信息科學(xué)與工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
摘要
SystemView是一個(gè)用于電路與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析工具,它能滿足從信號(hào)處理、濾波器設(shè)計(jì),直到復(fù)雜的通信系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立等不同層次的設(shè)計(jì)仿真需要。SystemView在界面友好而且功能齊全的Windows操作平臺(tái)上,為用戶提供了一個(gè)嵌入式的模塊化分析引擎。使用SystemView,只需將注意力集中在手中的任務(wù)和設(shè)計(jì)思想上,就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)和測(cè)試。SystemView提供一種可視化、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)模式。利用功能元件庫(kù)中的Token來代表某一種處理過程,在SystemView系統(tǒng)窗口中完成系統(tǒng)或子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
差錯(cuò)控制編碼也稱為糾錯(cuò)編碼,亦可稱為信道編碼。數(shù)字信號(hào)在實(shí)際信道傳輸時(shí),由于傳輸信道不理想和噪聲的影響,使信號(hào)的碼元產(chǎn)生畸變,在接收端接收到的數(shù)字信號(hào)不可避免的會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。因而需要綜合考慮傳輸?shù)男盘?hào),選擇適用的調(diào)制、解調(diào)方式等手段,是誤碼率盡可能降低。在實(shí)際中,為了能在確定信噪比的情況下達(dá)到一定比特誤碼率的性能指標(biāo),首先應(yīng)選擇合適的基帶信號(hào),選擇調(diào)制解調(diào)方式,采用時(shí)域和頻域均衡,使比特誤碼率盡可能低。隨著差錯(cuò)控制理論的不斷發(fā)展完善和數(shù)字電路技術(shù)的飛速發(fā)展,信道編碼已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字通信系統(tǒng)中。
差錯(cuò)控制編碼的基本實(shí)現(xiàn)方式是:在發(fā)送端發(fā)送信息碼時(shí)附加一些監(jiān)督碼元,這些多余的碼元與信息碼元之間存在著某種確定的規(guī)則相互制約;接收端則按照既定的規(guī)則檢查信息碼元和監(jiān)督碼元之間的關(guān)系,若在傳輸過程中發(fā)生了錯(cuò)誤,那么信息碼元和監(jiān)督碼元之間的關(guān)系被打破,于是接收端便可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。當(dāng)信息碼元和監(jiān)督碼元之間的關(guān)系有很強(qiáng)的規(guī)律時(shí),還可以檢查出錯(cuò)誤碼元的具體位置,從而加以改正。因此,研究各種編碼和譯碼方法是差錯(cuò)控制的關(guān)鍵。
差錯(cuò)控制編碼涉及碼型較多,前向糾錯(cuò)編碼(FEC)、線性分組碼(漢明碼、循環(huán)碼)、里德•索洛蒙(RS碼)、BCH碼、FIRE碼、交織碼、卷積碼、TCM碼、Turbo碼等都是差錯(cuò)控制編碼的研究范疇。
關(guān)鍵詞:SystemView,差錯(cuò)控制編碼,信息碼元,監(jiān)督碼元
ABSTRACT
SystemView is one for circuit and communication system design, the simulation of dynamic system analysis tool, it can satisfy the design from signal processing, filter, until comple* communication system establishing mathematics model and so on the different levels of design simulation needs. SystemView in friendly interface and complete function of Windows operating platform, to provide users with an embedded modular analysis engine. Using SystemView needs to focus on the task in hand and design idea, can realize comple* system modeling, design and test. SystemView provides a visualization, dynamic system model. Using functional components in the repository to represent a Token, in a process SystemView system window in complete system or subsystem design.
