulation, the design of the function of many specific communication system simulation model. In the design process simulation model, this model is designed, specific structure, simulation process and the simulation results are given detailed analysis and explanation. Finally, this paper studies are summarized, and working for the future work and puts forward research direction.
KEY WORDS: communication system, simulation of MATLAB. S - function, system
design
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目录
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (III)
1 绪论 (1)
1.1选题意义 (1)
1.2 选题目的 (2)
1.3 国内外研究现状 (2)
1.4 主要研究内容及技术方法 (2)
1.5研究课题的方案设计 (3)
2 通信原理及通信系统仿真简介 (5)
2.1 通信发展及趋势 (5)
2.1.1 通信发展史简介 (5)
2.2 通信的基本概念 (6)
2.3 通信系统仿真及其重要作用 (7)
2.3.1 通信系统仿真的概念 (7)
2.3.2 通信系统仿真的重要作用 (8)
3 通信系统仿真相关内容概述 (11)
3.1 通信系统仿真的一般步骤 (11)
3.1.1 仿真建模 (11)
3.1.2 仿真实验 (11)
3.1.3 仿真分析 (12)
3.2 用于仿真的软件 (12)
3.2.1 MATLAB (12)
3.2.2 MATLAB的发展及特点 (13)
3.2.3 MATLAB在通信仿真中的应用 (14)
3.3 SIMULINK (15)
3.3.1 Simulink概述 (15)
3.3.2 Simulink仿真过程 (19)
3.4 S-函数 (20)
4 通信系统信道编码的研究及仿真 (23)
4.1 信道编码概念 (23)
4.1.1 信道编码概念及任务 (23)
4.2 信道编码的分类 (23)
4.2.1分组编码 (23)
4.2.2循环冗余码 (24)
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4.2.3卷积编码 (24)
4.3仿真系统设计 (25)
4.3.1 RS编码纠错性能分析 (25)
4.3.2 CRC-16编码检错性能分析 (32)
4.3.3卷积编码软判决译码和硬判决译码性能分析 (40)
5.1 总结 (49)
5.2展望 (49)
致谢 (51)
参考文献 (53)
1 绪论
1 绪论
1.1选题意义
随着现代通信系统的飞速发展,计算机仿真已成为今天分析和设计通信系统的主要工具,在通信系统的研发和教学中具有越来越重要的意义。

仿真是衡量系统性能的工具,它通过仿真模型的仿真结果来判断原系统的性能从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。

通过仿真,可以降低新系统失败的可能性,消除系统中潜在的瓶颈,防止对系统中某些功能部件造成过盈的负载,优化系统的整体性能,因此,仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。

而这些功能强大的仿真软件，使得通信系统的仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。

Simulink 是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它让用户把精力从编程转向模型的构造，为用户省去了许多重复的代码编写工作；Simulink 的每个模块对用户而言都是透明的，用户只须知道模块的输入、输出以及模块的功能，而不必管模块内部是怎么实现的，于是留给用户的事情就是如何利用这些模块来建立模型以完成自己的仿真任务；至于Simulink 的各个模块在运行时是如何执行，时间是如何采样，事件是如何驱动等细节性问题，用户可以不去关心，正是由于Simulink 具有这些特点，所以它被广泛的应用在通信仿真中。

通信领域中的仿真更是一个非常重要的课题。

所谓的通信系统实则是一个非常庞大复杂的系统，在这个系统中信道编码起着至观重要的作用，信道编码的实质是在信息码中增加一定数量的多余码元(称为监督码元)，使它们满足一定的约束关系，这样，由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字。

一旦传输过程中发生错误，则信息码元和监督码元间的约束关系被破坏。

在接收端按照既定的规则校验这种约束关系，从而达到发现和纠正错误的目的。

信息通过信道传输，由于物理介质的干扰和无法避免噪声，信道的输入和输出之间仅具有统计意义上的关系，在做出唯一判决的情况下将无法避免差错，其差错概率完全取决于信道特性。

因此，一个完整、实用的通信系统通常包括信道编译码模块。

视频信号在传输前都会经过高度压缩以降低码率，传输错误会对最后的图像恢复产生极大的影响，因此信道编码尤为重要。

如果对通信系统作出的任何改变(如改变某个参数的设里、改变系统的结构等)都可能影响到整个系统的性能和稳定。

因此，在对原有的通信系统作出改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真。

通过仿真结果衡量方案的可行性，
从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中，这个过程就是通
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信系统仿真。

通信系统复杂度的提高使得用来分析和设计系统的时间和精力也相应提高了，然而在商用产品中引入新技术要求设计能做到短时、高效、省力，而这些要求只有通过使用强大的计算机辅助分析和设计工具才能实现。

