時(shí)間：2023-03-14 15:15:53
序論：在您撰寫(xiě)通信畢業(yè)設(shè)計(jì)論文時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開(kāi)闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
超寬帶（UWB,Ultra Wide Band）無(wú)線技術(shù)在無(wú)線電通信、雷達(dá)、跟蹤、精確定位、成像、武器控制等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因此被認(rèn)為是未來(lái)幾年電信熱門(mén)技術(shù)之一。1990年，美國(guó)國(guó)防部首先定義了“超寬帶”概念，超寬帶無(wú)線通信開(kāi)始得到美國(guó)軍方和政府部門(mén)的重視。2002年4月，美國(guó)FCC通過(guò)了超寬帶技術(shù)的商用許可，超寬帶無(wú)線通信在民用領(lǐng)域開(kāi)始受到普遍關(guān)注。目前“超寬帶”的定義只是針對(duì)信號(hào)頻譜的相對(duì)帶寬（或絕對(duì)帶寬）而言，沒(méi)有界定的時(shí)域波形特征。因此，有多種方式產(chǎn)生超寬帶信號(hào)。其中，最典型的方法是利用納秒級(jí)的窄脈沖（又稱(chēng)為沖激脈沖）的頻譜特性來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。
超寬帶無(wú)線電是對(duì)基于正弦載波的常規(guī)無(wú)線電的一次突破。幾十年來(lái)，無(wú)線通信都是以正弦載波為信息載體，而超寬帶無(wú)線通信則以納秒級(jí)的窄脈沖作為信息載體。其信號(hào)產(chǎn)生、調(diào)制解調(diào)、信號(hào)隱蔽性、系統(tǒng)處理增益等方面，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其是能夠在密集的多徑環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高速傳輸。由于脈沖持續(xù)時(shí)間很短，多徑分量在時(shí)域上不易重疊，多徑分辨能力高，通過(guò)先進(jìn)的多徑分離技術(shù)或瑞克接收機(jī)，可以充分利用多徑分量。
目前，典型的超寬帶無(wú)線通信調(diào)制方式以TH-PPM、TH-PAM為主，本論文中，介紹超寬帶無(wú)線通信中的調(diào)制技術(shù)，主要討論TH-PPM、TH-PAM的基本原理，并且對(duì)比調(diào)制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，性能的好壞，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)的仿真，從仿真圖中較清楚的研究調(diào)制方式，從而得出正確的結(jié)論，細(xì)致的研究超寬帶無(wú)線通信中的調(diào)制技術(shù)。
關(guān)鍵字：超寬帶 調(diào)制方式 PPM調(diào)制 PAM調(diào)制 OFDM調(diào)制
2 概述
2.1 總述
近幾年來(lái),超寬帶短距離無(wú)線通信引起了全球通信技術(shù)領(lǐng)域極大的重視。超寬帶通信技術(shù)以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為短距離無(wú)線通信極具競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展前景的技術(shù)之一。FCC(美國(guó)通信委員會(huì)) 對(duì)超寬帶系統(tǒng)的最新定義是:相對(duì)帶寬(在- 10dB 點(diǎn)處) (fH - fL)/fc > 20 %(fH ,fL ,fc分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和中心頻率) 或者總帶寬BW> 500MHz。[1]它與現(xiàn)有的無(wú)線電系統(tǒng)比較,在花費(fèi)更小的制造成本的條件下,能夠做到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率(100～500MbPs) 、更強(qiáng)的抗干擾能力(處理增益50dB 以上) ,同時(shí)具有極好的抗多徑性能和十分精確的定位能力(精度在cm 以?xún)?nèi)) 。
2.2 UWB基本原理
發(fā)射超寬帶(UWB) 信號(hào)最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射一種時(shí)域上很短(占空比低達(dá)0. 5 %) 的沖激脈沖。這種傳輸技術(shù)稱(chēng)為“沖擊無(wú)線電( IR) ”.UWB - IR 又被稱(chēng)為基帶無(wú)載波無(wú)線電,因?yàn)樗幌駛鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中使用正弦波把信號(hào)調(diào)制到更高的載頻上,而是用基帶信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)天線輸出的[6];由信息數(shù)據(jù)對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制,同時(shí),為了形成所產(chǎn)生信號(hào)的頻譜而用偽隨即序列對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼。因此沖擊脈沖和調(diào)制技術(shù)就是超寬帶的兩大關(guān)鍵所在。
2.2.1 脈沖信號(hào)
從本質(zhì)上講,產(chǎn)生脈沖寬度為納秒級(jí)的信號(hào)源是UWB 技術(shù)的前提條件。目前產(chǎn)生脈沖信號(hào)源的方法有兩類(lèi): ①光電方法,基本原理是利用光導(dǎo)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通瞬間的陡峭上升沿獲得脈沖信號(hào)。由于作為激發(fā)源的激光脈沖信號(hào)可以有很陡的前沿,所以得到的脈沖寬度可達(dá)到皮秒(10 - 12 ) 量級(jí)。另外,由于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)是采用集成方法制成的,可以獲得很好的一致性,因此是最有發(fā)展前景的一種方法。②電子方法,利用微波雙極性晶體管雪崩特性,在雪崩導(dǎo)通瞬間,電流呈“雪崩”式迅速增長(zhǎng),從而獲得具有陡峭前沿的波形,成形后得到極短脈沖。在電路設(shè)計(jì)中,采用多個(gè)晶體管串行級(jí)聯(lián),使用并行同步觸發(fā)的方式,加快了雪崩過(guò)程,從而達(dá)到進(jìn)一步降低脈沖寬度的目的[7]。
沖激脈沖通常采用單周期高斯脈沖,典型的單周期高斯脈沖的時(shí)域和頻域數(shù)學(xué)模型分別表示為:
(2-1)
(2-2)
單周期脈沖的寬度在納秒級(jí)(0. 1～1. 5ns) ,重復(fù)周期為25～1000ns ,具有很寬的頻譜,如圖2-1 所示。實(shí)際通信中使用的是一長(zhǎng)串的脈沖,由于時(shí)域中信號(hào)的周期性造成了頻譜的離散化,周期性的單脈沖序列頻譜中出現(xiàn)了強(qiáng)烈的能量尖峰。這些尖峰將會(huì)對(duì)信號(hào)構(gòu)成干擾,通過(guò)數(shù)據(jù)信息和偽隨機(jī)碼來(lái)進(jìn)行編碼P調(diào)制,改變脈沖與脈沖間的時(shí)間間隔,可以降低頻譜的尖峰幅度[2]。
圖2-1 單周期脈沖的時(shí)間域和頻率域的表示
2.2.2 UWB的調(diào)制技術(shù)
超寬帶系統(tǒng)中信息數(shù)據(jù)對(duì)脈沖的調(diào)制方法可以有多種。脈沖位置調(diào)制( PPM) 和脈沖幅度調(diào)制(PAM) 是UWB 最常用的兩種調(diào)制方式。通常UWB信號(hào)模型為:
(2-3)
其中,w ( t) 表示發(fā)送的單周期脈沖, dj , tj 分別表示單脈沖的幅度和時(shí)延。
a PAM- UWB
PAM是一種通過(guò)改變那些基于需傳輸數(shù)據(jù)的傳輸脈沖幅度的調(diào)制技術(shù)。在PAM調(diào)制系統(tǒng)中,一系列的脈沖幅度被用來(lái)代表需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。任何形狀的脈沖都是通過(guò)其幅度調(diào)制使傳輸數(shù)據(jù)在{ - 1 , + 1}之間變化(對(duì)于雙極性信號(hào)) 或在M 個(gè)值之間變化(對(duì)于M 元PAM) 。增加傳輸脈沖所占的帶寬或減少脈沖重復(fù)頻率,都可以增加一個(gè)固定平均功率譜密度的UWB 系統(tǒng)所能達(dá)到的吞吐量和傳輸距離,可以看出這一效果與增加傳輸功率的峰值的效果是相似的。[8]
采用脈沖幅度調(diào)制(PAM)的超寬帶信號(hào)波形如下:[4]
(2-4)
其中, dj 是信息序列, Tf 是脈沖重復(fù)周期。根據(jù)dj 的不同取值, 可將PAM調(diào)制方式分為以下三種:
（1） OOK(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ,UWB 信號(hào)的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ,UWB 信號(hào)的幅度為0) ;
（2）PPAM(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ,UWB 信號(hào)的幅度為β1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ,UWB 信號(hào)的幅度為β2) ;
（3）BPSK(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ,UWB 信號(hào)的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ,UWB 信號(hào)的幅度為- 1) 。
對(duì)于這三種方式,在超寬帶的PAM調(diào)制方式中多采用BPSK方式。
b PPM- UWB
脈沖位置調(diào)制(PPM) 又稱(chēng)時(shí)間調(diào)制(TM) ,是用每個(gè)脈沖出現(xiàn)的位置落后或超前某一標(biāo)準(zhǔn)或特定時(shí)刻來(lái)表示某個(gè)特定信息的[3]。二進(jìn)制PPM 是超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)經(jīng)常使用的一種調(diào)制方法,相對(duì)其它調(diào)制方法來(lái)說(shuō)也是較早使用的一種方法。采用PPM的一個(gè)重要原因是它能夠使用零相差的相關(guān)接收機(jī)來(lái)接收檢測(cè)信號(hào),而這種接收機(jī)有著非常好的性能。采用脈沖位置調(diào)制( PPM) 的超寬帶信號(hào)波形如下:
(2-5)
其中, dj 取0 或1 ,δ為調(diào)制因子, 與脈沖寬度Tm (1/Tf ) 是一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)為1 時(shí)脈沖就會(huì)相應(yīng)滯后一個(gè)時(shí)延δ。
圖2-2 給出了上述四種調(diào)制方法的信號(hào)波形圖,對(duì)這四種調(diào)制方式給出了一個(gè)比較直觀的描述。
除了這些對(duì)脈沖的調(diào)制方法外,用偽隨機(jī)碼或偽隨機(jī)噪聲(PN) 對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼以得到所產(chǎn)生信號(hào)的頻譜時(shí),根據(jù)編碼的不同即擴(kuò)頻和多址技術(shù)不同,超寬帶系統(tǒng)又被分為跳時(shí)的超寬帶系統(tǒng)(TH - UWB) 、直擴(kuò)的超寬帶系統(tǒng)(DS - UWB) 、跳頻的超寬帶系統(tǒng)(FH - UWB) 和基帶多載波超寬帶系統(tǒng)(MC - UWB) 等[9]。
圖2-2 不同調(diào)制方式的信號(hào)波形[4]
2.3 UWB 技術(shù)特點(diǎn)
由于UWB 與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比,工作原理迥異,因此UWB 具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無(wú)法比擬的技術(shù)特點(diǎn)[4]:
(1)系統(tǒng)容量大。香農(nóng)公式給出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出,帶寬增加使信道容量的升高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)功率上升所帶來(lái)的效應(yīng),這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機(jī)理。超寬帶無(wú)線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)。
(2)高速的數(shù)據(jù)傳輸。UWB 系統(tǒng)使用上GHz 的超寬頻帶,根據(jù)香農(nóng)信道容量公式,即使把發(fā)送信號(hào)功率密度控制得很低,也可以實(shí)現(xiàn)高的信息速率。一般情況下,其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bps～1Gbps。
(3)多徑分辨能力強(qiáng)。UWB 由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率,窄脈沖的多徑信號(hào)在時(shí)間上不易重疊,很容易分離出多徑分量,所以能充分利用發(fā)射信號(hào)的能量。實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)常規(guī)無(wú)線電信號(hào)多徑衰落深達(dá)10～30dB 的多徑環(huán)境,UWB 信號(hào)的衰落最多不到5dB。
(4)隱蔽性好。因?yàn)閁WB 的頻譜非常寬,能量密度非常低,因此信息傳輸安全性高。另一方面,由于能量密度低,UWB 設(shè)備對(duì)于其他設(shè)備的干擾就非常低。
(5)定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度,采用超寬帶無(wú)線電通信,可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位,而GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。與GPS 提供絕對(duì)地理位置不同,超短脈沖定位器可以給出相對(duì)位置, 其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。
(6)抗干擾能力強(qiáng)。UWB 擴(kuò)頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個(gè)比特所用的脈沖數(shù)。UWB 的占空比一般為0. 01～0. 001 ,具有比其它擴(kuò)頻系統(tǒng)高得多的處理增益,抗干擾能力強(qiáng)。一般來(lái)說(shuō),UWB 抗干擾處理增益在50dB 以上。
(7)低成本和低功耗。UWB 無(wú)線通信系統(tǒng)接收機(jī)沒(méi)有本振、功放、鎖相環(huán)( PLL) 、壓控振蕩器(VCO) 、混頻器等, 因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)備成本將很低。由于UWB 信號(hào)無(wú)需載波,而是使用間歇的脈沖來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù),脈沖持續(xù)時(shí)間很短,一般在0. 20ns～1. 5ns之間,有很低的占空因數(shù),所以它只需要很低的電源功率。一般UWB 系統(tǒng)只需要50～70mW 的電源,是藍(lán)牙技術(shù)的十分之一[10]。盡管如此,UWB 在技術(shù)上面臨一定的挑戰(zhàn), 還有諸多技術(shù)的問(wèn)題有待研究解決,比如需要更好地理解UWB 傳播信道的特點(diǎn),建立信道模型,解決多徑傳播;需要進(jìn)一步研究高速脈沖信號(hào)的生成、處理等技術(shù);研究新的調(diào)制技術(shù),進(jìn)一步降低收發(fā)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度等。
2.4 UWB發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成框圖
2.4.1 UWB發(fā)射機(jī)組成框圖
UWB發(fā)射機(jī)直接發(fā)送納秒級(jí)脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)而不需使用載波電路。所以，UWB發(fā)射機(jī)比現(xiàn)有的無(wú)線發(fā)射設(shè)備要簡(jiǎn)單得多。TH-UWB發(fā)射機(jī)組成框圖如圖2-3所示[5]。
圖2-3 UWB發(fā)射機(jī)組成框圖
調(diào)制后的數(shù)據(jù)與偽碼產(chǎn)生器生成的偽碼一起送入可編程延遲電路，可編程延遲電路產(chǎn)生的時(shí)延控制脈沖信號(hào)發(fā)生器的發(fā)送時(shí)刻，脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出的UWB信號(hào)由天線輻射出去。脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路的一個(gè)關(guān)鍵部分是天線，它的作用相當(dāng)于一個(gè)濾波器。
2.4.2 UWB接收機(jī)組成框圖
TH-UWB接收機(jī)采用相關(guān)接收方式，接收機(jī)框圖如圖4所示。圖4中虛線內(nèi)的部分是相關(guān)器。它由乘法器、積分器和取樣/保持電路三部分組成[5]。
接收機(jī)與發(fā)射機(jī)類(lèi)似，兩者的區(qū)別在于接收機(jī)的基帶信號(hào)處理器從取樣/保持電路中解調(diào)數(shù)據(jù)，基帶信號(hào)處理器的輸出控制可編程時(shí)延電路，為可編程時(shí)延電路提供定時(shí)跟蹤信號(hào)，保證相關(guān)器正確解調(diào)出數(shù)據(jù)。
圖2-4 UWB接收機(jī)組成框圖
2.5 UWB 技術(shù)的應(yīng)用前景
UWB 系統(tǒng)在很低的功率譜密度的情況下,UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢(shì),最大可以提供高達(dá)1000Mbps 以上的傳輸速率,使UWB 同其它短距離無(wú)線通信系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯,如表1 所示?，F(xiàn)有的各種無(wú)線解決方案(例如802. 11 ,Bluetooth等) 的速率均低于100Mbit/s ,UWB 則在10m 左右的范圍之內(nèi)打破了這一限制,UWB 的應(yīng)用將使人們可以擺脫更多線纜的牽絆,通信因而變得更為方便[6]。
2.6 結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線通信已經(jīng)迅速滲入我們的生活當(dāng)中,對(duì)容量不斷增長(zhǎng)的要求需要一種不對(duì)現(xiàn)有的通信系統(tǒng)造成影響的新的無(wú)線通信方案,超寬帶脈沖無(wú)線電系統(tǒng)正好滿足了這一要求。UWB 技術(shù)對(duì)于無(wú)線短距離的高速數(shù)據(jù)通信是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的,隨著研究的深入,憑借多方面的優(yōu)勢(shì),它將在很多領(lǐng)域占有一席之地。特別是短距離傳輸?shù)暮?G領(lǐng)域,UWB 將有廣闊的發(fā)展空間[8]。
表1 幾種短距離無(wú)線通信比較
IEEE802. 11a
Bluetooth
UWB
工作頻率
2. 4GHz
2. 402～2. 48GHz
3. 1～10. 6GHz
傳輸速率
54Mbps
小于1Mbps
大于480Mbps
通信距離
10m～100m
10m
小于10m
發(fā)射功率
1 瓦以上
1 毫瓦～100毫瓦
1 毫瓦以下
容量空間
80kbps/m2
30kbps/m2
1000kbps/m2
應(yīng)用范圍
無(wú)線局域網(wǎng)
家庭和辦公室互連
近距離多媒體
終端類(lèi)型
筆記本、臺(tái)式電腦、掌上電腦、因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān)
筆記本、移動(dòng)電話、掌上電腦、移動(dòng)設(shè)備
無(wú)線電視、DVD , 高速因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān)
3 MATLAB 軟件工具介紹
3.1 MATLAB語(yǔ)言的概述
MATLAB是一種科學(xué)計(jì)算軟件，適用于工程應(yīng)用各領(lǐng)域的分析設(shè)計(jì)與復(fù)雜計(jì)算，它使用方便，輸入簡(jiǎn)捷，運(yùn)算高效且內(nèi)容豐富，很容易由用戶自行擴(kuò)展。因此，它已成為大學(xué)教學(xué)和科學(xué)研究中最常用且必不可少的工具。
MATLAB是“矩陣實(shí)驗(yàn)室”（MATrix LABoratoy）的縮寫(xiě)，它是一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語(yǔ)言，著重針對(duì)科學(xué)計(jì)算、工程計(jì)算和繪圖的需求。與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔和智能化，適應(yīng)科技專(zhuān)業(yè)人員的思維方式和書(shū)寫(xiě)習(xí)慣，使得編程和調(diào)試效率大大提高。它用解釋方式工作，鍵入程序立即得出結(jié)果，人機(jī)交互性能好，為科技人員所樂(lè)于接受。特別是它可適應(yīng)多種平臺(tái)，并且隨計(jì)算機(jī)硬、軟件的更新而用時(shí)升級(jí)。因而，MATLAB語(yǔ)言是數(shù)值計(jì)算用得最頻繁的電子信息類(lèi)學(xué)科工具。它大大提高了課程教學(xué)、解題作業(yè)、分析研究的效率。
