通信原理课程设计报告-数据传输系统误码率测试器的MATLAB实现及性能分析.doc

xx 数据传输系统误码率测试器的MATLAB实现及性能分析 第23页 共23页 数据传输系统误码率测试器的MATLAB实现及性能分析学生姓名：xx 指导老师：ss摘 要 本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台设计进行数据传输系统误码率测试器的仿真。在本次课程设计中先根据9级m序列发生器的结构，从Simulink工具箱中找所需元件，对输入的随机数据信号与其模2和计算以加密，合理设置好参数，送入含噪信道，在接收端与相同序列进行模2和以解密，改变信道误码率大小，测试发送信号与接收信号的误码率大小，其中可以通过不断的修改优化得到需要信号，最后通过对输出波形的分析得出仿真是否成功。关键词 Simulink；数据系统； m序列；误码率1引言本次课程设计主要运用MATLAB软件，在Simulink平台下建立仿真模型。实现数据传输系统的的误码率计算的过程，通过比较发送信号与接收信号之间产生的误码率大小，分析比较，改变参数设置，观察波形变化及误码率大小的变化，并对其进行分析总结。1.1 课程设计的目的通信原理是通信工程专业的一门骨干的专业课，是通信工程专业后续专业课的基础。掌握通信原理课程的知识可使学生打下一个坚实的专业基础，可提高处理通信系统问题能力和素质。由于通信工程专业理论深、实践性强，做好课程设计，对学生掌握本专业的知识、提高其基本能力是非常重要的。 通信课程设计的目的是为了学生加深对所学的通信原理知识理解，培养学生专业素质，提高利用通信原理知识处理通信系统问题的能力，为今后的专业课程的学习、毕业设计和工作打下良好的基础。使学生能比较扎实地掌握本专业的基础知识和基本理论，掌握数字通信系统及有关设备的分析、开发等基本技能，受到必要工程训练和初步的科学研究方法和实践训练，增强分析和解决问题的能力，了解本通信专业的新发展。1.2 课程设计的基本任务和要求本次课程设计的基本任务：（1）使学生通过专业课程设计掌握通信中常用的信号处理方法，能够分析简单通信系统的性能。（2）使学生掌握通信电路的设计方法，能够进行设计简单的通信电路系统。（3）了解通信工程专业的发展现状及发展方向。（4）与运用学过的MATLAB基本知识，熟悉MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台的使用课程设计中必须遵循下列要求：（1）对输入随机数据信号与m序列异或运算以实现信号加密，送入含噪信道，在接收端与相同序列再进行异或运算以解密，改变信道误码率大小，测试接收信号与发送信号之间的误码率，分析该种加密传输系统的抗噪声性能（2）要求编写课程设计论文，正确阐述和分析设计和实验结果。1.3设计平台Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulik是MATLAB软件的扩展，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指Simulik提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。2设计原理2.1 Simulink工作环境（1）模型库在MATLAB命令窗口输入“simulink”并回车，就可进入Simulink模型库单击工具栏上的 按钮也可进入Simulik模块库按功能进行分为以下8类子库：Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）用户可以根据需要混合使用歌库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块，自定义模块库、从而实现全图形化仿真。Simulink模型库中的仿真模块组织成三级树结构Simulink子模型库中包含了Continous、Discontinus等下一级模型库Continous模型库中又包含了若干模块，可直接加入仿真模型。图2.1-1 Simulink工具箱（2）设计仿真模型在MATLAB子窗口或Simulink模型库的菜单栏依次选择“File” | “New” | “Model”，即可生成空白仿真模型窗口图2.1-2 新建仿真模型窗口（3）运行仿真两种方式分别是菜单方式和命令行方式，菜单方式：在菜单栏中依次选择"Simulation" | "Start" 或在工具栏上单击。命令行方式：输入“sim”启动仿真进程比较这两种不同的运行方式：菜单方式的优点在于交互性，通过设置示波器或显示模块即可在仿真过程中观察输出信号。命令行方式启动模型后，不能观察仿真进程，但仍可通过显示模块观察输出，适用于批处理方式。2.2 m序列产生器 （1）m 序列产生器的结构m序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，m序列是带线性反馈的移位寄存器产生的。由n级串联的移位寄存器和反馈逻辑线路可组成动态移位寄存器，如果反馈逻辑电路只由模2和构成，则称为线性反馈移位寄存器。带线性反馈逻辑的移位寄存器设定初始状态后，在时钟触发下，每次移位后各级寄存器会发生变化，其中任何一级寄存器的输出，随着时钟节拍的推移都会产生一个序列，该序列称为移位寄存器序列。