基于System View的比特誤碼率測試的仿真研究

1誤碼率測試仿真原理

在仿真系統(tǒng)中，信道模擬成一個(gè)高斯噪聲信道(AWGN)，輸入信號(hào)經(jīng)過AWGN信道后在輸出端進(jìn)行硬判斷，當(dāng)帶有噪聲的接收信號(hào)大于判決電平時(shí)，輸出判為1，此時(shí)的原參照信號(hào)如果為0，則產(chǎn)生誤碼。

為了便于對各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行比較，通常將信噪比用每比特所攜帶的能量除以噪聲功率譜密度來表示，即Eb/N0，對基帶信號(hào)，定義信噪比為：

這里的A為信號(hào)的幅度(通常取歸一化值)，R=1/T是信號(hào)的數(shù)據(jù)率。在仿真過程中，為了能得到一個(gè)通信系統(tǒng)的RBE曲線，通常需要在信號(hào)源或噪聲源后邊加入一個(gè)增益圖符來控制信噪比的大小，System View仿真時(shí)應(yīng)用此種方法(在噪聲源后面加入增益圖符)。受控的增益圖符需要在系統(tǒng)菜單中設(shè)置全局關(guān)聯(lián)變量，以便每一個(gè)測試循環(huán)完成后將系統(tǒng)參數(shù)改變到下一個(gè)信噪比值，全局關(guān)聯(lián)變量的設(shè)置方法在下述內(nèi)容中介紹。

2設(shè)置系統(tǒng)仿真時(shí)間

在進(jìn)行系統(tǒng)仿真之前首先必須對定時(shí)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)的定時(shí)設(shè)定直接影響著系統(tǒng)仿真的效果甚至仿真結(jié)果的正確性。同時(shí)，定時(shí)參數(shù)的設(shè)置也直接影響系統(tǒng)仿真的精度，因此選取定時(shí)參數(shù)必須十分的注意，這也是初學(xué)者應(yīng)重點(diǎn)掌握的內(nèi)容，采樣速率過高增加仿真的時(shí)間，過低則有可能得不到正確的仿真結(jié)果。單擊設(shè)計(jì)窗口工具欄上的系統(tǒng)定時(shí)按鈕則彈出系統(tǒng)定時(shí)設(shè)定窗口。

在進(jìn)行定時(shí)窗口設(shè)置時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

(1)起始和終止時(shí)間控制了系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間范圍，System View要求終止時(shí)間值應(yīng)大于起始時(shí)間值。

(2)采樣速率/采樣間隔控制著時(shí)間步長，這2個(gè)值是相互關(guān)聯(lián)的2個(gè)系統(tǒng)參數(shù)

改變其中一個(gè)數(shù)值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)修改另一個(gè)。System View是基于數(shù)字信號(hào)處理的模型分析軟件，因此不論是模擬系統(tǒng)還是數(shù)字系統(tǒng)，System View總是要執(zhí)行數(shù)字化處理。所以采樣速率的選取必須遵循采樣定律，否則將產(chǎn)生錯(cuò)誤，很多System View仿真錯(cuò)誤就是由此產(chǎn)生的。對于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的仿真，系統(tǒng)的采樣率必須定義為該系統(tǒng)最高頻率的3～4倍。

(3)采樣點(diǎn)數(shù)指定了系統(tǒng)仿真過程中總的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，其基本運(yùn)算關(guān)系為：

采樣點(diǎn)數(shù)=(終止時(shí)間-起始時(shí)間)×采樣速率+1

根據(jù)這個(gè)關(guān)系式，在采樣速率不變時(shí)，System View將遵循下列規(guī)則自動(dòng)修改參數(shù)：

①如果用戶改變了采樣點(diǎn)數(shù)，則System View不改變起始時(shí)間，但會(huì)根據(jù)新的采樣間隔修改終止時(shí)間。

②如果用戶對起始時(shí)間和終止時(shí)間中的一個(gè)或全部做了修改，則采樣點(diǎn)數(shù)會(huì)被自動(dòng)修改。

③采樣點(diǎn)數(shù)只能是整數(shù)，若計(jì)算值不是整數(shù)，System View將取其近似整數(shù)值。除非用戶自行修改，否則系統(tǒng)會(huì)一直保持到固定的采樣點(diǎn)數(shù)。

在RBE測試試驗(yàn)仿真中，除了對系統(tǒng)采樣頻率要十分重視外，采樣時(shí)間的選取也要特別注意，系統(tǒng)單循環(huán)仿真時(shí)間應(yīng)該比計(jì)數(shù)器一個(gè)循環(huán)總計(jì)數(shù)時(shí)間要長。也可以通過系統(tǒng)采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置來滿足此條件(否則可能出現(xiàn)計(jì)算的RBE值都為0)。

(4)頻率分辨率是指系統(tǒng)對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行Fourier變換時(shí)，根據(jù)時(shí)間序列所得到的頻率分辨率，其值為：

頻率分辨率=采樣速率/采樣點(diǎn)數(shù)

(5)系統(tǒng)的循環(huán)次數(shù)提供了用戶系統(tǒng)自動(dòng)重復(fù)運(yùn)行的功能。有reset system on loop和pause on loop 兩種重復(fù)運(yùn)行方式。