所以，通信系统仿真在通信系统工程设计中起着举足轻重的作用。

1.2 选题目的
通过对通信系统信道编码的研究与仿真，能够对信道编码中的分组编码、循环冗余码、卷即编码的工作原理有一个比较深刻的认识和了解。

同时也对数字通信系统有一个较为全面的了解。

以及通过对MATLAB中Simulink软件的学习，能够熟练的掌握该软件在通信系统中的用途，使之很好的与通信课程的学习相结合。

1.3 国内外研究现状
计算机辅助分析和技术发展十分迅速，出现了大量的仿真软件于工具，并在建模，分析与设计中得到了较为广泛的应用，使得通信系统仿真发展很快。

计算机辅助分析技术主要有两大类：一是基于公式的方法，用计算机计算复杂的公式；二是用计算机仿真系统的信号波形，即波形级仿真。

通信系统仿真已经应用到了通信系统工程设计的各个阶段。

无论是从早期的概念设计，还是实现，使用，测试各个阶段。

在概念定义阶段,通信系统仿真获得顶层指标；在接下来的设计和研发中，通信系统的仿真确定硬件研发的指标，检验已完成子系统对整个系统性能的影响；在运行阶段，通信系统仿真可以用来确定解决问题的方法；通信系统的仿真还可以用来预测系统使用的寿命。

现代计算机软硬件技术的快速发展，新一代的可视化的仿真软件的使用使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，推动了通信系统仿真的快速发展。

1.4 主要研究内容及技术方法
现代社会发展要求通信系统功能越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂；另一方面，要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期，降低成本，提高水平。

这样尖锐对立的两个方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。

通信系统仿真贯穿通信系统工程设计的全过程，对通信系统的发展起着举足轻重的作用。

本文主要在理论上介绍了通信系统仿真步骤的相关内容以及MATLAB中的一般可视化工具SIMULINK以及S-函数的相关概念，详细阐述了通信系统中的信道编码。

在理解
1 绪论
理论的基础上，利用MATLAB的强大的仿真功能，设计了具体的通信系统模型。

此软件是基于对软件的认识和学习。

因此，在设计过程中，只有掌握MATLAB中Simulink的用法，才能更好的做到理论与实践的结合。

1.5 研究课题的方案设计
此设计是用Simulink软件仿真通信系统信道编码的过程，在仿真系统模型中观察各种信道编码方式的效果。

在研究过程中，首先分析通信系统信道编码中存在的问题或者设立系统改造的目标，将这些问题和目标转化成数学变量和公式，从而获取实际通信系统信道编码中的各种相关参数等。

同时，对一些随机变量进行数据采集，通过数学工具来分析其分布特性。

通过Matlab/Simulink软件进行仿真建模，并在实验中多次改变信道编码的数据，观察，分析模型对输入信号的反应以及其表现性能。

在已经获取足够多的关于系统性能的信息之后，再经过对数值的分析和处理，获取衡量系统性能的尺度，并通过图表等比较直观、明了的说明工具，对所建仿真系统的性能做出总体的评价。

在现代社会发展中，人们对通信系统功能的要求及性能越来越高，以及它的构成越来越复杂，并且随着通信系统技术研究和产品开发周期的缩短、成本的降低、水平的提高，这两方面要求的不断升级，对通信系统中的信道编码进行研究及其仿真有着及其深远的意义，同时对通信系统的发展也起着举足轻重的作用.
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2 通信原理及通信系统仿真简介
2 通信原理及通信系统仿真简介
2.1 通信发展及趋势
2.1.1 通信发展史简介
远古时代,远距离的传递消息是以书信的形式来完成的,这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。

为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息,人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。

1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。

1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。

1876年贝尔发明了电话,利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既迅速又准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。

1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。

20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。

在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。

数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。

2.2.2 数字通信的发展现状和趋势
进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。

特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。

（1）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。

（2）移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。

（3）光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。

（4）电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。

（5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。

随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。

随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。

到那时人们的生活将越来越离不开通信。

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2.2 通信的基本概念
通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。

消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图象等都是消息(Message)。

消息有模拟消息（如语音、图象等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。

所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。

所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。

相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。

数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。

通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者)。

通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。

模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图2-1所示。

图2-1 模拟通信系统
图2-1所示中，调制器与解调器成对出现，起逆变换作用当信源发出连续信号时，调制器调高复用频率，对应的解调器则恢复出原较低的频率，送到信宿。

数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图2-2所示。

2 通信原理及通信系统仿真简介
图2-2 数字通信系统
图2-2所示中，编码器与解码器也必须成对出现。

如果编码器是“模/数”转换器，则解码器应是“数/模”转换器；如果编码器是对离散信号起数字编码作用，则解码器应是对离散符号起翻译作用。

数字通信系统模型相对于模拟通信系统来说，数字通信系统明显的优越性是抗干扰性强、保密性好，且数字电路易于集成、缩小体积，所以现代通信越来越多地青睐数字通信系统。

2.3 通信系统仿真及其重要作用
2.3.1 通信系统仿真的概念
仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来判断原系统的性能从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。

通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，防止对系统中某些功能部件造成过盈的负载，优化系统的整体性能，因此，仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。

实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统作出的任何改变(如改变某个参数的设里、改变系统的结构等)都可能影响到整个系统的性能和稳定。

