多終端傳輸系統(tǒng)中BCH誤碼率的SystemView仿真實現(xiàn)

陸 毅，朱幼蓮，羅印升，錢志文，王豐華

（1.江蘇理工學院 電氣信息工程學院，江蘇 常州 213001；2.常州市武進廣播電視信息網(wǎng)絡有限責任公司 數(shù)字電視部，江蘇 常州 213161）

應用電視［1］也稱非廣播電視（NBTV，nonBroadcasting television），應用電視作為具有明顯應用特點的一類電視，常用于工業(yè)、交通、金融、醫(yī)療衛(wèi)生和安防等領域，是現(xiàn)代化管理、監(jiān)測和控制的重要手段。電視監(jiān)控系統(tǒng)作為應用電視在監(jiān)控領域的一個重要分支正得到迅速的發(fā)展。而電視監(jiān)控是一個較為龐大和復雜的綜合系統(tǒng)，功能眾多，所有功能都需控制中心來控制，因此如何最大限度地利用資源是重中之重。本文針對傳統(tǒng)應用電視中顯現(xiàn)的弊端，運用時分復用的方法，充分利用場消隱期間的有效資源［2］，將控制信號在視頻信號的通道上搭載運行，即將數(shù)據(jù)或控制信號精確加載在應用電視的25行場消隱期內(nèi)，并隨視頻信號一起在通道中傳輸，真正實現(xiàn)了單纜傳輸監(jiān)控系統(tǒng)［3］。由于信號安插在場消隱期內(nèi)，不影響應用電視的直接播放，不增加應用電視的傳輸帶寬，也無需改動現(xiàn)有的應用電視設備和增加額外的信道，與一些現(xiàn)有的視頻設備也易于配接。不僅很好地解決了傳輸線路的時延問題，更重要的是它從設備線路的精簡設計到資源的充分利用上優(yōu)化了傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，豐富了監(jiān)控系統(tǒng)的功能。本次二元BCH誤碼率的SystemView仿真實現(xiàn)就是基于單纜傳輸監(jiān)控系統(tǒng)的虛擬環(huán)境。

1 控制信號傳輸信道的干擾

由于視頻信號的頻帶很寬，從20Hz～5MHz，且起始頻率很低，在傳輸時其幅度和相位在高低頻的差別很大，容易受到兩方面的干擾［4］。一方面的干擾為廣播干擾，同軸電纜在架空設置時，電纜線本身就成了一根很長的天線，在受到廣播電磁波感應時，感應出電位差，這個電位差產(chǎn)生在電纜線屏蔽層兩端，產(chǎn)生于屏蔽層的電位差就通過圖1所示的回路形成干擾電流。該電流在負載電阻75Ω上形成干擾壓降而迭加到視頻信號上，干擾信號的正常傳輸。

圖1 廣播干擾形成的原理示意圖

另一方面的干擾為低頻干擾，低頻干擾主要是50 Hz的工頻干擾，形成此類干擾的主要原因是地電位差。在城市和工業(yè)區(qū)，特別是功率設備大的地區(qū)，用電設備的三相不平衡或接地方式不同時，易形成較大的地電流，會在兩地之間形成壓降，若電纜線兩端都接地，地電位差就會在電纜線上形成干擾電流，造成惡劣的信道干擾，從而影響視頻信號的傳輸。圖2為地電位差的干擾電流混入視頻信號的示意圖。

圖2 地電位差引起干擾示意圖

2 二元BCH編碼的實現(xiàn)

控制信號在隨視頻信號的傳輸過程中，易受上述干擾的影響，為保證傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠性，除了選擇合理的方法和考慮發(fā)射功率等方面的因素外，在信號傳輸過程中應加入信道編碼技術(shù)。BCH碼［5］作為一類很好的線性糾錯碼，具有適合單纜傳輸?shù)膬?yōu)良特性：（1）BCH碼是一類能糾多個隨機錯誤的循環(huán)碼，糾錯能力很強，特別在短和中等碼長下，其性能很接近于理論值；（2）該碼具有嚴格的代數(shù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造方便，編／解碼易于實現(xiàn)，便于從理論上對其進行研究；（3）縮短的BCH碼因其糾錯能力不變，可根據(jù)實際的系統(tǒng)要求來設計碼速，且由于校驗數(shù)目較少，可獲得較高的編碼效率。本文所采用的BCH（15，7）碼為單纜傳輸系統(tǒng)提供了有力的前向糾錯保證，它能糾正15個碼字中發(fā)生的任意2位或1位錯誤，有效增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。二元BCH編碼經(jīng)過伽羅華域表［6］的生成、最小多項式的確定、生成多項式的取得和生成矩陣的獲得［7］，最終可實現(xiàn)系統(tǒng)碼組。

