時間：2023-03-14 15:15:53
序論：在您撰寫通信畢業(yè)設計論文時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，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，引導您走向新的創(chuàng)作高度。
超寬帶（UWB,Ultra Wide Band）無線技術在無線電通信、雷達、跟蹤、精確定位、成像、武器控制等眾多領域具有廣闊的應用前景，因此被認為是未來幾年電信熱門技術之一。1990年，美國國防部首先定義了“超寬帶”概念，超寬帶無線通信開始得到美國軍方和政府部門的重視。2002年4月，美國FCC通過了超寬帶技術的商用許可，超寬帶無線通信在民用領域開始受到普遍關注。目前“超寬帶”的定義只是針對信號頻譜的相對帶寬（或絕對帶寬）而言，沒有界定的時域波形特征。因此，有多種方式產生超寬帶信號。其中，最典型的方法是利用納秒級的窄脈沖（又稱為沖激脈沖）的頻譜特性來實現(xiàn)[1]。
超寬帶無線電是對基于正弦載波的常規(guī)無線電的一次突破。幾十年來，無線通信都是以正弦載波為信息載體，而超寬帶無線通信則以納秒級的窄脈沖作為信息載體。其信號產生、調制解調、信號隱蔽性、系統(tǒng)處理增益等方面，具有獨特的優(yōu)勢，尤其是能夠在密集的多徑環(huán)境下實現(xiàn)高速傳輸。由于脈沖持續(xù)時間很短，多徑分量在時域上不易重疊，多徑分辨能力高，通過先進的多徑分離技術或瑞克接收機，可以充分利用多徑分量。
目前，典型的超寬帶無線通信調制方式以TH-PPM、TH-PAM為主，本論文中，介紹超寬帶無線通信中的調制技術，主要討論TH-PPM、TH-PAM的基本原理，并且對比調制技術的優(yōu)缺點，性能的好壞，并進行動態(tài)的仿真，從仿真圖中較清楚的研究調制方式，從而得出正確的結論，細致的研究超寬帶無線通信中的調制技術。
關鍵字：超寬帶 調制方式 PPM調制 PAM調制 OFDM調制
2 概述
2.1 總述
近幾年來,超寬帶短距離無線通信引起了全球通信技術領域極大的重視。超寬帶通信技術以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強等優(yōu)點成為短距離無線通信極具競爭力和發(fā)展前景的技術之一。FCC(美國通信委員會) 對超寬帶系統(tǒng)的最新定義是:相對帶寬(在- 10dB 點處) (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)有的無線電系統(tǒng)比較,在花費更小的制造成本的條件下,能夠做到更高的數(shù)據傳輸速率(100～500MbPs) 、更強的抗干擾能力(處理增益50dB 以上) ,同時具有極好的抗多徑性能和十分精確的定位能力(精度在cm 以內) 。
2.2 UWB基本原理
發(fā)射超寬帶(UWB) 信號最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射一種時域上很短(占空比低達0. 5 %) 的沖激脈沖。這種傳輸技術稱為“沖擊無線電( IR) ”.UWB - IR 又被稱為基帶無載波無線電,因為它不像傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中使用正弦波把信號調制到更高的載頻上,而是用基帶信號直接驅動天線輸出的[6];由信息數(shù)據對脈沖進行調制,同時,為了形成所產生信號的頻譜而用偽隨即序列對數(shù)據符號進行編碼。因此沖擊脈沖和調制技術就是超寬帶的兩大關鍵所在。
2.2.1 脈沖信號
從本質上講,產生脈沖寬度為納秒級的信號源是UWB 技術的前提條件。目前產生脈沖信號源的方法有兩類: ①光電方法,基本原理是利用光導開關導通瞬間的陡峭上升沿獲得脈沖信號。由于作為激發(fā)源的激光脈沖信號可以有很陡的前沿,所以得到的脈沖寬度可達到皮秒(10 - 12 ) 量級。另外,由于光導開關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,在雪崩導通瞬間,電流呈“雪崩”式迅速增長,從而獲得具有陡峭前沿的波形,成形后得到極短脈沖。在電路設計中,采用多個晶體管串行級聯(lián),使用并行同步觸發(fā)的方式,加快了雪崩過程,從而達到進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域和頻域數(shù)學模型分別表示為:
(2-1)
(2-2)
單周期脈沖的寬度在納秒級(0. 1～1. 5ns) ,重復周期為25～1000ns ,具有很寬的頻譜,如圖2-1 所示。實際通信中使用的是一長串的脈沖,由于時域中信號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)了強烈的能量尖峰。這些尖峰將會對信號構成干擾,通過數(shù)據信息和偽隨機碼來進行編碼P調制,改變脈沖與脈沖間的時間間隔,可以降低頻譜的尖峰幅度[2]。
