基于BFSK与卷积编码的多径衰落信道仿真系统

资 源 简 介

本系统是一个集成式的MATLAB无线通信链路仿真平台，专门用于模拟复杂传播环境下的信号传输过程。项目首先生成随机二进制比特流，并采用卷积编码技术对原始数据进行差错控制编码，以提高系统在噪声及衰落环境下的鲁棒性。随后，系统执行二进制频移键控（BFSK）调制，将编码后的数字序列映射为特定频率的载波信号。 在信道模拟核心部分，本项目实现了一个高度综合的物理层模型，同步包含了加性高斯白噪声（AWGN）、莱斯（Rician）衰落以及多径时延效应。其中，高斯信道用于模拟系统热噪声；莱斯信道模型则通过配置K因子来反映信

详 情 说 明

基于BFSK调制与卷积编码的高斯、莱斯及多径复合信道仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的集成式无线通信链路仿真系统。其核心目标是模拟在复杂物理环境（包含高斯白噪声、莱斯衰落及多径时延）下，通过卷积编码与二进制频移键控（BFSK）调制技术提升信号传输可靠性的过程。系统涵盖了从原始数据生成、纠错编码、调制、复合信道模拟到解调、译码及性能评估的全过程，为研究无线通信中的抗衰落性能提供了量化的实验平台。

功能特性

• 全链路仿真：完整实现从比特流到射频波形，再到基带数据的闭环仿真。
• 纠错编码能力：采用标准(2,1,7)卷积码，配合维特比（Viterbi）硬判决译码，增强信号在恶劣信道下的鲁棒性。
• 复杂信道建模：同步实现高斯白噪声（AWGN）、莱斯（Rician）衰落和三径多径时延效应，精确模拟实际无线传播环境。
• 非相干解调技术：在接收端使用相关器进行能量检测，实现BFSK信号的非相干解调。
• 多维度性能评估：自动生成误码率（BER）性能曲线、时域波形对比图、功率谱密度（PSD）分析图及原始数据校验。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 工具箱依赖：Communications Toolbox（用于卷积编码、维特比译码及相关信道函数）。

实现逻辑说明

系统的仿真逻辑严格遵循无线通信物理层处理流程，具体步骤如下：

1. 参数初始化：

设置采样频率为1MHz，符号速率为50ksps，BFSK的两个载波频率分别为100kHz和200kHz。定义信噪比（SNR）测试范围为0dB至16dB（步长为2dB）。

1. 源编码与纠错：

系统通过随机数生成器产生原始二进制比特流。随后使用 poly2trellis 函数定义约束长度为7、生成多项式为[171, 133]（八进制）的卷积码结构，并通过 convenc 实施速率为1/2的卷积编码。

1. 时域波形调制：

针对每一位编码后的比特进行BFSK调制。当比特为0时，生成频率为f0的正弦波；比特为1时，生成频率为f1的正弦波。每个符号根据采样率包含固定的采样点数。

1. 复合信道模拟：

这是仿真的核心部分，包含三个维度的影响： * 莱斯衰落：根据定义的K因子（此处为5），计算直射分量与散射分量的幅度，为每一条路径生成独立的莱斯衰落系数。 * 多径效应：设置了三条路径，分别为0、2微秒和5微秒的延迟，并赋予不同的功率增益（0dB, -3dB, -6dB）。系统通过时移和叠加，模拟由于物理障碍导致的信号频率选择性衰落。 * 高斯噪声：根据当前循环的SNR值，动态计算信号功率并叠加相应强度的加性高斯白噪声。

1. 信号解调与检测：

接收端采用非相干相关解调方式。将接收信号分段与f0和f1的参考信号进行相关运算（求内积并取绝对值），比较两者的能量相关性。如果信号与f0的相关度更高，则判决为比特0，反之判决为比特1。

1. 维特比译码：

利用 vitdec 函数执行硬判决维特比译码。为了消除卷积译码过程中回溯深度带来的时延影响，系统在计算误码率前会自动去除深度为32的延迟偏移，确保原始比特与译码比特的对齐。

1. 性能分析与可视化：

计算不同SNR下的平均误码率并绘制半对数坐标曲线。同时绘制发射信号与经过信道影响后的接收信号波形对比图，以及对应的功率谱密度图，以分析信道对频谱特性的改变。

关键算法与技术细节分析

• (2,1,7)卷积码：作为常用的前向纠错码，高约束长度确保了较强的抗干扰能力，通过维特比算法寻找网格图中最大似然路径，从而修正传输中的随机错误。
• 莱斯信道模型实现：代码通过在直射信号分量（LOS）上叠加一个由复高斯分布产生的散射分量（Diffuse），构造了符合Rician分布的增益系数，反映了具有视距传输特征的场景。
• 采样点对齐与截断：在模拟多径时延时，系统通过对采样点进行位移来实现微秒级的延迟。为了保持矩阵运算的一致性，系统会对多径叠加后的信号进行截断处理，确保处理长度与发送端原始长度匹配。
• 非相干解调的稳健性：使用相关器而非锁相环，虽然在理论性能上略低于相干解调，但在相位偏移较大的多径衰落信道中具有更好的稳定性和实现简便性。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将包含主仿真代码的文件放置在工作目录下。
3. 在命令行窗口输入主函数的名称并回车。
4. 程序将自动执行各个SNR下的蒙特卡洛仿真，并在最后弹出四个图形窗口，分别展示BER曲线、时域波形、功率谱及命令行中的比特校验结果。
5. 用户可以根据需要修改脚本开头的参数（如K因子、多径延迟和符号率）来观察不同信道条件对系统性能的影响。