Error-controlling codes also called error correct
……(新文秘網(wǎng)http://m.120pk.cn省略2728字,正式會(huì)員可完整閱讀)……
原理
1.1信道錯(cuò)誤種類
傳輸信道常見錯(cuò)誤有以下三種:
(1)隨機(jī)錯(cuò)誤:錯(cuò)誤的出現(xiàn)時(shí)隨機(jī)的,一般而言,錯(cuò)誤出現(xiàn)的位置是隨機(jī)分布的,各個(gè)碼元是否發(fā)生錯(cuò)誤是相互獨(dú)立的,一般不會(huì)出現(xiàn)成片的錯(cuò)誤,這種情況一般是由信道加信隨機(jī)噪聲引起的,故而將其稱為隨機(jī)信道。
(2)突發(fā)錯(cuò)誤:錯(cuò)誤的出現(xiàn)是連串的,通常在一個(gè)突發(fā)錯(cuò)誤持續(xù)時(shí)間內(nèi),開頭和結(jié)尾的碼元都是錯(cuò)誤的,中間的碼元不能確定,但是錯(cuò)誤碼元的總數(shù)相對(duì)較多,如在移動(dòng)通信中,信號(hào)在某時(shí)間段內(nèi)突然衰落,照成一連串差錯(cuò);光盤上的一條劃痕等等,這樣的信道稱為突發(fā)信道。
(3)混合信道:既有突發(fā)錯(cuò)誤,又有隨機(jī)錯(cuò)誤發(fā)生的信道稱之為混合信道。
1.2差錯(cuò)控制的基本方式
在數(shù)字或數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中,利用抗干擾編碼進(jìn)行差錯(cuò)控制,可以分為4類:前向糾錯(cuò)、檢錯(cuò)重發(fā)、混合糾錯(cuò)和信息反饋,如下圖1-1所示。
(1)前向糾錯(cuò)(FEC)
FEC(Forward Error Correct)方式是在發(fā)送端發(fā)送能糾錯(cuò)的編碼,在接收端根據(jù)接收到的碼元和編碼規(guī)則,自動(dòng)識(shí)別錯(cuò)少量的錯(cuò)誤,并加以改正。
該方式的特點(diǎn)在于其不需要反饋信道,實(shí)時(shí)性好。FEC最適用于高速數(shù)傳而實(shí)時(shí)傳輸?shù)那闆r。但是由于需要加入足夠的監(jiān)督碼元,編譯碼的復(fù)雜程度也相應(yīng)增加,并且編碼設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量考慮信道具體的統(tǒng)計(jì)特性。
(2)檢錯(cuò)重發(fā)(ARQ)
在非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸中,常用ARQ(Automatic Retransmission Request)差錯(cuò)控制方式。該方式就是發(fā)送端發(fā)送經(jīng)過編碼的、能夠發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的碼組,在接收端接收到后,根據(jù)編碼規(guī)則進(jìn)行檢查,如果發(fā)現(xiàn)規(guī)則被破壞,就通過反向信道把錯(cuò)誤信息反饋給發(fā)送端,發(fā)送端接收到反饋信息后重發(fā)信息,直到接收端接收到正確的信息。
ARQ系統(tǒng)要求有反向信道,其工作效率較低,但是該系統(tǒng)能夠達(dá)到很好的性能。ARQ系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于冗余位比較少,可以有較強(qiáng)的檢錯(cuò)能力,同時(shí)編譯碼簡(jiǎn)單。由于檢錯(cuò)能力和信道特征關(guān)系不大,在非實(shí)時(shí)通信中具有普遍應(yīng)用價(jià)值。但是,在準(zhǔn)實(shí)時(shí)或者高速傳輸,且信道干擾較大的情況下,因錯(cuò)誤多發(fā)而頻頻重發(fā),通信效率將會(huì)降低。
