开源一个 MATLAB 水声通信调制工具箱：支持 BPSK/QPSK/8PSK/QAM/DSSS/OFDM

开源一个 MATLAB 水声通信调制工具箱：支持 BPSK/QPSK/8PSK/QAM/DSSS/OFDM

GitHub：https://github.com/ZoperIOT/underwater-acoustic-modulation

最近整理了一个面向水声通信发射端实验的 MATLAB 调制信号生成工具箱，主要用于快速生成 BPSK、QPSK、8PSK、QAM、DSSS 和 OFDM 等常见水声通信发射波形。

这个项目的目标不是做一个完整通信系统，而是先解决水声实验中一个非常基础、却常常容易混乱的问题：如何稳定、规范、可复现地生成发射端调制信号。

它适合通信原理课程设计、水声通信仿真入门、声学换能器发射波形生成、MATLAB 信号处理实验等场景。

1. 为什么先把“信号源”做规范？

做水声通信实验时，很多问题并不从信道开始，而是从发射端就已经埋下了：

• BPSK、QPSK、QAM 的比特映射和相位偏置各写各的；
• 载波频率、符号率、采样率在不同脚本里不统一；
• 成形滤波后波形长度、幅度归一化和 WAV 输出格式不一致；
• 换一个调制方式就要重新改一套脚本；
• 想把仿真信号送到 DAC、功放和换能器时，才发现输出格式没有统一。

对于后续的同步、信道估计、均衡、BER 测试而言，发射端波形是共同起点。先把这个起点固定下来，后面的实验会轻松很多。

这个工具箱将典型发射流程统一为：

Bits → Modulation → Pulse Shaping → Carrier Modulation → WAV Output → Acoustic Experiment

其中，信息比特先映射为复基带符号，再经过根升余弦脉冲成形，上变频为实值声学通带信号，最后可以保存为 WAV 文件，用于播放或接入实际发射链路。

2. 目前支持哪些调制方式？

所有调制函数都会返回：

• waveform：归一化到 [-1, 1] 的实值通带波形；
• info：包含实际使用的比特、基带符号、参数、采样率和持续时间等元数据。

这意味着同一套调用方式可以快速切换调制体制，也方便后续统一接入接收机或信道模型。

3. 最小可运行示例：生成 QPSK 水声发射波形

下面这段代码可以直接生成 128 bit 的 QPSK 声学发射波形，并写出为 WAV 文件：

addpath('src');

bits = randi([0 1], 1, 128);
[waveform, info] = QPSK(bits);

audiowrite('qpsk_10k.wav', waveform, info.sampleRate);

默认配置下，采样率为 96 kHz，载波频率为 10 kHz，符号率为 200 Baud。实际实验中可根据换能器工作带宽、声道条件、功放和 DAC 的满量程范围调整参数。

例如，生成 12 kHz 载波、400 Baud 的 BPSK 波形：

opt = struct('sampleRate', 96000, 'carrierFrequency', 12000, …
'symbolRate', 400, 'rolloff', 0.5);
[waveform, info] = BPSK(randi([0 1], 1, 256), opt);

也可以通过统一入口切换调制方式：

[waveform, info] = generate_signal('ofdm', [], …
struct('carrierFrequency', 12000, 'numberOfOFDMSymbols', 10));

4. 输出波形是什么样的？

仓库中提供了一张由实际 QPSK 示例生成的诊断图，包含三部分：

在 MATLAB 中运行下面的脚本即可重新生成图片：

run('examples/generate_visualizations.m')

如果需要导出所有调制方式的音频样例，可以运行：

run('examples/generate_examples.m')

生成的 WAV 文件会保存在 examples/output/ 目录中。

5. 这个项目适合哪些场景？

通信原理课程设计

可以直接从 BPSK、QPSK、QAM 等基础体制开始，对比不同星座映射、带宽占用和波形特征，再逐步加入信道与接收机。

水声通信仿真入门

先用规范的发射波形搭建基线，再加入多径、噪声、多普勒等水声信道因素，会比从零散脚本开始更容易定位问题。

声学换能器与播放实验

通过 audiowrite 输出 WAV 后，可将波形送入音频接口或自定义 DAC 链路，配合功放和换能器进行水池或台架发射实验。

MATLAB 信号处理实验

项目不依赖 Communications Toolbox。根升余弦滤波器已在仓库内实现，适合希望理解调制流程、又想快速得到可运行结果的同学。

6. 使用时需要注意什么？

• 该项目当前只覆盖发射端波形生成，不包含解调、帧同步、信道估计或 BER 计算。
• 单载波体制需满足 sampleRate / symbolRate 为整数；DSSS 还需满足 sampleRate / (symbolRate * spreadingFactor) 为整数。
• QPSK、8PSK、QAM 的输入比特数应能被每符号比特数整除；OFDM 会自动补零并在 info.paddingBits 中记录。
• 波形虽然归一化到 [-1, 1]，但真正接入硬件前仍需按 DAC 格式、功放增益和换能器带宽做幅度与频率校准。

7. 项目地址与后续计划

项目地址：https://github.com/ZoperIOT/underwater-acoustic-modulation

目前已经发布 v0.1.0，包含项目总览、可复现示例和输出诊断图。

如果你正在做通信原理课程设计、水声通信仿真、MATLAB 调制信号生成，欢迎参考这个开源项目。后续我会继续更新解调、同步、信道建模和 BER 测试相关内容。

推荐标签： MATLAB 水声通信 通信原理 数字调制 QPSK OFDM 信号处理 开源项目