基于Simulink的多种数字基带信号编码仿真系统

资 源 简 介

该项目旨在MATLAB/Simulink环境下设计并实现一个完整的数字基带传输编码仿真平台，重点针对单极性归零编码、曼彻斯特编码、米勒编码及差分编码四种典型线路码型进行建模与分析。 系统首先通过随机信号源产生二进制比特流，随后通过自定义的逻辑子系统或MATLAB Function模块实现各编码算法： 单极性归零编码（Unipolar RZ）：实现逻辑1时输出脉冲占空比为50%的正电平，逻辑0时输出零电平，便于接收端提取位同步信息。 曼彻斯特编码：利用电平跳变表示逻辑，每一位中间均有电平转换，向上跳变代表逻

详 情 说 明

基于多种数字基带信号编码的仿真系统

项目介绍

本仿真平台旨在通过MATLAB环境深入探究数字通信系统中物理层编码技术的实现细节。系统实现了从随机信源产生到多种线路编码变换的全过程，并针对时域波形和频域功率谱特性进行了定量与定性的对比分析。通过该系统，用户可以直观地理解不同编码方式在同步能力、带宽需求以及抗极性反转等方面的理论差异，为现代通信系统设计提供可视化验证支撑。

功能特性

• 信源模拟：自动产生二进制比特流，模拟随机信号源。
• 多码型实现：涵盖了单极性归零编码（Unipolar RZ）、曼彻斯特编码（Manchester）、米勒编码（Miller）以及差分编码（Differential）四种经典线路码。
• 时域波形可视化：通过多通道同步示波图，清晰展示原始序列与各编码信号之间的逻辑映射关系。
• 频谱特性分析：基于长序列样本进行功率谱密度（PSD）估计，展示不同编码的能量分布、主瓣宽度及是否存在直流分量。
• 逻辑映射示例：在控制台输出特定码元的电平跳变详情，辅助理解编码逻辑。

使用方法

1. 启动 MATLAB 软件（建议版本 R2016b 及以上）。
2. 确保已安装 Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱），以便支持功率谱分析函数。
3. 将主程序脚本置于当前工作路径。
4. 在命令行窗口直接运行该脚本。
5. 系统将自动弹出两个图形窗口：一个用于展示时域对比波形，另一个用于展示功率谱密度曲线。同时，控制台将显示前10个码元的逻辑转换示例。

系统要求

• 软件环境：MATLAB 2016b 或更高版本。
• 所需工具箱：Signal Processing Toolbox。
• 硬件要求：标准桌面计算机配置，满足 MATLAB 运行的基本内存需求即可。

实现逻辑说明

系统的核心实现严格遵循数字通信原理，具体逻辑步骤如下：

1. 参数初始化：定义采样频率（10000Hz）、码元速率（100 Baud）以及每个码元的采样点数（100点）。通过时间向量构建仿真的基础时间轴。
2. 二进制信源生成：利用随机函数产生 0 和 1 的等概率序列，并将其扩展为对应采样点数的时间轴信号。
3. 单极性归零编码（RZ）：在每个位周期内，逻辑 1 的前半个周期输出高电平，后半个周期回归零电平；逻辑 0 则全周期保持零电平。
4. 曼彻斯特编码：采用双相偏置逻辑，逻辑 1 映射为从低电平到高电平的跳转（-1 到 1），逻辑 0 映射为从高电平到低电平的跳转（1 到 -1）。每一位中心均存在电平跳变，确保了自同步特性。
5. 米勒编码（延迟调制）：

* 对于逻辑 1：在位周期的中心位置进行电平翻转。 * 对于逻辑 0：位中心不翻转。若连续出现多个逻辑 0，则在码元起始边界处进行翻转；若 0 紧跟在 1 之后，则边界处不翻转。

1. 差分编码：实现 NRZ-I 逻辑，即根据当前比特是否为 1 决定电平是否翻转。逻辑 1 导致电平相对于前一状态发生改变，逻辑 0 则保持原电平不变。
2. 功率谱计算：为了获得精确的频域特性，系统生成了 2000 个码元的长序列。使用周期图法（Periodogram）计算并平滑功率谱分布，将线性幅度转换为分贝（dB）单位进行显示。

关键算法与细节分析

• 状态机思想：在实现米勒编码和差分编码时，代码引入了状态变量来记忆当前的电平极性。这种逻辑处理方式模拟了硬件电路中的触发器状态翻转，能够准确复现具有反馈或记忆特性的编码过程。
• 高过采样处理：系统通过设定每个码元 100 个采样点，确保了在绘制归零脉冲（RZ）或中心跳变（曼彻斯特/米勒）时，波形具有足够的平滑度，能够反映高频跳变的细节。
• 频谱平滑技术：在计算功率谱阶段，代码通过增加数据样本量（L_psd = 2000）来减少随机信号产生的谱线抖动，使输出的 PSD 曲线能够更真实地反映理论上的包络形状（如 RZ 的 sinc 函数特性）。
• 时空索引映射：通过循环遍历与切片赋值（index padding）的技术，实现了从离散逻辑序列到连续时间域向量的快速转换。