圖2-1 單周期脈沖的時間域和頻率域的表示
2.2.2 UWB的調制技術
超寬帶系統(tǒng)中信息數(shù)據對脈沖的調制方法可以有多種。脈沖位置調制( PPM) 和脈沖幅度調制(PAM) 是UWB 最常用的兩種調制方式。通常UWB信號模型為:
(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延。
a PAM- UWB
PAM是一種通過改變那些基于需傳輸數(shù)據的傳輸脈沖幅度的調制技術。在PAM調制系統(tǒng)中,一系列的脈沖幅度被用來代表需要傳輸?shù)臄?shù)據。任何形狀的脈沖都是通過其幅度調制使傳輸數(shù)據在{ - 1 , + 1}之間變化(對于雙極性信號) 或在M 個值之間變化(對于M 元PAM) 。增加傳輸脈沖所占的帶寬或減少脈沖重復頻率,都可以增加一個固定平均功率譜密度的UWB 系統(tǒng)所能達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]
采用脈沖幅度調制(PAM)的超寬帶信號波形如下:[4]
(2-4)
其中, dj 是信息序列, Tf 是脈沖重復周期。根據dj 的不同取值, 可將PAM調制方式分為以下三種:
（1） OOK(發(fā)送數(shù)據為1 ,UWB 信號的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據為0 ,UWB 信號的幅度為0) ;
（2）PPAM(發(fā)送數(shù)據為1 ,UWB 信號的幅度為β1 ;發(fā)送數(shù)據為0 ,UWB 信號的幅度為β2) ;
（3）BPSK(發(fā)送數(shù)據為1 ,UWB 信號的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據為0 ,UWB 信號的幅度為- 1) 。
對于這三種方式,在超寬帶的PAM調制方式中多采用BPSK方式。
b PPM- UWB
脈沖位置調制(PPM) 又稱時間調制(TM) ,是用每個脈沖出現(xiàn)的位置落后或超前某一標準或特定時刻來表示某個特定信息的[3]。二進制PPM 是超寬帶無線通信系統(tǒng)經常使用的一種調制方法,相對其它調制方法來說也是較早使用的一種方法。采用PPM的一個重要原因是它能夠使用零相差的相關接收機來接收檢測信號,而這種接收機有著非常好的性能。采用脈沖位置調制( PPM) 的超寬帶信號波形如下:
(2-5)
其中, dj 取0 或1 ,δ為調制因子, 與脈沖寬度Tm (1/Tf ) 是一個數(shù)量級。當發(fā)送數(shù)據為1 時脈沖就會相應滯后一個時延δ。
圖2-2 給出了上述四種調制方法的信號波形圖,對這四種調制方式給出了一個比較直觀的描述。
除了這些對脈沖的調制方法外,用偽隨機碼或偽隨機噪聲(PN) 對數(shù)據符號進行編碼以得到所產生信號的頻譜時,根據編碼的不同即擴頻和多址技術不同,超寬帶系統(tǒng)又被分為跳時的超寬帶系統(tǒng)(TH - UWB) 、直擴的超寬帶系統(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 不同調制方式的信號波形[4]
2.3 UWB 技術特點
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)無法比擬的技術特點[4]:
(1)系統(tǒng)容量大。香農公式給出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出,帶寬增加使信道容量的升高遠遠大于信號功率上升所帶來的效應,這一點也正是提出超寬帶技術的理論機理。超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)。
(2)高速的數(shù)據傳輸。UWB 系統(tǒng)使用上GHz 的超寬頻帶,根據香農信道容量公式,即使把發(fā)送信號功率密度控制得很低,也可以實現(xiàn)高的信息速率。一般情況下,其最大數(shù)據傳輸速度可以達到幾百Mbps～1Gbps。
(3)多徑分辨能力強。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,窄脈沖的多徑信號在時間上不易重疊,很容易分離出多徑分量,所以能充分利用發(fā)射信號的能量。實驗表明,對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達10～30dB 的多徑環(huán)境,UWB 信號的衰落最多不到5dB。
(4)隱蔽性好。因為UWB 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 設備對于其他設備的干擾就非常低。
