光纤NRZ信号时频特性仿真分析系统

资 源 简 介

该项目专门用于模拟和描述光纤通信系统中不归零码（NRZ）信号的物理特性，通过MATLAB构建完整的信号处理链。系统核心功能包括生成高精度的伪随机二进制序列，并将其映射为标准的NRZ电信号。在时域分析维度，程序能够精确绘制信号随时间变化的波形图，并重点实现了眼图分析功能，用于评估码间串扰、定时抖动以及信号的噪声容限。在频域分析维度，系统通过快速傅里叶变换（FFT）计算并展示信号的功率谱密度，清晰呈现NRZ信号的频谱包络特征、第一零点带宽以及旁瓣功率分布。该仿真不仅考量理想信道，还可以模拟带宽受限系统对信号波

详 情 说 明

光纤系统中NRZ信号时域与频域特性仿真分析系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的仿真分析系统，旨在模拟光纤通信系统中不归零码（NRZ）信号的产生、传输损伤以及性能评估。系统通过数学建模还原了数字信号从原始比特流到模拟电信号，再经过带宽受限信道及噪声叠加的物理过程。该工具能够为研究人员提供直观的时域波形、频域功率谱以及衡量信号质量的关键指标——眼图，是理解光纤传输物理层特性的有效手段。

功能特性

• 高精度信号建模：支持自定义码速率与超采样倍数，生成基于伪随机二进制序列（PRBS）的标准单极性NRZ信号。
• 信道损伤模拟：集成四阶巴特沃斯低通滤波器以模拟实际光电器件的带宽限制，并支持自定义信噪比（SNR）的加性高斯白噪声处理。
• 多维特性分析：

* 时域分析：对比显示理想信号与经过信道劣化后的实际接收信号波形。 * 频域分析：采用快速傅里叶变换（FFT）计算归一化功率谱密度（PSD），展示信号的带宽分布及旁瓣特性。 * 质量评估：实现自动化眼图绘制功能，通过重叠显示多个码元周期来评估码间串扰与噪声容限。

• 仿真报告输出：自动计算并打印比特率、采样率、理论第一零点带宽及系统截止频率等核心参数。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱），用于调用滤波及噪声添加相关函数。

功能实现逻辑与详细说明

1. 信号生成与映射 系统通过生成指定长度的伪随机二进制序列作为原始数据源。为了在数字仿真中还原模拟波形，程序利用超采样技术，将每一个比特位扩展为多个离散采样点。在这一阶段，生成的信号是理想的方波序列，代表了单极性NRZ码的理论逻辑电平。

2. 物理信道模拟 为了模拟光纤系统中的物理限制，系统构建了传输模型：

• 带宽限制：设计一个四阶巴特沃斯（Butterworth）低通滤波器，其截止频率设定为码速率的特定比例。通过该滤波器滤除信号的高频分量，模拟由于收发模块响应限制导致的上升沿/下降沿退化及信号平滑效应。
• 噪声叠加：在滤波后的信号基础上，根据设定的信噪比（SNR）参数加入加性高斯白噪声（AWGN），模拟系统运行环境中的各类背景噪声。

3. 频域分析算法 系统利用快速傅里叶变换（FFT）将时域信号转换至频域。核心处理步骤包括：

• 对信号进行补零以提升频谱分辨率。
• 应用频谱偏移（fftshift）将零频分量移动至频谱中心。
• 计算信号的模平方并进行归一化处理，最终以对数坐标（dB）展示功率谱密度。这能够清晰地呈现出NRZ信号典型的sinc函数形状频谱包络。

4. 关键可视化分析实现

• 波形展示：截取特定数量的码元展示时间轴上的幅度变化，通过叠加理想波形与接收波形的对比，反映信号的畸变程度。
• 眼图构建：这是本系统的核心分析功能。程序将长序列信号按照固定步长（两个码元周期）进行切片，并利用矩阵重组（reshape）技术将所有切片在同一时间窗口内重叠绘制。通过设置线条透明度，增强了大量轨迹叠加时的视觉深度，从而直观地反映出时钟抖动和垂直噪声对信号判决的影响。

使用方法

1. 打开环境并确保已安装必要的工具箱。
2. 调整程序开头的参数设置部分（如码速率 Rb、信噪比 SNR、截止频率 Fc 等）以匹配特定的仿真需求。
3. 直接运行当前脚本。
4. 系统将自动弹出图形窗口，展示时域波形图、功率谱密度图及眼图。
5. 在命令行窗口查看生成的仿真分析指标报告。

关键算法与实现细节分析

• 过采样处理：通过采样因子将连续信号离散化，确保信号在进行滤波操作时不会产生严重的混叠失真，同时为高性能眼图绘制提供足够的时间分辨率。
• 滤波器设计：采用数字滤波器模拟硬件响应。四阶巴特沃斯滤波器在通带内具有平坦的频率响应，能够准确模拟典型接收机的前端滤波特性。
• 归一化功率谱计算：系统不仅计算了绝对功率，还通过归一化处理将峰值设定在0dB，便于分析信号能量在第一零点带宽内的集中程度以及高阶旁瓣的衰减速度。
• 眼图数据重构：利用矩阵变换逻辑，将一维时间序列转换为二维波形矩阵，是实现高效实时眼图可视化的关键。