3.2 MATLAB的歷史
在1980年前后，美國(guó)的Cleve Moler博士在New Mexico大學(xué)講授線性代數(shù)課程時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其他高級(jí)語(yǔ)言編程極為不便，便構(gòu)思并開(kāi)發(fā)了MATLAB（MATrix LABoratory，矩陣實(shí)驗(yàn)室），它是集命令翻譯、科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)在該大學(xué)進(jìn)行了幾次的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本。它是以著名的線性代數(shù)軟件包LINPACK和特征計(jì)算軟件包EISPACK中的子程序?yàn)榛A(chǔ)發(fā)展而成的一種開(kāi)放型程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，其基本的數(shù)據(jù)單元是一個(gè)維數(shù)不加限制的矩陣，這就允許用戶可以根據(jù)數(shù)值計(jì)算問(wèn)題的復(fù)雜程序，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分段甚至逐句編程處理，顯然這與C、FORTRAN等傳統(tǒng)高級(jí)語(yǔ)言完全不同。在MATLAB下，矩陣的運(yùn)算變得異常的容易，后來(lái)的版本中又增添了豐富多彩的圖形圖像處理及多媒體功能，使得MATLAB的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，Moler博士等一批數(shù)學(xué)家與軟件專(zhuān)家組建了名為MathWorks的軟件開(kāi)發(fā)公司，專(zhuān)門(mén)擴(kuò)展并改進(jìn)MATLAB。
為了準(zhǔn)確地把一個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入給計(jì)算機(jī)，然后對(duì)之進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真，1990年MathWorks軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，并定名為SIMULAB，該工具很快在控制界得致函廣泛的使用。但因其名字與著名的軟件SIMULA類(lèi)似，所以在1992年正式改名為SIMULINK。此軟件有兩個(gè)明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標(biāo)在模型窗口上畫(huà)出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來(lái)對(duì)系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真。很明顯，這種做法使得一個(gè)很復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)容易。SIMULINK的出現(xiàn)，更使得MATLAB的控制系統(tǒng)的仿真與其在CAD中的應(yīng)用打開(kāi)了嶄新的局面。
3.3 MATLAB語(yǔ)言的特點(diǎn)
MATLAB語(yǔ)言有以下特點(diǎn)。
(1) 起點(diǎn)高
每個(gè)變量代表一個(gè)矩陣，以矩陣運(yùn)算見(jiàn)長(zhǎng)。當(dāng)前的科學(xué)計(jì)算中，幾乎無(wú)處不用矩陣運(yùn)算，這使它的優(yōu)勢(shì)得到了充分的體現(xiàn)。
(2) 人機(jī)界面適合科技人員
MATLAB的語(yǔ)言規(guī)則與筆算式相似。MATLAB的程序與科技人員的書(shū)寫(xiě)習(xí)慣相近，因此，易寫(xiě)易讀，易于在科技人員之間交流。矩陣的行列數(shù)無(wú)需定義。MATLAB不必有階數(shù)定義，輸入數(shù)據(jù)的行列數(shù)就決定了它的階數(shù)。鍵入算式立即得到結(jié)果，無(wú)需編譯。MATLAB是以解釋方式工作的，即它對(duì)每條語(yǔ)句解釋后立即執(zhí)行，若有錯(cuò)誤也立即做出反應(yīng)，便于編程者立即改正。這些都大大減輕了編程和調(diào)試的工作量。
(3) 強(qiáng)大而簡(jiǎn)易的做圖功能
能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)確定坐標(biāo)繪圖，能規(guī)定多種坐標(biāo)系，（極坐標(biāo)系、對(duì)數(shù)坐標(biāo)系等），能繪制三維坐標(biāo)中的曲線和曲面，可設(shè)置不同顏色、線型、視角等。如果數(shù)據(jù)齊全，通常只需一條命令即可出圖。
(4) 智能化程度高
繪圖時(shí)自動(dòng)選擇坐標(biāo)，大大方便了用戶；做數(shù)值積分時(shí)自動(dòng)按精度選擇步長(zhǎng)；自動(dòng)檢測(cè)和顯示程序錯(cuò)誤的能力強(qiáng)，易于調(diào)試。
(5) 功能豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)
MATLAB軟件包括基本部分和專(zhuān)業(yè)擴(kuò)展兩大部分。
基本部分包括矩陣的運(yùn)算和各種變換、代數(shù)和超越方程的求解、數(shù)據(jù)處理和傅立葉變換及數(shù)值積分等等。可以充分滿足大學(xué)理工科學(xué)生的計(jì)算需要。
擴(kuò)展部分稱(chēng)為工具箱。它實(shí)際上是用MATLAB的基本語(yǔ)句編成的各種子程序集，用于解決某一方面的專(zhuān)門(mén)問(wèn)題，或?qū)崿F(xiàn)某一類(lèi)的新算法。現(xiàn)在已經(jīng)有控制系統(tǒng)、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、模糊集合、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及小波分析等工具箱，并且向公式推導(dǎo)、系統(tǒng)仿真和實(shí)時(shí)運(yùn)行等領(lǐng)域發(fā)展。
MATLAB的核心內(nèi)容在于它的基本部分，所有的工具箱子程序都是用它的基本語(yǔ)句編寫(xiě)的。
3.4 MATLAB仿真
通過(guò)利用所學(xué)的理論知識(shí)，建立一個(gè)完整、準(zhǔn)確的需求說(shuō)明，清楚、準(zhǔn)確地提出仿真試驗(yàn)所要解決的問(wèn)題。
對(duì)所提出的仿真系統(tǒng)給出詳細(xì)定義，明確系統(tǒng)中的模塊、系統(tǒng)構(gòu)成、模塊之間的相互關(guān)系，系統(tǒng)的輸入輸出、邊界條件以及系統(tǒng)的約束條件，并明確仿真所要達(dá)到的目標(biāo)。
根據(jù)仿真系統(tǒng)分析的結(jié)果，確定系統(tǒng)中的參數(shù)、變量及其互之間的關(guān)系，并以數(shù)學(xué)形式將這些關(guān)系描述出來(lái)，從而構(gòu)成仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)建模是系統(tǒng)仿真中最關(guān)鍵的一步，所建立的數(shù)學(xué)模型必須盡可能準(zhǔn)確地反映所關(guān)心的真實(shí)系統(tǒng)的特性，而又不能過(guò)于復(fù)雜，以免降低模型的效率，增加不必要的計(jì)算過(guò)程，即建模需要根據(jù)求解問(wèn)題的要求，在模型的近似程度與復(fù)雜程度之間折中。電子與通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通常以方框圖形式或數(shù)學(xué)方程形式來(lái)表達(dá)。
根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型所需要的數(shù)據(jù)元素，收集與模型系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模型，收集數(shù)據(jù)，確定其中各子模塊的結(jié)構(gòu)，輸入輸出接口，輸入輸出的數(shù)據(jù)表達(dá)形式，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式等。然后編制相應(yīng)的程序流程，用MATLAB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。
仿真模型驗(yàn)證的目的是確定計(jì)算機(jī)仿真模型是否準(zhǔn)確表達(dá)了數(shù)學(xué)模型。仿真模型驗(yàn)證通常的方法是將數(shù)學(xué)模型的解析結(jié)果（或理論結(jié)果）與仿真所得到的數(shù)值結(jié)果相比較來(lái)完成的；或通過(guò)已知的系統(tǒng)輸入輸出結(jié)果，對(duì)比在相同條件下的系統(tǒng)仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證仿真模型的正確性。
根據(jù)仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案，讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行計(jì)算，并在執(zhí)行計(jì)算的過(guò)程中了解仿真模型對(duì)于各種不同輸入信號(hào)以及不同參數(shù)和仿真機(jī)制下的輸出，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而預(yù)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)行情況。
對(duì)仿真模型的運(yùn)行階段所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其目的是從運(yùn)行階段所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中找出系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，對(duì)仿真系統(tǒng)的性能做出評(píng)價(jià)，為系統(tǒng)方案的最終決策提供輔助支持。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)仿真數(shù)據(jù)的可靠性、一致性、置信度等做出判定，最終將仿真結(jié)果以曲線、圖表和文字等形式形成論文。
4 超寬帶無(wú)線的調(diào)制技術(shù)
發(fā)射超寬帶（UWB）信號(hào)最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射時(shí)域上很短的脈沖。這種傳輸技術(shù)稱(chēng)為“沖激無(wú)線電”（Impulse Radio,簡(jiǎn)寫(xiě)為IR）。信息數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制，其調(diào)制方式可以有多種。脈沖位置調(diào)制（PPM）和脈沖幅度調(diào)制（PAM）是最常用的兩種調(diào)制方式。除了要對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制外，為了形成所產(chǎn)生的信號(hào)的頻譜，還要用偽隨機(jī)碼或偽隨機(jī)噪聲（PN）對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼。一般是，編碼后的數(shù)據(jù)符號(hào)引起脈沖在時(shí)間軸上的偏移，這就是所謂的跳時(shí)超寬帶（TH-UWB，Time-Hopping UWB）。直接序列擴(kuò)譜（DS-SS）就是編碼后的數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)基本脈沖的幅度進(jìn)行調(diào)制，這在沖激無(wú)線電（IR）中被稱(chēng)為直接序列超寬帶（DS-UWB，Direct-Sequence UWB），這種調(diào)制方式似乎非常有吸引力[1]。
對(duì)于超寬帶信號(hào)，也可以通過(guò)很高的數(shù)據(jù)速率來(lái)產(chǎn)生而根本不需要具備脈沖的特性。只要UWB定義所要求的相對(duì)帶寬或最小帶寬在整個(gè)傳輸過(guò)程中得到滿足，那么，靠發(fā)射高速率數(shù)據(jù)而不是窄脈沖所產(chǎn)生的具有UWB射頻帶寬的系統(tǒng)，就不應(yīng)該被排除在UWB系統(tǒng)之外。諸如正交頻分復(fù)用（OFDM），在數(shù)據(jù)速率適當(dāng)?shù)那闆r下也可產(chǎn)生UWB信號(hào)。因此，OFDM也是一種超寬帶的調(diào)制方式。
本文主要討論TH-UWB、DS-UWB和OFDM調(diào)制方式。
4.1 PPM-TH-UWB 調(diào)制方式
4.1.1 跳時(shí)超寬帶信號(hào)的產(chǎn)生
在結(jié)合了二進(jìn)制PPM的TH-UWB(二進(jìn)制PPM-TH-UWB或者PPM-TH-UWB)中,UWB信號(hào)的產(chǎn)生可以系統(tǒng)地描述如下(參見(jiàn)圖4-1描繪的發(fā)射鏈路) [1]。
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圖4-1 PPM-TH-UWB信號(hào)的發(fā)射方案
給定待發(fā)射的二進(jìn)制序列b=(…,b0,b1,…,bk,bk+1,…)，其速率Rb=1/Tb (b/s)，圖4-1中的第一個(gè)模塊使每個(gè)比特重復(fù)Ns次，產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制序列：
(…,b0,b0,…,b0,b1,b1,…,b1,…,bk,bk,…,bk,bk+1,bk+1,…,bk+1,…)=
(...,a0,a1,…aj,aj+1,…)=a
新的比特速率Rcb=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。這個(gè)模塊引入了冗余，其實(shí)是一種被稱(chēng)為重復(fù)碼的(Ns,1)分組編碼器。一般術(shù)語(yǔ)上稱(chēng)為信道編碼。
第二個(gè)模塊是傳輸編碼器，就是應(yīng)用整數(shù)值碼序列c=(…,c0,c1,…,cj,cj+1,…)和二進(jìn)制序列a=(…,a0,a1,…,aj,aj+1,…),產(chǎn)生一個(gè)新序列d，序列d的一般元素表達(dá)式如下：
dj=cjTc+aj （4-1）
式中,Tc和 是常量，對(duì)所有的cj滿足條件cjTc+ <Ts，通常 <Tc。
這里的d是一個(gè)實(shí)數(shù)值序列，而a是二進(jìn)制序列，c是整數(shù)值序列.現(xiàn)在我們遵循最常用的方法，假定c是企業(yè)界隨機(jī)碼序列，它的元素cj是整數(shù)，且滿足
0 cj Nh-1。 碼序列c可能為周期序列，其周期表示為Np。兩種特殊情況值得討論。第一種,碼是非周期的，即 ；第二種是Np=Ns，這是最常用的一種，這時(shí)的編碼周期與二進(jìn)制碼重復(fù)的次數(shù)相等。我們必須牢記：傳輸編碼扮演了碼分多址編碼和發(fā)射信號(hào)的頻譜形成雙重角色[1]。
實(shí)數(shù)值序列d輸入到第三個(gè)模塊，即PPM調(diào)制模塊，產(chǎn)生了一個(gè)速率為Rp=Ns/Tb=1/Ts(脈沖/s)的單位脈沖(Dirac pulses ) 序列。這些脈沖在時(shí)間軸上的位置為 ，因此脈沖位置在jTs基礎(chǔ)上偏移了dj，脈沖的發(fā)生時(shí)間也可表示為( )。注意是碼序列對(duì)c信號(hào)引入了TH位移，也正因?yàn)榇?，c被稱(chēng)為T(mén)H碼。還要注意一點(diǎn)就是由PPM調(diào)制引起的位移 ，通常比TH碼引起的位移cjTc小得多，即： ，cj=0除外。Tc稱(chēng)為碼片時(shí)間(chip time)。
最后一個(gè)模塊是脈沖形成濾波器，其沖激響應(yīng)為。必須保證脈沖形成濾波器輸出的脈沖序列不能有任何的重疊。
以上所有系統(tǒng)級(jí)聯(lián)以后的輸出信號(hào) 可表示如下：
(4-2)
比特間隔或比特持續(xù)時(shí)間，也即用于傳輸一個(gè)比特的時(shí)間Tb，可表示為：Tb=NsTs。在式(4-2)中，cjTc定義了脈沖的隨機(jī)性或者說(shuō)是相對(duì)于Ts整數(shù)倍時(shí)刻的抖動(dòng)。如果用隨機(jī)TH抖動(dòng) 來(lái)表示由TH編碼cjTc引起的時(shí)間上的位移，并假定 在0和 之間分布，則可得到：
(4-3)
正如前面提到的， 通常遠(yuǎn)大于 。這兩個(gè)量的整體效果是產(chǎn)生一個(gè)分布在0和 之間的時(shí)間隨機(jī)位移量，用 表示這個(gè)時(shí)間隨機(jī)位移，可得發(fā)射信號(hào)的如下表達(dá)式：
(4-4)
更一般性地概括式(4-2)所表示的信號(hào)，其思想是：對(duì)于信息比特“0”和“1”，可以發(fā)射兩個(gè)不同的脈沖波形 和 來(lái)分別表示。上面分析的PPM調(diào)制的例子，引入了 這個(gè)時(shí)間位移量，它的值根據(jù)它所代表的比特而有所不同，其實(shí)是上述思想的特殊例子，其中的 是 位移以后的波形。一種更一般的表達(dá)式：
(4-5)
當(dāng)將 設(shè)置為- 時(shí)，式(4-5)也表示了PAM和TH-UWB的結(jié)合，即PAM-TH-UWB模型[1]。
4.1.2 PPM-TH-UWB的發(fā)射鏈路 系統(tǒng)模型如圖4-2所示
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圖4-2 PPM-TH-UWB 發(fā)射器的系統(tǒng)模型
圖4-2中的第一個(gè)模塊表示二進(jìn)制源。這個(gè)模塊的輸出是發(fā)射到物理信道的二進(jìn)制流。第二個(gè)模塊表示重復(fù)碼編碼器。二進(jìn)制流的每一個(gè)比特都被重復(fù)次。第三個(gè)模塊仿真TH編碼和二進(jìn)PPM。這里考慮偽隨機(jī)TH碼。最后一個(gè)模塊是脈沖形成。這個(gè)模塊的沖激響應(yīng)表示要發(fā)射的UWB信號(hào)的基本脈沖波形[1]。
4.1.3 PPM-TH-UWB 仿真結(jié)果及其分析
圖（4-3）顯示了參數(shù)設(shè)置如下時(shí)所產(chǎn)生的UWB信號(hào)
以dBm為單位的平均發(fā)射功率Pow， 信號(hào)的抽樣頻率fc， 由二進(jìn)制源產(chǎn)生的比特?cái)?shù)numbits， 平均脈沖重復(fù)時(shí)間Ts（單位為秒），每個(gè)比特映射的脈沖數(shù)Ns， 碼片時(shí)間Tc（秒）， 跳時(shí)碼的碼元最大值Nh和周期Np，沖激響應(yīng)持續(xù)時(shí)間Tm, 脈沖波形形成因子tau（秒）， PPM時(shí)移dPPM（秒）。
Stx: Pow=-30, fc=50e9, numbits =2, Ts=3e-9, Ns=5,
Tc=1e-9, Nh=3, Np=5, Tm=0.5e-9, tau=0.25e-9,
dPPM=0.5e-9
由圖4-3中可以看到輸出序列的前五個(gè)脈沖在其對(duì)應(yīng)時(shí)隙的中間位置，而后五個(gè)脈沖則在其對(duì)應(yīng)時(shí)隙的起始位置。
圖4-3 PPM-TH-UWB 發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)
圖4-4 PPM-TH-UWB的幅度譜
由圖4-4可以看出，TH編碼和PPM調(diào)制都對(duì)幅度譜的高斯形狀產(chǎn)生扭曲。PPM-TH-UWB信號(hào)的幅度譜將完全包含在無(wú)TH編碼和無(wú)PPM調(diào)制的幅度譜包絡(luò)中，這是因?yàn)橐酝瑯拥男螤詈屯瑯拥钠骄β蕚鬏數(shù)乳g隔脈沖的結(jié)果。
4.2 PAM-DS-UWB調(diào)制方式
4.2.1 直接序列超寬帶信號(hào)的產(chǎn)生
直接序列擴(kuò)譜（DS-SS）是一種著名的數(shù)字調(diào)制方式。這里，我們先回顧DS-SS的基本原理，并把主要精力放在它在UWB的延伸方面。
具有UWB特性的信號(hào)可以通過(guò)下面的過(guò)程產(chǎn)生：首先，用偽隨機(jī)碼或二進(jìn)制PN碼序列對(duì)要發(fā)射的二進(jìn)制進(jìn)行編碼；其次，對(duì)一串窄脈沖進(jìn)行幅度調(diào)制。這一過(guò)程可以看做是目前使用DS-SS系統(tǒng)的一種極端方式，此時(shí)脈沖在時(shí)域上是具有典型時(shí)間的奈奎斯特型脈沖或方波。讓脈沖寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于切普間隔，很容易得到DS-SS-UWB的解析表達(dá)式。在傳統(tǒng)的DS-SS系統(tǒng)中，RF發(fā)射信號(hào)是對(duì)載波進(jìn)行幅度調(diào)制后得到的，通常使用二進(jìn)制相移鍵控BPSK方式。而在DS-UWB中，如果沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的要求，這一過(guò)程可省略。[1]
更詳細(xì)地，上述信號(hào)可以通過(guò)如下過(guò)程產(chǎn)生（見(jiàn)圖所示發(fā)射鏈路）。
SHAPE \* MERGEFORMAT 圖4-5 PAM-DS-UWB 信號(hào)的發(fā)射方案
假定待發(fā)射的二進(jìn)制序列b=(…,b0,b1,…,bk,bk+1,…)，其速率為Rb=1/Tb (b/s)，圖4-5中的第一個(gè)系統(tǒng)將每個(gè)比特重復(fù)Ns次，得到序列：(…,b0,b0,…,b0,b1,b1,…,b1,…,bk,bk,…,bk,bk+1,bk+1,…,bk+1,…)=a*，其速率為Rcb=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。與TH方式相似，系統(tǒng)引入的冗余相當(dāng)于一個(gè)參數(shù)為(Ns,1)的重復(fù)碼編碼器。
第二個(gè)系統(tǒng)將a*序列轉(zhuǎn)換成只含有正值和負(fù)值元素的序列a=(…,a0,…,a1,…,aj,aj+1,…)，轉(zhuǎn)換公式為：( ).