ARQ方式實(shí)現(xiàn)方式包括了“停止等待”的半雙工方式、全雙工連續(xù)ARQ方式、選擇重發(fā)式連續(xù)ARQ。
(3)混合糾錯(cuò)(HEC)
HEC(Hybrid Error Correction)方式結(jié)合了前向糾錯(cuò)和檢錯(cuò)重發(fā)的特點(diǎn),即在糾錯(cuò)能力內(nèi),實(shí)行自動(dòng)糾錯(cuò)。當(dāng)超過糾錯(cuò)能力糾錯(cuò)位數(shù)時(shí),可以通過檢測(cè)而發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤碼元,不論錯(cuò)誤碼元多少,利用ARQ方式進(jìn)行糾錯(cuò)。
(4)信息反饋(IRQ)
IRQ(Information Repeat request)是一種全回執(zhí)式最簡(jiǎn)單的差錯(cuò)控制方式,接收端將接收到的信息碼元原樣發(fā)回發(fā)送端,并與原碼元進(jìn)行比較,若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,則發(fā)送端重新發(fā)送,直到完全一致。顯然這種方式只適用于低速非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信,是一種較原始的做法。
1.3信道編碼定理和差錯(cuò)控制編碼的基本原理
香農(nóng)信道容量公式為通信研究提供了方向性定理
Ct=B•lg(1+SNR) (1.1)
它表明了,在高斯白噪聲信道中,每秒的信道容量Ct與信道傳輸帶寬B和信噪比SNR的定量關(guān)系。由香農(nóng)這一公式,可以直接和間接的推演出信道編碼定理和差錯(cuò)控制定理。
(1)信道編碼定理
對(duì)于任何離散無記憶信道(DMC),一個(gè)具有確定信道容量Ct的有擾信道,對(duì)于任意小于Ct的信息傳輸速率Rb,總存在一種碼長(zhǎng)為N,碼率為R=k/N的分組碼,其誤差接收上限為
Pe≤A•e*p[-N•E(Rb)] (1.2)
式中,A為某個(gè)常數(shù),E(Rb)為誤差指數(shù),它是Rb的正的實(shí)值函數(shù)。式(1.2)的關(guān)系曲線圖如圖1.2所示。
上述定理也稱有噪信道編碼定理,即香農(nóng)第二定理。定理說明:信道容量C是保證無差錯(cuò)傳輸時(shí)信息傳輸率R的極限值。對(duì)于固定信道,C值是一定的,它是衡量信道質(zhì)量的一個(gè)重要物理量。E(Rb)在信道編碼中具有重要意義,它表示了在N一定的條件下,最佳編碼誤碼率的一個(gè)上界,同時(shí)也可知道Pe隨 而趨于0的速率,在規(guī)定了Pe 值后,E(Rb)可幫助選擇合適的N和R。
遵循為了式(1.2)的關(guān)系,達(dá)到要求的Pe,只有使式中的碼長(zhǎng)N或者E(Rb)增大。若是E(Rb)增大,則需加大傳輸速率Rb,因此需要提高信道容量Ct,必須通過增加帶寬或提高信道中的信噪比SNR,這就需要加大發(fā)送信號(hào)的功率,或者增加天線的尺寸等,在實(shí)際中會(huì)受到限制。
另一個(gè)方法就是增加碼長(zhǎng)N,Pe隨著N指數(shù)下降,于是要求付出編碼的冗余度,使整個(gè)編譯碼系統(tǒng)的復(fù)雜性增加,增大成本。這一方法就是差錯(cuò)控制的基本原理。
(2)差錯(cuò)控制定理
線性分組碼——(n,k)碼,碼長(zhǎng)為n,信息碼長(zhǎng)為k,編碼效率為R=k/n的糾錯(cuò)碼。(n,k)碼的差錯(cuò)控制能力取決于監(jiān)督碼元的位數(shù)r=n—k。在信道編碼中,定義碼組中非零碼元的個(gè)數(shù)為碼組的重量,簡(jiǎn)稱碼重。把兩個(gè)碼長(zhǎng)相等的二進(jìn)制碼組對(duì)應(yīng)為上不同碼元的數(shù)目定義為兩個(gè)碼組的距離,簡(jiǎn)稱碼距,又稱為漢明(Hamming)距離。
