基于System View的比特误码率测试的仿真

作者：郑州大学 杨亮 齐林 刘艳霞

欢迎访问e展厅 展厅 6 电子测量仪器展厅 万用表, 示波器, 电子测试仪器, 信号发生器, 信号分析仪, ... 摘　要：比特误码率（RBE）是衡量一个通信系统优劣的重要指标之一。对如何利用System View仿真软件测试和生成一个通信系统的RBE测试曲线的实例进行了研究，并对此次仿真过程中的关键问题加以论述。 关键词：比特误码率；BCH码；卷积码；仿真 Simulation of Bit Error Rate Testing Based on the System View YANG Liang,QI Lin,LIU Yanxia (Information Engineering School,Zhengzhou University,Zhengzhou,450052,China) Abstract：Bit error rate (RBE) is one of the most i mportant qualification to judge a communication system. This article introduced some examples about h ow to use System View simulation software to test and generate the RBE　testing curve of a communication systemAt the same time, some key problems du ring the simulating process were discussed Keywords：bit error rate；BCH code; convolution code; simulat ion 1System View概述 Elanix的System View是一个完整的动态系统设计、仿真和分析的可视化环境，是一个适合多种操作系统的单机和网络平台。在System View环境下，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种速率的系统，可用于线性或非线性控制、通信系统的设计和仿真。System View有诸多优点：直观、简单、易用；支持多速率系统和并行系统；无限制分层结构；丰富的功能模块；广泛的滤波和线性系统设计；可扩展性。 2误码率测试仿真原理及其仿真的关键问题 2.1误码率测试仿真原理 在仿真系统中，信道模拟成一个高斯噪声信道（AWGN），输入信号经过AWGN信道后在输出端进行硬判断，当带有噪声的接收信号大于判决电平时，输出判为1，此时的原参照信号如果为0，则产生误码。 为了便于对各个系统进行比较，通常将信噪比用每比特所携带的能量除以噪声功率谱密度来表示，即Eb/N0，对基带信号，定义信噪比为： 这里的A为信号的幅度（通常取归一化值），R=1/T是信号的数据率。在仿真过程中，为了能得到一个通信系统的RBE曲线，通常需要在信号源或噪声源后边加入一个增益图符来控制信噪比的大小，System View仿真时应用此种方法（在噪声源后面加入增益图符）。受控的增益图符需要在系统菜单中设置全局关联变量，以便每一个测试循环完成后将系统参数改变到下一个信噪比值，全局关联变量的设置方法在下述内容中介绍。 2.2全局关联变量的设置 当一个高斯噪声信道的RBE测试模型设置基本完毕后，并不能绘出完整正确的RBE/RSN曲线，还必须将噪声增益控制与系统循环次数进行全局变量关联，使信道的信噪比（RSN）由0 dB开始逐步加大，即噪声逐步减小，噪声每次减小的步长与循环次数相关。设置的方法是：单击System View主菜单中的“Tools”选项，选择“Global Parameter Links”，这时出现如图1所示参数设置栏，在“Select System Token”中选择要关联的全局变量，图中选择了Gain图符，如果设定每次循环后将信噪比递增1 dB，即噪声减小1 dB，则应在算术运算关系定义栏“Define Algebraic Relation F［Gi,Vi］”内将F［Gi,Vi］的值设置为-c1，这里c1为系统变量“Current System Loop”的系统循环次数。 2.3设置系统仿真时间 在进行系统仿真之前首先必须对定时参数进行设置，系统的定时设定直接影响着系统仿真的效果甚至仿真结果的正确性。同时，定时参数的设置也直接影响系统仿真的精度，因此选取定时参数必须十分的注意，这也是初学者应重点掌握的内容，采样速率过高增加仿真的时间，过低则有可能得不到正确的仿真结果。单击设计窗口工具栏上的系统定时按钮则弹出系统定时设定窗口。 在进行定时窗口设置时要注意以下几点： （1）起始和终止时间控制了系统运行的时间范围，System View要求终止时间值应大于起始时间值。 （2）采样速率/采样间隔控制着时间步长，这2个值是相互关联的2个系统参数 改变其中一个数值，系统会自动修改另一个。System View是基于数字信号处理的模型分析软件，因此不论是模拟系统还是数字系统，System View总是要执行数字化处理。所以采样速率的选取必须遵循采样定律，否则将产生错误，很多System View仿真错误就是由此产生的。对于连续时间系统的仿真，系统的采样率必须定义为该系统最高频率的3～4倍。 （3）采样点数指定了系统仿真过程中总的采样点个数，其基本运算关系为： 采样点数=(终止时间－起始时间)×采样速率＋1 根据这个关系式，在采样速率不变时，System View将遵循下列规则自动修改参数： ①如果用户改变了采样点数，则System View不改变起始时间，但会根据新的采样间隔修改终止时间。 ②如果用户对起始时间和终止时间中的一个或全部做了修改，则采样点数会被自动修改。 ③采样点数只能是整数，若计算值不是整数，System View将取其近似整数值。除非用户自行修改，否则系统会一直保持到固定的采样点数。 