可调占空比曼彻斯特编码仿真分析系统

资 源 简 介

本项目通过MATLAB编程实现曼彻斯特码（Manchester Code）的生成、调制与频谱特性分析。系统模拟了经典通信原理教材中关于曼彻斯特编码的定义，即利用电平的跳变来表示逻辑数据，有效解决了单极性或双极性不归零码包含直流分量且不利于提取同步时钟信号的问题。 项目核心功能包括支持用户自定义输入任意长度的二进制信息序列，并提供可灵活调节的脉冲占空比参数（默认设定为50%，亦可根据需求实时调整），以探究不同占空比对信号能量分布及时间窗特征的影响。程序首先完成码元的过采样处理，确保在时域绘图中能够精确还原中

详 情 说 明

基于MATLAB的可调占空比曼彻斯特编码仿真分析系统

项目介绍

本项目是一款面向通信原理学习与研究的仿真分析工具。系统利用MATLAB强大的数值计算与可视化功能，实现了曼彻斯特编码（Manchester Encoding）的完整生成流程。系统不仅能够模拟标准的曼彻斯特电平跳变逻辑，还特别引入了可调节的脉冲占空比参数，使用户能够深入探究信号在不同占空比下的时域形变与频域能量分布特性。该系统通过严谨的过采样处理和功率谱密度计算，直观地展示了曼彻斯特码消除直流分量、便于时钟提取的核心优势。

功能特性

1. 自定义序列生成：支持用户手动指定二进制比特序列或由系统随机产生指定长度的原始信息。
2. 可调占空比控制：提供占空比调节接口（0 < DutyCycle ≤ 1.0），允许用户通过缩减半码元内的有效脉冲宽度，观察非标准占空比对信号能量的影响。
3. 高精度时域仿真：通过高倍率过采样技术（默认100倍），精确还原电平在码元中点发生跳变的物理细节。
4. 归一化功率谱分析：采用FFT变换计算信号的功率谱密度（PSD），并以对数刻度（dB/Hz）展示，清晰揭示零直流分量及主瓣频宽等特征。
5. 交互式可视化输出：系统自动生成包含时域波形（带比特标注）与频域特性的图表，并同步在控制台打印仿真关键参数。

使用方法

1. 配置环境：确保您的计算机已安装MATLAB R2016b或更高版本。
2. 参数设置：在程序开头的“系统参数设置”区域，可根据需求修改符号速率（SymbolRate）、采样率（Fs）、仿真比特数（NumBits）及占空比（DutyCycle）等关键指标。
3. 运行程序：点击MATLAB界面的“运行”按钮。
4. 结果观测：

- 在第一个子图中观察曼彻斯特码“1”和“0”的跳变方向（标准G.E. Thomas约定）。 - 在第二个子图中观察频率为0处的功率凹陷情况。 - 检查命令行窗口输出的序列及仿真统计信息。

系统要求

• 操作系统：Windows, macOS 或 Linux。
• 环境软件：MATLAB（建议使用包含信号处理工具箱的版本以获得最佳兼容性，但基础版亦可运行）。
• 基本内存：512MB RAM 以上（取决于仿真点数）。

实现功能及逻辑说明

系统严格遵循以下编码逻辑与计算流程：

1. 基础参数初始化：定义幅值为5V，符号速率为1000bps。采样频率设定为100kHz，这意味着每个码元周期对应100个采样点，为波形的平滑展示提供了充足的数据支持。
2. 码元映射逻辑：

- 曼彻斯特码约定：逻辑“1”映射为由高电平到低电平的跳变；逻辑“0”映射为由低电平到高电平的跳变。 - 占空比实现：每个码元被平分为两个半位时间窗。程序通过计算有效采样点数，控制高/低电平在每个半位窗内的持续时长。若占空比小于1，电平将在半位窗的后半段归零，从而形成非归零或窄脉冲特征。

1. 过采样时域建模：程序预先分配全零向量，通过循环遍历比特序列，在对应采样索引区间填充计算后的幅值，生成连续的阶梯状基带波形。
2. 功率谱估算逻辑：

- 为了提高频谱分辨率，程序对时域信号进行了4倍长度的补零处理（Zero-padding）。 - 采用fftshift对FFT结果进行频谱中心化。 - 功率谱密度计算公式严格遵循周期图法定义：PSD = |FFT|^2 / (总点数 * 采样率)。 - 为了增加结果的动态范围和直观性，将线性功率谱转换至dB空间，并加入eps极小值防止log(0)计算溢出。

关键算法与实现细节分析

1. 跳变中点控制：系统通过计算SamplesPerBit并取半（HalfSamples），精确锁定了曼彻斯特码最关键的“中点跳变时刻”，这是确保时钟同步信号提取的前提。
2. 动态占空比调节算法：通过ActiveSamplesHalf变量动态控制信号的“激活”范围。在逻辑1的情况下，第一个半位填充+A，第二个半位填充-A；如果占空比为0.5，则每个半位只有一半的时间有电压。这种处理方式能够模拟信道带宽限制或特殊编码需求下的窄脉冲形状。
3. 频谱特征捕获：由于曼彻斯特编码在每个码元中心都存在电平跳变，其均值在长时间序列内趋近于零。算法生成的PSD曲线在0Hz频率处呈现明显的谷底，这定量证明了该编码方式无直流分量的理论特性。
4. 绘图增强：系统使用了text函数在时域波形的上方动态标注原始比特值，极大地便利了用户对编码映射关系的校验。同时，通过xlim限制频谱观察范围，帮助用户聚焦于主瓣和第一旁瓣的能量分布。