發(fā)射編碼器將一個(gè)由 1組成、周期為Np的二進(jìn)制碼序列c=(…,c0,c1,…,cj,cj+1,…)應(yīng)用到序列a=(…,a0,…,a1,…,aj,aj+1,…)，產(chǎn)生一個(gè)新序列d=a·c，其組成元素dj=ajcj。通常假定Np等于Ns，更具一般性的假定是Np等于Ns的整數(shù)倍。注意，序列d的元素值為 1，這一點(diǎn)與序列a相同，其速率為Rc=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。
序列d進(jìn)入第三個(gè)系統(tǒng)——PAM調(diào)制器，產(chǎn)生一個(gè)速率為Rp=Ns/Tb=1/Ts （脈沖/s）的單位脈沖（Dirac脈沖 ）序列，其位置在jTs處[6]。
調(diào)制器輸出的信號(hào)進(jìn)入沖洲響應(yīng)為p(t)的脈沖形成濾波器。在傳統(tǒng)的DS-SS系統(tǒng)中，沖激響應(yīng)p(t)是持續(xù)時(shí)間為T(mén)s的矩形脈沖。而在DS-UWB系統(tǒng)中，與TH方式相似，p(t)是持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于Ts的脈沖。
以上系統(tǒng)級(jí)聯(lián)后的輸出信號(hào)可以表示為
(4-6)
注意，與TH方式相似，比特間隔或比特持續(xù)時(shí)間，即傳輸一個(gè)比特所用的時(shí)間是Tb=NsTs。
輸出的波形顯然是一個(gè)PAM波形。很容易知道，由于沒(méi)有時(shí)移而且脈沖以規(guī)則的時(shí)間間隔出現(xiàn)，計(jì)算式(4-6)所示信號(hào)的PSD要比計(jì)算式(4-2)所示信號(hào)的PSD更容易。
上述方式的一種變形是使用PPM調(diào)制器代替PAM調(diào)制器，得到的信號(hào)可表示為：
(4-7)
注意到在式(4-7)中，由于碼的偽隨機(jī)特性，編碼會(huì)起到白化頻譜的作用。
4.2.2 PAM-DS-UWB 發(fā)射鏈路 其系統(tǒng)模型如圖4-6所示.
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圖4-6 PAM-DS-UWB 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)模型
圖4-6中的前兩個(gè)模塊分別表示二進(jìn)制源和重復(fù)碼編碼器。第三個(gè)模塊是在重復(fù)碼編碼器的輸出端實(shí)現(xiàn)DS編碼和二進(jìn)制PAM調(diào)制。我們考慮偽隨機(jī)DS碼，分配給一般用戶的是長(zhǎng)度為NP的二進(jìn)制碼序列。最后一個(gè)模塊是脈沖形成器[1]。
4.2.3 PAM-DS-UWB 仿真結(jié)果及其分析
圖4- 7 由PAM-DS-UWB發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)
圖（4-7）顯示了參數(shù)設(shè)置如下時(shí)所產(chǎn)生的UWB信號(hào)
以dBm為單位的平均發(fā)射功率Pow， 信號(hào)的抽樣頻率fc， 由二進(jìn)制源產(chǎn)生的比特?cái)?shù)numbits， 平均脈沖重復(fù)時(shí)間Ts（單位為秒），每個(gè)比特映射的脈沖數(shù)Ns， 碼片時(shí)間Tc（秒）， 跳時(shí)碼的碼元最大值Nh和周期Np，沖激響應(yīng)持續(xù)時(shí)間Tm, 脈沖波形形成因子tau（秒）， PPM時(shí)移dPPM（秒）。
Stx: Pow=-30, fc=50e9, numbits =2, Ts=2e-9,
Ns=10, Np=10, Tm=0.5e-9,
tau=0.25e-9,
這個(gè)信號(hào)由兩組脈沖序列組成，每組包含10個(gè)脈沖，每組映射信息源的一個(gè)比特。從圖4-7中可以看出每二組的10個(gè)脈沖與第一組的10個(gè)脈沖在極性上是相反的。
圖4-8 PAM-DS-UWB的幅度譜
由圖4-8可以看出，幅度譜的包絡(luò)具有基本脈沖的傅氏變換的形狀，即高斯形狀。且Np（信號(hào)每比特發(fā)射脈沖數(shù)）值越大，圖形分布越寬，即幅度峰值越小。
4.3 OFDM調(diào)制技術(shù)
4．3．1 概述
多頻帶（MB）方式與本章前兩節(jié)分析研究的IR原理不同。根據(jù)2002年，F(xiàn)CC公布的UWB定義，帶寬超過(guò)500MHz的信號(hào)都是UWB信號(hào)。因此，按照FCC規(guī)定的頻帶范圍3.1~10.6GHz，將此7.5 GHz的帶寬分割成最小帶寬為500MHz的若干個(gè)頻帶。為了盡量減小同窄帶通信系統(tǒng)的相互干擾，UWB采用較小的功率，于是UWB信號(hào)對(duì)于窄帶通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于熱噪聲，并不被窄帶通信系統(tǒng)的接收機(jī)檢測(cè)到，也可以避免特定頻帶上的非人為干擾[1]。
在每個(gè)子頻帶內(nèi)可以使用不同的數(shù)據(jù)調(diào)制類(lèi)型，并不一定要用IR方式，正確的頻譜帶寬可以通過(guò)合適的比特速率實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用最廣泛的是眾所周知的正交頻分復(fù)用（OFDM）。
4．3．2 多頻段OFDM-UWB信號(hào)產(chǎn)生
一個(gè)已調(diào)的OFDM信號(hào)由調(diào)制在不同載波頻率 上的同個(gè)并行發(fā)射的信號(hào)組成。這些載波等間隔地位于頻域上，其間隔為 。OFDM調(diào)制器輸入的二進(jìn)制序列每K比特編為一組，以產(chǎn)生具有N個(gè)符號(hào)的數(shù)據(jù)塊{ }，這里假定 是L個(gè)可能的取值中的一個(gè)，K=N1bL。最后，每個(gè)符號(hào)調(diào)制一個(gè)不同的載波。為了并行傳輸數(shù)據(jù)塊的N個(gè)符號(hào)，不同的調(diào)制載波信號(hào)在頻率上必須正交[8]。
所有調(diào)制器使用相同的矩形波，其持續(xù)時(shí)間為T(mén)：
（4-8）
如果符號(hào) 在星座圖中的點(diǎn)用 表示，OFDM信號(hào)中有N個(gè)符號(hào)的數(shù)據(jù)塊的表達(dá)式如下[1]：
（4-9）
而相應(yīng)的復(fù)包絡(luò)是
（4-10）
其中 ，S（t）是周期為T(mén)0的周期函數(shù)。
式（4-9）中OFDM信號(hào)的數(shù)字變換相當(dāng)于傳輸式（4-10）中復(fù)數(shù)包絡(luò)的抽樣值，也就是說(shuō)傳輸序列可表示如下：
（4-11）
tc是抽樣周期。
仿真OFDM調(diào)制信號(hào)，考慮的是OFDM各個(gè)載波使用QPSK調(diào)制的情況。仿真整個(gè)發(fā)射鏈路，產(chǎn)生式（4-9）的信號(hào)。
4．3．3 OFDM仿真結(jié)果及其分析 要發(fā)射的總比特?cái)?shù)numbits； 調(diào)制信號(hào)的中心頻率fp； 抽樣頻率fc； 每個(gè)符號(hào)在其相應(yīng)載波上的傳輸時(shí)間T0； 循環(huán)前綴的持續(xù)時(shí)間TP；保護(hù)間隔時(shí)間TG， 矩形脈沖響應(yīng)的幅度為A， OFDM系統(tǒng)的子載波數(shù)N。
(1) numbits=8； fp=1e9; fc=50e9; T0=242.4e-9;
TP=60.6e-9; TG=70.1e-9; A=1; N=4;
圖4-9 OFDM-UWB信號(hào)
圖4-10 OFDM-UWB幅度譜
圖4-10中的幅度譜由子載波的幅度譜疊加而成。
(2)numbits=8； fp=1e9; fc=50e9; T0=242.4e-9;
TP=0; TG=50e-9; A=1; N=2;
圖4-11 OFDM-UWB信號(hào)圖
圖4-11 OFDM-UWB信號(hào)幅度譜
對(duì)比以上兩圖，可以看出，在同樣的時(shí)間里為了傳輸更多的符號(hào)，是以增加帶寬為代價(jià)的，也就是增加子載波的數(shù)量。
4.4 總結(jié)
通過(guò)一系列的仿真,我們可以得出以下結(jié)論:PAM、PPM兩種調(diào)制方法主要是為了進(jìn)行信息數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)脈沖的調(diào)制，而信號(hào)中的偽隨機(jī)TH碼和DS碼主要是為了產(chǎn)生信號(hào)的頻譜，使信號(hào)的功率譜密度在采用偽隨機(jī)碼調(diào)制后變得更加平滑，不能干擾到其它已經(jīng)存在的窄帶系統(tǒng)[9]。
OFDM具有良好的抗多徑干擾性能，通過(guò)頻率的合理選擇，能夠同現(xiàn)存的窄帶系統(tǒng)和開(kāi)放頻段的通信系統(tǒng)具有很好的共存性，同傳統(tǒng)的超寬帶系統(tǒng)相比有很大的優(yōu)勢(shì)[11]。
5 性能分析及應(yīng)用前景
5.1 脈位調(diào)制(PPM)和脈幅調(diào)制(PAM)
脈位調(diào)制(PPM)是一種利用脈沖位置承載數(shù)據(jù)信息的調(diào)制方式。按照采用的離散數(shù)據(jù)符號(hào)的狀態(tài)數(shù)可以分為二進(jìn)制PPM(2PPM)和多進(jìn)制(MPPM)。在這種調(diào)制方式中，一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個(gè)或M個(gè)，脈沖位置與符號(hào)狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。根據(jù)相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關(guān)系，又可分為部分重疊的PPM和正交PPM（OPPM）。在部分重疊的PPM中，為保證系統(tǒng)傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關(guān)函數(shù)的負(fù)峰值點(diǎn)，從而使相鄰符號(hào)的歐氏距離最大化。在OPPM中，通常以脈沖寬度為間隔確定脈沖位置。接收機(jī)利用相關(guān)器在相應(yīng)位置進(jìn)行相干檢測(cè)。鑒于UWB系統(tǒng)的復(fù)雜度和功率限制，實(shí)際應(yīng)用中，常用的調(diào)制方式為2PPM或2OPPM[3]。
PPM的優(yōu)點(diǎn)在于：它僅需要根據(jù)數(shù)據(jù)符號(hào)控制脈沖位置，不需要進(jìn)行脈沖幅度和極性的控制，便于以較低的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)。因此，PPM是UWB系統(tǒng)廣泛采用的調(diào)制方式。但是，由于PPM信號(hào)為單極性，其輻射譜中往往存在幅度較高的離散譜線。對(duì)此超寬帶信號(hào)的幅度譜仿真也證明了這一點(diǎn)。如果不對(duì)這些譜線進(jìn)行抑制，將很難滿足FCC對(duì)輻射譜的要求[10]。
脈幅調(diào)制（PAM）是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)最為常用的調(diào)制方式之一。在UWB系統(tǒng)中，考慮到實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和功率有效性，不宜采用多進(jìn)制PAM（MPAM）。UWB系統(tǒng)常用的PAM有兩種方式：開(kāi)關(guān)鍵控（OOK）和二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）。前者可以采用非相干檢測(cè)降低接收機(jī)復(fù)雜度，而后者采用相干檢測(cè)可以更好地保證傳輸可靠性[3]。
當(dāng)發(fā)射能量相同時(shí)，使用二進(jìn)制PAM調(diào)制的信號(hào)可以比使用二進(jìn)制PPM調(diào)制的信號(hào)獲得更好的性能。
5.2 OFDM調(diào)制
OFDM有很多優(yōu)點(diǎn)：能夠提供較大的系統(tǒng)容量，具有較強(qiáng)的抗多徑干擾、抗頻率選擇性衰落和頻率擴(kuò)散能力，適應(yīng)多徑和移動(dòng)信道傳播條件，能夠適應(yīng)不同設(shè)計(jì)需求，靈活分配數(shù)據(jù)容量和功率，可提供靈活的高速和變速綜合數(shù)據(jù)傳輸可以實(shí)現(xiàn)較高的安全傳輸性能，允許數(shù)據(jù)在復(fù)數(shù)的高速的射頻上被編碼。由于OFDM技術(shù)的良好性能使得它在無(wú)線通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[12]。
OFDM技術(shù)是將頻道資源分成若干個(gè)子信道，每個(gè)子信帶再采用一定的調(diào)制技術(shù)，提高頻率利用率。OFDM可與PPM、PAM等結(jié)合使用，將會(huì)有性能更好的調(diào)制技術(shù)出現(xiàn)。
5.3 UWB的應(yīng)用前景
超寬帶技術(shù)在通信、雷達(dá)和無(wú)線定位等領(lǐng)域都將有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，人們對(duì)超寬帶技術(shù)深入的研究使超寬帶技術(shù)在系統(tǒng)理論、功率放大器、脈沖的產(chǎn)生與接收、同步、集成電路等方面取得了重大進(jìn)步，尤其是在超寬帶無(wú)線產(chǎn)生領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，使超寬帶通信成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分成為可能。
相對(duì)于傳統(tǒng)的窄帶無(wú)線通信系統(tǒng)，超寬帶無(wú)線產(chǎn)生系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)和潛力，使超寬帶無(wú)線產(chǎn)生成為中短距無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的理想接入技術(shù)。根據(jù)產(chǎn)生速率不同，擠兌超寬帶無(wú)線傳輸系統(tǒng)也具有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。
利用超寬帶技術(shù)可以提供高數(shù)據(jù)率傳輸?shù)哪芰εc定位功能，可以設(shè)計(jì)依賴(lài)定位信息優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源管理的WPAN或WLAN，并應(yīng)用于多媒體傳輸、計(jì)算機(jī)通信和家庭娛樂(lè)等領(lǐng)域。
利用脈沖超寬帶信號(hào)對(duì)障礙物的良好穿透特性與精確測(cè)距功能，可以設(shè)計(jì)既具有通信功能也具有定位功能的超寬帶脈沖無(wú)線通信與定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳輸距離遠(yuǎn)（通信速率低）、頒布式移動(dòng)定位、便攜、超低成本、超低功耗、定位可靠性和精度高等特點(diǎn)。因而可以廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)、消防、公共安全、庫(kù)存盤(pán)點(diǎn)、人員監(jiān)護(hù)與救生等重要領(lǐng)域。利用超寬帶脈沖信號(hào)低截獲概率、保密性高和體積小的優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)還可以應(yīng)用與偵察、情報(bào)收集、傷員救護(hù)、武器制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域[8]。
超寬帶信號(hào)具有很低的輻射功率，而這樣的輻射功率分布在某些方面GHz的頻率范圍內(nèi)，功率譜密度極低，類(lèi)似白噪聲頻譜，具有低干擾、低截獲概率特性；同時(shí)由于使用窄脈沖為信號(hào)載體并采用跳時(shí)擴(kuò)頻，接收端必須已知發(fā)射端擴(kuò)頻碼的條件下才能解調(diào)出發(fā)射數(shù)據(jù)來(lái)，加上它對(duì)多徑干擾具有很好的魯棒特性，非常適合在軍事保密通信的應(yīng)用。非常低的輻射功率可以避免過(guò)量的電磁波對(duì)人體的傷害[7]。
結(jié)論
超寬帶無(wú)線通信技術(shù)是目前發(fā)展的熱門(mén)技術(shù)。它以其自身的優(yōu)點(diǎn)，被研究人員廣泛關(guān)注。超寬帶無(wú)線電技術(shù)大體包括基帶脈沖傳輸方式和帶通載波調(diào)制傳輸?shù)姆绞絻纱箢?lèi)。脈沖傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是把信息調(diào)制在離散脈沖信號(hào)上發(fā)射，而帶通載波調(diào)制傳輸?shù)奶攸c(diǎn)則是把信息調(diào)制在正弦載波上發(fā)射。本論文是以采用基帶脈沖傳輸技術(shù)的經(jīng)典超寬帶無(wú)線電通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究的。
為了更好地了解超寬帶通信系統(tǒng)，本文先概括地介紹了超寬帶無(wú)線通信的基礎(chǔ)知識(shí)。接著將仿真的基本工具M(jìn)ATLAB的使用說(shuō)明簡(jiǎn)單介紹。然后，重點(diǎn)介紹超寬帶通信的調(diào)制方式，主要包括對(duì)TH-PPM、DS-PAM和OFDM調(diào)制方式的介紹，并通過(guò)仿真圖像加以對(duì)比，說(shuō)明調(diào)制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。
常采用不同的調(diào)制方案，對(duì)系統(tǒng)傳輸速率、搞多徑干擾能力有很大影響。對(duì)它們進(jìn)行分析比較，對(duì)系統(tǒng)調(diào)制信號(hào)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。通常，在一個(gè)通信系統(tǒng)中，應(yīng)用何種調(diào)制方式不僅要看調(diào)制方式本身性能，還要根據(jù)系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)加以考慮。
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超寬帶（UWB，Ultra Wide Band）無(wú)線技術(shù)在無(wú)線電通信、雷達(dá)、跟蹤、精確定位、成像、武器控制等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因此被認(rèn)為是未來(lái)幾年電信熱門(mén)技術(shù)之一。1990年，美國(guó)國(guó)防部首先定義了“超寬帶”概念，超寬帶無(wú)線通信開(kāi)始得到美國(guó)軍方和政府部門(mén)的重視。2002年4月，美國(guó)FCC通過(guò)了超寬帶技術(shù)的商用許可，超寬帶無(wú)線通信在民用領(lǐng)域開(kāi)始受到普遍關(guān)注。目前“超寬帶”的定義只是針對(duì)信號(hào)頻譜的相對(duì)帶寬（或絕對(duì)帶寬）而言，沒(méi)有界定的時(shí)域波形特征。因此，有多種方式產(chǎn)生超寬帶信號(hào)。其中，最典型的方法是利用納秒級(jí)的窄脈沖（又稱(chēng)為沖激脈沖）的頻譜特性來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。
超寬帶無(wú)線電是對(duì)基于正弦載波的常規(guī)無(wú)線電的一次突破。幾十年來(lái)，無(wú)線通信都是以正弦載波為信息載體，而超寬帶無(wú)線通信則以納秒級(jí)的窄脈沖作為信息載體。其信號(hào)產(chǎn)生、調(diào)制解調(diào)、信號(hào)隱蔽性、系統(tǒng)處理增益等方面，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其是能夠在密集的多徑環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高速傳輸。由于脈沖持續(xù)時(shí)間很短，多徑分量在時(shí)域上不易重疊，多徑分辨能力高，通過(guò)先進(jìn)的多徑分離技術(shù)或瑞克接收機(jī)，可以充分利用多徑分量。