在RBE测试试验仿真中，除了对系统采样频率要十分重视外，采样时间的选取也要特别注意，系统单循环仿真时间应该比计数器一个循环总计数时间要长。也可以通过系统采样点数的设置来满足此条件（否则可能出现计算的RBE值都为0）。 （4）频率分辨率是指系统对用户数据进行Fourier变换时，根据时间序列所得到的频率分辨率，其值为： 频率分辨率=采样速率/采样点数 （5）系统的循环次数提供了用户系统自动重复运行的功能。有reset system on loop和pause on loop 两种重复运行方式。 2.4RBE测试中的系统同步问题 在RBE测试模型建立完之后，与计算曲线密切相关的另一个重要问题是整个系统的定时问题，因为System View是一个多速率系统，在所有系统仿真模块中可能同时存在不同采样速率的功能图符，并且经过许多滤波器、编码器时，会产生固有的处理延时。RBE计数器图符具有两个输入，原则上每个采样进行一个比特的检验判断，因此两个输入必须是严格的位同步才能判决正确。严格地讲，应该是两个输入的采样率必须完全一致且绝对同步，这就要涉及到系统的定时问题。计数器两个输入端的时间差，即系统的延时有2种方法得到： 第一种方法：对一些简单的系统，可以通过计算逐个模块的时延，最后推算出系统的总的群延时时间。如在BCH编码、译码的RBE测试仿真实例中就是用此种方法。 第二种方法：当遇到非常复杂的系统模型或不易通过理论推算时，可以用原始输入信号与输出信号（在此例中是计数器的两个输入端信号）之间的相关运算来求出其系统的群延时，卷积码的RBE的测试仿真实例中用的就是此方法。为了说明这两种定时方法，下面举出两个实例分别论述。 3 RBE测试仿真实例 3.1 BCH编码译码RBE测试系统的仿真 BCH码是循环码的一个重要子类，他具有纠正多个错误的能力，BCH码有严密的代数理论，是目前研究最透彻的一类码。可以根据所要求的纠错能力t，很容易构造出BCH码。BCH码的编译码原理理论可参考文献［1，2］，下面以一个［7,4］ BCH编码、译码的RBE测试系统来说明BCH码RBE系统的System View仿真过程。图2是本例的仿真电路图。 输入信号（图符0）为1 Hz的PN码，为了保证每个比特对应一个采样，在信号源的后面加入了一个采样器（图符1），采样率设为1 Hz，信号源的时间偏移设为0，即数据从0时刻开始输出。［7,4］ BCH编码器每输入4 b数据就产生一个7 b的编码序列，数据输入和编码输出的序列占用的时间都为4 s，则编码信号的比特率为7/4＝1.75 Hz，于是每个编码位的时间宽度位：4/7＝0.571 428 571 s。为了使加入的AWGN信号的采样率与BCH编码 输出的采样率一致，便于二者相加，因此在加法器（图符5）之前插入一个保持器（图符4）将信号恢复到系统采样率。对任一个AWGN信道，匹配滤波器是最佳检波器，这里用一个简单的积分清洗算子（图符7）来作匹配滤波器，将积分时间设置为BCH码的码元宽度，即4/7 s。但是，为了保证BCH译码器（图符10）的输出数据率为1 Hz，则其输入数据率应为7/4＝1.75Hz，用采样器（图符9）设为1.75 Hz。 在此例中由于系统比较简单，系统总延时可用理论推算的方法来计算。信号经过匹配滤波器后有4/7 s的延时。对于BCH译码器而言，需要输入7位BCH才能译码4位实际数据，始终存在4 s的群延时；同理，编码器的编码延时也为4 s。因此整个系统（从数据输入到译码器的延时）的群延时为8.571 428 571 s。由于RBE计数器的采样率被设为1 Hz，即每秒两路输入信号判决一次，则整个系统的群延时应为一个整数，所以这里的群延时为9个采样。在BCH译码器和RBE计数器之间插入一个1 Hz的重采样器（图符12）后，会自动将系统群延时调整为整数。 系统电路图设计到此已完成，设置好全局关联变量和系统定时窗口后，仿真得到的RBE曲线如图3所示，系统的同步情况（接收器13和接收器15的卷积）如图4所示。从试验结果中可以看出随着信噪比的增大RBE曲线在下降，误码计数器两路输入信号的卷积峰值刚好对准0点，准确同步。 3.2 卷积码编码译码RBE测试系统的仿真 卷积码是另外一种编码方法，他也是将k个信息比特编成n个比特，但k和n通常很小，因此时延小，特别适合以串行形式进行传输。卷积码编码后的n个码元不仅与当前段的k个信息有关，还与前面的N－1段信息有关，编码过程中相互关联的码元个数为nN。卷积码的纠错性能优于分组码，但卷积码没有分组码那样严密的数学分析手段，目前大多是通过计算机进行好码的搜索。卷积码的编译码原理请参见文献［1，2］。图5是一个［2，1，7］卷积码编译码RBE测试仿真电路图，输出部分由硬判决和软判决译码器构成。 设置好全局关联变量和系统定时窗口后，仿真结果如图6所示，此处略有不同的是系统总延时的计算方法，即将计数器的两路输入信号进行相关运算的分析法。计算分析窗口如图7（显示的是43个采样延时）所示。由仿真结果（RBE测试曲线）可知软判决比硬判决的误码性能好。 4 结语 通过上述的误码率测试系统的设计和仿真结果可知，利用System View软件可以方便、快速 地进行通信系统的仿真。并且只要参数适当，可以得到符合要求和直观理想的仿真结果，为 软件算法研究者、硬件系统工程师提供了一个有效仿真工具。随着通信技术的不断发展，通 信系统越来越复杂，设计和仿真难度也随之加大，利用System View可以十分方便地完成相 应的通信系统的设计和仿真。 参考文献 ［1］樊昌信.通信原理［M］.北京：国防工业出版社，1994 ［2］曹志刚.现代通信原理［M］.北京：清华大学出版社，1992 ［3］罗卫兵，孙桦，张捷.System View动态系统分析及通信系统仿真设计［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2001 ［4］李东生，雍爱霞，左洪浩.System View系统设计及仿真入门与应用［M］. 北京：电子工业出版社，2002(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/16/2005)