北京郵電大學課程設計報告

1、<p>　　北京郵電大學課程設計報告</p><p>　　題目：GSM TCH/FS信道編譯碼仿真與分析</p><p>　　班級：0213102</p><p><b>　　專業(yè)：信息工程</b></p><p><b>　　姓名：劉奇</b></p><p>

2、<b>　　導師：邵志嘉</b></p><p>　　完成日期：2005 年 07 月 12日</p><p><b>　　目錄：</b></p><p>　　摘要………………………………………………………………………….03</p><p>　　設計概要…………………………………………………..

3、………03</p><p>　　設計題目……………………………………………………. ………03</p><p>　　設計要求……………………………………………………. ………03</p><p>　　設計環(huán)境……………………………………………………. ………03</p><p>　　基本原理………………………………………………….. ………0

4、3</p><p>　　循環(huán)碼………………………………………………………. ………03</p><p>　　卷積碼………………………………………………………. ………04</p><p>　　交織碼………………………………………………………. ………05</p><p>　　GSM TCH/FS系統標準………………………………….. ………

5、05</p><p>　　GSM 系統簡介………………………………………….. ………05</p><p>　　TCH/FS 技術標準………………………………………. ………06</p><p>　　設計方案………………………………………………….. ………06</p><p>　　程序塊設計與調試……………………………………….. ………0

6、8</p><p>　　外編碼及其譯碼……………………………………………. ………08</p><p>　　內編碼及其譯碼……………………………………………. ………08</p><p>　　交織編碼及其譯碼…………………………………………. ………10</p><p>　　信道設計……………………………………………………. ………11<

7、;/p><p>　　模塊性能測試………………………………………………. ………12</p><p>　　系統性能測試與分析…………………………………….. ………14</p><p>　　原始信道性能測試與分析…………………………………. ………15</p><p>　　編碼改善后的信道性能測試與分析………………………. ………16</p&

8、gt;<p>　　重點問題的研究……………………………………………. ………17</p><p>　　心得體會………………………………………………….. ………19</p><p>　　參考文獻………………………………………………….. ………19</p><p>　　附錄： 源程序…………………………………………………….. ………19</p&

9、gt;<p>　　致謝 ……………………………………………………………….. ………19</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　GSM全速率話音信道（TCH/FS）的信道編碼是對話音編碼輸出每一個話音幀（20ms）260 bit ，13 kbps話音數據序列逐幀進行編碼，根據GSM關于TCH/FS的技術標準，編碼過程為：<

10、/p><p><b>　　其中，具體實現為：</b></p><p>　　外編碼：(50,53,2)循環(huán)截短編碼，重排并加尾比特；</p><p>　　內編碼：(2,1,4)卷積編碼；</p><p>　　重排與交織：交織度為8；</p><p><b>　　關于性能測試：</b>

11、;</p><p>　　所有編譯碼模塊采用MATLAB仿真并通過，仿真內容包括：各個模塊的性能測試，高斯噪聲干擾下的信道誤碼率測試，高斯+突發(fā)干擾下的信道誤碼率測試，重點研究問題為，卷積加交織編碼對于突發(fā)信道的改善及各種情況的討論。</p><p><b>　　設計概要：</b></p><p>　　設計題目：GSM TCH/FS信道編譯碼仿真

12、與分析；</p><p>　　設計要求：根據TCH/FS信道的技術標準，用MATLAB語言編寫程序模塊，實現編譯碼模塊功能，仿真TCH/FS信道各模塊，檢驗與測試它們的性能，對TCH/FS信道的糾錯性能進行仿真及分析。</p><p>　　設計環(huán)境：MATLAB6.1。</p><p><b>　　基本原理：</b></p>&l

13、t;p><b>　　外編碼（循環(huán)碼）：</b></p><p>　　外編碼采用 截短循環(huán)碼（53，50，2），</p><p>　　加奇偶校驗比特：將1級的前50比特送入循環(huán)碼編碼器，進行（53，50，2）截短循環(huán)碼編碼。該循環(huán)碼的生成多項式為：，</p><p>　　重排并加尾比特：將1級的182比特{d(0),…,d(181)}和3位