因此在对原有的通信系统作出改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真。

通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中，这个过程就是通信系统仿真[5]。

通信系统仿真可以分成离散事件仿真和连续事件仿真。

在离散事件仿真中，仿真系统只对离散事件做出反应，而在连续事件仿真中，仿真系统对输入信号产生连续的输出信号。

离散事件仿真是对实际通信系统的一种简化，它的仿真建模比较简单，整个仿真过程需要花费的时间也比连续仿真少。

虽然离散事件仿真舍弃了一些仿真细节，在有些场合显得不够具体，但仍然是通信系统仿真的主要形式。

与一般的仿真过程类似，在对通信系统实施仿真之前，首先需要研究通信系统的
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特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型。

图2-3是关于通信系统仿真流程的一个示意图。

从图中可以看到，通信系统仿真是一个循环往复的过程，它从当前系统出发，通过分析建立起一个能够在一定程度上描述原通信系统的仿真模型，然后通过仿真实验得到相关的数据。

通过对仿真数据的分析可以得到相应的结论，然后把这个结论应用到对当前通信系统的改造中。

如果改造后通信系统的性能并不像仿真结果那样令人满意还需要重新实施通信系统仿真，这时候改造后的通信系统就成了当前系统，并且开始新一轮的通信系统仿真过程。

图2-3 通信系统仿真的流程
值得注意的是，在整个通信系统的仿真过程中，人为因素自始至终起着相当重要的作用。

除了仿真程序的运行之外，通信系统的每个步骤都需要进行人工干预，由人对当前的情况做出正确的判断。

因此，通信系统仿真并不是一个机械的过程，它实际上是人的思维活动在计算机协助下的一种延伸。

2.3.2 通信系统仿真的重要作用
在过去的几十年里，通信和信号处理系统的复杂程度显著地提高了。

与此同时出现了一系列新的技术，如用于数字信号处理的价格不高但速度很快的硬件、光纤光学器件、集成光学设各和单片微波集成电路，这些对通信系统的实现均有重要影响。

通信系统复杂度的提高使得用来分析和设计系统的时间和精力也相应提高了，然而在商用产品中引入新技术要求设计能做到短时、高效、省力，而这些要求只有通过使用强
2 通信原理及通信系统仿真简介
大的计算机辅助分析和设计工具才能实现。

所以，通信系统仿真在通信系统工程设计中起着举足轻重的作用1
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3 通信系统仿真相关内容概述
3 通信系统仿真相关内容概述
3.1 通信系统仿真的一般步骤
通信系统仿真一般分成3个步骤，即仿真建模、仿真实验和仿真分析。

应该注意的是，通信系统仿真是一个螺旋式发展的过程，因此，这3个步骤可能需要循环执行多次之后才能够获得令人满意的仿真结果。

3.1.1 仿真建模
仿真建模是根据实际通信系统建立仿真模型的过程，它是整个通信系统仿真过程中的一个关键步骤，因为仿真棋型的好坏直接影响着仿真结果的真实性和可靠性。

仿真模型一般是一个数学模型。

数学模型有多种分类方式，包括确定性模型和随机性模型，静态模型和动态模型。

确定性模型的输入变量和输出变量都有固定数值，而在随机模型中，至少有一个输入变量是随机的。

静态模型不需要考虑时间变化因素，动态模型的输入输出变量则需要考虑时间变化因素。

一般情况下，通信系统模型是一个随机动态系统。

在仿真建模过程中，首先需要分析实际系统存在的问题或设立系统改造的目标。

并且把这些问题和目标转化成数学变量和公式。

例如，我们可以设定改造后系统或新系统在达到系统最大容量时的误帧率等等。

有了这些具体的仿真目标之后，下一步是获取实际通信系统的各种运行参数，如通信系统占用的带宽及其频率分布，系统对于特定的输入信号产生的输出等。

同时，对于通信系统中的各个随机变量，可以采集这些变量的数据，然后通过数学工具来确定随机变量的分布特性。

有了上面的准备工作，下一步就可以通过仿真软件来建立仿真模型了。

最简单的工具是采用C语言等编程工具直接编写仿真程序，这种方法的优点是效率高，缺点是不够灵活，没有一个易于实现的人机交互界面，比较常用的是仿真软件，包括MATLAB、OPNET. NS2等，这些软件具有各自不同的特点J适用于不同层次的通信系统仿真。

3.1.2 仿真实验
仿真实验是一个或一系列针对仿真模型的测试。

在仿真实验过程中，通常需要多次改变仿真模型输入信号的数据，以观察和分析仿真模型对这些输入信号的反应，以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能。

需要强调的一点是，仿真过程中使用的输入数据必须具有一定的代表性，即能够从各个角度显著地改变仿真输出信号的数值。

实施仿真之前需要确定的另外一个因素是性能尺度。

性能尺度指的是能够衡量仿真过程中系统性能的输出信号的数值〔或根据输出信号计算得到的数值)，因此，在实施仿真之前，首先需要确定仿真过程中应该收集哪些仿真数据，这些数据以什么样的。