(5)定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度,采用超寬帶無線電通信,可在室內和地下進行精確定位,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。與GPS 提供絕對地理位置不同,超短脈沖定位器可以給出相對位置, 其定位精度可達厘米級。
(6)抗干擾能力強。UWB 擴頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個比特所用的脈沖數(shù)。UWB 的占空比一般為0. 01～0. 001 ,具有比其它擴頻系統(tǒng)高得多的處理增益,抗干擾能力強。一般來說,UWB 抗干擾處理增益在50dB 以上。
(7)低成本和低功耗。UWB 無線通信系統(tǒng)接收機沒有本振、功放、鎖相環(huán)( PLL) 、壓控振蕩器(VCO) 、混頻器等, 因而結構簡單,設備成本將很低。由于UWB 信號無需載波,而是使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據,脈沖持續(xù)時間很短,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,是藍牙技術的十分之一[10]。盡管如此,UWB 在技術上面臨一定的挑戰(zhàn), 還有諸多技術的問題有待研究解決,比如需要更好地理解UWB 傳播信道的特點,建立信道模型,解決多徑傳播;需要進一步研究高速脈沖信號的生成、處理等技術;研究新的調制技術,進一步降低收發(fā)結構的復雜度等。
2.4 UWB發(fā)射機和接收機組成框圖
2.4.1 UWB發(fā)射機組成框圖
UWB發(fā)射機直接發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據而不需使用載波電路。所以，UWB發(fā)射機比現(xiàn)有的無線發(fā)射設備要簡單得多。TH-UWB發(fā)射機組成框圖如圖2-3所示[5]。
圖2-3 UWB發(fā)射機組成框圖
調制后的數(shù)據與偽碼產生器生成的偽碼一起送入可編程延遲電路，可編程延遲電路產生的時延控制脈沖信號發(fā)生器的發(fā)送時刻，脈沖信號發(fā)生器輸出的UWB信號由天線輻射出去。脈沖信號產生電路的一個關鍵部分是天線，它的作用相當于一個濾波器。
2.4.2 UWB接收機組成框圖
TH-UWB接收機采用相關接收方式，接收機框圖如圖4所示。圖4中虛線內的部分是相關器。它由乘法器、積分器和取樣/保持電路三部分組成[5]。
接收機與發(fā)射機類似，兩者的區(qū)別在于接收機的基帶信號處理器從取樣/保持電路中解調數(shù)據，基帶信號處理器的輸出控制可編程時延電路，為可編程時延電路提供定時跟蹤信號，保證相關器正確解調出數(shù)據。
圖2-4 UWB接收機組成框圖
2.5 UWB 技術的應用前景
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)據傳輸速率優(yōu)勢,最大可以提供高達1000Mbps 以上的傳輸速率,使UWB 同其它短距離無線通信系統(tǒng)的技術優(yōu)勢非常明顯,如表1 所示?，F(xiàn)有的各種無線解決方案(例如802. 11 ,Bluetooth等) 的速率均低于100Mbit/s ,UWB 則在10m 左右的范圍之內打破了這一限制,UWB 的應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 結束語
無線通信已經迅速滲入我們的生活當中,對容量不斷增長的要求需要一種不對現(xiàn)有的通信系統(tǒng)造成影響的新的無線通信方案,超寬帶脈沖無線電系統(tǒng)正好滿足了這一要求。UWB 技術對于無線短距離的高速數(shù)據通信是非常有競爭力的,隨著研究的深入,憑借多方面的優(yōu)勢,它將在很多領域占有一席之地。特別是短距離傳輸?shù)暮?G領域,UWB 將有廣闊的發(fā)展空間[8]。
表1 幾種短距離無線通信比較
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
應用范圍
無線局域網
家庭和辦公室互連
近距離多媒體
終端類型
筆記本、臺式電腦、掌上電腦、因特網網關
筆記本、移動電話、掌上電腦、移動設備
無線電視、DVD , 高速因特網網關
3 MATLAB 軟件工具介紹
3.1 MATLAB語言的概述
MATLAB是一種科學計算軟件，適用于工程應用各領域的分析設計與復雜計算，它使用方便，輸入簡捷，運算高效且內容豐富，很容易由用戶自行擴展。因此，它已成為大學教學和科學研究中最常用且必不可少的工具。
MATLAB是“矩陣實驗室”（MATrix LABoratoy）的縮寫，它是一種以矩陣運算為基礎的交互式程序語言，著重針對科學計算、工程計算和繪圖的需求。與其他計算機語言相比，其特點是簡潔和智能化，適應科技專業(yè)人員的思維方式和書寫習慣，使得編程和調試效率大大提高。它用解釋方式工作，鍵入程序立即得出結果，人機交互性能好，為科技人員所樂于接受。特別是它可適應多種平臺，并且隨計算機硬、軟件的更新而用時升級。因而，MATLAB語言是數(shù)值計算用得最頻繁的電子信息類學科工具。它大大提高了課程教學、解題作業(yè)、分析研究的效率。