3 BCH誤碼率的SystemView仿真實現(xiàn)

SystemView［8］作為由美國ELANIX公司推出的一個信號級系統(tǒng)仿真軟件，除包含基本庫外，還帶有諸如通信、邏輯、信號處理以及射頻／模擬等的專業(yè)庫以備選擇，特別適合于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的仿真設計。

3.1 系統(tǒng)仿真模型的建立

整個二元BCH碼的SystemView系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3 BCH碼BER系統(tǒng)仿真圖

在信號源圖符中選擇偽隨機序列PN Seq（圖3中0），用于產(chǎn)生一個按設定速率、由不同電平幅度脈沖組成的偽隨機序列PN信號，并將信號源的時間偏移設為0。為了保證每個比特對應一個采樣，在信號源的后面加入了一個采樣器（圖3中1），使之按設定的速率采樣。

通信庫中的編／解碼模塊（圖3中2）提供的分組碼糾錯編碼器用于研究糾錯碼的仿真和性能［9］，在本系統(tǒng)設計中選用信息段為7位、碼長為15位、糾錯能力為2位的BCH編碼方式，BCH（15，7）碼的生成多項式［10］為

通過函數(shù)庫中的多項式功能模塊（圖3中7）進行相應的系數(shù)設置。BCH（15，7）編碼器（以下簡稱BCH編碼器）每輸入7比特數(shù)據(jù)就產(chǎn)生一個15比特的編碼序列，而占用的時間間隔仍與7比特的輸入信號間隔一樣，是7s，則編碼信號的比特率為15／7，約2.143Hz，即每個編碼位的時間寬度為7／15≈0.467s。由于加入的加性高斯白噪聲（AWGN）信號的采樣率與系統(tǒng)采樣率一致，而BCH編碼輸出的采樣率較低，為使二者通過加法器Plus（圖3中10）相加，必須使用同樣的采樣率，所以在加法器前插入了一個保持器Hold（圖3中4）將信號恢復到系統(tǒng)采樣率。

將該系統(tǒng)的信道模擬成一個高斯噪聲信道，信道中的噪聲采用高斯噪聲信號源（圖3中11），在仿真時通常在噪聲源后添加一個增益（圖3中13）作為信噪比的控制器。受控的增益圖符需要在系統(tǒng)菜單中設置全局關聯(lián)變量，以便每一個測試循環(huán)完成后將系統(tǒng)參數(shù)改變到下一個信噪比值。

由于仿真時采用的是AWGN信道，本文通過使用一個簡單的積分清算子Int－Dmp（圖3中5）來表示理論上的最佳檢波器，并將積分時間設置為BCH碼的碼元寬度，即0.467s。為了保證BCH解碼器（圖3中9）的輸出數(shù)據(jù)率，其輸入數(shù)據(jù)率應為2.143Hz，則BCH解碼器前的采樣器（圖3中6）的采樣率應設為2.143Hz。SystemView是一個多速率系統(tǒng)，在系統(tǒng)仿真模塊中可能同時存在不同采樣速率的功能圖符，并且信號經(jīng)過諸如編碼器、解碼器時會產(chǎn)生固有的處理延時。雖然整個系統(tǒng)的群延時未必是一個整數(shù)，但采樣時間必須為整數(shù)。因此在BCH解碼器和BER計數(shù)器（圖3中17）之間插入一個重采樣器（圖3中15），自動地將系統(tǒng)的群延時調(diào)整為整數(shù)。