一種編碼的最小碼距直接影響到這種編碼的檢錯(cuò)糾錯(cuò)能力,對(duì)于分組碼,檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力與最小碼距之間滿足下列關(guān)系:
a.如果想在接收端解碼時(shí)檢測(cè)出e位個(gè)錯(cuò)誤,則漢明距離應(yīng)滿足
d0≥e+1 (1.3)
b.如果需要糾正t位個(gè)錯(cuò)誤,則漢明距離應(yīng)滿足
d0≥2t+1 (1.4)
c.如果要糾正t位個(gè)錯(cuò)誤,同時(shí)檢測(cè)出e位個(gè)錯(cuò)誤(e≥t),則漢明距離應(yīng)滿足
d0≥t+e+1 (1.5)
1.4差錯(cuò)控制碼分類
差錯(cuò)控制編碼根據(jù)功能的不同,可分為:檢錯(cuò)碼、糾錯(cuò)碼、糾刪碼。
差錯(cuò)控制編碼根據(jù)監(jiān)督碼元和信息碼元之間的函數(shù)關(guān)系,分為線性碼和非線性碼。線性是指監(jiān)督位是有關(guān)信息碼元的線性組合,滿足線性疊加原理,如線性分組碼中的循環(huán)碼、漢明碼等。而非線性通常含有模2運(yùn)算,生成的非線性碼,如卷積碼等。
根據(jù)信息碼元和監(jiān)督碼元
之間的約束方式不同可分為:分組碼和卷積碼。分組碼的監(jiān)督碼元僅與本碼組的信息碼元有關(guān);卷積碼的監(jiān)督碼元不僅與本碼組的信息碼元有關(guān),還與前面若干碼組的信息碼元有關(guān)。
第二章 幾種常用簡(jiǎn)單編碼
2.1奇偶校驗(yàn)碼
奇偶校驗(yàn)碼是一種最簡(jiǎn)單的編碼,在計(jì)算機(jī)通信中廣泛應(yīng)用。設(shè)碼組的長(zhǎng)度為n,表示為(an-1,an-2,…a0),其中前(n-1)位是信息位,最后一位是監(jiān)督碼。
其編碼規(guī)則是:首先對(duì)要傳輸?shù)男畔⑽贿M(jìn)行分組,然后為各個(gè)分組附加上監(jiān)督位,
校驗(yàn)方式 信息位中“1”值的個(gè)數(shù) 校驗(yàn)位值
奇校驗(yàn) 奇數(shù)個(gè) 0
偶數(shù)個(gè) 1
偶校驗(yàn) 偶數(shù)個(gè) 0
奇數(shù)個(gè) 1
使整個(gè)碼組的模2和為0(偶校驗(yàn))或1(奇校驗(yàn))。這
種編碼能檢查出最小碼距是1,能夠檢查出奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤。
為了提高抗突發(fā)錯(cuò)誤能力,可以采用二維奇偶校驗(yàn)碼。二維奇偶校驗(yàn)將若干經(jīng)過奇偶檢驗(yàn)的碼組排成陣列,然后對(duì)每列進(jìn)行奇偶校驗(yàn)編碼,將得到的結(jié)果作為一個(gè)碼組附在該碼組的后面。接收端同樣將該碼組排成陣列,對(duì)行進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。這樣可以提高糾錯(cuò)能力。
2.2恒比碼
恒比碼就是在每個(gè)碼組中“1”和“0”的個(gè)數(shù)都是一樣的。在接收端,只需要檢測(cè)接收的碼組中“1”和“0”的個(gè)數(shù)就知道是否有誤。該碼廣泛應(yīng)用于電報(bào)傳輸,如國(guó)際通用7中取3恒比碼;我國(guó)使用5中取3恒比碼,如圖(2.2)所示。
第三章 線性分組碼
3.1線性分組碼的基本原理
在線性分組碼中,信息碼元和監(jiān)督碼元是用線性方程聯(lián)系起來,線性分組碼滿足下列性質(zhì):
(1)封閉性,即任意兩個(gè)許用碼組的逐位模2和仍然是一個(gè)許用碼組。
(2)碼的最小距離等于非零碼的最小重量。
