基于Multi-h的连续相位调制CPM仿真系统

资 源 简 介

本项目实现了一套完整的连续相位调制（CPM）通信物理层仿真平台，重点解决了CPM调制的高带宽效率与非线性解调难题。系统具备高度可配置性，支持单调制指数（Single-h）和双调制指数（Multi-h）两种工作模式，能够模拟如GMSK、2-RC、4-CPFSK等多种典型的CPM方案。功能模块涵盖了数据源生成、位交织器处理、相位累加逻辑、脉冲成形滤波以及完整的维特比（Viterbi）最大似然序列估计解调器。在解调部分，通过构建特定的时变格状图，精确计算分支度量与欧氏距离，实现复杂相位记忆下的最优检测。此外，系

详 情 说 明

连续相位调制(CPM)通信系统仿真平台

本项目实现了一套完整的连续相位调制（CPM）通信物理层仿真系统。该系统专注于实现CPM调制的高带宽效率特性，并解决了非线性解调中的相位记忆难题。通过高度可配置的参数设置，系统能够模拟多种典型CPM方案，并对其在加性高斯白噪声（AWGN）信道下的性能进行定量评估。

功能特性

1. 多模式调制支持：支持单调制指数（Single-h）和多调制指数（Multi-h）工作模式，能够灵活配置调制指数向量。
2. 多样化脉冲成形：内置矩形脉冲（REC）、升余弦脉冲（RC）以及高斯滤波最小频移键控（GMSK）三种频率脉冲成形滤波器。
3. 灵活的关联长度：支持全响应（L=1）和部分响应（L>1）配置，模拟信号在多个符号周期内的相位平滑演变。
4. 鲁棒的抗干扰机制：内置位交织器和解交织器逻辑，提高系统对抗信道突发干扰的能力。
5. 优化解调算法：采用基于维特比（Viterbi）的最大似然序列估计（MLSE）解调器。
6. 全方位结果分析：自动生成归一化相位轨迹图、复包络波形图、功率谱密度（PSD）曲线及误码率（BER）性能曲线。

使用方法

1. 配置参数：在控制脚本的参数配置区调整进制数(M)、关联长度(L)、脉冲类型、调制指数(h)、采样率(Ns)及信噪比范围。
2. 运行仿真：启动仿真程序，系统将依次执行信号生成、调制、加噪、解调及性能统计。
3. 结果查看：仿真结束后，系统将自动弹出可视化窗口，展示相位规律、频谱特性及误码曲线。
4. 性能评估：通过对比不同$E_b/N_0$下的BER数据，评估特定CPM配置的通信质量。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2020a 或更高版本。
2. 依赖工具箱：Signal Processing Toolbox (信号处理工具箱), Communications Toolbox (通信工具箱)。

模块实现逻辑说明

1. 信源处理与交织

系统首先生成随机二进制比特流。为了模拟实际通信中的纠错/抗干扰策略，对比特流进行随机映射交织处理。交织后的比特通过符号映射转换为适合CPM调制的符号电平（例如二进制下映射为{-1, 1}）。

1. 脉冲成形与相位计算

根据选定的脉冲类型（REC, RC, 或 GMSK），系统计算频率脉冲函数g(t)。

• REC脉冲：在L个符号周期内保持恒定。
• RC脉冲：采用余弦函数实现平滑过渡。
• GMSK脉冲：利用误差函数(erf)根据BT积（带宽乘积）生成高斯频率脉冲。

随后通过对g(t)进行积分和归一化，得到相位响应q(t)，确保其在终点达到0.5。

1. 多指数CPM调制器

调制器根据当前的符号序列和调制指数序列计算相位轨迹。对于Multi-h模式，调制指数在每个符号周期循环更替。 相位轨迹由两部分构成：

• 当前及前L-1个符号通过脉冲成形函数产生的瞬时相位。
• 历史符号产生的累积相位记忆。

最终输出复包络信号 $exp(j * phi(t))$。

1. 维特比解调器 (MLSE)

解调核心是构建时变格状图（Trellis）。

• 状态定义：每个状态由当前累积相位（基于调制指数分母确定的有限状态）和前L-1个符号的记忆共同决定。
• 支路度量：计算接收信号块与本地参考波形之间的相关性（即负欧氏距离的等效度量）。参考波形基于当前状态可能的符号输入实时生成。
• 路径搜索：利用维特比算法更新累积路径度量，并在仿真结束时通过回溯寻优确定最佳符号序列。

1. 性能度量

系统在AWGN信道下进行循环仿真，计算解调后的比特与原始比特之间的误差。通过Pwelch法估计调制信号的功率谱，反映不同脉冲成形对频谱旁瓣抑制的效果。

核心算法细节

1. 相位状态计算

系统通过调制指数h的分子分母计算最小公倍数，确定相位状态数P，这是构建维特比网格的基础。

1. 路径生存机制

解调器在每个时间步长维护所有可能状态的路径度量，仅保留到达每个状态的最优路径（最大相关性路径），从而在复杂度可控的前提下实现最优检测。

1. 归一化处理

调制器中对相位响应q(t)进行了严格归一化，保证了相位在L个符号周期后准确贡献 $pi * h$ 的偏移，确保了相位轨迹的连续性与物理定义的准确性。