目前，典型的超寬帶無(wú)線通信調(diào)制方式以TH-PPM、TH-PAM為主，本論文中，介紹超寬帶無(wú)線通信中的調(diào)制技術(shù)，主要討論TH-PPM、TH-PAM的基本原理，并且對(duì)比調(diào)制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，性能的好壞，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)的仿真，從仿真圖中較清楚的研究調(diào)制方式，從而得出正確的結(jié)論，細(xì)致的研究超寬帶無(wú)線通信中的調(diào)制技術(shù)。
關(guān)鍵字：超寬帶 調(diào)制方式 PPM調(diào)制 PAM調(diào)制 OFDM調(diào)制
2 概述
2.1 總述
近幾年來(lái)，超寬帶短距離無(wú)線通信引起了全球通信技術(shù)領(lǐng)域極大的重視。超寬帶通信技術(shù)以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為短距離無(wú)線通信極具競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展前景的技術(shù)之一。FCC(美國(guó)通信委員會(huì)) 對(duì)超寬帶系統(tǒng)的最新定義是:相對(duì)帶寬(在- 10dB 點(diǎn)處) (fH - fL)/fc > 20 %(fH ，fL ，fc分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和中心頻率) 或者總帶寬BW> 500MHz。[1]它與現(xiàn)有的無(wú)線電系統(tǒng)比較，在花費(fèi)更小的制造成本的條件下，能夠做到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率(100～500MbPs) 、更強(qiáng)的抗干擾能力(處理增益50dB 以上) ，同時(shí)具有極好的抗多徑性能和十分精確的定位能力(精度在cm 以?xún)?nèi)) 。
2.2 UWB基本原理
發(fā)射超寬帶(UWB) 信號(hào)最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射一種時(shí)域上很短(占空比低達(dá)0. 5 %) 的沖激脈沖。這種傳輸技術(shù)稱(chēng)為“沖擊無(wú)線電( IR) ”.UWB - IR 又被稱(chēng)為基帶無(wú)載波無(wú)線電，因?yàn)樗幌駛鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中使用正弦波把信號(hào)調(diào)制到更高的載頻上，而是用基帶信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)天線輸出的[6];由信息數(shù)據(jù)對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)，為了形成所產(chǎn)生信號(hào)的頻譜而用偽隨即序列對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼。因此沖擊脈沖和調(diào)制技術(shù)就是超寬帶的兩大關(guān)鍵所在。
2.2.1 脈沖信號(hào)
從本質(zhì)上講，產(chǎn)生脈沖寬度為納秒級(jí)的信號(hào)源是UWB 技術(shù)的前提條件。目前產(chǎn)生脈沖信號(hào)源的方法有兩類(lèi): ①光電方法，基本原理是利用光導(dǎo)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通瞬間的陡峭上升沿獲得脈沖信號(hào)。由于作為激發(fā)源的激光脈沖信號(hào)可以有很陡的前沿，所以得到的脈沖寬度可達(dá)到皮秒(10 - 12 ) 量級(jí)。另外，由于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)是采用集成方法制成的，可以獲得很好的一致性，因此是最有發(fā)展前景的一種方法。②電子方法，利用微波雙極性晶體管雪崩特性，在雪崩導(dǎo)通瞬間，電流呈“雪崩”式迅速增長(zhǎng)，從而獲得具有陡峭前沿的波形，成形后得到極短脈沖。在電路設(shè)計(jì)中，采用多個(gè)晶體管串行級(jí)聯(lián)，使用并行同步觸發(fā)的方式，加快了雪崩過(guò)程，從而達(dá)到進(jìn)一步降低脈沖寬度的目的[7]。
沖激脈沖通常采用單周期高斯脈沖，典型的單周期高斯脈沖的時(shí)域和頻域數(shù)學(xué)模型分別表示為:
(2-1)
(2-2)
單周期脈沖的寬度在納秒級(jí)(0. 1～1. 5ns) ，重復(fù)周期為25～1000ns ，具有很寬的頻譜，如圖2-1 所示。實(shí)際通信中使用的是一長(zhǎng)串的脈沖，由于時(shí)域中信號(hào)的周期性造成了頻譜的離散化，周期性的單脈沖序列頻譜中出現(xiàn)了強(qiáng)烈的能量尖峰。這些尖峰將會(huì)對(duì)信號(hào)構(gòu)成干擾，通過(guò)數(shù)據(jù)信息和偽隨機(jī)碼來(lái)進(jìn)行編碼P調(diào)制，改變脈沖與脈沖間的時(shí)間間隔，可以降低頻譜的尖峰幅度[2]。
圖2-1 單周期脈沖的時(shí)間域和頻率域的表示
2.2.2 UWB的調(diào)制技術(shù)
超寬帶系統(tǒng)中信息數(shù)據(jù)對(duì)脈沖的調(diào)制方法可以有多種。脈沖位置調(diào)制( PPM) 和脈沖幅度調(diào)制(PAM) 是UWB 最常用的兩種調(diào)制方式。通常UWB信號(hào)模型為:
(2-3)
其中，w ( t) 表示發(fā)送的單周期脈沖， dj ， tj 分別表示單脈沖的幅度和時(shí)延。
a PAM- UWB
PAM是一種通過(guò)改變那些基于需傳輸數(shù)據(jù)的傳輸脈沖幅度的調(diào)制技術(shù)。在PAM調(diào)制系統(tǒng)中，一系列的脈沖幅度被用來(lái)代表需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。任何形狀的脈沖都是通過(guò)其幅度調(diào)制使傳輸數(shù)據(jù)在{ - 1 ， + 1}之間變化(對(duì)于雙極性信號(hào)) 或在M 個(gè)值之間變化(對(duì)于M 元PAM) 。增加傳輸脈沖所占的帶寬或減少脈沖重復(fù)頻率，都可以增加一個(gè)固定平均功率譜密度的UWB 系統(tǒng)所能達(dá)到的吞吐量和傳輸距離，可以看出這一效果與增加傳輸功率的峰值的效果是相似的。[8]
采用脈沖幅度調(diào)制(PAM)的超寬帶信號(hào)波形如下:[4]
(2-4)
其中， dj 是信息序列， Tf 是脈沖重復(fù)周期。根據(jù)dj 的不同取值， 可將PAM調(diào)制方式分為以下三種:
（1） OOK(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ，UWB 信號(hào)的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ，UWB 信號(hào)的幅度為0) ;
（2）PPAM(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ，UWB 信號(hào)的幅度為β1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ，UWB 信號(hào)的幅度為β2) ;
（3）BPSK(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ，UWB 信號(hào)的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ，UWB 信號(hào)的幅度為- 1) 。
對(duì)于這三種方式，在超寬帶的PAM調(diào)制方式中多采用BPSK方式。
b PPM- UWB
脈沖位置調(diào)制(PPM) 又稱(chēng)時(shí)間調(diào)制(TM) ，是用每個(gè)脈沖出現(xiàn)的位置落后或超前某一標(biāo)準(zhǔn)或特定時(shí)刻來(lái)表示某個(gè)特定信息的[3]。二進(jìn)制PPM 是超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)經(jīng)常使用的一種調(diào)制方法，相對(duì)其它調(diào)制方法來(lái)說(shuō)也是較早使用的一種方法。采用PPM的一個(gè)重要原因是它能夠使用零相差的相關(guān)接收機(jī)來(lái)接收檢測(cè)信號(hào)，而這種接收機(jī)有著非常好的性能。采用脈沖位置調(diào)制( PPM) 的超寬帶信號(hào)波形如下:
(2-5)
其中， dj 取0 或1 ，δ為調(diào)制因子， 與脈沖寬度Tm (1/Tf ) 是一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)為1 時(shí)脈沖就會(huì)相應(yīng)滯后一個(gè)時(shí)延δ。
圖2-2 給出了上述四種調(diào)制方法的信號(hào)波形圖，對(duì)這四種調(diào)制方式給出了一個(gè)比較直觀的描述。
除了這些對(duì)脈沖的調(diào)制方法外，用偽隨機(jī)碼或偽隨機(jī)噪聲(PN) 對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼以得到所產(chǎn)生信號(hào)的頻譜時(shí)，根據(jù)編碼的不同即擴(kuò)頻和多址技術(shù)不同，超寬帶系統(tǒng)又被分為跳時(shí)的超寬帶系統(tǒng)(TH - UWB) 、直擴(kuò)的超寬帶系統(tǒng)(DS - UWB) 、跳頻的超寬帶系統(tǒng)(FH - UWB) 和基帶多載波超寬帶系統(tǒng)(MC - UWB) 等[9]。
圖2-2 不同調(diào)制方式的信號(hào)波形[4]
2.3 UWB 技術(shù)特點(diǎn)
由于UWB 與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，工作原理迥異，因此UWB 具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無(wú)法比擬的技術(shù)特點(diǎn)[4]:
(1)系統(tǒng)容量大。香農(nóng)公式給出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出，帶寬增加使信道容量的升高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)功率上升所帶來(lái)的效應(yīng)，這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機(jī)理。超寬帶無(wú)線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)。
(2)高速的數(shù)據(jù)傳輸。UWB 系統(tǒng)使用上GHz 的超寬頻帶，根據(jù)香農(nóng)信道容量公式，即使把發(fā)送信號(hào)功率密度控制得很低，也可以實(shí)現(xiàn)高的信息速率。一般情況下，其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bps～1Gbps。
(3)多徑分辨能力強(qiáng)。UWB 由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率，窄脈沖的多徑信號(hào)在時(shí)間上不易重疊，很容易分離出多徑分量，所以能充分利用發(fā)射信號(hào)的能量。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)常規(guī)無(wú)線電信號(hào)多徑衰落深達(dá)10～30dB 的多徑環(huán)境，UWB 信號(hào)的衰落最多不到5dB。
(4)隱蔽性好。因?yàn)閁WB 的頻譜非常寬，能量密度非常低，因此信息傳輸安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB 設(shè)備對(duì)于其他設(shè)備的干擾就非常低。
(5)定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無(wú)線電通信，可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位，而GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。與GPS 提供絕對(duì)地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對(duì)位置， 其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。
(6)抗干擾能力強(qiáng)。UWB 擴(kuò)頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個(gè)比特所用的脈沖數(shù)。UWB 的占空比一般為0. 01～0. 001 ，具有比其它擴(kuò)頻系統(tǒng)高得多的處理增益，抗干擾能力強(qiáng)。一般來(lái)說(shuō)，UWB 抗干擾處理增益在50dB 以上。
(7)低成本和低功耗。UWB 無(wú)線通信系統(tǒng)接收機(jī)沒(méi)有本振、功放、鎖相環(huán)( PLL) 、壓控振蕩器(VCO) 、混頻器等， 因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本將很低。由于UWB 信號(hào)無(wú)需載波，而是使用間歇的脈沖來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時(shí)間很短，一般在0. 20ns～1. 5ns之間，有很低的占空因數(shù)，所以它只需要很低的電源功率。一般UWB 系統(tǒng)只需要50～70mW 的電源，是藍(lán)牙技術(shù)的十分之一[10]。盡管如此，UWB 在技術(shù)上面臨一定的挑戰(zhàn)， 還有諸多技術(shù)的問(wèn)題有待研究解決，比如需要更好地理解UWB 傳播信道的特點(diǎn)，建立信道模型，解決多徑傳播;需要進(jìn)一步研究高速脈沖信號(hào)的生成、處理等技術(shù);研究新的調(diào)制技術(shù)，進(jìn)一步降低收發(fā)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度等。
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2.4 UWB發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成框圖
2.4.1 UWB發(fā)射機(jī)組成框圖
UWB發(fā)射機(jī)直接發(fā)送納秒級(jí)脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)而不需使用載波電路。所以，UWB發(fā)射機(jī)比現(xiàn)有的無(wú)線發(fā)射設(shè)備要簡(jiǎn)單得多。TH-UWB發(fā)射機(jī)組成框圖如圖2-3所示[5]。
圖2-3 UWB發(fā)射機(jī)組成框圖
調(diào)制后的數(shù)據(jù)與偽碼產(chǎn)生器生成的偽碼一起送入可編程延遲電路，可編程延遲電路產(chǎn)生的時(shí)延控制脈沖信號(hào)發(fā)生器的發(fā)送時(shí)刻，脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出的UWB信號(hào)由天線輻射出去。脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路的一個(gè)關(guān)鍵部分是天線，它的作用相當(dāng)于一個(gè)濾波器。
2.4.2 UWB接收機(jī)組成框圖
TH-UWB接收機(jī)采用相關(guān)接收方式，接收機(jī)框圖如圖4所示。圖4中虛線內(nèi)的部分是相關(guān)器。它由乘法器、積分器和取樣/保持電路三部分組成[5]。
接收機(jī)與發(fā)射機(jī)類(lèi)似，兩者的區(qū)別在于接收機(jī)的基帶信號(hào)處理器從取樣/保持電路中解調(diào)數(shù)據(jù)，基帶信號(hào)處理器的輸出控制可編程時(shí)延電路，為可編程時(shí)延電路提供定時(shí)跟蹤信號(hào)，保證相關(guān)器正確解調(diào)出數(shù)據(jù)。
圖2-4 UWB接收機(jī)組成框圖
2.5 UWB 技術(shù)的應(yīng)用前景
UWB 系統(tǒng)在很低的功率譜密度的情況下，UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢(shì)，最大可以提供高達(dá)1000Mbps 以上的傳輸速率，使UWB 同其它短距離無(wú)線通信系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯，如表1 所示。現(xiàn)有的各種無(wú)線解決方案(例如802. 11 ，Bluetooth等) 的速率均低于100Mbit/s ，UWB 則在10m 左右的范圍之內(nèi)打破了這一限制，UWB 的應(yīng)用將使人們可以擺脫更多線纜的牽絆，通信因而變得更為方便[6]。
2.6 結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線通信已經(jīng)迅速滲入我們的生活當(dāng)中，對(duì)容量不斷增長(zhǎng)的要求需要一種不對(duì)現(xiàn)有的通信系統(tǒng)造成影響的新的無(wú)線通信方案，超寬帶脈沖無(wú)線電系統(tǒng)正好滿足了這一要求。UWB 技術(shù)對(duì)于無(wú)線短距離的高速數(shù)據(jù)通信是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的，隨著研究的深入，憑借多方面的優(yōu)勢(shì)，它將在很多領(lǐng)域占有一席之地。特別是短距離傳輸?shù)暮?G領(lǐng)域，UWB 將有廣闊的發(fā)展空間[8]。
表1 幾種短距離無(wú)線通信比較
家庭和辦公室互連
筆記本、臺(tái)式電腦、掌上電腦、因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān)
無(wú)線電視、DVD ， 高速因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān)
3 MATLAB 軟件工具介紹
3.1 MATLAB語(yǔ)言的概述
MATLAB是一種科學(xué)計(jì)算軟件，適用于工程應(yīng)用各領(lǐng)域的分析設(shè)計(jì)與復(fù)雜計(jì)算，它使用方便，輸入簡(jiǎn)捷，運(yùn)算高效且內(nèi)容豐富，很容易由用戶自行擴(kuò)展。因此，它已成為大學(xué)教學(xué)和科學(xué)研究中最常用且必不可少的工具。
MATLAB是“矩陣實(shí)驗(yàn)室”（MATrix LABoratoy）的縮寫(xiě)，它是一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語(yǔ)言，著重針對(duì)科學(xué)計(jì)算、工程計(jì)算和繪圖的需求。與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔和智能化，適應(yīng)科技專(zhuān)業(yè)人員的思維方式和書(shū)寫(xiě)習(xí)慣，使得編程和調(diào)試效率大大提高。它用解釋方式工作，鍵入程序立即得出結(jié)果，人機(jī)交互性能好，為科技人員所樂(lè)于接受。特別是它可適應(yīng)多種平臺(tái)，并且隨計(jì)算機(jī)硬、軟件的更新而用時(shí)升級(jí)。因而，MATLAB語(yǔ)言是數(shù)值計(jì)算用得最頻繁的電子信息類(lèi)學(xué)科工具。它大大提高了課程教學(xué)、解題作業(yè)、分析研究的效率。
3.2 MATLAB的歷史