14、奇偶校驗比特p(0),p(1),p(2)進行重排：偶數信息比特在前，奇偶校驗比特居中，奇數信息比特在后。再加4比特0作為尾比特，得外編碼輸出：</p><p>　　{u(0),u(1),…,u(188)}</p><p>　　其中,u(k)=d(2k) 和 u(184-k)=d(2k+1) k=0,1,…,90</p><p>　　u(91+k)=p(k)

15、 k=0,1,2</p><p>　　u(k)=0 (尾比特) k=185,186,187,188</p><p><b>　　內編碼（卷積碼）：</b></p><p>　　卷積碼是一種非線性碼，其與分組碼的主要差別在于卷積碼編碼器有記憶，在任意給定的時段，編碼器的n個輸出不僅與此時段的k個輸入有關，而且也與前m個輸入（記憶器件中存

16、儲的）有關。因此卷積一般可采用（n，k，m）來表示，其中k為輸入碼元數，n為輸出碼元數，m為編碼器中的存儲器數。一般，n和k選較小的值，m可取較大值，以獲得既簡單又高性能的信道編碼。卷積碼是用來糾正獨立隨機差錯的。</p><p>　　本實驗中，將外編碼得到的189比特進行卷積碼編碼，該卷積碼的碼率為1/2，生成多項式為：；</p><p>　　卷積碼輸出378比特，再將2級的78比特加于

17、其后，得內編碼輸出：</p><p>　　{C(0),C(1),…,C(455)}</p><p>　　交織碼（交織與重排）： </p><p>　　交織編碼是一種信道改造技術，它通過信號設計將一個原來屬于突發(fā)差錯的有記憶信道改造為基本上是獨立差錯的隨機無記憶信道。</p><p>　　將內編碼（卷積碼）輸出得到的456比特按如下公式完成重排

18、和交織：i(B,j)=C(n,k) k=0,1,…,455 n=0,1,…,N,N+1,…</p><p>　　B=B0+4n+（k mod 8)</p><p>　　J=2[(49k) mod 57]+[(k mod 8) div 4]</p><p>　　4.1．GSM系統簡介：</p><p>　　自1978年AMPS蜂窩模

19、擬移動通信網建成，先后研制出第二代（2G）的GSM、IS-95 ，和第三代（3G）的WCDMA、cdma2000, 及正在研制更新一代的數字移動通信系統。當今，無線移動通信已成為人們日常生活中重要通信方式之一 。</p><p>　　上世紀八十年代末，北歐GSM—Group Special Mobile開發(fā)出GSM—GlobalSystem of Mobile communications數字蜂窩移動通信系統。該

20、系統面世后，立即風靡全球，并引發(fā)了我國移動通信的熱潮，中國移動GSM 系統為國內多數用戶使用。</p><p>　　GSM信道編碼方案是由分組碼、卷積碼、交織器構成的。</p><p>　　4.2．GSM TCH/FS信道編碼技術標準簡介：</p><p><b>　　設計方案：</b></p><p>　　根據GSM建

21、議5.03對TCH/FS編碼的規(guī)范，對TCH/FS系統設計如下仿真方案：</p><p>　　1.對所測試碼元序列，以矩陣形式實現。</p><p>　　2．分別編寫各模塊，并使對應的編，譯碼模塊自環(huán)以檢驗其正確性。</p><p>　　3．分別測試外編碼的檢錯性能，內編碼對高斯干擾的糾錯能力以及對突發(fā)錯誤的很有限的糾錯能力，內編碼加重排交織后對高斯干擾和突發(fā)干擾的

22、糾錯能力。</p><p>　　4．測試整個系統對高斯干擾的糾錯能力，對高斯干擾和突發(fā)干擾的糾錯能力。</p><p>　　如下圖所示：數據對應著矩陣的大小。</p><p>　　以系統在高斯干擾信道的性能測試為例，說明測試流圖：Eb/N0=-6：2：10</p><p><b>　　Y</b></p>&

