基于PPM脉冲位置调制的通信系统仿真与性能分析

资 源 简 介

本项目旨在通过MATLAB平台构建一个完整的脉冲位置调制（PPM）与解调仿真系统。 系统首先将输入的随机二进制比特流按照指定的调制阶数（如L-PPM）进行映射，转换为对应的十进制符号序列。 在调制阶段，系统将每个符号周期划分为L个等长的时间片（Slots），并根据符号代表的数值在对应的时隙内产生一个窄脉冲信号，从而将信息加载到脉冲所处的位置。 实现流程涵盖了信号源产生、PPM编码、脉冲成形（支持矩形脉冲或高斯脉冲模型）、加性高斯白噪声（AWGN）物理信道模拟。 在接收端，系统实现了基于匹配滤波或能级检测的

详 情 说 明

脉冲位置调制 (PPM) 系统仿真与性能分析项目

项目介绍

本项目是一个基于 MATLAB 开发的通信系统仿真平台，专注于脉冲位置调制（Pulse Position Modulation, PPM）技术的全链路实现。系统对从原始二进制数据产生到最终接收端解调的完整物理层过程进行了建模，旨在通过数值仿真验证 PPM 在加性高斯白噪声（AWGN）信道下的可靠性与波形特征。通过调节调制阶数、信噪比及占空比等关键参数，用户可以直观地观察时域信号的变化规律规律，并深入分析系统的误码率性能。

功能特性

1. 多阶 PPM 调制支持：支持 L-PPM 调制模式，可根据需求调整调制阶数（如 4-PPM、8-PPM 等）。
2. 时域波形精细建模：实现了基于采样点的脉冲成形逻辑，支持自定义脉冲占空比，能够模拟矩形窄脉冲在时隙内的分布。
3. 最佳接收机实现：构建了基于最大似然准则的能量检测接收机，通过对符号周期内各时隙的信号能量进行积分与比较，实现精确判决。
4. 性能评估可视化：系统自动生成完整的评估图表，包括发送端的离散波形、受噪声污染的接收波形、模拟“眼图”的信号叠加视图，以及仿真误码率与理论值的对比曲线。
5. 理论与仿真对比：内置 M 元正交信号的理论误码率计算公式，用于辅助验证仿真算法的正确性。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2018a 或更高版本。
• 工具箱要求：需要安装 Communications Toolbox（通信工具箱），用于处理位操作（bi2de/de2bi）、信道加噪（awgn）以及误码统计（biterr）。

使用方法

1. 启动 MATLAB 并在当前文件夹中打开项目路径。
2. 在命令行窗口输入主程序脚本名称并回车。
3. 程序将首先弹出一个波形演示窗口，展示 4-PPM 的时域波形特征及噪声影响。
4. 随后程序会自动进入蒙特卡洛仿真阶段，并在命令行实时打印各信噪比（Eb/N0）下的实测误码率数据。
5. 仿真结束后，系统将弹出 BER 性能曲线图，展示系统性能随信噪比增长的变化趋势。

系统实现流程与逻辑

1. 信号源与编码逻辑

系统首先生成随机二进制比特序列。根据设定的调制阶数 L，计算每个符号携带的比特数 k（即 log2(L)）。通过将比特流按高位优先（MSB）原则进行分组，转换为 0 到 L-1 之间的十进制符号序列。

2. 时域调制波形生成

每个符号对应的时长被划分为 L 个等长的时间片（Slots）。调制器的核心逻辑在于：根据当前符号的数值，确定脉冲应出现在第几个时隙，并在此位置填充高电平信号。

• 系统通过采样频率来离散化连续时间，每个时隙包含固定数量的采样点。
• 通过占空比参数控制脉冲在单个时隙内的实际宽度，增强了物理层仿真的灵活性。

3. 信道模型

仿真采用 AWGN 信道。系统根据设定的比特信噪比（Eb/N0），综合考虑符号携带比特数和单位符号内的采样点能量，计算出对应的噪声功率，并将高斯分布的随机噪声叠加到调制波形上。

4. 接收机解调算法

接收端采用非相干检测中的最大似然检测策略：

• 分段积分：解调器锁定符号同步边界，将接收到的连续波形切分为 L 个时隙段。
• 能量判决：计算每个时隙内的采样点幅值累计（即能量积分）。
• 最大值选取：对比 L 个时隙的积分结果，能量最大的时隙索引即被判定为原始符号数值。
• 逆映射：将判决后的符号重新转换为二进制位流。

5. 性能指标计算

• 仿真 BER：统计解调后的位流与原始位流的差异。
• 理论 BER：基于 M 元正交信号在 AWGN 信道下的误码概率公式进行解析计算。
• 信号叠加分析：通过将多个符号周期的接收波形重叠在同一个周期坐标轴上，观测时隙之间的区分度（类似于眼图），评估信道噪声对判决余量的影响。

关键算法细节分析

• 信噪比换算：在代码实现中，针对 PPM 这种时域脉冲系统，程序精确处理了从 Eb/N0 到采样信噪比的转换，确保在不同采样率和采样密度下，其功率谱密度的模拟符合物理真实情况。
• 积分窗选择：解调算法针对具体的脉冲占空比设定了积分窗口。在有效脉冲宽度内进行积分计算，可以最大限度地过滤掉非脉冲区域的噪声成分，提高判决准确率。
• 多径与同步（简化）：当前版本主要基于理想同步情况下的加性噪声信道分析，为光无线通信或窄脉冲超宽带系统提供了基础的算法原型参考。