超宽带BPSK通信系统与窄带干扰仿真分析

资 源 简 介

本项目利用MATLAB构建了一个完整的超宽带（UWB）BPSK调制通信链路模型，旨在模拟并分析在复杂电磁环境下超宽带信号的传输特性及其抗干扰能力。系统首先通过高斯单脉冲函数生成基础的超宽带窄脉冲波形，随后根据输入的随机二进制信息比特流进行双极性BPSK调制，通过改变脉冲的极性来承载数据信息。在信道模拟部分，系统不仅引入了常规的加性高斯白噪声（AWGN），还重点加入了窄带干扰（NBI）模型，该干扰通过单频正弦信号或窄带噪声进行模拟，用以评估超宽带信号在共享频谱环境中受到的传统窄带信号（如Wi-Fi或蜂窝信号

详 情 说 明

超宽带BPSK调制与窄带干扰分析系统仿真项目

项目概述

本项目设计并实现了一个基于超宽带（UWB）技术的BPSK通信链路仿真系统。该系统专注于在存在加性高斯白噪声（AWGN）和特定窄带干扰（NBI）的环境下，评估超宽带信号的传输性能。通过模拟真实的物理层参数（如100GHz采样速度和纳秒级脉冲），系统展示了UWB信号在频域的低功率谱密度特性以及其在共享频谱环境中对抗如Wi-Fi、蜂窝信号等典型干扰的能力。

主要功能特性

• 高斯单脉冲生成：基于数学模型生成具备典型超宽带特征的一阶高斯导数脉冲。
• BPSK调制链路：实现了从二进制信息流到双极性脉冲位置调制的完整过程。
• 复杂信道模拟：支持自定义信噪比（SNR）和干信比（ISR），并能精确模拟单频正弦窄带干扰。
• 相干检测与解调：采用基于本地模板脉冲的互相关检测技术，对接收信号进行匹配滤波处理。
• 多维度性能评估：通过蒙特卡洛仿真计算误码率（BER），并提供时域波形、功率谱密度（PSD）及短时傅里叶变换（STFT）时频分析。

核心实现流程与逻辑

系统运行过程遵循标准的数字通信系统模型，主要逻辑步骤如下：

1. 参数初始化：设置高达100GHz的采样频率，确保纳秒级脉冲的采样精度。定义0.2ns的形状参数和2ns的符号周期，模拟超高速窄脉冲传输。
2. 基本波形构建：系统利用公式计算生成归一化的高斯单脉冲模板，作为信息承载的基础波形。
3. 信息调制：生成随机二进制比特序列，并将其映射为+1/-1的双极性符号。系统遍历每个符号周期，在起始位置插入对应极性的高斯脉冲，合成时间连续的发射信号。
4. 干扰与噪声注入：

* 根据设定的干信比（ISR），计算并生成对应功率的单频正弦波作为窄带干扰。 * 在模拟遍历不同信噪比的过程中，动态生成并叠加加性高斯白噪声。

1. 信号接收与检测：在每个符号窗口内，将接收到的混叠信号与本地预存的无污染模板脉冲进行求和互相关运算。根据相关值的正负进行判决，恢复原始比特。
2. 统计分析与可视化：对比发送与接收比特计算误码率，同时调用频谱和时频分析函数展示信号的频域分布特征。

关键算法详细说明

• 脉冲整形算法：采用高斯一阶导数函数 $f(t) = (t/tau) cdot e^{-(t/tau)^2}$，这种波形不含直流分量，非常适合超宽带天线传输。
• 干信比（ISR）控制：系统通过计算发射信号的平均功率，并结合给定的ISR数值（dB），反向推算出干扰信号的振幅。公式为：$P_{interference} = P_{signal} cdot 10^{(ISR/10)}$。
• 相关接收机逻辑：利用匹配滤波器的原理，在采样点级别执行 sum(segment .* template_pulse)。这种方法在白噪声环境下能最大化输出信噪比，是BPSK解调的最优方案之一。
• 误码率仿真：内嵌了自定义的比特错误统计函数，并将仿真结果与标准的BPSK在AWGN信道下的理论公式进行对比，直观展示由于窄带干扰存在而导致的性能损失（性能平层现象）。

系统要求

• 软件环境：MATLAB及其信号处理工具箱（用于功率谱分析和时频图展示）。
• 主要依赖函数：需要 periodogram 执行频谱估算，spectrogram 进行时频分析，以及基础的随机数生成函数等。

使用方法

1. 打开环境并将所有相关逻辑函数加载至路径。
2. 直接运行主程序，系统将自动执行从比特生成到误码率统计的完整循环。
3. 观察弹出的多子图窗口：

* 左侧展示了时域内脉冲在干扰下的畸变情况。 * 右侧顶部和中部图表揭示了UWB信号的“地毯式”频谱特性以及窄带干扰带来的频谱尖峰。 * 右下角图表展示了实测误码率曲线，用户可以观察到在存在强干扰时，误码率曲线相对于理论曲线的偏离程度。

1. 可以根据需要修改参数设置区的 isr_db 或 f_nbi 来模拟不同强度或不同频率的干扰环境。