23、lt;p><b>　　N</b></p><p>　　關于其他信道的測試過程與該圖示類似，在此不一一列出。</p><p><b>　　程序塊設計與調試：</b></p><p>　　各功能程序塊由老師提供，經閱讀代碼，沒有發(fā)現錯誤，并自己作了相應的注釋。</p><p>　　此部分工作主要為

24、自環(huán)程序設計，測試程序塊實現的功能無誤。</p><p><b>　　外編碼與譯碼測試：</b></p><p><b>　　測試結果：</b></p><p><b>　　good!</b></p><p><b>　　結果分析：</b></p&g

25、t;<p>　　在沒有任何干擾的情況下，外編碼的譯碼結果是無誤的，證明外編碼程序是正確的。</p><p><b>　　遇到的問題及分析：</b></p><p>　　外編碼與譯碼自環(huán)時，如果信道有干擾（不論是何種干擾），自環(huán)結果都是“error!”,這說明外編碼與譯碼有檢錯功能，卻沒有絲毫糾錯能力。</p><p><b&

26、gt;　　內編碼與譯碼測試：</b></p><p><b>　　測試結果：</b></p><p><b>　　good!</b></p><p>　　結果分析：測試結果顯示，卷積編譯碼模塊前后輸入數據完全一致，說明卷積編譯碼程序正確。</p><p>　　交織編碼與譯碼測試：<

27、/p><p>　　自環(huán)程序代碼：jiaozhi-test.m</p><p><b>　　測試結果：</b></p><p><b>　　good!</b></p><p><b>　　結果分析：</b></p><p>　　在沒有任何干擾的情況下，交織編譯

28、碼前后數據完全一致，證明程序本身沒有問題。</p><p><b>　　遇到的問題及分析：</b></p><p>　　同外編譯碼模塊類似，在信道有干擾的情況下（不論是何種干擾），交織編譯碼都出錯，說明交織編譯碼模塊沒有任何糾錯能力。從后面的實驗與分析可知，交織編譯碼主要是和卷積編譯碼配合應對突發(fā)錯誤信道。</p><p><b>　

29、　信道設計：</b></p><p>　　高斯干擾信道，即給信號加上加性高斯噪聲sgma*randn(size(u))，</p><p><b>　　部分關鍵代碼：</b></p><p><b>　　E=1;</b></p><p>　　snr=10^(snr_in_dB/10);&l

30、t;/p><p>　　sgma=sqrt((E/snr)/2);</p><p><b>　　u=signal;</b></p><p><b>　　u=2*u-1;</b></p><p>　　u=sign(u+sgma*randn(size(u))+eps);</p><p>

31、;　　u=(u+1)/2;</p><p>　　高斯干擾加突發(fā)錯誤信道，即在前述信道上再加上突發(fā)錯誤，</p><p>　　Noise=BurstNoise(N_Interval,N_Length,length(u));</p><p>　　u=mod(u+Noise,2);</p><p>　　在重點研究問題的測試中，修改老師提供的突發(fā)錯誤

32、產生程序：BurstNoise得到新的突發(fā)錯誤產生程序：BurstNoise1；程序接口為：</p><p>　　BurstNoise1(rate,N_Length,length(u))</p><p>　　Rate:信道原始誤碼率；N_Length：突發(fā)長度；length(u)：輸入信號矢量維數；</p><p><b>　　代碼：</b>&

33、lt;/p><p>　　function N=BurstNoise(rate,Length,Sig_Length)</p><p>　　N_Interval=round(Length/rate);</p><p>　　N=zeros(1,Sig_Length);</p><p>　　for i=1:N_Interval:Sig_Length;&l

34、t;/p><p>　　start_point1=round(i+(N_Interval/2)*rand);</p><p>　　start_point=max(i,start_point1);</p><p>　　end_point=min(Sig_Length,min(start_point1+Length-1,i+N_Interval-1));</p>

35、<p>　　N(start_point:end_point)=1;</p><p><b>　　end;</b></p><p><b>　　模塊性能測試：</b></p><p>　　外編碼模塊的檢錯與糾錯性能：</p><p>　　在外編碼模塊的自環(huán)測試中已經談到，外編碼模塊具有檢錯