對(duì)于碼長(zhǎng)為n,信息位是k位,監(jiān)督碼位是r=n-k位的分組碼一般標(biāo)記成(n,k)碼。如果滿足2r-1≥n,則可以構(gòu)成能糾正一位或者是一位以上的錯(cuò)誤的線性碼。常見的線性分組碼有漢明碼、循環(huán)碼等。
(7,4)分組碼,即(n,k)分組碼中,k=4,為了能糾正一位誤碼,要求r≥3,取r=3,則n=k+r=7,F(xiàn)在使用碼字(C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0)表示。(S2 S1 S0)表示由3個(gè)監(jiān)督方程式計(jì)算得到的校正子,且S1 S2 S3校正子碼組與錯(cuò)誤碼位置對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖(3.1)所示。
圖3.1 (7,4)分組碼校正子與誤碼位置關(guān)系
S0 S1 S2 誤碼位置 S0 S1 S2 誤碼位置
001 C0 101 C4
010 C1 110 C5
100 C2 111 C6
011 C3 000 無誤
在編碼時(shí)C6 C5 C4 C3是信息位,C2 C1 C0是監(jiān)督元。由上表可知,在接收端接收到每個(gè)碼組后,計(jì)算出S0 S1 S2,如果不全為零,則表示存在錯(cuò)誤,可以由圖3.1表確定錯(cuò)誤位置,加以糾正。例如,收到的碼組為0000011,可以知道S0 S1 S2為011,通過查表可以知道碼組在C3位有錯(cuò)。且(7,4)分組碼最小的碼距為dmin=3,故其可以糾正一個(gè)錯(cuò)誤或者檢測(cè)2個(gè)錯(cuò)誤,如果超出糾錯(cuò)能力,就會(huì)因“亂糾”出現(xiàn)新的誤碼。
上述方法構(gòu)造出來的能糾正單個(gè)錯(cuò)誤的線性分組碼又稱為漢明碼,它具有如下特點(diǎn):碼長(zhǎng)n=2m-1,最小碼距dmin=3,信息碼長(zhǎng)k=2m-m-1,糾錯(cuò)能力t=1,監(jiān)督碼長(zhǎng)r=n-k=m,m為大于2的正整數(shù),給定m后就可以構(gòu)造出漢明碼(n,k)。
3.2(n,k)線性分組碼的構(gòu)成
(1)監(jiān)督方程組
編碼就是給已知信息碼組按預(yù)定規(guī)則添加監(jiān)督碼元,以構(gòu)成碼字。在 k 個(gè)信息碼元之后附加 r(r=n-k) 個(gè)監(jiān)督碼元,使每個(gè)監(jiān)督元是其中某些信息元的模2和。舉例:
k=3, r=4,構(gòu)成 (7,3) 線性分組碼。設(shè)碼字為(C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0),C6 C5 C4為信息元,C3 C2 C1 C0為監(jiān)督元,每個(gè)碼元取“0”或“1”。
監(jiān)督元可按下面方程組計(jì)算,
信息組 對(duì)應(yīng)碼字
000 0000000
001 0011101
010 0100111
011 0111010
100 1001110
101 1010011
110 1101001
111 1110100
C3= C6+C4
C2= C6+C5+C4
C1= C6+C5
C0= C5+C4
例如,信息碼組 (101),即C6=1, C5=0, C4=1
代入 (3.1)得: C3=0, C2=0, C1=1, C0=1
由信息碼組 (101) 編出的碼字為 (1010011)。
(2)一致校驗(yàn)矩陣 H
一致校驗(yàn)方程
確定信息元得到監(jiān)督元規(guī)則的一組方程稱為校驗(yàn)方程。由于所有碼字都按同一規(guī)則確定,又稱為一致監(jiān)督方程。由于一致監(jiān)督方程是線性的,即監(jiān)督元和信息元之間是線性運(yùn)算關(guān)系,所以由線性監(jiān)督方程所確定的分組碼是線性分組碼。
