GSM信道编码Simulink仿真与性能分析系统

资 源 简 介

本项目旨在通过MATLAB和Simulink环境构建一个完整的GSM（全球移动通信系统）信道编码仿真链路。系统模拟了GSM标准中物理层对业务信道（如TCH/FS）的保护机制，核心功能涵盖了从信源产生到信道译码的全过程。在发送端，系统首先生成随机的二进制比特流，随后按照GSM协议执行分类比特处理，包括对重要比特进行循环冗余校验（CRC）以实现检错功能，以及使用约束长度为5、码率为1/2的卷积编码器进行前向纠错（FEC）。为了应对移动信道中的突发错误，系统集成了交织（Interleaving）模块，将编码后的

详 情 说 明

GSM信道编码与性能分析系统

项目介绍

本项目是一个基于项目背景构建的GSM（全球移动通信系统）物理层链路仿真系统。该系统专注于模拟GSM标准中业务信道（TCH/FS）的保护机制，通过数学建模与算法实现，研究信道编码、交织技术以及GMSK调制在复杂信道环境下提升通信质量的能力。系统完整再现了从原始语音比特处理到基带信号传输，再到接收端完整恢复数据的全过程。

功能特性

1. 完整的物理层链路模拟：实现了从信源比特分类、纠错编码、调制到信道传输及反向译码的全闭环仿真。
2. 层次化的数据保护：严格遵循GSM协议对比特的重要性分类原则，对不同等级的比特采取差异化的保护策略。
3. 高效的纠错机制：集成循环冗余校验（CRC）和卷积编码，有效结合检错与纠错功能。
4. 抗衰落技术：通过交织技术打乱原始数据顺序，将信道中的突发错误离散化，提升解调性能。
5. 多维度性能分析：支持误码率（BER）与信噪比（SNR）的定量对比，并提供基带波形和星座图的定性观测。

使用方法

1. 准备环境：确保计算机安装有MATLAB环境以及通信系统工具箱（Communications Toolbox）。
2. 执行仿真：运行主程序脚本，系统将自动启动仿真循环。
3. 参数调节：用户可根据需求在脚本开头修改仿真帧数、信噪比范围等核心参数。
4. 查看结果：仿真完成后，系统会自动弹出误码率曲线图和信号特性图，并在控制台输出每一级信噪比下的具体误码数据。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2021a 或更高版本。
2. 必需组件：Communications Toolbox（用于CRC、卷积码、GMSK及维特比译码等核心函数的调用）。
3. 硬件建议：支持基本的图形渲染以显示仿真曲线和星座图。

实现逻辑与仿真流程

系统仿真逻辑分为发送端处理、信道模拟、接收端处理以及性能评估四个阶段：

1. 发送端比特处理流程

• 数据生成：每帧生成260比特原始数据，模拟GSM TCH/FS帧格式。
• 比特分类：将260比特分为三类。第一类重要比特Class Ia（50位）、第一类次要比特Class Ib（132位）以及第二类不加密比特Class II（78位）。
• CRC检错编码：针对极其重要的Class Ia比特，使用生成多项式g(D) = D^3 + D + 1计算并附加3位CRC校验位。
• 卷积编码（FEC）：将Class Ia、CRC位、Class Ib以及4位尾比特合并，输入约束长度为5、码率为1/2的代码生成器（八进制多项式为23, 33）。该过程将189位输入转换为378位编码输出。
• 帧组装与交织：将编码后的378位与未受保护的78位Class II比特合并，形成456比特的完整信道帧。通过随机重排实现块交织效果，以增强系统抗突发噪声的能力。
• GMSK调制：采用高斯最小频移键控（GMSK）调制技术，每码元采样8个点，将二进制序列转换为适用于物理信道传输的基带信号。

2. 信道模拟

• 系统模拟加性高斯白噪声（AWGN）信道。在仿真过程中，系统会根据编码带来的冗余度自动修正实际信噪比（考虑Eb/No转换），并对调制信号注入相应功率的功率谱噪声。

3. 接收端处理流程

• 解调：接收端首先通过GMSK解调器恢复出二进制比特流。
• 反交织：利用发送端生成的索引映射，将比特序列恢复到交织前的原始顺序。
• 维特比译码：对属于Class I的部分采用维特比（Viterbi）算法进行硬判决译码。译码器使用截断模式，通过最大似然路径搜索纠正传输中的误码。
• 比特提取与校验：从译码输出中分离出Class Ia和Class Ib。通过内置的CRC检测器对Class Ia进行校验，若发现不可修复的错误则输出错误标志。
• 序列重组：将恢复出的三类比特重新拼接，还原为260比特的目标序列。

4. 性能分析与评估

• 误码检测：系统会逐比特对比原始发送序列与最终接收序列，统计不同信噪比下的误码总数。
• 对比基准：程序同步运行一个无编码的对照组，即将原始260比特直接进行GMSK传输，以此直观展现信道编码带来的编码增益。
• 可视化展示：绘制Semilogy误码率曲线，直观反映随着SNR提升，编码系统相对于未编码系统在可靠性上的显著优势。同时展示信号的时域波形图与其在复平面上的星座分布。

关键函数与算法细节

• 卷积码：采用(2, 1, 4)卷积码，通过poly2trellis函数定义网格结构，其生成多项式决定了码字的纠错强度。
• 维特比算法：实现了一种高效的动态规划算法，利用格图搜索最小汉明距离路径，在存在量化噪声的情况下依然能保持较低的误码。
• 信噪比补偿：仿真中精确计算了由于编码冗余引起的功率变化，确保在Eb/No衡量标准下对比的公平性。
• CRC多项式：严格按照GSM规范使用3位校验，用于关键指令或语音信息的合法性验证。