基于Simulink的TH-PPM-UWB通信系统仿真与S函数实现

资 源 简 介

该项目旨在利用MATLAB Simulink环境构建一个完整的跳时脉冲位置调制（TH-PPM）超宽带（UWB）无线通信系统仿真模型。系统核心由发送端、信道模型以及接收端组成。在发送端，随机生成的二进制比特流首先经过跳时编码（Time Hopping），利用特定的伪随机码序列（PN码）为每个比特分配特定的时隙偏移，以实现多用户接入并降低系统干扰。随后，信号通过脉冲位置调制（PPM）方式将信息位映射到超短单周期脉冲（如二阶高斯脉冲）的精确时间偏移上。为了实现更高的灵活性和性能，系统关键模块如跳时编码器、PPM

详 情 说 明

TH-PPM-UWB 通信系统仿真项目

项目介绍

本项目设计并实现了一个完整的跳时脉冲位置调制（TH-PPM）超宽带（UWB）无线通信系统。该系统模拟了极窄脉冲信号在高速采样环境下的产生、传输与接收过程。通过结合跳时编码（Time Hopping）和脉冲位置调制（PPM）技术，系统能够有效地在多用户环境下降低干扰，并利用超宽带特性的高时间分辨率实现精确的数据传输。代码逻辑严格遵循了物理层信号处理的行为，模拟了 S 函数对极高频率采样的精细化控制，是研究 UWB 物理层性能（如误码率、功率谱密度）的重要参考工具。

功能特性

1. 多重调制机制：集成了跳时编码（TH）用于多址干扰抑制和脉冲位置调制（PPM）用于信息携带。
2. 高精度波形合成：采用 50 GHz 的超高抽样频率，能够精确捕捉纳秒级二阶高斯脉冲的时域细节。
3. 相干相关接收：实现了基于本地模板信号的相干解调技术，通过计算相关积分值进行比特判决。
4. 全自动化性能评价：系统可自动扫描不同信噪比（SNR）下的误码率（BER），并生成标准性能曲线。
5. 多维度可视化：提供发射信号时域波形、信号功率谱密度（PSD）、接收端判决电平分布以及 BER 性能曲线。

使用方法

1. 确保您的计算环境中安装了 MATLAB 以及信号处理工具箱（用于通信底层的相关计算）。
2. 在 MATLAB 工作路径中加载仿真主程序。
3. 直接运行程序，仿真将自动执行参数初始化、波形合成、信道加噪、解调判决以及结果绘图。
4. 在绘图窗口观察 UWB 信号的频谱分布特点（超宽带特性）以及在不同噪声水平下的误码表现。
5. 可根据需要调整程序中的参数（如跳时芯片宽度 Tc、脉冲成形参数 tau 等）以研究系统灵敏度。

系统要求

1. 软件版本：MATLAB R2018b 或更高版本。
2. 工具箱需求：Signal Processing Toolbox（用于 pwelch 功率谱估计、awgn 加噪及 biterr 误码率统计）。
3. 硬件建议：由于采用 50 GHz 采样率且仿真比特数较多时，计算量较大，建议配备 8GB 以上内存。

模块实现逻辑详解

1. 系统参数初始化 系统设定采样频率为 50 GHz，中心频率为 4 GHz。定义了框频（Frame Time）为 10ns，跳时芯片宽度（Chip Time）为 1ns。每一个比特的信息通过特定的脉冲参数映射到时域位置上，其中 PPM 调制的时延偏移量设为 0.2ns。

2. 发射端脉冲成形与调制

• 脉冲生成：采用二阶高斯单周期脉冲（Gaussian Monocycle）作为 UWB 载波。该脉冲在时域上由 [1 - 4*pi*(t/tau)^2] * exp(-2*pi*(t/tau)^2) 公式生成，具有极窄的时域宽度和超宽的频域分布。
• TH-PPM 组合调制：对于每一个发射比特，系统首先根据伪随机跳时码序列（TH Code）在 10ns 的帧内选择一个特定的时隙（Chip），随后根据原始信息位的取值（0 或 1）决定在该时隙内的进一步偏移。最终的发射时间点 = 帧起始时间 + 跳时位移 + PPM 位移。

3. 信道模型 系统通过加性高斯白噪声（AWGN）信道模拟无线传输环境。利用循环机制，在 0dB 到 16dB 的范围内步进改变信噪比，用于测试系统在不同噪声强度下的鲁棒性。

4. 接收端相关解调逻辑

• 模板信号构建：为了实现最优相干检测，接收端根据已知参数构造了相关器模板信号。该模板信号被定义为标准脉冲与其 PPM 偏移后脉冲的差值（w(t) - w(t - delta)）。
• 同步与积分相关：接收端利用已知的跳时序列进行定时同步，将接收信号与本地模板信号在特定的观测窗口内进行逐点相乘并积分。
• 判决准则：系统对相关结果进行累加。若相关积分值大于 0，则判定为 1，否则判定为 0。这一逻辑利用了 PPM 调制下信号相位偏移产生的相关峰特性。

核心算法与实现细节分析

• 高采样下的时域控制：由于脉冲宽度仅为纳秒级，代码使用了 round 操作将连续时间点精确映射为离散采样点索引，确保了脉冲位置的零误差偏移。
• 相关器优化：在接收逻辑中，模板信号的设计直接决定了抗噪性能。通过构造差分模板，有效地增强了在 PPM 偏移位点上的区分度。
• 频谱特性：通过 pwelch 方法计算的功率谱显示，系统产生的信号占据了极宽的频带，符合 UWB 通信低功率谱密度的物理特性，有利于隐蔽通信和降低对其他窄带系统的干扰。
• S-Function 模拟逻辑：虽然程序以脚本形式呈现，但其处理数据流的方式模拟了 Simulink 中 S 函数的 mdleOutputs 和 mdleUpdate 机制，即在每个时间步长内精确计算信号电平并更新状态。