為了運(yùn)算方便,將式(3.1)監(jiān)督方程寫成矩陣形式,得式(3.2)?蓪懗蒆• CT=0T或C• HT=0。
CT、HT、0T分別表示C、H、0的轉(zhuǎn)置矩陣。
系數(shù)矩陣H 的后四列組成一個(gè) (4*4) 階單位子陣,用 I4表示,H的其余部分用P 4*3表示。所以H(7,3)=[ P 4*3 I4]。
推廣到一般情況:對(duì) (n,k) 線性分組碼,每個(gè)碼字中的 r(r=n-k) 個(gè)監(jiān)督元與信息元之間的關(guān)系,必須有r個(gè)獨(dú)立的線性方程?捎上旅娴木性方程組確定:
對(duì)H 各行實(shí)行初等變換,將后面 r 列化為單位子陣,于是得到下面矩陣,行變換所得方程組與原方程組通解。
Hr*n =
一致監(jiān)督矩陣特性:
監(jiān)督矩陣H 的標(biāo)準(zhǔn)形式:后面 r 列是一單位子陣的監(jiān)督矩陣H。
H 陣的每一行都代表一個(gè)監(jiān)督方程,它表示與該行中“1”相對(duì)應(yīng)的碼元的模2和為0。
H 的標(biāo)準(zhǔn)形式還說明了相應(yīng)的監(jiān)督元是由哪些信息元決定的。例如 (7,3) 碼的H 陣的第一行為 (1011000),說明此碼的第一個(gè)監(jiān)督元等于第一個(gè)和第三個(gè)信息元的模2和,依此類推。
H 陣的 r 行代表了 r 個(gè)監(jiān)督方程,也表示由H 所確定的碼字有 r 個(gè)監(jiān)督元。
為了得到確定的碼,r 個(gè)監(jiān)督方程(或H 陣的r 行)必須是線性獨(dú)立的,這要求H 陣的秩為 r。
若把H 陣化成標(biāo)準(zhǔn)形式,只要檢查單位子陣的秩,就能方便地確定H 陣本身的秩。
(3)生成矩陣 G
用標(biāo)準(zhǔn)生成矩陣 Gk*n 編成的碼字,前面 k 位為信息數(shù)字,后面 r=n-k 位為校驗(yàn)字,這種信息數(shù)字在前校驗(yàn)數(shù)字在后的線性分組碼稱為線性系統(tǒng)分組碼。當(dāng)生成矩陣 G 確定之后,(n,k)線性碼也就完全被確定了,只要找到碼的生成矩陣,編碼問題也同樣被解決了。
在由 (n,k) 線性碼構(gòu)成的線性空間 Vn 的 k 維子空間中,一定存在 k 個(gè)線性獨(dú)立的碼字:g1,g2,…, gk,。碼 Ci 中其它任何碼字C都可以表為這 k 個(gè)碼字的一種線性組合,
即Ci=mk-1g1+mk-2g2+…+m0gk 式3.5
寫成矩陣形式得C1*n=[mk-1 mk-2 … m1 m0]•
m=[mk-1 mk-2 … m1 m0]是待編碼的信息,
G是一個(gè)k*n階矩陣。
G=
G中每一行 gi=(gi1,gi2,…, gin ) 都是一個(gè)碼字;對(duì)每一個(gè)信息組m,由矩陣G都可以求得 (n,k) 線性碼對(duì)應(yīng)的碼字。
生成矩陣:由于矩陣 G 生成了 (n,k) 線性碼,稱矩陣 G 為 (n,k) 線性碼的生成矩陣。
(n,k) 線性碼的每一個(gè)碼字都是生成矩陣 G 的行矢量的線性組合,所以它的 2k 個(gè)碼字構(gòu)成了由 G 的行張成的 n 維空間的一個(gè) k 維子空間 Vk。
通過行初等變換,將 G 化為前 k 列是單位子陣的標(biāo)準(zhǔn)形式,如下。
Gk*n =
用標(biāo)準(zhǔn)生成矩陣Gk*n 編成的碼字,前面k位為信息數(shù)字,后面r=n-k 位為校驗(yàn)字,這種信息數(shù)字在前校驗(yàn)數(shù)字在后的線性分組碼稱為線性系統(tǒng)分組碼。當(dāng)生成矩陣 G 確定之后,(n ……(未完,全文共42598字,當(dāng)前僅顯示7662字,請(qǐng)閱讀下面提示信息。
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