卷积编码在移动通信中的应用及性能分析

江西师范大学2012届本科毕业设计题目：卷积编码在移动通信中的应用及性能分析Title:Convolutioncodeinmobilecommunicationapplicationandperformanceanalysis院系名称：物理与通信电子学院学生姓名：秦铭森学生学号：0808060349专业：通信工程指导老师：柯强完成时间：2011年4月I摘要卷积码是由伊利亚斯发明的一种非分组码，适用于前向纠错。卷积编码是一种性能优越的信道编码，它的编解码都相对简单，运算也相对简单，并且纠错能力也很强，随着卷积编码的发展与完善，卷积编码在移动通信中的实际应用越来越广泛。在移动通信中，基于CDMA的IS-95标准是第二代移动通信系统中的两大技术标准体制之一，经过不断修改形成了一系列IS-95系统并得到广泛应用。本文简单介绍了卷积编码的编解码原理以及IS-95系统的基本知识。在SIMULINK模块设计中，以系统IS-95移动台发射机为例设计卷积编码的编解码过程并进行仿真，最后对仿真结果进行数据分析，并得出卷积编码性能特点的结论。关键词：卷积码，编解码，IS-95系统，SIMULINKIIAbstractConvolutioncodeisinventedbyP.Elias,it’sakindofgroupcode,andit’ssuitableforpriortotheerrorcorrection.Convolutioncodingisachannelencodingwhichissuperiorinperformance,anditsencodinganddecodingarerelativelysimple,anditsoperationisrelativelysimpleanditscapabilityofcorrectingErrorisstrongaswell.Withitsdevelopmentandperfectiontheconvolutionencodingisincreasinglypopularinthepracticalapplicationofmobilecommunication.InmobilecommunicationasuccessionofIS-95systemwasformedviacontinuousmodificationandhasbeenwidelyusedbecausethestandardofIS-95ofCDMAisoneofthetwomaintechnicalstandardsinsecond-generationmobilecommunicationsystem.ThispapersimplyintroducestheprinciplesofencodinganddecodinginconvolutioncodingandthebasicknowledgeofIS-95system.InthemoduledesignofSIMULINKtheprocessofencodinganddecodinginconvolutioncodingisdesignedbytakingtheexampleoftransmitterofIS-95systemMobilestationandemulationisperformed.Andthentheresultofemulationisanalyzedbydataandthefunctionalcharacteristicsofconvolutioncodingareconcluded.Keywords:convolutionalcode,encodinganddecoding,IS-95system,SIMULINK目录摘要......................................................................IAbstract...................................................................II1引言......................................................................11.1选题背景.............................................................11.2国内外研究现状.......................................................11.3本课题的意义.........................................................11.4本课题的研究方法.....................................................12卷积码的基本概念...........................................................22.1卷积码...............................................................22.2卷积码编码原理.......................................................22.2.1卷积编码的概述.................................................22.2.2卷积编码.......................................................22.2.3卷积码的树状图.................................................42.2.4卷积码的网络图和状态图.........................................42.2.5卷积码的解析表示...............................................52.3卷积码的解码.........................................................62.3.1卷积码解码概述.................................................62.3.2维特比解码算法.................................................63IS-95A系统................................................................73.1IS-95A系统概述......................................................73.2IS-95A下行链路......................................................73.3IS-95A上行链路......................................................94软件部分.................................................................115仿真结果及数据分析......................................................125.1卷积码的仿真......................................................125.1.1SIMULINK模块下的模块参数设置以及参数的意义...................135.2基于IS-95系统仿真................................................175.2.1IS-95系统中移动台发射机为例的仿真.........................175.2.2IS-95系统前向和反向链路的对比仿真............................186结束语...................................................................19参考文献...................................................................2011引言1.1选题背景随着现代通信的发展，特别是在未来4G通信网络中，高速的信息传输和可靠的信息传输是重点研究的方向。在恶劣的环境中，信号难免会受到影响而发生改变。可见，可靠性信息传输成为了研究的重中之重。一般实现可靠性传输的方式有两个途径：一是增加发送信号的功率，提高接收端的信号噪声比。二是采用编码的方法对信道差错进行控制。由于前者受条件限制，不是所有情况都适宜。在1967年Viterbi译码算法的诞生，使得卷积编码广泛应用于现代通信中。在编码器复杂度相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。故在GSM、IS-95系统（窄带CDMA系统）、第三代移动通信系统中都利用卷积码作为前向纠错码。1.2国内外研究现状在研究卷积码时，提高卷积码的速度和可靠度是重点。而卷积码本身的编码器结构简单，特别是Viterbi译码算法使得软件的开发，仿真还有实现都得到了快速的发展。目前，可利用计算机设定不同情况下的卷积编码，来进行仿真设计，并找到适合Viterbi算法最适宜的信道和编码。1.3本课题的意义为了减小信道噪声和干扰对译码输出的影响，通常需要对信息码元进行信道编码。信道编码在发送端对信息码元添加监督码元，在接收端利用信息码元与监督码元之间的规律，发现和纠错，以提高信息码元传输可靠性。由于卷积码的纠错能力强，Viterbi算法计算快，效率高，所以卷积码应用与移动通信领域很广泛，特别是在卫星通信领域和蜂窝网通信系统领域占有重要地位。1.4本课题的研究方法本文通过基于IS-95系统移动台发射机中卷积编码为例，利用MATLAB的SIMULINK下的模块进行卷积编码，译码进行仿真，对仿真结果进行数据分析，得出卷积码Viterbi译码的误码率性能和回溯长度，码率，约束长度的关系。22卷积码的基本概念2.1卷积码卷积码是由伊利亚斯发明的一种非分组码，它是一种性能优越的信道编码，其编码器和译码器结构相对简单，并且具有较强的纠错能力。卷积码表示为（n,k,N）,将k比特的信息段编成n个比特的码组，N为编码约束度，表示一个码组中的监督码元监督着N个信息段。nN为编码约束长度，k/n为码率。编码约束长度和编码率是衡量卷积码的两个重要参数。2.2卷积码编码原理2.2.1卷积编码的概述卷积码得编码描述方式有很多种：冲激响应描述法、生成矩阵描述法、多项式乘积描述法、状态图描述法、树图描述法、网络图描述法等。卷积码的纠错能力随着N的增加而增大，而差错率随着N的增加而指数下降。在编码器复杂性相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。卷积码虽然可以采用适用于分组码的门限译码，但性能不如Viterbi译码和序列译码。2.2.2卷积编码图1所示为卷积码编码器一般原理方框图。编码器由三种主要元件构成，包括Nk级移存器、n个摸2加法器和一个旋转开关。每个模2加法器的输入端数目可以不同，它连接到一些移存器的输出端。模2加法器的输出端接到旋转开关上。将时间分成等间隔的时隙，在每一个时隙中有k比特从左端进入移存器，并且移存器各级暂存的信息向右移k位。旋转开关每时隙旋转一周，输出n比特（nk）。3编码输出每次输入k比特1k…1k…1k…1k…………1…k…2k3kNk………………………12nNk级移存器n个模2加法器每输入k比特旋转1周编码输出每次输入k比特1k…1k…1