多终端传输系统中BCH误码率的SystemView仿真实现

陆 毅，朱幼莲，罗印升，钱志文，王丰华

（1.江苏理工学院 电气信息工程学院，江苏 常州 213001；2.常州市武进广播电视信息网络有限责任公司 数字电视部，江苏 常州 213161）

应用电视［1］也称非广播电视（NBTV，nonBroadcasting television），应用电视作为具有明显应用特点的一类电视，常用于工业、交通、金融、医疗卫生和安防等领域，是现代化管理、监测和控制的重要手段。电视监控系统作为应用电视在监控领域的一个重要分支正得到迅速的发展。而电视监控是一个较为庞大和复杂的综合系统，功能众多，所有功能都需控制中心来控制，因此如何最大限度地利用资源是重中之重。本文针对传统应用电视中显现的弊端，运用时分复用的方法，充分利用场消隐期间的有效资源［2］，将控制信号在视频信号的通道上搭载运行，即将数据或控制信号精确加载在应用电视的25行场消隐期内，并随视频信号一起在通道中传输，真正实现了单缆传输监控系统［3］。由于信号安插在场消隐期内，不影响应用电视的直接播放，不增加应用电视的传输带宽，也无需改动现有的应用电视设备和增加额外的信道，与一些现有的视频设备也易于配接。不仅很好地解决了传输线路的时延问题，更重要的是它从设备线路的精简设计到资源的充分利用上优化了传统的监控系统，丰富了监控系统的功能。本次二元BCH误码率的SystemView仿真实现就是基于单缆传输监控系统的虚拟环境。

1 控制信号传输信道的干扰

由于视频信号的频带很宽，从20Hz～5MHz，且起始频率很低，在传输时其幅度和相位在高低频的差别很大，容易受到两方面的干扰［4］。一方面的干扰为广播干扰，同轴电缆在架空设置时，电缆线本身就成了一根很长的天线，在受到广播电磁波感应时，感应出电位差，这个电位差产生在电缆线屏蔽层两端，产生于屏蔽层的电位差就通过图1所示的回路形成干扰电流。该电流在负载电阻75Ω上形成干扰压降而迭加到视频信号上，干扰信号的正常传输。

图1 广播干扰形成的原理示意图

另一方面的干扰为低频干扰，低频干扰主要是50 Hz的工频干扰，形成此类干扰的主要原因是地电位差。在城市和工业区，特别是功率设备大的地区，用电设备的三相不平衡或接地方式不同时，易形成较大的地电流，会在两地之间形成压降，若电缆线两端都接地，地电位差就会在电缆线上形成干扰电流，造成恶劣的信道干扰，从而影响视频信号的传输。图2为地电位差的干扰电流混入视频信号的示意图。

图2 地电位差引起干扰示意图

2 二元BCH编码的实现

控制信号在随视频信号的传输过程中，易受上述干扰的影响，为保证传输的稳定可靠性，除了选择合理的方法和考虑发射功率等方面的因素外，在信号传输过程中应加入信道编码技术。BCH码［5］作为一类很好的线性纠错码，具有适合单缆传输的优良特性：（1）BCH码是一类能纠多个随机错误的循环码，纠错能力很强，特别在短和中等码长下，其性能很接近于理论值；（2）该码具有严格的代数结构，构造方便，编／解码易于实现，便于从理论上对其进行研究；（3）缩短的BCH码因其纠错能力不变，可根据实际的系统要求来设计码速，且由于校验数目较少，可获得较高的编码效率。本文所采用的BCH（15，7）码为单缆传输系统提供了有力的前向纠错保证，它能纠正15个码字中发生的任意2位或1位错误，有效增强了系统的抗干扰能力。二元BCH编码经过伽罗华域表［6］的生成、最小多项式的确定、生成多项式的取得和生成矩阵的获得［7］，最终可实现系统码组。

3 BCH误码率的SystemView仿真实现

SystemView［8］作为由美国ELANIX公司推出的一个信号级系统仿真软件，除包含基本库外，还带有诸如通信、逻辑、信号处理以及射频／模拟等的专业库以备选择，特别适合于现代通信系统的仿真设计。

3.1 系统仿真模型的建立

整个二元BCH码的SystemView系统仿真模型如图3所示。

图3 BCH码BER系统仿真图

在信号源图符中选择伪随机序列PN Seq（图3中0），用于产生一个按设定速率、由不同电平幅度脉冲组成的伪随机序列PN信号，并将信号源的时间偏移设为0。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3中1），使之按设定的速率采样。

通信库中的编／解码模块（图3中2）提供的分组码纠错编码器用于研究纠错码的仿真和性能［9］，在本系统设计中选用信息段为7位、码长为15位、纠错能力为2位的BCH编码方式，BCH（15，7）码的生成多项式［10］为