在1980年前后，美國(guó)的Cleve Moler博士在New Mexico大學(xué)講授線性代數(shù)課程時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其他高級(jí)語(yǔ)言編程極為不便，便構(gòu)思并開(kāi)發(fā)了MATLAB（MATrix LABoratory，矩陣實(shí)驗(yàn)室），它是集命令翻譯、科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)在該大學(xué)進(jìn)行了幾次的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本。它是以著名的線性代數(shù)軟件包LINPACK和特征計(jì)算軟件包EISPACK中的子程序?yàn)榛A(chǔ)發(fā)展而成的一種開(kāi)放型程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，其基本的數(shù)據(jù)單元是一個(gè)維數(shù)不加限制的矩陣，這就允許用戶可以根據(jù)數(shù)值計(jì)算問(wèn)題的復(fù)雜程序，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分段甚至逐句編程處理，顯然這與C、FORTRAN等傳統(tǒng)高級(jí)語(yǔ)言完全不同。在MATLAB下，矩陣的運(yùn)算變得異常的容易，后來(lái)的版本中又增添了豐富多彩的圖形圖像處理及多媒體功能，使得MATLAB的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，Moler博士等一批數(shù)學(xué)家與軟件專(zhuān)家組建了名為MathWorks的軟件開(kāi)發(fā)公司，專(zhuān)門(mén)擴(kuò)展并改進(jìn)MATLAB。
為了準(zhǔn)確地把一個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入給計(jì)算機(jī)，然后對(duì)之進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真，1990年MathWorks軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，并定名為SIMULAB，該工具很快在控制界得致函廣泛的使用。但因其名字與著名的軟件SIMULA類(lèi)似，所以在1992年正式改名為SIMULINK。此軟件有兩個(gè)明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標(biāo)在模型窗口上畫(huà)出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來(lái)對(duì)系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真。很明顯，這種做法使得一個(gè)很復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)容易。SIMULINK的出現(xiàn)，更使得MATLAB的控制系統(tǒng)的仿真與其在CAD中的應(yīng)用打開(kāi)了嶄新的局面。
3.3 MATLAB語(yǔ)言的特點(diǎn)
MATLAB語(yǔ)言有以下特點(diǎn)。
(1) 起點(diǎn)高
每個(gè)變量代表一個(gè)矩陣，以矩陣運(yùn)算見(jiàn)長(zhǎng)。當(dāng)前的科學(xué)計(jì)算中，幾乎無(wú)處不用矩陣運(yùn)算，這使它的優(yōu)勢(shì)得到了充分的體現(xiàn)。
(2) 人機(jī)界面適合科技人員
MATLAB的語(yǔ)言規(guī)則與筆算式相似。MATLAB的程序與科技人員的書(shū)寫(xiě)習(xí)慣相近，因此，易寫(xiě)易讀，易于在科技人員之間交流。矩陣的行列數(shù)無(wú)需定義。MATLAB不必有階數(shù)定義，輸入數(shù)據(jù)的行列數(shù)就決定了它的階數(shù)。鍵入算式立即得到結(jié)果，無(wú)需編譯。MATLAB是以解釋方式工作的，即它對(duì)每條語(yǔ)句解釋后立即執(zhí)行，若有錯(cuò)誤也立即做出反應(yīng)，便于編程者立即改正。這些都大大減輕了編程和調(diào)試的工作量。
(3) 強(qiáng)大而簡(jiǎn)易的做圖功能
能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)確定坐標(biāo)繪圖，能規(guī)定多種坐標(biāo)系，（極坐標(biāo)系、對(duì)數(shù)坐標(biāo)系等），能繪制三維坐標(biāo)中的曲線和曲面，可設(shè)置不同顏色、線型、視角等。如果數(shù)據(jù)齊全，通常只需一條命令即可出圖。
(4) 智能化程度高
繪圖時(shí)自動(dòng)選擇坐標(biāo)，大大方便了用戶；做數(shù)值積分時(shí)自動(dòng)按精度選擇步長(zhǎng)；自動(dòng)檢測(cè)和顯示程序錯(cuò)誤的能力強(qiáng)，易于調(diào)試。
(5) 功能豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)
MATLAB軟件包括基本部分和專(zhuān)業(yè)擴(kuò)展兩大部分。
基本部分包括矩陣的運(yùn)算和各種變換、代數(shù)和超越方程的求解、數(shù)據(jù)處理和傅立葉變換及數(shù)值積分等等。可以充分滿足大學(xué)理工科學(xué)生的計(jì)算需要。
擴(kuò)展部分稱(chēng)為工具箱。它實(shí)際上是用MATLAB的基本語(yǔ)句編成的各種子程序集，用于解決某一方面的專(zhuān)門(mén)問(wèn)題，或?qū)崿F(xiàn)某一類(lèi)的新算法。現(xiàn)在已經(jīng)有控制系統(tǒng)、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、模糊集合、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及小波分析等工具箱，并且向公式推導(dǎo)、系統(tǒng)仿真和實(shí)時(shí)運(yùn)行等領(lǐng)域發(fā)展。
MATLAB的核心內(nèi)容在于它的基本部分，所有的工具箱子程序都是用它的基本語(yǔ)句編寫(xiě)的。
3.4 MATLAB仿真
通過(guò)利用所學(xué)的理論知識(shí)，建立一個(gè)完整、準(zhǔn)確的需求說(shuō)明，清楚、準(zhǔn)確地提出仿真試驗(yàn)所要解決的問(wèn)題。
對(duì)所提出的仿真系統(tǒng)給出詳細(xì)定義，明確系統(tǒng)中的模塊、系統(tǒng)構(gòu)成、模塊之間的相互關(guān)系，系統(tǒng)的輸入輸出、邊界條件以及系統(tǒng)的約束條件，并明確仿真所要達(dá)到的目標(biāo)。
根據(jù)仿真系統(tǒng)分析的結(jié)果，確定系統(tǒng)中的參數(shù)、變量及其互之間的關(guān)系，并以數(shù)學(xué)形式將這些關(guān)系描述出來(lái)，從而構(gòu)成仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)建模是系統(tǒng)仿真中最關(guān)鍵的一步，所建立的數(shù)學(xué)模型必須盡可能準(zhǔn)確地反映所關(guān)心的真實(shí)系統(tǒng)的特性，而又不能過(guò)于復(fù)雜，以免降低模型的效率，增加不必要的計(jì)算過(guò)程，即建模需要根據(jù)求解問(wèn)題的要求，在模型的近似程度與復(fù)雜程度之間折中。電子與通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通常以方框圖形式或數(shù)學(xué)方程形式來(lái)表達(dá)。
根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型所需要的數(shù)據(jù)元素，收集與模型系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模型，收集數(shù)據(jù)，確定其中各子模塊的結(jié)構(gòu)，輸入輸出接口，輸入輸出的數(shù)據(jù)表達(dá)形式，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式等。然后編制相應(yīng)的程序流程，用MATLAB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。
仿真模型驗(yàn)證的目的是確定計(jì)算機(jī)仿真模型是否準(zhǔn)確表達(dá)了數(shù)學(xué)模型。仿真模型驗(yàn)證通常的方法是將數(shù)學(xué)模型的解析結(jié)果（或理論結(jié)果）與仿真所得到的數(shù)值結(jié)果相比較來(lái)完成的；或通過(guò)已知的系統(tǒng)輸入輸出結(jié)果，對(duì)比在相同條件下的系統(tǒng)仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證仿真模型的正確性。
發(fā)射超寬帶（UWB）信號(hào)最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射時(shí)域上很短的脈沖。這種傳輸技術(shù)稱(chēng)為“沖激無(wú)線電”（Impulse Radio，簡(jiǎn)寫(xiě)為IR）。信息數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制，其調(diào)制方式可以有多種。脈沖位置調(diào)制（PPM）和脈沖幅度調(diào)制（PAM）是最常用的兩種調(diào)制方式。除了要對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制外，為了形成所產(chǎn)生的信號(hào)的頻譜，還要用偽隨機(jī)碼或偽隨機(jī)噪聲（PN）對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼。一般是，編碼后的數(shù)據(jù)符號(hào)引起脈沖在時(shí)間軸上的偏移，這就是所謂的跳時(shí)超寬帶（TH-UWB，Time-Hopping UWB）。直接序列擴(kuò)譜（DS-SS）就是編碼后的數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)基本脈沖的幅度進(jìn)行調(diào)制，這在沖激無(wú)線電（IR）中被稱(chēng)為直接序列超寬帶（DS-UWB，Direct-Sequence UWB），這種調(diào)制方式似乎非常有吸引力[1]。
對(duì)于超寬帶信號(hào)，也可以通過(guò)很高的數(shù)據(jù)速率來(lái)產(chǎn)生而根本不需要具備脈沖的特性。只要UWB定義所要求的相對(duì)帶寬或最小帶寬在整個(gè)傳輸過(guò)程中得到滿足，那么，靠發(fā)射高速率數(shù)據(jù)而不是窄脈沖所產(chǎn)生的具有UWB射頻帶寬的系統(tǒng)，就不應(yīng)該被排除在UWB系統(tǒng)之外。諸如正交頻分復(fù)用（OFDM），在數(shù)據(jù)速率適當(dāng)?shù)那闆r下也可產(chǎn)生UWB信號(hào)。因此，OFDM也是一種超寬帶的調(diào)制方式。
本文主要討論TH-UWB、DS-UWB和OFDM調(diào)制方式。
4.1 PPM-TH-UWB 調(diào)制方式
4.1.1 跳時(shí)超寬帶信號(hào)的產(chǎn)生
在結(jié)合了二進(jìn)制PPM的TH-UWB(二進(jìn)制PPM-TH-UWB或者PPM-TH-UWB)中，UWB信號(hào)的產(chǎn)生可以系統(tǒng)地描述如下(參見(jiàn)圖4-1描繪的發(fā)射鏈路) [1]。
SHAPE \* MERGEFORMAT
圖4-1 PPM-TH-UWB信號(hào)的發(fā)射方案
給定待發(fā)射的二進(jìn)制序列b=(…，b0，b1，…，bk，bk+1，…)，其速率Rb=1/Tb (b/s)，圖4-1中的第一個(gè)模塊使每個(gè)比特重復(fù)Ns次，產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制序列：
(…，b0，b0，…，b0，b1，b1，…，b1，…，bk，bk，…，bk，bk+1，bk+1，…，bk+1，…)=
(...，a0，a1，…aj，aj+1，…)=a
新的比特速率Rcb=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。這個(gè)模塊引入了冗余，其實(shí)是一種被稱(chēng)為重復(fù)碼的(Ns，1)分組編碼器。一般術(shù)語(yǔ)上稱(chēng)為信道編碼。
第二個(gè)模塊是傳輸編碼器，就是應(yīng)用整數(shù)值碼序列c=(…，c0，c1，…，cj，cj+1，…)和二進(jìn)制序列a=(…，a0，a1，…，aj，aj+1，…)，產(chǎn)生一個(gè)新序列d，序列d的一般元素表達(dá)式如下：
dj=cjTc+aj
（4-1）
式中，Tc和 是常量，對(duì)所有的cj滿足條件cjTc+
這里的d是一個(gè)實(shí)數(shù)值序列，而a是二進(jìn)制序列，c是整數(shù)值序列.現(xiàn)在我們遵循最常用的方法，假定c是企業(yè)界隨機(jī)碼序列，它的元素cj是整數(shù)，且滿足
0 cj Nh-1。 碼序列c可能為周期序列，其周期表示為Np。兩種特殊情況值得討論。第一種，碼是非周期的，即 ；第二種是Np=Ns，這是最常用的一種，這時(shí)的編碼周期與二進(jìn)制碼重復(fù)的次數(shù)相等。我們必須牢記：傳輸編碼扮演了碼分多址編碼和發(fā)射信號(hào)的頻譜形成雙重角色[1]。
實(shí)數(shù)值序列d輸入到第三個(gè)模塊，即PPM調(diào)制模塊，產(chǎn)生了一個(gè)速率為Rp=Ns/Tb=1/Ts(脈沖/s)的單位脈沖(Dirac pulses ) 序列。這些脈沖在時(shí)間軸上的位置為 ，因此脈沖位置在jTs基礎(chǔ)上偏移了dj，脈沖的發(fā)生時(shí)間也可表示為( )。注意是碼序列對(duì)c信號(hào)引入了TH位移，也正因?yàn)榇?，c被稱(chēng)為T(mén)H碼。還要注意一點(diǎn)就是由PPM調(diào)制引起的位移 ，通常比TH碼引起的位移cjTc小得多，即： ，cj=0除外。Tc稱(chēng)為碼片時(shí)間(chip time)。
最后一個(gè)模塊是脈沖形成濾波器，其沖激響應(yīng)為。必須保證脈沖形成濾波器輸出的脈沖序列不能有任何的重疊。
以上所有系統(tǒng)級(jí)聯(lián)以后的輸出信號(hào) 可表示如下：
(4-2)
比特間隔或比特持續(xù)時(shí)間，也即用于傳輸一個(gè)比特的時(shí)間Tb，可表示為：Tb=NsTs。在式(4-2)中，cjTc定義了脈沖的隨機(jī)性或者說(shuō)是相對(duì)于Ts整數(shù)倍時(shí)刻的抖動(dòng)。如果用隨機(jī)TH抖動(dòng) 來(lái)表示由TH編碼cjTc引起的時(shí)間上的位移，并假定 在0和 之間分布，則可得到：
(4-3)
正如前面提到的， 通常遠(yuǎn)大于 。這兩個(gè)量的整體效果是產(chǎn)生一個(gè)分布在0和 之間的時(shí)間隨機(jī)位移量，用 表示這個(gè)時(shí)間隨機(jī)位移，可得發(fā)射信號(hào)的如下表達(dá)式：
(4-4)
更一般性地概括式(4-2)所表示的信號(hào)，其思想是：對(duì)于信息比特“0”和“1”，可以發(fā)射兩個(gè)不同的脈沖波形 和 來(lái)分別表示。上面分析的PPM調(diào)制的例子，引入了 這個(gè)時(shí)間位移量，它的值根據(jù)它所代表的比特而有所不同，其實(shí)是上述思想的特殊例子，其中的 是 位移以后的波形。一種更一般的表達(dá)式：
(4-5)
當(dāng)將 設(shè)置為- 時(shí)，式(4-5)也表示了PAM和TH-UWB的結(jié)合，即PAM-TH-UWB模型[1]。
4.1.2 PPM-TH-UWB的發(fā)射鏈路
系統(tǒng)模型如圖4-2所示
SHAPE \* MERGEFORMAT
圖4-2 PPM-TH-UWB 發(fā)射器的系統(tǒng)模型
圖4-2中的第一個(gè)模塊表示二進(jìn)制源。這個(gè)模塊的輸出是發(fā)射到物理信道的二進(jìn)制流。第二個(gè)模塊表示重復(fù)碼編碼器。二進(jìn)制流的每一個(gè)比特都被重復(fù)次。第三個(gè)模塊仿真TH編碼和二進(jìn)PPM。這里考慮偽隨機(jī)TH碼。最后一個(gè)模塊是脈沖形成。這個(gè)模塊的沖激響應(yīng)表示要發(fā)射的UWB信號(hào)的基本脈沖波形[1]。
4.1.3 PPM-TH-UWB 仿真結(jié)果及其分析
圖（4-3）顯示了參數(shù)設(shè)置如下時(shí)所產(chǎn)生的UWB信號(hào)
以dBm為單位的平均發(fā)射功率Pow，
信號(hào)的抽樣頻率fc，
由二進(jìn)制源產(chǎn)生的比特?cái)?shù)numbits， 平均脈沖重復(fù)時(shí)間Ts（單位為秒），每個(gè)比特映射的脈沖數(shù)Ns，
碼片時(shí)間Tc（秒），
跳時(shí)碼的碼元最大值Nh和周期Np，沖激響應(yīng)持續(xù)時(shí)間Tm，
脈沖波形形成因子tau（秒），
PPM時(shí)移dPPM（秒）。
Stx: Pow=-30，
fc=50e9， numbits =2，
Ts=3e-9，
Ns=5，
Tc=1e-9，
Nh=3，
Np=5，
Tm=0.5e-9， tau=0.25e-9，
dPPM=0.5e-9
由圖4-3中可以看到輸出序列的前五個(gè)脈沖在其對(duì)應(yīng)時(shí)隙的中間位置，而后五個(gè)脈沖則在其對(duì)應(yīng)時(shí)隙的起始位置。
圖4-3 PPM-TH-UWB 發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)
圖4-4 PPM-TH-UWB的幅度譜
由圖4-4可以看出，TH編碼和PPM調(diào)制都對(duì)幅度譜的高斯形狀產(chǎn)生扭曲。PPM-TH-UWB信號(hào)的幅度譜將完全包含在無(wú)TH編碼和無(wú)PPM調(diào)制的幅度譜包絡(luò)中，這是因?yàn)橐酝瑯拥男螤詈屯瑯拥钠骄β蕚鬏數(shù)乳g隔脈沖的結(jié)果。
4.2 PAM-DS-UWB調(diào)制方式
4.2.1 直接序列超寬帶信號(hào)的產(chǎn)生
直接序列擴(kuò)譜（DS-SS）是一種著名的數(shù)字調(diào)制方式。這里，我們先回顧DS-SS的基本原理，并把主要精力放在它在UWB的延伸方面。
具有UWB特性的信號(hào)可以通過(guò)下面的過(guò)程產(chǎn)生：首先，用偽隨機(jī)碼或二進(jìn)制PN碼序列對(duì)要發(fā)射的二進(jìn)制進(jìn)行編碼；其次，對(duì)一串窄脈沖進(jìn)行幅度調(diào)制。這一過(guò)程可以看做是目前使用DS-SS系統(tǒng)的一種極端方式，此時(shí)脈沖在時(shí)域上是具有典型時(shí)間的奈奎斯特型脈沖或方波。讓脈沖寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于切普間隔，很容易得到DS-SS-UWB的解析表達(dá)式。在傳統(tǒng)的DS-SS系統(tǒng)中，RF發(fā)射信號(hào)是對(duì)載波進(jìn)行幅度調(diào)制后得到的，通常使用二進(jìn)制相移鍵控BPSK方式。而在DS-UWB中，如果沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的要求，這一過(guò)程可省略。[1]
更詳細(xì)地，上述信號(hào)可以通過(guò)如下過(guò)程產(chǎn)生（見(jiàn)圖所示發(fā)射鏈路）。
SHAPE \* MERGEFORMAT
圖4-5 PAM-DS-UWB 信號(hào)的發(fā)射方案
假定待發(fā)射的二進(jìn)制序列b=(…，b0，b1，…，bk，bk+1，…)，其速率為Rb=1/Tb (b/s)，圖4-5中的第一個(gè)系統(tǒng)將每個(gè)比特重復(fù)Ns次，得到序列：(…，b0，b0，…，b0，b1，b1，…，b1，…，bk，bk，…，bk，bk+1，bk+1，…，bk+1，…)=a*，其速率為Rcb=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。與TH方式相似，系統(tǒng)引入的冗余相當(dāng)于一個(gè)參數(shù)為(Ns，1)的重復(fù)碼編碼器。
第二個(gè)系統(tǒng)將a*序列轉(zhuǎn)換成只含有正值和負(fù)值元素的序列a=(…，a0，…，a1，…，aj，aj+1，…)，轉(zhuǎn)換公式為：( ).
