数字基带传输系统线路码型仿真与性能评估

资 源 简 介

本项目利用MATLAB软件构建一个完整的数字通信系统仿真平台，重点研究数字基带传输过程中的码型变换及其性能差异。系统首先生成随机的二进制原始信息序列，随后将其分别通过四种经典的线路编码器进行处理，产生的码型包括单极性不归零码(Unipolar NRZ)、双极性不归零码(Polar NRZ)、单极性归零码(Unipolar RZ)以及曼彻斯特码(Manchester)。 在时域分析模块中，系统通过采样频率和码元速率的精确匹配，生成连续的时间信号波形，直观展示不同码型在零点电平、极性转换以及时钟分量提取方面的

详 情 说 明

数字基带传输系统的四种线路码型仿真与性能评估系统

项目介绍

本项目是一个基于 MATLAB 开发的数字通信仿真平台，旨在通过数值模拟手段研究数字基带信号在不同线路编码方式下的时域特征、频域特性以及在加性高斯白噪声（AWGN）信道中的误码性能。系统涵盖了四种在现代通信理论中具有代表性的线路码型：单极性不归零码（Unipolar NRZ）、双极性不归零码（Polar NRZ）、单极性归零码（Unipolar RZ）和曼彻斯特码（Manchester）。通过本系统，用户可以直观地观察码型变换过程，分析功率谱密度的分布规律，并评估不同编码方案在抗噪声性能上的差异。

功能特性

• 多码型支持：支持生成并分析四种经典的基带线路码型，涵盖了单/双极性和归零/不归零的多种组合。
• 高精度时域建模：通过采样频率与码元速率的匹配，生成精细的时间序列波形，展示码元跃变细节。
• 频域动态分析：利用快速傅里叶变换（FFT）估计信号的功率谱密度（PSD），分析直流分量、主瓣宽度及离散谱线。
• 自动化性能评估：集成蒙特卡洛仿真实验，自动计算并绘制不同信噪比（SNR）情况下的误码率（BER）变化曲线。
• 灵活的参数配置：允许自定义码元数量、速率、采样率及仿真迭代次数，适应不同复杂度的教学与科研需求。

系统实现逻辑

系统按照数字通信的典型流程进行设计，主要逻辑步骤如下：

1. 原始数据生成：系统产生一组服从均匀分布的二进制随机序列作为原始信息源。
2. 信号编码与过采样：

- 单极性不归零码：将原始比特直接映射为电平（0和1），并根据采样倍数进行样点扩展。 - 双极性不归零码：将 0 转换为 -1，1 转换为 1，实现无直流分量的电平表示。 - 单极性归零码：在码元周期的前半部分保持电平，后半部分强制归零（50%占空比），以提取同步时钟信息。 - 曼彻斯特码：通过每码元中间的电平跳变表示逻辑。根据代码实现，逻辑 1 映射为高到低的跳变，逻辑 0 映射为低到高的跳变。

1. 功率谱分析：对生成的过采样信号进行 FFT 运算，计算双边功率谱，并取其模平方得到单边功率谱密度分布。
2. AWGN信道模拟：在接收端引入高斯白噪声，通过计算不同电平定义下的平均信号功率，设置精确的信噪比。
3. 判决与检测：

- 对于不归零码，采用单采样点阈值判决。 - 对于归零码，针对其前半个有效脉冲区间进行采样判决。 - 对于曼彻斯特码，采用差分判决逻辑（比较前半码元与后半码元的能量差）。

1. 统计与绘图：统计错误比特数，计算误码率，并使用半对数坐标系展示 BER 曲线。

关键函数与算法细节说明

时间与采样控制

系统利用采样频率（fs）与码元速率（Rb）的比值确定每个码元的采样点数（L）。在时域绘图中，通过裁剪时间向量和信号向量的前 N 个采样点，实现平滑且准确的波形展示。

功率谱密度估计算法

采用周期图法进行频谱分析。利用 FFT 将时域信号转换到频域，通过归一化物理频率轴（频率间隔为 fs/N），在 0 到 3 倍码元速率的范围内观察各码型的带宽消耗和频谱特征。

自定义信道函数：awgn_channel

这是一个内部核心辅助函数，具备以下实现细节：

• 功率自适应：自动根据代码类型（单极性或双极性）计算平均信号功率。单极性码功率按 0.5 计算，双极性码功率按 1.0 计算。
• 噪声注入：根据预设的线性信噪比（SNR），计算噪声方差 $sigma^2$，并生成相应的正态分布随机序列叠加到信号上。

曼彻斯特码的特殊判决方案

在误码率仿真阶段，曼彻斯特码采用了将每个码元拆分为两个采样区间的方法。接收机通过计算 $r(t_1) - r(t_2)$ 的正负号来判定原始比特，这种差分判决显著提高了系统的抗干扰能力。

使用方法

1. 确保您的计算机中已安装 MATLAB。
2. 获取本项目的所有源代码。
3. 在 MATLAB 命令窗口中将工作目录定位至代码所在文件夹。
4. 直接运行主程序脚本。
5. 系统将自动弹出三个窗口，分别显示：

- 四种线路码型的时域波形图。 - 四种线路码型的功率谱密度对比图。 - 随信噪比变化的误码率性能对比曲线图。

1. 您可以通过修改脚本中参数设置部分的 $N$（码元数）或 $snr_db$（信噪比范围）来调整仿真的精度和范围。

系统要求

• 环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 工具箱：基础 MATLAB 环境（误码率计算和信道模拟均采用原生矩阵运算实现，不强行依赖 Communication Toolbox，具有良好的通用性）。