n级线性移位寄存器如图所示： 图2.2 n级线性移位寄存器 （2）m序列产生器的性质 均衡性：在m序列中一个周期内“1”的数目比“0”的数目多1，这表明，序列平均值很小。m序列和其移位后的序列逐位模2相加，所得的序列还是m序列，只是相移不同而已。m序列发生器中移位寄存器的各种状态，除全0状态外，其他状态只在m序列中出现1次。m序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m序列 。m序列具有良好的自相关特性，其自相关系数：当j等于0时，p(j)=1;当j不等于0时，p(j)=1/N,从m序列的自相关系数可以看出m序列是一个狭义伪随机码。 2.3 误码率测量在数字通信中误码率是一项主要的质量指标。在实际测量数字通信系统的误码率时，一般来说，测量结果与信源送出信号的统计特性有关。通常认为二进制信号中“0”和“1”是以等概率随机出现的。所以测量误码率时最理想的信源是随机序列发生器，在实际通信中一般都是单程传输信息的，在测量单程数字通信的误码率时，就不能用随机序列，而是用性能相近的伪随机序列代替它，如下图所示：伪随机序列发送信道接收比较记录伪随机序列 图2.3 单程测试法2.4 通信加密解密原理数字通信的一个重要优点是容易作到高度保密性的加密。信号加密的基本原理可用图2-5表示。将信源产生的信息与一个周期很长的伪随机序列模2相加，这样就将原消息变成不可理解的另一个序列。将这种加密序列在信道中传输，被他人窃听后也不可理解其内容。在接收端必须再加上同一样的伪随机序列，才能恢复原发送信息以实现解密，因为将此序列模2加入两次，就等于未加入。 信源发送信道接收用户伪随机序列产生器伪随机序列产生器 图2.4 利用伪随机序列加密的原理 3 设计步骤3.1随机数据信号 输入随机数据信号模块为：3.1-1随机数据信号模块输入随机数据信号参数设置： 3.1-2 随机数据信号参数设置示波器产生的图： 3.1-3 随机数据信号波形图3.2 噪声信号加入噪声信号模块为： 3.2-1 噪声信号模块其参数设置为： 3.2-2 噪声信号参数设置示波器产生的图形为：3.2-3 噪声信号波形图改变参数设置Variance为0.01，其噪声波形变为3.2-4 改变噪声信号参数后波形图（1）改变参数设置Variance为1，其噪声波形变为 3.2-5 改变噪声信号参数后波形图（2） 3.3 m 序列产生器m序列产生器模块图形：3.3-1 m序列产生器模型图其参数设置为： Unit Delay4 和Unit Delay8设置相同： 3.3-2 参数设置（1）其余Unit Delay单元设置相同，为： 3.3-3 参数设置（2）示波器产生的图形为：3.3-4 m序列产生器波形图3.4 加密 通过输入随机数据信号与m序列进行异或运算以实现加密，二者异或运算之后产生产生的波形为： 3.4-1 加密信号信道中加入了噪声，对加密之后的信号会产生影响，所以要加入一个抽样判决器，还原原来的加密之后的信号，抽样判决器模块为 3.4-2 抽样判决器其参数设置为：3.4-3 抽样判决器参数设置加密信号在含噪信道中传输，之后经过抽样判决器，二者波形为： 3.4-5 加密信号在含噪信道中传输波形与经过抽样判决之后的波形比较3.5 解密 对经过抽样判决之后的信号，让其与原m序列进行异或运算以实现解密，解密之后的波形为：3.5-1 解密后的波形 3.6 误码率计算比较实现误码计算比较所需要的模块有： 3.6-1 误码率计算所需要的模块 参数设置为：3.6-2 各模块参数设置 将之前的模块连线之后，检查线路连接，整个模块框图为： 3.6-3 误码率测试器整体框图运行该模块，Display 显示为：3.6-4 第一次运行Display显示说明：Display1显示的是误码率的大小；Display显示的是延时时间。示波器显示为：3.6-5 示波器显示说明：第一幅图表示的是输入随机数据信号的波形图； 第二幅图表示的是输入噪声信号的波形图； 第三幅图表示的是信号加密后的波形图； 第四幅图表示的是信号加密后送入含噪信道产生的波形图； 第五幅图表示的是经过抽样判决之后的信号波形图； 第六幅图表示的是解密之后的波形图。改变噪声参数设置，设置Variance为1，再次运行，结果为：3.6-6 改变噪声设置后运行结果Display显示说明：Display1显示的是误码率的大小，为0.3095；Display显示的是延时时间。示波器显示为： 3.6-7 改变噪声参数设置后运行结果示波器显示说明：第一幅图表示的是输入随机数据信号的波形图； 第二幅图表示的是输入噪声信号的波形图； 第三幅图表示的是信号加密后的波形图； 第四幅图表示的是信号加密后送入含噪信道产生的波形图； 第五幅图表示的是经过抽样判决之后的信号波形图； 第六幅图表示的是解密之后的波形图。3.7 误码率曲线生成（1）在MATLAB界面下新建窗口： 图3.7-1 新建Editor窗口输入以下程序：for i=1:100 power=0.001*i; sim('wumalv3.mdl'); error(i)=ErrorVec(1);endk=1:100.