發(fā)射編碼器將一個(gè)由 1組成、周期為Np的二進(jìn)制碼序列c=(…，c0，c1，…，cj，cj+1，…)應(yīng)用到序列a=(…，a0，…，a1，…，aj，aj+1，…)，產(chǎn)生一個(gè)新序列d=a·c，其組成元素dj=ajcj。通常假定Np等于Ns，更具一般性的假定是Np等于Ns的整數(shù)倍。注意，序列d的元素值為 1，這一點(diǎn)與序列a相同，其速率為Rc=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。
序列d進(jìn)入第三個(gè)系統(tǒng)——PAM調(diào)制器，產(chǎn)生一個(gè)速率為Rp=Ns/Tb=1/Ts
（脈沖/s）的單位脈沖（Dirac脈沖 ）序列，其位置在jTs處[6]。
調(diào)制器輸出的信號(hào)進(jìn)入沖洲響應(yīng)為p(t)的脈沖形成濾波器。在傳統(tǒng)的DS-SS系統(tǒng)中，沖激響應(yīng)p(t)是持續(xù)時(shí)間為T(mén)s的矩形脈沖。而在DS-UWB系統(tǒng)中，與TH方式相似，p(t)是持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于Ts的脈沖。
以上系統(tǒng)級(jí)聯(lián)后的輸出信號(hào)可以表示為
(4-6)
注意，與TH方式相似，比特間隔或比特持續(xù)時(shí)間，即傳輸一個(gè)比特所用的時(shí)間是Tb=NsTs。
輸出的波形顯然是一個(gè)PAM波形。很容易知道，由于沒(méi)有時(shí)移而且脈沖以規(guī)則的時(shí)間間隔出現(xiàn)，計(jì)算式(4-6)所示信號(hào)的PSD要比計(jì)算式(4-2)所示信號(hào)的PSD更容易。
上述方式的一種變形是使用PPM調(diào)制器代替PAM調(diào)制器，得到的信號(hào)可表示為：
(4-7)
注意到在式(4-7)中，由于碼的偽隨機(jī)特性，編碼會(huì)起到白化頻譜的作用。
4.2.2 PAM-DS-UWB 發(fā)射鏈路
其系統(tǒng)模型如圖4-6所示.
SHAPE \* MERGEFORMAT
圖4-6 PAM-DS-UWB 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)模型
圖4-6中的前兩個(gè)模塊分別表示二進(jìn)制源和重復(fù)碼編碼器。第三個(gè)模塊是在重復(fù)碼編碼器的輸出端實(shí)現(xiàn)DS編碼和二進(jìn)制PAM調(diào)制。我們考慮偽隨機(jī)DS碼，分配給一般用戶的是長(zhǎng)度為NP的二進(jìn)制碼序列。最后一個(gè)模塊是脈沖形成器[1]。 4.2.3 PAM-DS-UWB 仿真結(jié)果及其分析
圖4- 7 由PAM-DS-UWB發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)
圖（4-7）顯示了參數(shù)設(shè)置如下時(shí)所產(chǎn)生的UWB信號(hào)
以dBm為單位的平均發(fā)射功率Pow，
信號(hào)的抽樣頻率fc，
由二進(jìn)制源產(chǎn)生的比特?cái)?shù)numbits， 平均脈沖重復(fù)時(shí)間Ts（單位為秒），每個(gè)比特映射的脈沖數(shù)Ns，
碼片時(shí)間Tc（秒），
跳時(shí)碼的碼元最大值Nh和周期Np，沖激響應(yīng)持續(xù)時(shí)間Tm，
脈沖波形形成因子tau（秒），
PPM時(shí)移dPPM（秒）。
Stx: Pow=-30，
fc=50e9， numbits =2，
Ts=2e-9，
Ns=10，
Np=10，
Tm=0.5e-9，
tau=0.25e-9，
這個(gè)信號(hào)由兩組脈沖序列組成，每組包含10個(gè)脈沖，每組映射信息源的一個(gè)比特。從圖4-7中可以看出每二組的10個(gè)脈沖與第一組的10個(gè)脈沖在極性上是相反的。
圖4-8 PAM-DS-UWB的幅度譜
由圖4-8可以看出，幅度譜的包絡(luò)具有基本脈沖的傅氏變換的形狀，即高斯形狀。且Np（信號(hào)每比特發(fā)射脈沖數(shù)）值越大，圖形分布越寬，即幅度峰值越小。
4.3 OFDM調(diào)制技術(shù)
4．3．1 概述
多頻帶（MB）方式與本章前兩節(jié)分析研究的IR原理不同。根據(jù)2002年，F(xiàn)CC公布的UWB定義，帶寬超過(guò)500MHz的信號(hào)都是UWB信號(hào)。因此，按照FCC規(guī)定的頻帶范圍3.1~10.6GHz，將此7.5 GHz的帶寬分割成最小帶寬為500MHz的若干個(gè)頻帶。為了盡量減小同窄帶通信系統(tǒng)的相互干擾，UWB采用較小的功率，于是UWB信號(hào)對(duì)于窄帶通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于熱噪聲，并不被窄帶通信系統(tǒng)的接收機(jī)檢測(cè)到，也可以避免特定頻帶上的非人為干擾[1]。
在每個(gè)子頻帶內(nèi)可以使用不同的數(shù)據(jù)調(diào)制類(lèi)型，并不一定要用IR方式，正確的頻譜帶寬可以通過(guò)合適的比特速率實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用最廣泛的是眾所周知的正交頻分復(fù)用（OFDM）。
4．3．2 多頻段OFDM-UWB信號(hào)產(chǎn)生
一個(gè)已調(diào)的OFDM信號(hào)由調(diào)制在不同載波頻率 上的同個(gè)并行發(fā)射的信號(hào)組成。這些載波等間隔地位于頻域上，其間隔為 。OFDM調(diào)制器輸入的二進(jìn)制序列每K比特編為一組，以產(chǎn)生具有N個(gè)符號(hào)的數(shù)據(jù)塊{ }，這里假定 是L個(gè)可能的取值中的一個(gè)，K=N1bL。最后，每個(gè)符號(hào)調(diào)制一個(gè)不同的載波。為了并行傳輸數(shù)據(jù)塊的N個(gè)符號(hào)，不同的調(diào)制載波信號(hào)在頻率上必須正交[8]。
所有調(diào)制器使用相同的矩形波，其持續(xù)時(shí)間為T(mén)：
（4-8）
如果符號(hào) 在星座圖中的點(diǎn)用 表示，OFDM信號(hào)中有N個(gè)符號(hào)的數(shù)據(jù)塊的表達(dá)式如下[1]：
（4-9）
而相應(yīng)的復(fù)包絡(luò)是
（4-10）
其中 ，S（t）是周期為T(mén)0的周期函數(shù)。
式（4-9）中OFDM信號(hào)的數(shù)字變換相當(dāng)于傳輸式（4-10）中復(fù)數(shù)包絡(luò)的抽樣值，也就是說(shuō)傳輸序列可表示如下：
（4-11）
tc是抽樣周期。
仿真OFDM調(diào)制信號(hào)，考慮的是OFDM各個(gè)載波使用QPSK調(diào)制的情況。仿真整個(gè)發(fā)射鏈路，產(chǎn)生式（4-9）的信號(hào)。
4．3．3 OFDM仿真結(jié)果及其分析
要發(fā)射的總比特?cái)?shù)numbits；
調(diào)制信號(hào)的中心頻率fp；
抽樣頻率fc； 每個(gè)符號(hào)在其相應(yīng)載波上的傳輸時(shí)間T0；
循環(huán)前綴的持續(xù)時(shí)間TP；保護(hù)間隔時(shí)間TG， 矩形脈沖響應(yīng)的幅度為A， OFDM系統(tǒng)的子載波數(shù)N。
(1) numbits=8； fp=1e9;
fc=50e9;
T0=242.4e-9;
TP=60.6e-9;
TG=70.1e-9;
A=1;
N=4;
圖4-9 OFDM-UWB信號(hào)
圖4-10 OFDM-UWB幅度譜
圖4-10中的幅度譜由子載波的幅度譜疊加而成。
(2)numbits=8； fp=1e9;
fc=50e9;
T0=242.4e-9;
TP=0;
TG=50e-9;
A=1;
N=2;
圖4-11 OFDM-UWB信號(hào)圖
圖4-11 OFDM-UWB信號(hào)幅度譜
對(duì)比以上兩圖，可以看出，在同樣的時(shí)間里為了傳輸更多的符號(hào)，是以增加帶寬為代價(jià)的，也就是增加子載波的數(shù)量。
4.4 總結(jié)
通過(guò)一系列的仿真，我們可以得出以下結(jié)論:PAM、PPM兩種調(diào)制方法主要是為了進(jìn)行信息數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)脈沖的調(diào)制，而信號(hào)中的偽隨機(jī)TH碼和DS碼主要是為了產(chǎn)生信號(hào)的頻譜，使信號(hào)的功率譜密度在采用偽隨機(jī)碼調(diào)制后變得更加平滑，不能干擾到其它已經(jīng)存在的窄帶系統(tǒng)[9]。
OFDM具有良好的抗多徑干擾性能，通過(guò)頻率的合理選擇，能夠同現(xiàn)存的窄帶系統(tǒng)和開(kāi)放頻段的通信系統(tǒng)具有很好的共存性，同傳統(tǒng)的超寬帶系統(tǒng)相比有很大的優(yōu)勢(shì)[11]。
5 性能分析及應(yīng)用前景
5.1 脈位調(diào)制(PPM)和脈幅調(diào)制(PAM)
脈位調(diào)制(PPM)是一種利用脈沖位置承載數(shù)據(jù)信息的調(diào)制方式。按照采用的離散數(shù)據(jù)符號(hào)的狀態(tài)數(shù)可以分為二進(jìn)制PPM(2PPM)和多進(jìn)制(MPPM)。在這種調(diào)制方式中，一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個(gè)或M個(gè)，脈沖位置與符號(hào)狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。根據(jù)相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關(guān)系，又可分為部分重疊的PPM和正交PPM（OPPM）。在部分重疊的PPM中，為保證系統(tǒng)傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關(guān)函數(shù)的負(fù)峰值點(diǎn)，從而使相鄰符號(hào)的歐氏距離最大化。在OPPM中，通常以脈沖寬度為間隔確定脈沖位置。接收機(jī)利用相關(guān)器在相應(yīng)位置進(jìn)行相干檢測(cè)。鑒于UWB系統(tǒng)的復(fù)雜度和功率限制，實(shí)際應(yīng)用中，常用的調(diào)制方式為2PPM或2OPPM[3]。
PPM的優(yōu)點(diǎn)在于：它僅需要根據(jù)數(shù)據(jù)符號(hào)控制脈沖位置，不需要進(jìn)行脈沖幅度和極性的控制，便于以較低的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)。因此，PPM是UWB系統(tǒng)廣泛采用的調(diào)制方式。但是，由于PPM信號(hào)為單極性，其輻射譜中往往存在幅度較高的離散譜線。對(duì)此超寬帶信號(hào)的幅度譜仿真也證明了這一點(diǎn)。如果不對(duì)這些譜線進(jìn)行抑制，將很難滿足FCC對(duì)輻射譜的要求[10]。
脈幅調(diào)制（PAM）是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)最為常用的調(diào)制方式之一。在UWB系統(tǒng)中，考慮到實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和功率有效性，不宜采用多進(jìn)制PAM（MPAM）。UWB系統(tǒng)常用的PAM有兩種方式：開(kāi)關(guān)鍵控（OOK）和二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）。前者可以采用非相干檢測(cè)降低接收機(jī)復(fù)雜度，而后者采用相干檢測(cè)可以更好地保證傳輸可靠性[3]。
當(dāng)發(fā)射能量相同時(shí)，使用二進(jìn)制PAM調(diào)制的信號(hào)可以比使用二進(jìn)制PPM調(diào)制的信號(hào)獲得更好的性能。
5.2 OFDM調(diào)制
OFDM有很多優(yōu)點(diǎn)：能夠提供較大的系統(tǒng)容量，具有較強(qiáng)的抗多徑干擾、抗頻率選擇性衰落和頻率擴(kuò)散能力，適應(yīng)多徑和移動(dòng)信道傳播條件，能夠適應(yīng)不同設(shè)計(jì)需求，靈活分配數(shù)據(jù)容量和功率，可提供靈活的高速和變速綜合數(shù)據(jù)傳輸可以實(shí)現(xiàn)較高的安全傳輸性能，允許數(shù)據(jù)在復(fù)數(shù)的高速的射頻上被編碼。由于OFDM技術(shù)的良好性能使得它在無(wú)線通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[12]。
OFDM技術(shù)是將頻道資源分成若干個(gè)子信道，每個(gè)子信帶再采用一定的調(diào)制技術(shù)，提高頻率利用率。OFDM可與PPM、PAM等結(jié)合使用，將會(huì)有性能更好的調(diào)制技術(shù)出現(xiàn)。
5.3 UWB的應(yīng)用前景
超寬帶技術(shù)在通信、雷達(dá)和無(wú)線定位等領(lǐng)域都將有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，人們對(duì)超寬帶技術(shù)深入的研究使超寬帶技術(shù)在系統(tǒng)理論、功率放大器、脈沖的產(chǎn)生與接收、同步、集成電路等方面取得了重大進(jìn)步，尤其是在超寬帶無(wú)線產(chǎn)生領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，使超寬帶通信成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分成為可能。
相對(duì)于傳統(tǒng)的窄帶無(wú)線通信系統(tǒng)，超寬帶無(wú)線產(chǎn)生系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)和潛力，使超寬帶無(wú)線產(chǎn)生成為中短距無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的理想接入技術(shù)。根據(jù)產(chǎn)生速率不同，擠兌超寬帶無(wú)線傳輸系統(tǒng)也具有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。
利用超寬帶技術(shù)可以提供高數(shù)據(jù)率傳輸?shù)哪芰εc定位功能，可以設(shè)計(jì)依賴(lài)定位信息優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源管理的WPAN或WLAN，并應(yīng)用于多媒體傳輸、計(jì)算機(jī)通信和家庭娛樂(lè)等領(lǐng)域。
利用脈沖超寬帶信號(hào)對(duì)障礙物的良好穿透特性與精確測(cè)距功能，可以設(shè)計(jì)既具有通信功能也具有定位功能的超寬帶脈沖無(wú)線通信與定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳輸距離遠(yuǎn)（通信速率低）、頒布式移動(dòng)定位、便攜、超低成本、超低功耗、定位可靠性和精度高等特點(diǎn)。因而可以廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)、消防、公共安全、庫(kù)存盤(pán)點(diǎn)、人員監(jiān)護(hù)與救生等重要領(lǐng)域。利用超寬帶脈沖信號(hào)低截獲概率、保密性高和體積小的優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)還可以應(yīng)用與偵察、情報(bào)收集、傷員救護(hù)、武器制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域[8]。
超寬帶信號(hào)具有很低的輻射功率，而這樣的輻射功率分布在某些方面GHz的頻率范圍內(nèi)，功率譜密度極低，類(lèi)似白噪聲頻譜，具有低干擾、低截獲概率特性；同時(shí)由于使用窄脈沖為信號(hào)載體并采用跳時(shí)擴(kuò)頻，接收端必須已知發(fā)射端擴(kuò)頻碼的條件下才能解調(diào)出發(fā)射數(shù)據(jù)來(lái)，加上它對(duì)多徑干擾具有很好的魯棒特性，非常適合在軍事保密通信的應(yīng)用。非常低的輻射功率可以避免過(guò)量的電磁波對(duì)人體的傷害[7]。
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在整個(gè)系統(tǒng)中有三個(gè)子系統(tǒng)，它們分別是畢業(yè)設(shè)計(jì)教師管理、畢業(yè)設(shè)計(jì)管理員和畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生管理，這三個(gè)子系統(tǒng)的分配依據(jù)是各個(gè)系統(tǒng)的作用功能。這三個(gè)子系統(tǒng)又是由多個(gè)功能區(qū)域組成，配合畢業(yè)設(shè)計(jì)的管理，這三個(gè)子系統(tǒng)各自負(fù)責(zé)不同的區(qū)域，相互配合相輔相成。
1.1系統(tǒng)功能介紹之系統(tǒng)管理員①系統(tǒng)管理員主要負(fù)責(zé)基礎(chǔ)信息的管理，比如說(shuō)畢業(yè)設(shè)計(jì)從屬的系別、作者即學(xué)生信息、課題老師、畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間信息等等。其中畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間信息包括研究的申請(qǐng)時(shí)間、選題時(shí)間等，其中負(fù)責(zé)研究申請(qǐng)時(shí)間的功能區(qū)域的作用是記錄指導(dǎo)老師報(bào)錄研究的時(shí)間，在這一時(shí)間內(nèi)老師完成課題研究的準(zhǔn)備工作，這部分工作由教師完成，畢業(yè)選題時(shí)間主要是留給學(xué)生的，在這一時(shí)間內(nèi)學(xué)生會(huì)根據(jù)自己的興趣和能力在老師設(shè)計(jì)的課題下進(jìn)行選擇，在其它時(shí)候這一區(qū)域是關(guān)閉的，學(xué)生無(wú)法再次進(jìn)行選題。②負(fù)責(zé)學(xué)生信息管理的是學(xué)生資格審查區(qū)域，在這一區(qū)域內(nèi)可以搜索查閱參與設(shè)計(jì)的學(xué)生的基本情況，同時(shí)也可以對(duì)學(xué)生的課題研究進(jìn)行確定和取消等操作。③在課題確定方面，教師并不是擁有全部的資格，在教師設(shè)計(jì)完課題后，系統(tǒng)的申報(bào)課題審核區(qū)域會(huì)進(jìn)行核查，只有被此區(qū)域認(rèn)可的設(shè)計(jì)才能夠被學(xué)生選擇。④課題的選擇并不是單項(xiàng)的學(xué)生挑選老師或老師挑選學(xué)生，這是一個(gè)雙向選擇的系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)有關(guān)課題的選取都要遵循老師和學(xué)生雙方的意愿，負(fù)責(zé)這一事項(xiàng)的是課題雙選信息管理區(qū)域。⑤負(fù)責(zé)課題信息公布的是公告管理及區(qū)域。⑥在文檔或表格資料區(qū)域中，教師和學(xué)生可以下載和課題有關(guān)的資料信息。⑦對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行整理的是數(shù)據(jù)歸檔區(qū)域。⑧維護(hù)區(qū)域會(huì)對(duì)教師和學(xué)生的個(gè)人信息進(jìn)行保護(hù)。⑨管理員信息維護(hù)區(qū)域主要作用是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的管理員的信息進(jìn)行保護(hù)。