3.2 MATLAB的歷史
在1980年前后，美國的Cleve Moler博士在New Mexico大學講授線性代數(shù)課程時，發(fā)現(xiàn)應用其他高級語言編程極為不便，便構思并開發(fā)了MATLAB（MATrix LABoratory，矩陣實驗室），它是集命令翻譯、科學計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經過在該大學進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和特征計算軟件包EISPACK中的子程序為基礎發(fā)展而成的一種開放型程序設計語言，其基本的數(shù)據單元是一個維數(shù)不加限制的矩陣，這就允許用戶可以根據數(shù)值計算問題的復雜程序，對問題進行分段甚至逐句編程處理，顯然這與C、FORTRAN等傳統(tǒng)高級語言完全不同。在MATLAB下，矩陣的運算變得異常的容易，后來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的應用范圍越來越廣泛，Moler博士等一批數(shù)學家與軟件專家組建了名為MathWorks的軟件開發(fā)公司，專門擴展并改進MATLAB。
為了準確地把一個控制系統(tǒng)的復雜模型輸入給計算機，然后對之進行進一步的分析與仿真，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類似，所以在1992年正式改名為SIMULINK。此軟件有兩個明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標在模型窗口上畫出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來對系統(tǒng)直接進行仿真。很明顯，這種做法使得一個很復雜系統(tǒng)的輸入變得相當容易。SIMULINK的出現(xiàn)，更使得MATLAB的控制系統(tǒng)的仿真與其在CAD中的應用打開了嶄新的局面。
3.3 MATLAB語言的特點
MATLAB語言有以下特點。
(1) 起點高
每個變量代表一個矩陣，以矩陣運算見長。當前的科學計算中，幾乎無處不用矩陣運算，這使它的優(yōu)勢得到了充分的體現(xiàn)。
(2) 人機界面適合科技人員
MATLAB的語言規(guī)則與筆算式相似。MATLAB的程序與科技人員的書寫習慣相近，因此，易寫易讀，易于在科技人員之間交流。矩陣的行列數(shù)無需定義。MATLAB不必有階數(shù)定義，輸入數(shù)據的行列數(shù)就決定了它的階數(shù)。鍵入算式立即得到結果，無需編譯。MATLAB是以解釋方式工作的，即它對每條語句解釋后立即執(zhí)行，若有錯誤也立即做出反應，便于編程者立即改正。這些都大大減輕了編程和調試的工作量。
(3) 強大而簡易的做圖功能
能根據輸入數(shù)據自動確定坐標繪圖，能規(guī)定多種坐標系，（極坐標系、對數(shù)坐標系等），能繪制三維坐標中的曲線和曲面，可設置不同顏色、線型、視角等。如果數(shù)據齊全，通常只需一條命令即可出圖。
(4) 智能化程度高
繪圖時自動選擇坐標，大大方便了用戶；做數(shù)值積分時自動按精度選擇步長；自動檢測和顯示程序錯誤的能力強，易于調試。
(5) 功能豐富，可擴展性強
MATLAB軟件包括基本部分和專業(yè)擴展兩大部分。
基本部分包括矩陣的運算和各種變換、代數(shù)和超越方程的求解、數(shù)據處理和傅立葉變換及數(shù)值積分等等?？梢猿浞譂M足大學理工科學生的計算需要。
擴展部分稱為工具箱。它實際上是用MATLAB的基本語句編成的各種子程序集，用于解決某一方面的專門問題，或實現(xiàn)某一類的新算法?，F(xiàn)在已經有控制系統(tǒng)、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、模糊集合、神經元網絡及小波分析等工具箱，并且向公式推導、系統(tǒng)仿真和實時運行等領域發(fā)展。
MATLAB的核心內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句編寫的。
3.4 MATLAB仿真
通過利用所學的理論知識，建立一個完整、準確的需求說明，清楚、準確地提出仿真試驗所要解決的問題。
對所提出的仿真系統(tǒng)給出詳細定義，明確系統(tǒng)中的模塊、系統(tǒng)構成、模塊之間的相互關系，系統(tǒng)的輸入輸出、邊界條件以及系統(tǒng)的約束條件，并明確仿真所要達到的目標。