*0.001;plot(k,error);xlabel('噪声功率'),ylabel('误码率');title('误码率变化曲线图');grid;此时相应的在整体框图中作以下改变：输入噪声信号模块，Variance设置为power 3.7-2 噪声信号模块参数改变设置误码率计算Error Rata Calulation1中Output Data 设置为Workspace: 3.7-3 Error Rata Calulation1模块参数改变设置（2）运行文件，生成的图： 3.7-4 MATLAB运行程序后显示的误码率曲线示意图说明：当噪声功率小于等于0.01时，发送信号与接收信号之间的误码率大小为0；当噪声功率大于0.01时，发送信号与接收信号之间的误码率大小随着噪声功率的增大而增大，呈阶梯形改变。（3）上述图形只显示了100个数据，为了更明显的表示其变化曲线，取600个数据，相应的进行修改：程序的修改： for i=1:600 power=0.001*i; sim('wumalv3.mdl'); error(i)=ErrorVec(1);endk=1:600.*0.001;plot(k,error);xlabel('噪声功率'),ylabel('误码率');title('误码率变化曲线图');grid; Simulation Stop Time 修改 3.7-5 Simulation Stop Time修改为600.0运行文件，得到的图形为： 3.7-6 改变取值范围后得出的误码率变化曲线图4 出现的问题及解决方法在本次课程设计运用了MATLAB软件建立工作模型，在仿真的过程中遇到了各种不同的问题，通过自己的探索和在同学的帮助下都一一解决，总结分析分析如下：（1）运行后如没有出现波形、出现多路波形的混合或是出现波形的幅度过小或过大，可以点击scope菜单栏的或者点击鼠标右键，选择autoscale即可出现清晰波形。（2）若出现波形很差，可以把修正因子（默认为1）加大，具体步骤为选择模型菜单中的“Simulink|configuration parameters|Data import/export”修改Decimation中数据（默认为1），可加大为50或100。（3）m序列产生器的设计，严格按照其原理和本原多项式连接线路图，进行加密和解密时采用的m序列均为同一序列，其参数设置要一致，否则加密和解密之后的波形不一致；（4）若波形出错或者波形变换不够明显，可以把模块参数适当减小或增大，得到适合的波形，允许误差变大，便于波形的输出和分析。 （5）在整个仿真过程中，各模块的参数设置十分重要，一定要设置合适的参数，才会得出所需要的信号。 （6）各模块的连线要到位，深刻理解课程设计任务，发送信号和接收信号之间如何进行比较分析 解决了上述问题后，就能顺利完成设计任务了。5 结束语 信息作为人类社会赖以生存和发展的重要资源和财富，其安全可能会受到种种认为的和自然的威胁，信息的完整性、保密性和可用性可能遭到破坏。因此在信息的传输、交换、存储和处理过程中，必须采取相应的技术防范措施，保护信息的完整性、保密性、和可用性，必须研究如何避免人为的和自然的对信息安全的威胁，如何保护信息不被他人篡改，如何保证收到的信息不时伪造的，自己发送出去的信息不被未授权的人截收。本次课程设计我的设计任务是数据传输系统误码率测试器的MATLAB实现及性能分析，设计的内容包括信息的加密和解密，以及误码率的测试等等，经过为期两周的课程设计，我顺利的完成了任务。不同于在教室里上的理论课，本次课程设计需要我们运用到课本中学到的理论知识，和自己的实际操作来完成。因为是以所学理论为基础，所以在课程设计的过程中，我又重温了m序列产生器和通信加密解密、误码率测量等知识，更加熟悉了MATLAB里的Simulink工具箱，学会了独立建立模型，分析结果，通过自己不断的修改参数值，更好的理解加入噪声对信道的影响。在设计的过程中遇到不少问题，在自己的努力和与同学的交流中一一解决。通过这次课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了实际操作能力，综合素质也得到了提高。我觉得安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力，并学会理论结合实际来分析结果。检验学习成果：看一看课堂学习与实际到底有多大距离，并通过这次课程设计，找出学习中存在的不足，完善所学知识。在做课程设计的过程中，我也认识到实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。这一次的学习也是为以后的毕业设计工作打下基础，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。参考文献1 樊昌信，曹丽娜. 通信原理. 北京：国防工业出版社，20062 达新宇通信原理实验与课程设计北京：北京邮电大学出版社，20033 徐远明. MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用. 西安：西安电子科技大学出版社， 20054 丁桂春 ,邹慧娜;伪随机信号(序列)及其在仿真试验中的应用J;计算机工程与设计;1982年01期5 Simulink通信仿真开发手册，孙屹，国防工业出版社6 通信原理（第五版），樊昌信等，国防工业出版社