基于2ASK调制解调与频谱分析的仿真系统

资 源 简 介

该项目旨在通过MATLAB平台构建一个完整的二进制振幅键控（2ASK）通信仿真系统。系统首先生成随机的二进制单极性不归零码作为信源信号，并设置相应的采样频率与码元速率。核心调制功能采用模拟相乘法，使载波幅度受基带信号的二进制逻辑电平控制，从而生成2ASK已调信号。 系统内部集成了复杂的信道模拟模块，能够向已调信号中注入不同强度的加性高斯白噪声（AWGN），用以模拟真实的无线或有线传输环境。 在解调领域，本项目实现了相干解调（同步检波）与非相干解调（包络检波）两种典型的技术方案：相干解调通过同频同相的本地载

详 情 说 明

基于MATLAB的2ASK调制解调及频谱仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的二进制振幅键控（2ASK）通信全流程仿真系统。系统通过数值模拟手段，完整再现了数字通信系统中从信源产生、信号调制、信道传输、噪声注入到信号解调及性能评估的各个环节。该工具旨在通过可视化的时域波形图、频域特性图以及误码率曲线，直观展示2ASK信号在不同信噪比环境下的传输特性与抗噪声性能。

功能特性

• 灵活的信号参数配置：支持自定义采样频率、码元速率、载波频率及信号长度，便于模拟不同的传输场景。
• 全流程模拟调制：采用乘法器模型实现模拟相乘法调制，真实反映2ASK信号产生的物理过程。
• 双解调方案对比：系统集成了相干解调（同步检波）与非相干解调（基于希尔伯特变换的包络检波）两种技术，并提供性能对比。
• 深度频谱分析：利用快速傅里叶变换（FFT）分析基带信号、载波及已调信号，揭示调制前后的带宽变化规律。
• 量化性能评估：通过Monte Carlo方法进行多点信噪比下的误码率（BER）仿真，并提供理论曲线作为参考基准。
• 直观的图形界面：自动生成多维度仿真图表，包含时域连续波形、采样判决点、频谱能量分布及BER性能曲线。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 必备工具箱：Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱）、Communications Toolbox（通信工具箱）。

功能实现逻辑说明

1. 参数初始化与信源产生：

系统预设采样率（10kHz）、码元速率（100bit/s）和载波频率（800Hz）。首先利用随机函数生成一组二进制序列，并通过数据扩展将离散码元映射为单极性不归零基带矩形脉冲序列。

1. 模拟相乘调制：

产生余弦载波信号，将基带序列与载波在时间轴上直接相乘。当基带信号为“1”时输出载波，为“0”时输出零电平，从而形成典型的2ASK已调波形。

1. 频域变换分析：

对基带信号、单频载波和已调信号分别执行FFT变换。通过对频谱分量的幅值归一化处理，展示信号从基带移动到载波频率两侧的过程，反映能量在频域的移动。

1. 信道环境模拟：

利用加性高斯白噪声（AWGN）模型，根据预设的信噪比参数向已调信号中注入随机噪声，模拟无线信道中的干扰情况。

1. 相干解调路径：

将接收到的带噪信号与本地同频同相载波相乘，使得高频分量倍增。随后通过一个5阶巴特沃斯低通滤波器滤除载波倍频分量。在每个码元的中心时刻进行抽样，并以0.25作为判定阈值恢复原始位流。

1. 非相干解调路径：

采用希尔伯特变换（Hilbert Transform）提取信号的解析包络，规避对同相载波的需求。经过低通滤波平滑处理后，在码元中心位置进行抽样，以0.5为门限进行硬判决。

1. 误码率性能统计：

系统通过0至20dB的信噪比扫描，在每个噪点下进行高密度的位流传输实验。通过对比原始发送序列与解调后的恢复序列，计算误码数量，最终绘制出随信噪比变化的BER曲线。

关键算法与技术细节分析

• 基带脉冲成形：通过步进循环或向量化操作将二进制位转化为持续一个码元周期的电平信号，确保采样点与时间轴完全匹配。
• 滤波器设计：系统采用了5阶巴特沃斯（Butterworth）低通滤波器，其归一化截止频率根据码元速率与采样频率的关系动态计算（2*Rb/Fs），有效提取解调后的基带包络。
• 包络提取算法：在非相干方式中使用了希尔伯特变换求取绝对值的方法，由于2ASK信号是非负的单极性信号，该方法能有效提取信号幅度变化而无需考虑载波相位差异。
• 误码率理论验证：代码中引入了互补误差函数（erfc）来计算2ASK相干解调的理论误码率，公式为 $0.5 times text{erfc}(sqrt{E_b/4N_0})$，从而验证实验曲线的精准度。
• 抽样判决优化：为了提高抗噪鲁棒性，系统选择在码元周期的正中心位置（L/2处）进行抽样，此位置受滤波群延迟和信号跳变沿的影响最小，判决结果最稳定。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将包含仿真功能的文件所在文件夹设为当前工作路径。
3. 在命令行窗口输入仿真程序的入口函数名称并回车。
4. 程序运行结束后，将自动弹出两个图形窗口：

* 窗口1展示前10个码元的时域波形及对应的频谱图，包含解调后的滤波细节。 * 窗口2展示在0dB-20dB范围内实验测得的相干、非相干误码率与理论值的比对曲线。