根據仿真系統(tǒng)分析的結果，確定系統(tǒng)中的參數(shù)、變量及其互之間的關系，并以數(shù)學形式將這些關系描述出來，從而構成仿真系統(tǒng)的數(shù)學模型。數(shù)學建模是系統(tǒng)仿真中最關鍵的一步，所建立的數(shù)學模型必須盡可能準確地反映所關心的真實系統(tǒng)的特性，而又不能過于復雜，以免降低模型的效率，增加不必要的計算過程，即建模需要根據求解問題的要求，在模型的近似程度與復雜程度之間折中。電子與通信系統(tǒng)的數(shù)學模型通常以方框圖形式或數(shù)學方程形式來表達。
根據建立的數(shù)學模型所需要的數(shù)據元素，收集與模型系統(tǒng)有關的數(shù)據。根據數(shù)學模型建立系統(tǒng)的計算機仿真模型，收集數(shù)據，確定其中各子模塊的結構，輸入輸出接口，輸入輸出的數(shù)據表達形式，數(shù)據的存儲方式等。然后編制相應的程序流程，用MATLAB語言實現(xiàn)。
仿真模型驗證的目的是確定計算機仿真模型是否準確表達了數(shù)學模型。仿真模型驗證通常的方法是將數(shù)學模型的解析結果（或理論結果）與仿真所得到的數(shù)值結果相比較來完成的；或通過已知的系統(tǒng)輸入輸出結果，對比在相同條件下的系統(tǒng)仿真結果來驗證仿真模型的正確性。
根據仿真試驗設計的方案，讓計算機執(zhí)行計算，并在執(zhí)行計算的過程中了解仿真模型對于各種不同輸入信號以及不同參數(shù)和仿真機制下的輸出，得出試驗數(shù)據，從而預測系統(tǒng)在實際環(huán)境中的運行情況。
對仿真模型的運行階段所產生的數(shù)據進行分析，其目的是從運行階段所產生的數(shù)據中找出系統(tǒng)運行規(guī)律，對仿真系統(tǒng)的性能做出評價，為系統(tǒng)方案的最終決策提供輔助支持。對仿真結果進行分析，對仿真數(shù)據的可靠性、一致性、置信度等做出判定，最終將仿真結果以曲線、圖表和文字等形式形成論文。
4 超寬帶無線的調制技術
發(fā)射超寬帶（UWB）信號最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射時域上很短的脈沖。這種傳輸技術稱為“沖激無線電”（Impulse Radio,簡寫為IR）。信息數(shù)據符號對脈沖進行調制，其調制方式可以有多種。脈沖位置調制（PPM）和脈沖幅度調制（PAM）是最常用的兩種調制方式。除了要對脈沖進行調制外，為了形成所產生的信號的頻譜，還要用偽隨機碼或偽隨機噪聲（PN）對數(shù)據符號進行編碼。一般是，編碼后的數(shù)據符號引起脈沖在時間軸上的偏移，這就是所謂的跳時超寬帶（TH-UWB，Time-Hopping UWB）。直接序列擴譜（DS-SS）就是編碼后的數(shù)據符號對基本脈沖的幅度進行調制，這在沖激無線電（IR）中被稱為直接序列超寬帶（DS-UWB，Direct-Sequence UWB），這種調制方式似乎非常有吸引力[1]。
對于超寬帶信號，也可以通過很高的數(shù)據速率來產生而根本不需要具備脈沖的特性。只要UWB定義所要求的相對帶寬或最小帶寬在整個傳輸過程中得到滿足，那么，靠發(fā)射高速率數(shù)據而不是窄脈沖所產生的具有UWB射頻帶寬的系統(tǒng)，就不應該被排除在UWB系統(tǒng)之外。諸如正交頻分復用（OFDM），在數(shù)據速率適當?shù)那闆r下也可產生UWB信號。因此，OFDM也是一種超寬帶的調制方式。
本文主要討論TH-UWB、DS-UWB和OFDM調制方式。
4.1 PPM-TH-UWB 調制方式
4.1.1 跳時超寬帶信號的產生
在結合了二進制PPM的TH-UWB(二進制PPM-TH-UWB或者PPM-TH-UWB)中,UWB信號的產生可以系統(tǒng)地描述如下(參見圖4-1描繪的發(fā)射鏈路) [1]。
SHAPE \* MERGEFORMAT
圖4-1 PPM-TH-UWB信號的發(fā)射方案
給定待發(fā)射的二進制序列b=(…,b0,b1,…,bk,bk+1,…)，其速率Rb=1/Tb (b/s)，圖4-1中的第一個模塊使每個比特重復Ns次，產生一個二進制序列：
(…,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)。這個模塊引入了冗余，其實是一種被稱為重復碼的(Ns,1)分組編碼器。一般術語上稱為信道編碼。
第二個模塊是傳輸編碼器，就是應用整數(shù)值碼序列c=(…,c0,c1,…,cj,cj+1,…)和二進制序列a=(…,a0,a1,…,aj,aj+1,…),產生一個新序列d，序列d的一般元素表達式如下：
dj=cjTc+aj （4-1）
式中,Tc和 是常量，對所有的cj滿足條件cjTc+ <Ts，通常 <Tc。
這里的d是一個實數(shù)值序列，而a是二進制序列，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，這時的編碼周期與二進制碼重復的次數(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)射信號的頻譜形成雙重角色[1]。