圖3中的14是一個停止接收計算器（stop sink）。其功能是當輸入值超過設定的門限值時，停止本次（或本循環(huán)）的仿真，若系統(tǒng)定時被設置為多循環(huán)，則進入下一循環(huán)的仿真運算。這里，它通常與BER（誤碼率）計數(shù)器的錯誤總數(shù)輸出相連，因此它的作用是當錯誤總數(shù)超過預定值時停止本次循環(huán)的仿真而進入下一循環(huán)，否則將一直仿真運算至系統(tǒng)設定的全部采樣點數(shù)完畢為止，然后進入下一循環(huán)。該仿真系統(tǒng)中，終值接收計算器（圖3中3）通常與BER計數(shù)器的累計均值輸出端連接。當仿真進行時，每一個循環(huán)結(jié)束后會顯示本次循環(huán)的BER均值，該值是用于計算BER－SNR（信噪比）曲線的基礎，只有利用終值接收計算器的數(shù)據(jù)才能繪出歸一化后的BER曲線，從而達到本次仿真實驗的目地。

3.2 BER測試仿真的延時設置

在建立具體的系統(tǒng)仿真模型時，不可避免地會出現(xiàn)群延時問題，通常需要將原始輸入信號與輸出信號之間交叉相關運算來求出該系統(tǒng)的群延時［11］。在BER仿真測試系統(tǒng)中，先將采樣延遲（圖3中12）的時間延遲設置為0，同時關閉相應的噪聲（即圖3中11的初值設置為0），并設定一個相對較小的系統(tǒng)采樣周期運行系統(tǒng)。進入SystemView的分析窗口，分析運算器中的交叉相關（cross－correlation）的運算功能。

分別在右上和右下的2個窗口選擇Sink16和Sink17進行交叉相關運算，其相關運算結(jié)果的數(shù)據(jù)顯示圖形如圖4所示。通過分析窗口的統(tǒng)計功能，得出最大相關值為“＠s23”，表示最大相關點在第23個采樣點，因此將系統(tǒng)的群延時設置為23個采樣。同時將采樣延遲（圖3中的12）已關閉的延時值設為23個采樣，并恢復噪聲幅度。如此，就對BER仿真測試實驗中的延時問題做了定量設置。

圖4 相關運算結(jié)果的數(shù)據(jù)顯示圖形

至此，可運行圖3中的仿真系統(tǒng)，并將系統(tǒng)窗口切換到分析窗口，可得出系統(tǒng)累計誤碼率均值相對于時間的關系函數(shù)，如圖5所示。

3.3 全局變量的關聯(lián)和BER曲線的生成

如果要繪出完整正確的BER／SNR曲線，必須將噪聲增益控制與系統(tǒng)的循環(huán)次數(shù)進行全局變量關聯(lián)，使信道的信噪比（SNR）由0dB開始逐步加大，即噪聲逐步減小且每次減小的步長與循環(huán)次數(shù)進行相關，并通過參數(shù)設置欄選擇全局變量進行關聯(lián)。

圖5 誤碼率曲線

參數(shù)設定后，運行系統(tǒng)仿真并切換到系統(tǒng)分析窗口。此時，終值接收計算器（圖3中3）顯示的是系統(tǒng)累計誤碼率均值相對于時間的關系曲線，并不是我們所需的BER－SNR關系曲線，因此該曲線必須經(jīng)過BER運算轉(zhuǎn)換方能得到正確的曲線。通過計算器功能窗口提供的“BER Plot”功能，設置起始信噪比“SNR Start［dB］”為1dB，增量“Increment”的值設為－cl（該值必須與預先設置的增益關聯(lián)一致）進行窗口的轉(zhuǎn)換。生成的BER－SNR曲線如圖6所示。

圖6 歸一化后的BER曲線

4 結(jié)束語

本仿真方法的實現(xiàn)和仿真過程的演示對教學和科研都有著積極的意義。教學研究上突破了傳統(tǒng)的SystemView單一性的仿真演示［12］，加深了學生對系統(tǒng)仿真的全面理解，充分理解了全局變量關聯(lián)在仿真過程中的重要性，另一方面在科學研究上通過以上的仿真結(jié)果可知，當采用了BCH（15，7）碼進行系統(tǒng)編解碼以后，誤碼率的數(shù)量級降低了，即錯碼發(fā)生的可能性降低了，保證了16位串行控制碼在以視頻電纜為信道的基帶傳輸中傳送的可靠性，從而有效地減少了其在傳輸過程受客觀干擾的影響，仿真的結(jié)果對于武進智能互動電視平臺的建設和廣電多終端服務平臺的建設有著積極的借鑒意義。

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