36、能力，但不具有糾錯能力，且測試是簡單的，不再詳述。</p><p>　　內編碼模塊的檢錯與糾錯性能：</p><p>　　以下再測卷積編譯碼模塊對于高斯噪聲信道的誤碼率，</p><p><b>　　內編碼（卷積碼）：</b></p><p>　　內編碼和解碼仿真的程序包括兩個主要程序模塊：現測試卷積編碼對高斯隨機噪聲的

37、改善程度。</p><p><b>　　測試結果如下：</b></p><p><b>　　結果分析：</b></p><p>　　由圖和數據可以看出，卷積編譯碼對高斯噪聲在信噪比較高時具有較好的改善性能。當信噪比大抵為2db時，誤碼率基本上為0附近。但是在低信噪比的時候，卷積編譯碼對高斯噪聲引起的譯碼沒有任何改善，若想提

38、高此時的誤碼率性能，還需用別的編譯碼方法。</p><p>　　交織編碼的檢錯與糾錯性能：</p><p>　　在交織編碼模塊的自環(huán)測試中已經談到，交織編碼模塊不具有檢錯，糾錯的功能，且測試也是簡單的，在此不再詳述。</p><p>　　內編碼與交織模塊聯合對突發(fā)信道的糾錯性能：</p><p>　　交織編碼本身不具有檢糾錯能力，但可以將突發(fā)

39、錯誤轉換為隨機錯誤，而內編碼具有很強的隨機錯誤糾錯能力，對于突發(fā)錯誤卻沒有好的糾錯能力，此時，交織編碼與內編碼聯合應對突發(fā)錯誤就顯得很有意義。測試如下：</p><p>　　測試信道選擇：由于交織編碼主要用于將突發(fā)錯誤轉換為隨機錯誤，從而適應于內編碼的檢糾錯能力，因此，這里只測試交織編碼對突發(fā)錯誤信道的改善性能，而不考慮高斯干擾。</p><p>　　突發(fā)信道中，原始誤碼率為0.05，X軸

40、為突發(fā)長度</p><p>　　重點看交織帶來的誤碼率改善：</p><p>　　突發(fā)長度小于80bit時，內編碼+交織編碼的誤碼率要低于只有內編碼時的誤碼率，這正是引入交織編碼帶來的性能改善，但當突發(fā)長度大于80bit后，內編碼+交織編碼的誤碼率迅速下降并與內編碼的誤碼率相同，說明，交織編碼對于突發(fā)錯誤的改善受限于突發(fā)長度（因為原始誤碼率保持不變），當突發(fā)長度較大時，交織編碼的改善亦非常

41、小了。</p><p>　　系統性能測試與分析：</p><p>　　原始信道性能測試與分析</p><p>　　編碼改善后的信道性能測試與分析</p><p>　　編碼改善后的高斯信道性能曲線：</p><p><b>　　結果分析：</b></p><p>　　clas

42、s1部分的誤碼率反映了經信道編碼后的誤碼率；</p><p>　　class2部分由于不參加編碼，所以它反映了信道的原始誤碼率；</p><p>　　理論誤碼率和原始誤碼率吻合的很好；</p><p>　　由所測得的數據可知：低信噪比時，有編碼的信道誤碼率反而比無編碼的信道誤碼率要高，信噪比大于0之后，有編碼信道的誤碼率迅速下降，要小于無編碼信道的誤碼率，當信道信噪

43、比大于-2db時，信道輸出信號滿足GSM系統要求，達到誤碼率小于0. 1。</p><p>　　編碼改善后的高斯+突發(fā)信道性能曲線：</p><p><b>　　結果分析：</b></p><p>　　低信噪比情況下，有編碼信道誤碼率反而高于無編碼，此程序中突發(fā)錯誤的長度是固定的10bit，由前面模塊的測試分析可知：此處的主要因素是高斯信道在低

44、信噪比情況下，有編碼信道誤碼率反而高于無編碼信道誤碼率，在信噪比大于2DB之后，信道誤碼率主要決定于突發(fā)錯誤，取值并趨向于恒定，因為此程序中的突發(fā)信道原始誤碼率是固定的。</p><p><b>　　重點研究問題：</b></p><p>　　內編碼+交織編碼 對突發(fā)錯誤信道的誤碼率研究：恒定原始誤碼率下（rate=0.05）</p><p>