實數(shù)值序列d輸入到第三個模塊，即PPM調制模塊，產生了一個速率為Rp=Ns/Tb=1/Ts(脈沖/s)的單位脈沖(Dirac pulses ) 序列。這些脈沖在時間軸上的位置為 ，因此脈沖位置在jTs基礎上偏移了dj，脈沖的發(fā)生時間也可表示為( )。注意是碼序列對c信號引入了TH位移，也正因為此，c被稱為TH碼。還要注意一點就是由PPM調制引起的位移 ，通常比TH碼引起的位移cjTc小得多，即： ，cj=0除外。Tc稱為碼片時間(chip time)。
最后一個模塊是脈沖形成濾波器，其沖激響應為。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)級聯(lián)以后的輸出信號 可表示如下：
(4-2)
比特間隔或比特持續(xù)時間，也即用于傳輸一個比特的時間Tb，可表示為：Tb=NsTs。在式(4-2)中，cjTc定義了脈沖的隨機性或者說是相對于Ts整數(shù)倍時刻的抖動。如果用隨機TH抖動 來表示由TH編碼cjTc引起的時間上的位移，并假定 在0和 之間分布，則可得到：
(4-3)
正如前面提到的， 通常遠大于 。這兩個量的整體效果是產生一個分布在0和 之間的時間隨機位移量，用 表示這個時間隨機位移，可得發(fā)射信號的如下表達式：
(4-4)
更一般性地概括式(4-2)所表示的信號，其思想是：對于信息比特“0”和“1”，可以發(fā)射兩個不同的脈沖波形 和 來分別表示。上面分析的PPM調制的例子，引入了 這個時間位移量，它的值根據它所代表的比特而有所不同，其實是上述思想的特殊例子，其中的 是 位移以后的波形。一種更一般的表達式：
(4-5)
當將 設置為- 時，式(4-5)也表示了PAM和TH-UWB的結合，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中的第一個模塊表示二進制源。這個模塊的輸出是發(fā)射到物理信道的二進制流。第二個模塊表示重復碼編碼器。二進制流的每一個比特都被重復次。第三個模塊仿真TH編碼和二進PPM。這里考慮偽隨機TH碼。最后一個模塊是脈沖形成。這個模塊的沖激響應表示要發(fā)射的UWB信號的基本脈沖波形[1]。
4.1.3 PPM-TH-UWB 仿真結果及其分析
圖（4-3）顯示了參數(shù)設置如下時所產生的UWB信號
以dBm為單位的平均發(fā)射功率Pow， 信號的抽樣頻率fc， 由二進制源產生的比特數(shù)numbits， 平均脈沖重復時間Ts（單位為秒），每個比特映射的脈沖數(shù)Ns， 碼片時間Tc（秒）， 跳時碼的碼元最大值Nh和周期Np，沖激響應持續(xù)時間Tm, 脈沖波形形成因子tau（秒）， PPM時移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脈沖在其對應時隙的中間位置，而后五個脈沖則在其對應時隙的起始位置。
圖4-3 PPM-TH-UWB 發(fā)射機產生的信號
圖4-4 PPM-TH-UWB的幅度譜
由圖4-4可以看出，TH編碼和PPM調制都對幅度譜的高斯形狀產生扭曲。PPM-TH-UWB信號的幅度譜將完全包含在無TH編碼和無PPM調制的幅度譜包絡中，這是因為以同樣的形狀和同樣的平均功率傳輸?shù)乳g隔脈沖的結果。
4.2 PAM-DS-UWB調制方式
4.2.1 直接序列超寬帶信號的產生
直接序列擴譜（DS-SS）是一種著名的數(shù)字調制方式。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特性的信號可以通過下面的過程產生：首先，用偽隨機碼或二進制PN碼序列對要發(fā)射的二進制進行編碼；其次，對一串窄脈沖進行幅度調制。這一過程可以看做是目前使用DS-SS系統(tǒng)的一種極端方式，此時脈沖在時域上是具有典型時間的奈奎斯特型脈沖或方波。讓脈沖寬度遠遠小于切普間隔，很容易得到DS-SS-UWB的解析表達式。在傳統(tǒng)的DS-SS系統(tǒng)中，RF發(fā)射信號是對載波進行幅度調制后得到的，通常使用二進制相移鍵控BPSK方式。而在DS-UWB中，如果沒有專門的要求，這一過程可省略。[1]
更詳細地，上述信號可以通過如下過程產生（見圖所示發(fā)射鏈路）。
SHAPE \* MERGEFORMAT 圖4-5 PAM-DS-UWB 信號的發(fā)射方案
假定待發(fā)射的二進制序列b=(…,b0,b1,…,bk,bk+1,…)，其速率為Rb=1/Tb (b/s)，圖4-5中的第一個系統(tǒng)將每個比特重復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)引入的冗余相當于一個參數(shù)為(Ns,1)的重復碼編碼器。
第二個系統(tǒng)將a*序列轉換成只含有正值和負值元素的序列a=(…,a0,…,a1,…,aj,aj+1,…)，轉換公式為：( ).