3 RBE測試仿真實(shí)例

3.1 BCH編碼譯碼RBE測試系統(tǒng)的仿真

BCH碼是循環(huán)碼的一個(gè)重要子類，他具有糾正多個(gè)錯(cuò)誤的能力，BCH碼有嚴(yán)密的代數(shù)理論，是目前研究最透徹的一類碼。可以根據(jù)所要求的糾錯(cuò)能力t，很容易構(gòu)造出BCH碼。圖2是本例的仿真電路圖。

輸入信號(hào)(圖符0)為1Hz的PN碼，為了保證每個(gè)比特對應(yīng)一個(gè)采樣，在信號(hào)源的后面加入了一個(gè)采樣器(圖符1)，采樣率設(shè)為1 Hz，信號(hào)源的時(shí)間偏移設(shè)為0，即數(shù)據(jù)從0時(shí)刻開始輸出。BCH編碼器每輸入4 b數(shù)據(jù)就產(chǎn)生一個(gè)7 b的編碼序列，數(shù)據(jù)輸入和編碼輸出的序列占用的時(shí)間都為4 s，則編碼信號(hào)的比特率為7/4=1.75 Hz，于是每個(gè)編碼位的時(shí)間寬度位：4/7=0.571 428 571 s。為了使加入的AWGN信號(hào)的采樣率與BCH編碼 輸出的采樣率一致，便于二者相加，因此在加法器(圖符5)之前插入一個(gè)保持器(圖符4)將信號(hào)恢復(fù)到系統(tǒng)采樣率。對任一個(gè)AWGN信道，匹配濾波器是最佳檢波器，這里用一個(gè)簡單的積分清洗算子(圖符7)來作匹配濾波器，將積分時(shí)間設(shè)置為BCH碼的碼元寬度，即4/7 s。但是，為了保證BCH譯碼器(圖符10)的輸出數(shù)據(jù)率為1 Hz，則其輸入數(shù)據(jù)率應(yīng)為7/4=1.75Hz，用采樣器(圖符9)設(shè)為1.75 Hz。

在此例中由于系統(tǒng)比較簡單，系統(tǒng)總延時(shí)可用理論推算的方法來計(jì)算。信號(hào)經(jīng)過匹配濾波器后有4/7 s的延時(shí)。對于BCH譯碼器而言，需要輸入7位BCH才能譯碼4位實(shí)際數(shù)據(jù)，始終存在4 s的群延時(shí);同理，編碼器的編碼延時(shí)也為4 s。因此整個(gè)系統(tǒng)(從數(shù)據(jù)輸入到譯碼器的延時(shí))的群延時(shí)為8.571 428 571 s。由于RBE計(jì)數(shù)器的采樣率被設(shè)為1 Hz，即每秒兩路輸入信號(hào)判決一次，則整個(gè)系統(tǒng)的群延時(shí)應(yīng)為一個(gè)整數(shù)，所以這里的群延時(shí)為9個(gè)采樣。在BCH譯碼器和RBE計(jì)數(shù)器之間插入一個(gè)1 Hz的重采樣器(圖符12)后，會(huì)自動(dòng)將系統(tǒng)群延時(shí)調(diào)整為整數(shù)。

系統(tǒng)電路圖設(shè)計(jì)到此已完成，設(shè)置好全局關(guān)聯(lián)變量和系統(tǒng)定時(shí)窗口后，仿真得到的RBE曲線如圖3所示，系統(tǒng)的同步情況(接收器13和接收器15的卷積)如圖4所示。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出隨著信噪比的增大RBE曲線在下降，誤碼計(jì)數(shù)器兩路輸入信號(hào)的卷積峰值剛好對準(zhǔn)0點(diǎn)，準(zhǔn)確同步。

3.2 卷積碼編碼譯碼RBE測試系統(tǒng)的仿真

卷積碼是另外一種編碼方法，他也是將k個(gè)信息比特編成n個(gè)比特，但k和n通常很小，因此時(shí)延小，特別適合以串行形式進(jìn)行傳輸。卷積碼編碼后的n個(gè)碼元不僅與當(dāng)前段的k個(gè)信息有關(guān)，還與前面的N-1段信息有關(guān)，編碼過程中相互關(guān)聯(lián)的碼元個(gè)數(shù)為nN。卷積碼的糾錯(cuò)性能優(yōu)于分組碼，但卷積碼沒有分組碼那樣嚴(yán)密的數(shù)學(xué)分析手段，目前大多是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行好碼的搜索。圖5是一個(gè)[2，1，7]卷積碼編譯碼RBE測試仿真電路圖，輸出部分由硬判決和軟判決譯碼器構(gòu)成。

設(shè)置好全局關(guān)聯(lián)變量和系統(tǒng)定時(shí)窗口后，仿真結(jié)果如圖6所示，此處略有不同的是系統(tǒng)總延時(shí)的計(jì)算方法，即將計(jì)數(shù)器的兩路輸入信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的分析法。計(jì)算分析窗口如圖7(顯示的是43個(gè)采樣延時(shí))所示。由仿真結(jié)果(RBE測試曲線)可知軟判決比硬判決的誤碼性能好。

4 結(jié)語

通過上述的誤碼率測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果可知，利用System View軟件可以方便、快速 地進(jìn)行通信系統(tǒng)的仿真。并且只要參數(shù)適當(dāng)，可以得到符合要求和直觀理想的仿真結(jié)果，為 軟件算法研究者、硬件系統(tǒng)工程師提供了一個(gè)有效仿真工具。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通 信系統(tǒng)越來越復(fù)雜，設(shè)計(jì)和仿真難度也隨之加大，利用System View可以十分方便地完成相 應(yīng)的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。