二进制数字调制信号仿真与频谱分析系统

资 源 简 介

该项目旨在通过MATLAB环境实现二进制数字调制信号的产生与性能分析，涵盖了二进制振幅键控(OOK)、二进制频移键控(2FSK)和二进制相移键控(2PSK)三种基础调制方式。 系统功能首先包括随机二进制信息序列的生成，作为调制系统的输入信源。 随后，系统通过数学建模实现调制过程：OOK通过开关受控产生载波，实现幅度的二进制切换；2FSK通过在两个不同频率的载波间进行切换来表征逻辑0和1；2PSK则通过改变载波的初始相位（通常为0和π）来携带数字信息。 本项目特别强化了信号的频域特性的定量分析。通过调用快速

详 情 说 明

基于MATLAB的二进制数字调制信号(OOK/2FSK/2PSK)仿真与谱分析系统

项目介绍

本项目是一个专门用于模拟和分析三种基础二进制数字调制技术的软件系统。通过MATLAB环境，系统实现了从信源产生到信号调制，再到频域定量分析的全过程。该系统旨在为通信工程学习者和研究人员提供一个直观的工具，用以对比二进制振幅键控(OOK)、二进制频移键控(2FSK)和二进制相移键控(2PSK)在时间轴上的波形差异以及在频谱上的能量分布特征。

功能特性

1. 随机信源生成：系统能够自动产生随机的二进制信息序列（0和1），并将其转化为连续的矩形脉冲基带信号，作为后续调制的输入。
2. 三种调制模式仿真：

- OOK（开关键控）：实现载波幅度的有无切换。 - 2FSK（频移键控）：实现载波在两个不同频率（400Hz与800Hz）之间的切换。 - 2PSK（相移键控）：实现载波相位在0和π之间的反转。

1. 高精度谱分析：利用快速傅里叶变换（FFT）计算信号的单边幅度谱（dB单位）和功率谱密度。
2. 综合可视化：提供实时生成的时域波形对比图和频域特性对比图。
3. 特征测量报告：在控制台输出调制信号的带宽特性描述以及中心频率的实际测量值。

使用方法

1. 环境配置：确保计算机已安装MATLAB软件。
2. 运行仿真：在MATLAB编辑器中打开代码脚本，点击“运行”按钮或在命令行输入主函数名称。
3. 结果观察：运行后将自动弹出两个图形窗口，分别展示四路时域波形（基带、OOK、2FSK、2PSK）和叠加后的幅频特性曲线。
4. 查看报告：切换至MATLAB命令行窗口，查看关于三种调制信号主瓣、带宽及频率测量值的定量分析报告。

系统要求

• 软件平台：MATLAB R2016b 及以上版本。
• 硬件要求：通用计算机配置，无需特殊的信号处理硬件。
• 依赖项：无需外接工具箱，基于MATLAB内建函数实现。

功能实现逻辑说明

1. 信号参数定义：系统首先初始化核心参数，包括采样率（10000Hz）、码元速率（100Baud）、仿真比特数（20位）以及各调制方式所需的载波频率信息。
2. 采样与时序构建：通过采样率与码元速率的关系计算每个比特对应的采样点数，并建立全局时间轴向量。
3. 调制过程算法：

- 基带转换：将0/1序列映射为阶梯状的时域电压信号。 - OOK实现：将基带信号直接与余弦载波信号点乘，实现受控的幅度切换。 - 2FSK实现：采用分段处理逻辑，根据当前比特值选择性填充相应频率的简谐波信号分量。 - 2PSK实现：将0/1基带码元极性化处理为-1/+1序列，再与载波点乘，从而在原始码元切换处产生180度的相位跳变。

1. 频域处理逻辑：

- 采用2的幂次（nextpow2）优化FFT计算点数。 - 定义内部频谱计算函数，执行FFT变换后，提取单边谱。 - 进行幅度归一化并转换为对数刻度（dB），同时根据物理含义计算信号的功率谱密度（PSD）。

1. 数据可视化：

- 时域图采用多子图（subplot）布局，便于观察码元与载波相位、频率、幅度的对应关系。 - 频域图采用多线合一的绘制方式，直观展示不同调制方式在带宽占用上的差异。

关键算法与技术细节

1. 单边幅度谱计算：系统通过对FFT结果取模并进行幅值修正（除去采样长度并对非直流/奈奎斯特分量乘以2），准确还原了信号各频率分量的贡献，并通过加入极小值（eps）防止对数运算溢出。
2. 相位连续性处理：2FSK采用频率直接切换法，展示了不同频率载波在比特切换点的频率跳变特性。
3. 2PSK极性映射：通过 2*m(t)-1 的数学变换，精简地实现了双极性不归零码对载波相位的调制，这是实现2PSK最有效率的算法。
4. 功率谱密度（PSD）估计：利用周期图法公式，将信号频谱的平方与采样率及长度进行归一化，提供了能量在频域分布的定量数据。
5. 自动特征提取：系统能够自动识别频谱中的峰值索引，并将其映射回频率轴，从而实现对调制信号中心频率的自动测量。