發(fā)射編碼器將一個由 1組成、周期為Np的二進制碼序列c=(…,c0,c1,…,cj,cj+1,…)應用到序列a=(…,a0,…,a1,…,aj,aj+1,…)，產生一個新序列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，這一點與序列a相同，其速率為Rc=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。
序列d進入第三個系統(tǒng)——PAM調制器，產生一個速率為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]。
調制器輸出的信號進入沖洲響應為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p(t)是持續(xù)時間為Ts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)時間遠小于Ts的脈沖。
以上系統(tǒng)級聯(lián)后的輸出信號可以表示為
(4-6)
注意，與TH方式相似，比特間隔或比特持續(xù)時間，即傳輸一個比特所用的時間是Tb=NsTs。
輸出的波形顯然是一個PAM波形。很容易知道，由于沒有時移而且脈沖以規(guī)則的時間間隔出現(xiàn)，計算式(4-6)所示信號的PSD要比計算式(4-2)所示信號的PSD更容易。
上述方式的一種變形是使用PPM調制器代替PAM調制器，得到的信號可表示為：
(4-7)
注意到在式(4-7)中，由于碼的偽隨機特性，編碼會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)射機系統(tǒng)模型
圖4-6中的前兩個模塊分別表示二進制源和重復碼編碼器。第三個模塊是在重復碼編碼器的輸出端實現(xiàn)DS編碼和二進制PAM調制。我們考慮偽隨機DS碼，分配給一般用戶的是長度為NP的二進制碼序列。最后一個模塊是脈沖形成器[1]。
4.2.3 PAM-DS-UWB 仿真結果及其分析
圖4- 7 由PAM-DS-UWB發(fā)射機產生的信號
圖（4-7）顯示了參數(shù)設置如下時所產生的UWB信號
以dBm為單位的平均發(fā)射功率Pow， 信號的抽樣頻率fc， 由二進制源產生的比特數(shù)numbits， 平均脈沖重復時間Ts（單位為秒），每個比特映射的脈沖數(shù)Ns， 碼片時間Tc（秒）， 跳時碼的碼元最大值Nh和周期Np，沖激響應持續(xù)時間Tm, 脈沖波形形成因子tau（秒）， PPM時移dPPM（秒）。
Stx: Pow=-30, fc=50e9, numbits =2, Ts=2e-9,
Ns=10, Np=10, Tm=0.5e-9,
tau=0.25e-9,
這個信號由兩組脈沖序列組成，每組包含10個脈沖，每組映射信息源的一個比特。從圖4-7中可以看出每二組的10個脈沖與第一組的10個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，幅度譜的包絡具有基本脈沖的傅氏變換的形狀，即高斯形狀。且Np（信號每比特發(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調制技術
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2002年，F(xiàn)CC公布的UWB定義，帶寬超過500MHz的信號都是UWB信號。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信號對于窄帶通信系統(tǒng)來說相當于熱噪聲，并不被窄帶通信系統(tǒng)的接收機檢測到，也可以避免特定頻帶上的非人為干擾[1]。
在每個子頻帶內可以使用不同的數(shù)據調制類型，并不一定要用IR方式，正確的頻譜帶寬可以通過合適的比特速率實現(xiàn)。應用最廣泛的是眾所周知的正交頻分復用（OFDM）。
4．3．2 多頻段OFDM-UWB信號產生
一個已調的OFDM信號由調制在不同載波頻率 上的同個并行發(fā)射的信號組成。這些載波等間隔地位于頻域上，其間隔為 。OFDM調制器輸入的二進制序列每K比特編為一組，以產生具有N個符號的數(shù)據塊{ }，這里假定 是L個可能的取值中的一個，K=N1bL。最后，每個符號調制一個不同的載波。為了并行傳輸數(shù)據塊的N個符號，不同的調制載波信號在頻率上必須正交[8]。
所有調制器使用相同的矩形波，其持續(xù)時間為T：