45、　　短突發(fā)長度情況下, 恒定原始誤碼率（rate=0.05）</p><p><b>　　結果分析：</b></p><p>　　突發(fā)長度較小時（1到3），內編碼+交織編碼的誤碼率反而要高于只有內編碼的誤碼率，當突發(fā)長度較大時（大于3），如我們預想的結果：內編碼+交織編碼的誤碼率要低于只有內編碼的誤碼率。但是不是突發(fā)長度任意長都有這樣的改善性能呢？ 帶著這個問題，下面

46、研究了較長突發(fā)長度下的情況：</p><p>　　長突發(fā)長度情況下：恒定原始誤碼率（rate=0.05）</p><p>　　重點看交織帶來的誤碼率改善：</p><p>　　突發(fā)長度小于80bit時，內編碼+交織編碼的誤碼率要低于只有內編碼時的誤碼率，這正是引入交織編碼帶來的性能改善，但當突發(fā)長度大于80bit后，內編碼+交織編碼的誤碼率迅速下降并與內編碼的誤碼率

47、相同，說明，交織編碼對于突發(fā)錯誤的改善受限于突發(fā)長度（因為原始誤碼率保持不變），當突發(fā)長度較大時，交織編碼的改善亦非常小了。</p><p><b>　　心得體會：</b></p><p>　　本次實驗不同于以往的同通信原理實驗，而是對整個信道系統的編碼，較以前所做過的更復雜更大型，因此也更有挑戰(zhàn)性。但由于大部分程序代碼老師都給出了參考程序，任務輕松了不少。主要任務是

48、弄懂程序和添加未完全的部分以及測試編碼的糾錯性能。在此過程中遇到不少困難，但終于經過認真思考，按從易到難的順序，一旦遇到問題，就把外加的復雜的東西先屏蔽掉，一步一步檢查原因。我覺得這個方法很好，從最簡系統開始逐步完善，也適用于很多別的編程，以及設計中的很多別的方面?？偟膩碚f，這次課程設計讓我對信息處理導論中最后略講的篇章GSM信道編碼有了深刻的了解，是對以往所學的編碼技術和Matlab編程方法的一個總結。</p><

49、p>　　同時，通過這次實驗，我較深刻的了解到對于一個作業(yè)任務，任務的細分和較精確的計劃安排是完成工作的重要前提，特別是在應對較復雜的任務時，任務細分和安排更是起到決定性的作用。</p><p>　　在測試過程中，我還逐漸發(fā)現仿真中出現了很多在理解原理之后沒有考慮到過的問題：交織編碼對于突發(fā)信道有較大的改善，但僅限于突發(fā)長度適中的情形，突發(fā)長度很短（小于3）或很大（大于100）時，交織編碼帶來的誤碼率改善非常

50、有限，近似等同于無交織編碼情形，正是這些一點一點的發(fā)現，我才發(fā)現原先對于老師要求的選擇 重點研究問題 很茫然是可笑的，因為通過一些原理課程的學習，我們所了解到的都是一些經過非常理想化處理的模型分析，這在原本也比較理想化的仿真試驗中就暴露出了缺點，所以說，實際應用情況下，還有非常的因素要分析，整個系統中每一個模塊都值得我們去深入研究，選擇重點研究問題應該是很自然的。。</p><p><b>　　參考文獻

51、：</b></p><p>　　1、《GSM 05.03建議》 （‘大片’和‘技術報告’）</p><p>　　2、曹志剛等，《現代通信原理》，清華大學出版社</p><p>　　3、王新梅等，《糾錯碼-原理與方法》（修訂版），西安電子科技大學出版社</p><p>　　4、李人厚 張平安等，《精通MATLAB—綜合輔導與指南》

52、，西安交通大學</p><p><b>　　附錄：</b></p><p>　　所有測試程序代碼及注釋，readme文件都放在文件夾中。</p><p><b>　　致謝：</b></p><p>　　指導老師：邵志嘉 還有：測試的時候，身邊的同學也給了不少建議和幫助，在此表示感謝。</p&