1.2系統(tǒng)功能介紹之教師管理子系統(tǒng)①“我的課題“和“課題申報(bào)”組成了課題申報(bào)區(qū)域，“課題申報(bào)”是教師確定的研究課題，“我的課題”是學(xué)生選擇課題的信息。②如果想知道本年度老師設(shè)計(jì)的畢業(yè)課題都有哪些，這些信息資料可以通過(guò)查看畢業(yè)設(shè)計(jì)題目區(qū)域進(jìn)行查詢(xún)。③已選課題和未選課題組成的選題區(qū)域可以隨時(shí)供學(xué)生和老師查詢(xún)，以便清楚的掌握課題選擇的信息。④任務(wù)書(shū)的主要由任務(wù)書(shū)區(qū)域負(fù)責(zé)，主要服務(wù)于教師，用于課題的公布。⑤老師在接收開(kāi)題報(bào)告區(qū)域接收下載學(xué)生的研究資料，主要包括開(kāi)題報(bào)告、課題的素材以及與課題相關(guān)的英文文獻(xiàn)資料。⑥如果學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了難題想找老師探討，可以通過(guò)網(wǎng)上答疑區(qū)域解決，在此區(qū)域內(nèi)，老師和學(xué)生可以探討畢業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題。⑦有關(guān)課題實(shí)時(shí)信息的了解可以通過(guò)查看管理員通知或公告區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)會(huì)實(shí)時(shí)公開(kāi)與畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)的信息。⑧想要下載資料則要進(jìn)入下載文檔或表格材料區(qū)域，此區(qū)域主要負(fù)責(zé)的就是資料的下載，下載的資料主要有檢查表、評(píng)審表等。⑨對(duì)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查的是設(shè)計(jì)材料檢查區(qū)域。⑩對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行最終檢查并確定的是檢查論文正式稿區(qū)域。11對(duì)畢設(shè)設(shè)計(jì)進(jìn)行整理留存的是上傳歸檔數(shù)據(jù)區(qū)域。12在系統(tǒng)內(nèi)對(duì)老師信息進(jìn)行保護(hù)的是個(gè)人信息維護(hù)區(qū)域。
1.3系統(tǒng)功能介紹之學(xué)生管理子系統(tǒng)①學(xué)生通過(guò)查詢(xún)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目區(qū)域?qū)蠋熢O(shè)定的研究課題進(jìn)行查閱，為畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)行做鋪墊。②通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)選題區(qū)域?qū)Ξ厴I(yè)設(shè)計(jì)的主題進(jìn)行確認(rèn)。③通過(guò)查看任務(wù)書(shū)區(qū)域?qū)Ξ厴I(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行了解，同時(shí)選擇適合自己的工作。④老師檢閱的有關(guān)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的撰寫(xiě)報(bào)告，外文材料等資料是學(xué)生通過(guò)提交開(kāi)題報(bào)告區(qū)域接收的。⑤而解決師生交流難題的是網(wǎng)上答疑區(qū)域，此區(qū)域包含三部分，分別是提問(wèn)、回答及我的難題。⑥如果學(xué)生想知道有關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)信息，則要進(jìn)入查看通知或公告區(qū)域。⑦學(xué)生想要下載的有關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)資料一般由下載文檔或表格材料區(qū)域管理。⑧畢業(yè)設(shè)計(jì)的提交是由提交論文正式稿區(qū)域負(fù)責(zé)。⑨負(fù)責(zé)學(xué)生信息保密的是個(gè)人信息維護(hù)區(qū)域。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重中之重和難關(guān)
2.1如何挑選系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施的平臺(tái)在高等院校的畢業(yè)設(shè)計(jì)管理環(huán)節(jié)中，校園網(wǎng)的作用不容忽視，校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是互聯(lián)網(wǎng)，主要包括有網(wǎng)絡(luò)的操作、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)操作的硬件系統(tǒng)和客戶操作軟件系統(tǒng)。本研究中的系統(tǒng)采用的工具是微軟的（c#），B端的數(shù)據(jù)訪問(wèn)技術(shù)是語(yǔ)言集成查詢(xún)技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)應(yīng)用的是SQLServer2005。
2.2如何解決多位學(xué)生選擇同一課題的情況在高效畢業(yè)設(shè)計(jì)課題選擇中必然會(huì)發(fā)生一種情況，那就是有多個(gè)學(xué)生都選擇了同一個(gè)課題，如果不對(duì)這一情況進(jìn)行控制，那么課題研究人數(shù)就會(huì)過(guò)量，那么畢業(yè)設(shè)計(jì)信息的存儲(chǔ)也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，所以必須對(duì)這一問(wèn)題加以控制。在系統(tǒng)中對(duì)某個(gè)課題的最大研究人數(shù)、已選定的人數(shù)、剩余的人數(shù)都會(huì)進(jìn)行設(shè)定顯示，用于提示選題學(xué)生酌情選擇研究課題。
3結(jié)論
高校畢業(yè)論文管理信息系統(tǒng)的研究，主要研究的對(duì)象是云南省曲靖師范學(xué)院，從曲靖師范學(xué)院的實(shí)際情況出發(fā)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，在對(duì)學(xué)院實(shí)際情況分析研究的前提下，采用軟件工程方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)模型選擇，結(jié)合ASP技術(shù)，以MicrosoftVisualStudio2005和SQLsevter2000作為開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)基于ASP的高校畢業(yè)論文管理信息系統(tǒng)。以實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)和論文撰寫(xiě)的管理信息化和網(wǎng)絡(luò)化，減少師生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的工作量為目的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后管理員能對(duì)導(dǎo)師及學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的管理，導(dǎo)師選題后需經(jīng)過(guò)管理員審核才能被學(xué)生選擇。導(dǎo)師可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提交自己的論文題目和資料，瀏覽已經(jīng)選了論文題目的學(xué)生信息資料；學(xué)生可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接選老師在網(wǎng)絡(luò)上的論文題目，在系統(tǒng)中完善自身資料，提交開(kāi)題報(bào)告等功能；高校畢業(yè)論文管理信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，主要是為了使高校畢業(yè)論文管理能快捷、方便的進(jìn)行，以提高工作效率，最終減少師生工作量的目的，高校畢業(yè)論文管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)對(duì)改進(jìn)教學(xué)管理，提高教學(xué)質(zhì)量有著十分重要的意義。
1.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著教育產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的逐步推進(jìn)，許多高校走上了強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的道路，高校的規(guī)模不斷的擴(kuò)大，為合理的利用教學(xué)資源，加強(qiáng)教學(xué)管理工作，對(duì)學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。目前，很多高校都具備了相關(guān)的管理軟件對(duì)學(xué)生的學(xué)籍、成績(jī)等都采用了網(wǎng)絡(luò)化管理技術(shù)，但畢業(yè)論文的管理大多采用單機(jī)管理模式。這種管理模式只能簡(jiǎn)單的完成論文的輸入和輸出工作，而畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中如：出題、選題、資料交流論文檢查等任務(wù)只能靠師生的手工操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。
國(guó)外高校很早就開(kāi)發(fā)了實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文管理網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，如英國(guó)諾丁漢大學(xué)很早就開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的畢業(yè)論文管理系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)的網(wǎng)上雙向選擇，國(guó)內(nèi)高校近幾年也有了相關(guān)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化管理，但在服務(wù)范圍、服務(wù)質(zhì)量、機(jī)構(gòu)設(shè)置等方面與國(guó)外高校相比都存在一定的差距，造成這種現(xiàn)狀的原因是國(guó)外信息化建設(shè)起步早，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及設(shè)計(jì)都更見(jiàn)成熟并具有穩(wěn)定的技術(shù)隊(duì)伍，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展穩(wěn)定，而國(guó)內(nèi)信息化的建設(shè)與國(guó)外相比就顯得起步較晚，雖然發(fā)展迅猛，但由于缺乏像國(guó)外那樣成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加上信息化發(fā)展時(shí)間較短。在實(shí)現(xiàn)校園管理信息化的進(jìn)程中，國(guó)內(nèi)各高校面臨既要不斷投資購(gòu)建各種硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)，又要不斷開(kāi)發(fā)各類(lèi)應(yīng)用于教學(xué)、教務(wù)、科研、辦公管理等應(yīng)用系統(tǒng)的兩大難題，在信息起步晚，技術(shù)隊(duì)伍不穩(wěn)定規(guī)模不大的背景下，國(guó)內(nèi)高校經(jīng)過(guò)發(fā)展雖然也初步形成了具有一定規(guī)模的信息化建設(shè)體系，但是由于整體信息化程度落后，信息化建設(shè)任務(wù)多而重、經(jīng)費(fèi)短缺，理論體系不完善等原因，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)高校教務(wù)管理系統(tǒng)仍然不完善。
2.高校畢業(yè)論文信息管理系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容
高校畢業(yè)論文管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用ASP的C#編程技術(shù)和SQLserver2000數(shù)據(jù)庫(kù)工作平臺(tái)結(jié)合Dreamweaver作為開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)研究的最終目的是實(shí)現(xiàn)以下功能：
（1）學(xué)生：能實(shí)現(xiàn)選擇自己的導(dǎo)師及畢業(yè)論文設(shè)計(jì)題目，瀏覽公告、修改信息、給導(dǎo)師留言等功能。
（2）導(dǎo)師：能夠通過(guò)網(wǎng)站給學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題，供學(xué)生選擇；可以瀏覽本站的所有信息，可以給自己的學(xué)生、其他教師和管理員進(jìn)行留言，并查收自己的留言。
（3）管理員：可以對(duì)學(xué)生、導(dǎo)師、通知等的基本信息進(jìn)行修改、刪除等的操作。
3.高校畢業(yè)論文信息管理系統(tǒng)功能介紹
系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)幾個(gè)功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：
（1）系統(tǒng)登錄模塊：將用戶分為學(xué)生、教師和管理員三種不同的角色登錄以實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限的管理，加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。
（2）學(xué)生模塊：①查看通知②查看論文題目導(dǎo)師信息并進(jìn)行選擇③留言：提供學(xué)生和導(dǎo)師之間的相互留言。
（3）導(dǎo)師模塊：①查看通知②提交論文題目③留言：提供學(xué)生和導(dǎo)師之間的相互留言。
（4）管理員模塊：編輯、刪除、添加用戶，對(duì)老師論文題目進(jìn)行審核，查看修改學(xué)生基本信息、導(dǎo)師基本信息、學(xué)生和導(dǎo)師之間的留言等，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面管理。
4.畢業(yè)論文管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)要具備易操作、美觀、安全等特點(diǎn)，所以在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到網(wǎng)站的可視性及美觀性，界面設(shè)計(jì)要力求達(dá)到層次分明、簡(jiǎn)單大氣、兼顧美觀、突出重點(diǎn)、有吸引力等特點(diǎn)。在系統(tǒng)的后臺(tái)代碼設(shè)計(jì)上要能夠精煉，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。
4.1 系統(tǒng)登陸界面的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的登錄界面能起到管理系統(tǒng)安全性的作用，高校畢業(yè)論文管理信息系統(tǒng)的用戶名和用戶密碼保存在用戶表中，本系統(tǒng)有三種權(quán)限學(xué)生用戶：學(xué)生、導(dǎo)師和管理員。不同的用戶在不同的角色選框中進(jìn)行登陸，系統(tǒng)通過(guò)在用戶表中加入power屬性來(lái)判斷用戶的權(quán)限并進(jìn)行身份驗(yàn)證，若用戶名和密碼都正確，系統(tǒng)將跳轉(zhuǎn)到與角色相對(duì)應(yīng)的頁(yè)面，若用戶或密碼錯(cuò)誤，則提示“您必須輸入有效的用戶名和密碼的提示信息?！?/p>
4.2 系統(tǒng)主要界面設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的主要界面如下：
（1）學(xué)生選題界面：本界面主要包含我的信息、修改密碼、修改資料、可選題目、幫助信息、打印本頁(yè)、退出等選項(xiàng)，學(xué)生從登錄界面正確登錄后將跳轉(zhuǎn)到本頁(yè)面，學(xué)生在本界面可以根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的操作，可進(jìn)行修改個(gè)人的資料修改密碼，查看可選題目及教師相關(guān)信息等操作。
（2）學(xué)生個(gè)人資料修改界面：本界面的提供學(xué)生的基本信息修改功能，學(xué)生可在本界面下對(duì)自己的功能進(jìn)行修改和完善。
（3）教師提交選題界面：本界面主要功能是讓教師通過(guò)本網(wǎng)站進(jìn)行畢業(yè)論文題目及論文說(shuō)明的，通過(guò)本界面提交畢業(yè)論文題目，在通過(guò)管理員審核后即可作為學(xué)生選題。
（4）系統(tǒng)功能設(shè)定界面：此界面是在管理員模塊中的一個(gè)子模塊，通過(guò)本界面的相關(guān)操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)選題系統(tǒng)、添加課題、審核課題、學(xué)生注冊(cè)等功能的開(kāi)通和關(guān)閉操作、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站的分時(shí)處理，在相應(yīng)時(shí)刻提供相應(yīng)操作，減少了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)加大了系統(tǒng)的安全性。
（5）審核題目界面：本界面羅列出各教師的相關(guān)畢業(yè)論文課題的相關(guān)信息，通過(guò)本界面可以知道老師的畢業(yè)論文所面向的專(zhuān)業(yè)、學(xué)生選擇狀態(tài)的信息，通過(guò)功能選項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)教師作廢畢業(yè)論文的刪除操作。
5.畢業(yè)論文管理系統(tǒng)的測(cè)試
由于條件限制，系統(tǒng)未能經(jīng)過(guò)大規(guī)模訪問(wèn)及超大容量數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)試，僅進(jìn)行了小范圍及叫囂數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果為基本測(cè)試：測(cè)試顯示系統(tǒng)的用戶功能全部實(shí)現(xiàn)，能夠滿足用戶的各項(xiàng)要求。并發(fā)性測(cè)試：系統(tǒng)的并發(fā)性測(cè)試顯示多用戶同時(shí)登錄時(shí)未出現(xiàn)不正常狀態(tài)，服務(wù)器對(duì)不同用戶請(qǐng)求進(jìn)行分布處理，工作正常。容錯(cuò)性測(cè)試：系統(tǒng)對(duì)非法請(qǐng)求進(jìn)行限制，對(duì)非法操作進(jìn)行正確提示，限制非法用戶訪問(wèn)頁(yè)面。
關(guān)鍵詞： B/S結(jié)構(gòu)；畢業(yè)論文；信息化；；Access
畢業(yè)設(shè)計(jì)是高校教學(xué)的重要組成部分，培養(yǎng)大學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基本理論、基本知識(shí)、基本技能分析和解決學(xué)科內(nèi)某一實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生的科研能力得到一次完整的綜合性訓(xùn)練。在提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)、培養(yǎng)分析與解決問(wèn)題能力方面有著重要作用，是完成專(zhuān)
業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。但當(dāng)前不少高等院校在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）這一環(huán)節(jié)的管理主要還是采取傳統(tǒng)人工管理模式，在資料整理、資源共享、選題、論文撰寫(xiě)及指導(dǎo)、格式檢查等諸多方面存在管理成本高、效率低、效果差等系列問(wèn)題。而且傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)中的畢業(yè)論文管理沒(méi)有合適的交流平臺(tái)，都是教師和學(xué)生單向溝通。
1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及開(kāi)發(fā)環(huán)境