通过函数库中的多项式功能模块（图3中7）进行相应的系数设置。BCH（15，7）编码器（以下简称BCH编码器）每输入7比特数据就产生一个15比特的编码序列，而占用的时间间隔仍与7比特的输入信号间隔一样，是7s，则编码信号的比特率为15／7，约2.143Hz，即每个编码位的时间宽度为7／15≈0.467s。由于加入的加性高斯白噪声（AWGN）信号的采样率与系统采样率一致，而BCH编码输出的采样率较低，为使二者通过加法器Plus（图3中10）相加，必须使用同样的采样率，所以在加法器前插入了一个保持器Hold（图3中4）将信号恢复到系统采样率。

将该系统的信道模拟成一个高斯噪声信道，信道中的噪声采用高斯噪声信号源（图3中11），在仿真时通常在噪声源后添加一个增益（图3中13）作为信噪比的控制器。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。

由于仿真时采用的是AWGN信道，本文通过使用一个简单的积分清算子Int－Dmp（图3中5）来表示理论上的最佳检波器，并将积分时间设置为BCH码的码元宽度，即0.467s。为了保证BCH解码器（图3中9）的输出数据率，其输入数据率应为2.143Hz，则BCH解码器前的采样器（图3中6）的采样率应设为2.143Hz。SystemView是一个多速率系统，在系统仿真模块中可能同时存在不同采样速率的功能图符，并且信号经过诸如编码器、解码器时会产生固有的处理延时。虽然整个系统的群延时未必是一个整数，但采样时间必须为整数。因此在BCH解码器和BER计数器（图3中17）之间插入一个重采样器（图3中15），自动地将系统的群延时调整为整数。

图3中的14是一个停止接收计算器（stop sink）。其功能是当输入值超过设定的门限值时，停止本次（或本循环）的仿真，若系统定时被设置为多循环，则进入下一循环的仿真运算。这里，它通常与BER（误码率）计数器的错误总数输出相连，因此它的作用是当错误总数超过预定值时停止本次循环的仿真而进入下一循环，否则将一直仿真运算至系统设定的全部采样点数完毕为止，然后进入下一循环。该仿真系统中，终值接收计算器（图3中3）通常与BER计数器的累计均值输出端连接。当仿真进行时，每一个循环结束后会显示本次循环的BER均值，该值是用于计算BER－SNR（信噪比）曲线的基础，只有利用终值接收计算器的数据才能绘出归一化后的BER曲线，从而达到本次仿真实验的目地。

3.2 BER测试仿真的延时设置

在建立具体的系统仿真模型时，不可避免地会出现群延时问题，通常需要将原始输入信号与输出信号之间交叉相关运算来求出该系统的群延时［11］。在BER仿真测试系统中，先将采样延迟（图3中12）的时间延迟设置为0，同时关闭相应的噪声（即图3中11的初值设置为0），并设定一个相对较小的系统采样周期运行系统。进入SystemView的分析窗口，分析运算器中的交叉相关（cross－correlation）的运算功能。

分别在右上和右下的2个窗口选择Sink16和Sink17进行交叉相关运算，其相关运算结果的数据显示图形如图4所示。通过分析窗口的统计功能，得出最大相关值为“＠s23”，表示最大相关点在第23个采样点，因此将系统的群延时设置为23个采样。同时将采样延迟（图3中的12）已关闭的延时值设为23个采样，并恢复噪声幅度。如此，就对BER仿真测试实验中的延时问题做了定量设置。

图4 相关运算结果的数据显示图形

至此，可运行图3中的仿真系统，并将系统窗口切换到分析窗口，可得出系统累计误码率均值相对于时间的关系函数，如图5所示。

3.3 全局变量的关联和BER曲线的生成

如果要绘出完整正确的BER／SNR曲线，必须将噪声增益控制与系统的循环次数进行全局变量关联，使信道的信噪比（SNR）由0dB开始逐步加大，即噪声逐步减小且每次减小的步长与循环次数进行相关，并通过参数设置栏选择全局变量进行关联。

图5 误码率曲线

参数设定后，运行系统仿真并切换到系统分析窗口。此时，终值接收计算器（图3中3）显示的是系统累计误码率均值相对于时间的关系曲线，并不是我们所需的BER－SNR关系曲线，因此该曲线必须经过BER运算转换方能得到正确的曲线。通过计算器功能窗口提供的“BER Plot”功能，设置起始信噪比“SNR Start［dB］”为1dB，增量“Increment”的值设为－cl（该值必须与预先设置的增益关联一致）进行窗口的转换。生成的BER－SNR曲线如图6所示。

图6 归一化后的BER曲线

4 结束语

本仿真方法的实现和仿真过程的演示对教学和科研都有着积极的意义。教学研究上突破了传统的SystemView单一性的仿真演示［12］，加深了学生对系统仿真的全面理解，充分理解了全局变量关联在仿真过程中的重要性，另一方面在科学研究上通过以上的仿真结果可知，当采用了BCH（15，7）码进行系统编解码以后，误码率的数量级降低了，即错码发生的可能性降低了，保证了16位串行控制码在以视频电缆为信道的基带传输中传送的可靠性，从而有效地减少了其在传输过程受客观干扰的影响，仿真的结果对于武进智能互动电视平台的建设和广电多终端服务平台的建设有着积极的借鉴意义。

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