當(dāng)前高校畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與畢業(yè)生實(shí)習(xí)、找工作等環(huán)節(jié)相互交織，導(dǎo)致他們與指導(dǎo)教師之間經(jīng)常存在時(shí)間和空間上的沖突。根據(jù)上述情況，本文將設(shè)計(jì)基于B/S結(jié)構(gòu)的畢業(yè)論文信息管理系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于基于B/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)能夠通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上操作，打破時(shí)間和地域空間的限制，克服傳統(tǒng)管理方式下指導(dǎo)教師與學(xué)生必須見(jiàn)面交流或打電話交流等存在的不足。該信息化系統(tǒng)主要完成對(duì)畢業(yè)生選題的管理、教師指導(dǎo)課題至最終給出論文成績(jī)過(guò)程的管理以及管理員對(duì)學(xué)生和教師信息的管理等。
該信息化系統(tǒng)采用B/S三層體系結(jié)構(gòu)：表示層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層，如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)三層體系結(jié)構(gòu)圖
其中表示層提供應(yīng)用程序的用戶界面，即客戶端瀏覽器，用戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)本系統(tǒng)；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能，是系統(tǒng)的核心部分，這一層為表示層提供功能調(diào)用，同時(shí)它又通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)層所提供的功能來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)層位于底層，以為接口，主要處理應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求。數(shù)據(jù)層可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行插入、修改和刪除等操作。
該信息化系統(tǒng)運(yùn)用 3.5+CSS+C#技術(shù)，以Visual Web Developer 2008為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于B/S結(jié)構(gòu)，使用IIS構(gòu)架Web站點(diǎn)，以Access為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。
2 系統(tǒng)需求分析
根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行的過(guò)程，畢業(yè)論文信息管理系統(tǒng)主要分為三個(gè)模塊：管理員，教師和學(xué)生。該信息化系統(tǒng)工作流程如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)工作流程圖
管理員首先在登錄界面登錄系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)的身份驗(yàn)證后，進(jìn)入管理員界面進(jìn)行操作。管理員主要進(jìn)行公告公布，對(duì)用戶進(jìn)行添加、刪除、密碼修改等操作。同時(shí)可以查看系統(tǒng)各類(lèi)數(shù)據(jù)，提取及整理數(shù)據(jù)，將結(jié)果向上級(jí)報(bào)告。
學(xué)生用戶與教師用戶的功能相對(duì)應(yīng)，先選報(bào)指導(dǎo)教師和相應(yīng)課題。如果該學(xué)生未被所選報(bào)的指導(dǎo)教師選擇，可改選其他指導(dǎo)教師。若被指導(dǎo)教師選擇為所指導(dǎo)的學(xué)生，將不能再改報(bào)其他指導(dǎo)教師。選報(bào)指導(dǎo)教師成功的學(xué)生可以在該指導(dǎo)教師的課題方向中做出選擇，指導(dǎo)教師可以根據(jù)選報(bào)學(xué)生的具體情況確定該學(xué)生的選題，或指定該學(xué)生做某方向的課題。課題選定后學(xué)生方可進(jìn)行畢業(yè)論文的相關(guān)工作，撰寫(xiě)論文后上傳論文，并查看指導(dǎo)教師的點(diǎn)評(píng)，重新修改論文以及重新上傳論文。論文通過(guò)后，學(xué)生可以通過(guò)畢業(yè)論文信息管理系統(tǒng)查看自己的論文成績(jī)。
該信息化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了畢業(yè)論文選題過(guò)程中的雙向選擇。學(xué)生可以選擇指導(dǎo)教師并選擇其提供的課題，同時(shí)指導(dǎo)教師也可以根據(jù)學(xué)生情況及課題的被選擇情況選擇合適的學(xué)生及其課題。使學(xué)生的論文選報(bào)工作靈活、高效。同時(shí)要求教師有較高的教學(xué)及論文指導(dǎo)水平，否則可能面臨沒(méi)有學(xué)生選報(bào)的尷尬處境。這也是教學(xué)改革中的一個(gè)重大進(jìn)步。
3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)需求分析，在整個(gè)系統(tǒng)中用戶登錄模塊首先進(jìn)行身份（管理員、教師和學(xué)生）驗(yàn)證。當(dāng)身份驗(yàn)證成功后，分別進(jìn)入不同的模塊進(jìn)行相應(yīng)操作，具體的功能模塊圖如圖3所示。
圖3 功能模塊圖
3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)
該信息化系統(tǒng)的功能就是在進(jìn)入畢業(yè)論文信息管理系統(tǒng)后，教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含學(xué)生表、教師表、管理員表、系統(tǒng)公告表和系統(tǒng)狀態(tài)表等。數(shù)據(jù)庫(kù)主要約束關(guān)系如圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)約束關(guān)系圖
3.3 功能實(shí)現(xiàn)
3.3.1 登錄功能
首先用戶通過(guò)登錄界面選擇相應(yīng)的身份進(jìn)行登錄，把用戶輸入的用戶名和密碼與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的用戶名和密碼相比較，如果正確無(wú)誤則進(jìn)入相應(yīng)身份的操作頁(yè)面，如果錯(cuò)誤，將進(jìn)行提示。
本系統(tǒng)主要分三類(lèi)用戶類(lèi)型，將三類(lèi)用戶登錄界面合而為一實(shí)現(xiàn)，只需選擇不同的用戶類(lèi)型即可。實(shí)現(xiàn)代碼如下：
if
（Roles.FindUsersInRole（DropDownList1.SelectedValue.ToString（）.Trim（），user_no.Text.Trim（））.Length>0）
{ RegisterStartupScript（""，"alert（'登錄成功！'）"）；//清空文本框
Session["logid"] = user_no.Text.Trim（）；
Session["Roler"] =DropDownList1.SelectedValue；
if （Session["Roler"] =="管理員"）
Response.Redirect（"ManagerMain.aspx"，false）；
if （Session["Roler"] == "指導(dǎo)老師"）
Response.Redirect（"TMain.aspx"， false）；
if （Session["Roler"] == "畢業(yè)生"）
Response.Redirect（"SMain.aspx"， false）；
user_pass.Text = user_no.Text = ""；
}
3.3.2 管理員功能的實(shí)現(xiàn)
管理員界面的功能包括公告、學(xué)生用戶管理、教師用戶管理、分組管理等。
導(dǎo)航菜單是一個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)航圖，用戶能快速、熟練地使用系統(tǒng)中的各個(gè)功能就必須要有一個(gè)清晰的導(dǎo)航菜單。導(dǎo)航菜單使用C#、CSS、圖片等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，能夠點(diǎn)擊展開(kāi)或收縮。并在右側(cè)顯示相應(yīng)內(nèi)容，便于操作。
3.3.3 教師功能實(shí)現(xiàn)
教師界面包括查看系統(tǒng)公告、學(xué)生信息、學(xué)生選報(bào)情況等，教師在此界面下可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行選擇等操作，修改密碼、課題方向和添加個(gè)人信息等。
3.3.4 學(xué)生功能實(shí)現(xiàn)
學(xué)生主界面包括查看教師信息，課題選擇、論文提交、查看點(diǎn)評(píng)、成績(jī)查詢(xún)、修改密碼等功能。
4 總結(jié)
基于B/S結(jié)構(gòu)的畢業(yè)論文信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上選題、網(wǎng)上指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)等工作，使得學(xué)生可以在任意地點(diǎn)、任意時(shí)間進(jìn)行選題。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了教師與學(xué)生的雙向選擇，既提高選題質(zhì)量和效率，確保選題的公平、公正、合理，也為指導(dǎo)教師和學(xué)生順利高效地完成畢業(yè)論文整個(gè)工作提供了便利的平臺(tái)?！?/p>
參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 過(guò)程管理 信息系統(tǒng)
1 前言
高等學(xué)校本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是本科實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，更是本科教學(xué)計(jì)劃的最后一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是衡量本科教育培養(yǎng)水平的重要依據(jù)。
如今，隨著社會(huì)的發(fā)展，高校教學(xué)規(guī)模的逐步擴(kuò)大與深化、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)布置環(huán)節(jié)的逐漸細(xì)化都將有效地促使畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程管理的信息化、現(xiàn)代化。然而，現(xiàn)階段畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程管理大多依然沿用傳統(tǒng)人工管理的方式，這樣既不能滿足近年來(lái)高校連續(xù)擴(kuò)招的要求，同時(shí)也對(duì)提高高校本科教學(xué)秘書(shū)的工作效率產(chǎn)生了制約。本論文在對(duì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程管理流程和方法研究的基礎(chǔ)上，希望通過(guò)在其中引入信息系統(tǒng)的應(yīng)用，提高本科畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的效率，從而進(jìn)一步促進(jìn)本科教學(xué)相關(guān)環(huán)節(jié)的進(jìn)步。
2 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）過(guò)程管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用探索
2.1 實(shí)際過(guò)程管理工作程序分析
為了完成本科畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程管理的信息化，有必要了解本科畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程管理工作的程序，從而為后續(xù)工作提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)際本科畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程管理工作程序有十余個(gè)階段，包括成立畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)組、教師題目申報(bào)、題目審查、公布題目學(xué)生選題、選題結(jié)果統(tǒng)計(jì)、實(shí)施階段、答辯資格審查、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文評(píng)閱、畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯、成績(jī)?cè)u(píng)定、畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)、整理歸檔。
2.2 實(shí)際過(guò)程管理工作問(wèn)題分析
（1）學(xué)生?，F(xiàn)有工作程序下，學(xué)生在選題、開(kāi)題、中期、答辯資格審查、答辯過(guò)程中需要多次重復(fù)填寫(xiě)個(gè)人信息和論文信息，這不僅增加了學(xué)生的工作量，也給管理者的核對(duì)、整理、歸檔工作增加了負(fù)擔(dān)，而且由于數(shù)據(jù)量大，繁瑣復(fù)雜，工作中極易出現(xiàn)錯(cuò)誤。
（2）教師。在現(xiàn)有工作程序下，教師在題目申報(bào)和審查過(guò)程中，需要多次提交、修改題目、背景等相關(guān)信息，如不能及時(shí)更新數(shù)據(jù)，將對(duì)后續(xù)工作的進(jìn)行產(chǎn)生影響。
（3）管理者。畢業(yè)設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程中，作為管理者要面臨來(lái)自學(xué)生、教師的各種信息數(shù)據(jù)，數(shù)量龐大，且需要隨時(shí)更新；學(xué)生選題和答辯資格審查仍然需要人工審核，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與學(xué)?，F(xiàn)有教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的對(duì)接。
2.3 信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
2.3.1系統(tǒng)功能
本系統(tǒng)由相互管理的學(xué)生、教師、管理者共同組成。
（1）管理者
1）信息維護(hù)。通過(guò)現(xiàn)有教學(xué)管理系統(tǒng)導(dǎo)入學(xué)生、教師個(gè)人信息，設(shè)置操作權(quán)限，并對(duì)用戶信息進(jìn)行添加、修改，畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)通知、公告。
2）審查管理。設(shè)置畢業(yè)設(shè)計(jì)題目、類(lèi)型等基礎(chǔ)參數(shù)，審查教師申報(bào)題目、學(xué)生提交文檔及學(xué)生答辯資格，完成開(kāi)題、中期檢查和畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯成績(jī)錄入。
（2）教師
1）信息維護(hù)。對(duì)個(gè)人信息進(jìn)行維護(hù)，申報(bào)、修改、刪除題目，查看申報(bào)題目審核狀態(tài)，查閱畢業(yè)設(shè)計(jì)通知、公告及學(xué)校相關(guān)管理規(guī)章制度。
2）審查管理。評(píng)閱論文，對(duì)論文進(jìn)行修改、刪除，提交評(píng)閱分?jǐn)?shù)、意見(jiàn)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行選擇，回答學(xué)生咨詢(xún)的問(wèn)題。
（3）學(xué)生
1）信息維護(hù)。對(duì)個(gè)人信息進(jìn)行維護(hù)，查閱畢業(yè)設(shè)計(jì)通知、公告及學(xué)校相關(guān)管理規(guī)章制度。
2）查閱管理。查閱指導(dǎo)教師信息、題目信息，提交論文，查看論文審核狀態(tài)，查看各階段評(píng)閱分?jǐn)?shù)，向指導(dǎo)教師、評(píng)閱教師進(jìn)行咨詢(xún)。
2.3.2方案設(shè)計(jì)
在對(duì)實(shí)際過(guò)程管理工作中問(wèn)題分析的基礎(chǔ)上，提出信息系統(tǒng)管理方案。設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程管理信息系統(tǒng)，具體工作流程如下：
（1）準(zhǔn)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表。本系統(tǒng)需要準(zhǔn)備多張相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，包括學(xué)生信息表、教師信息表、管理員信息表、題目選擇狀態(tài)表、相關(guān)文件表、專(zhuān)業(yè)信息表等。由管理員向系統(tǒng)直接導(dǎo)入學(xué)生、教師的相關(guān)文件及專(zhuān)業(yè)信息表，為后續(xù)畢設(shè)工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)操作。該階段由指導(dǎo)教師陸續(xù)在系統(tǒng)中錄入申報(bào)題目相關(guān)信息，管理員對(duì)教師所申報(bào)題目進(jìn)行審查，審查通過(guò)的題目由管理員公布在系統(tǒng)，此時(shí)學(xué)生可以查閱題目信息及指導(dǎo)教師信息，并進(jìn)行選題。選題結(jié)束后畢設(shè)工作正式開(kāi)始，在開(kāi)題和期中檢查過(guò)程中，學(xué)生需要在系統(tǒng)內(nèi)完成相關(guān)信息的填寫(xiě)，由檢查小組組長(zhǎng)在系統(tǒng)內(nèi)錄入學(xué)生各環(huán)節(jié)成績(jī)。
（3）評(píng)閱答辯階段。管理員通過(guò)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生答辯資格進(jìn)行審查，然后向教師分配論文評(píng)閱工作，教師使用系統(tǒng)評(píng)閱論文并錄入評(píng)分及評(píng)語(yǔ)。答辯結(jié)束后由答辯小組組長(zhǎng)在系統(tǒng)內(nèi)錄入學(xué)生答辯成績(jī)，系統(tǒng)根據(jù)規(guī)定比例自動(dòng)計(jì)算學(xué)生總評(píng)成績(jī)。完成錄入工作后，系統(tǒng)自動(dòng)生成相應(yīng)表格并可以打印，方便整理歸檔。
3 結(jié)語(yǔ)
為了改善傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程管理效果不佳的普遍問(wèn)題，本文重點(diǎn)用現(xiàn)代高等教育理論方法，結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）教學(xué)管理的實(shí)踐， 提出了構(gòu)建本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）教學(xué)管理的信息系統(tǒng)的解決方案，既規(guī)范畢業(yè)設(shè)計(jì)選題和管理過(guò)程，還可以綜合提升教師、學(xué)生、管理者的工作效率。
【參考文獻(xiàn)】
[1]趙潔.本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）教學(xué)管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，（6）.