（4-8）
如果符號 在星座圖中的點用 表示，OFDM信號中有N個符號的數(shù)據塊的表達式如下[1]：
（4-9）
而相應的復包絡是
（4-10）
其中 ，S（t）是周期為T0的周期函數(shù)。
式（4-9）中OFDM信號的數(shù)字變換相當于傳輸式（4-10）中復數(shù)包絡的抽樣值，也就是說傳輸序列可表示如下：
（4-11）
tc是抽樣周期。
仿真OFDM調制信號，考慮的是OFDM各個載波使用QPSK調制的情況。仿真整個發(fā)射鏈路，產生式（4-9）的信號。
4．3．3 OFDM仿真結果及其分析 要發(fā)射的總比特數(shù)numbits； 調制信號的中心頻率fp； 抽樣頻率fc； 每個符號在其相應載波上的傳輸時間T0； 循環(huán)前綴的持續(xù)時間TP；保護間隔時間TG， 矩形脈沖響應的幅度為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
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信號圖
圖4-11 OFDM-UWB信號幅度譜
對比以上兩圖，可以看出，在同樣的時間里為了傳輸更多的符號，是以增加帶寬為代價的，也就是增加子載波的數(shù)量。
4.4 總結
通過一系列的仿真,我們可以得出以下結論:PAM、PPM兩種調制方法主要是為了進行信息數(shù)據符號對脈沖的調制，而信號中的偽隨機TH碼和DS碼主要是為了產生信號的頻譜，使信號的功率譜密度在采用偽隨機碼調制后變得更加平滑，不能干擾到其它已經存在的窄帶系統(tǒng)[9]。
OFDM具有良好的抗多徑干擾性能，通過頻率的合理選擇，能夠同現(xiàn)存的窄帶系統(tǒng)和開放頻段的通信系統(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[11]。
5 性能分析及應用前景
5.1 脈位調制(PPM)和脈幅調制(PAM)
脈位調制(PPM)是一種利用脈沖位置承載數(shù)據信息的調制方式。按照采用的離散數(shù)據符號的狀態(tài)數(shù)可以分為二進制PPM(2PPM)和多進制(MPPM)。在這種調制方式中，一個脈沖重復周期內脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個或M個，脈沖位置與符號狀態(tài)一一對應。根據相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關系，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函數(shù)的負峰值點，從而使相鄰符號的歐氏距離最大化。在OPPM中，通常以脈沖寬度為間隔確定脈沖位置。接收機利用相關器在相應位置進行相干檢測。鑒于UWB系統(tǒng)的復雜度和功率限制，實際應用中，常用的調制方式為2PPM或2OPPM[3]。
PPM的優(yōu)點在于：它僅需要根據數(shù)據符號控制脈沖位置，不需要進行脈沖幅度和極性的控制，便于以較低的復雜度實現(xiàn)調制與解調。因此，PPM是UWB系統(tǒng)廣泛采用的調制方式。但是，由于PPM信號為單極性，其輻射譜中往往存在幅度較高的離散譜線。對此超寬帶信號的幅度譜仿真也證明了這一點。如果不對這些譜線進行抑制，將很難滿足FCC對輻射譜的要求[10]。
脈幅調制（PAM）是數(shù)據通信系統(tǒng)最為常用的調制方式之一。在UWB系統(tǒng)中，考慮到實現(xiàn)復雜度和功率有效性，不宜采用多進制PAM（MPAM）。UWB系統(tǒng)常用的PAM有兩種方式：開關鍵控（OOK）和二進制相移鍵控（BPSK）。前者可以采用非相干檢測降低接收機復雜度，而后者采用相干檢測可以更好地保證傳輸可靠性[3]。
當發(fā)射能量相同時，使用二進制PAM調制的信號可以比使用二進制PPM調制的信號獲得更好的性能。
5.2 OFDM調制
OFDM有很多優(yōu)點：能夠提供較大的系統(tǒng)容量，具有較強的抗多徑干擾、抗頻率選擇性衰落和頻率擴散能力，適應多徑和移動信道傳播條件，能夠適應不同設計需求，靈活分配數(shù)據容量和功率，可提供靈活的高速和變速綜合數(shù)據傳輸可以實現(xiàn)較高的安全傳輸性能，允許數(shù)據在復數(shù)的高速的射頻上被編碼。由于OFDM技術的良好性能使得它在無線通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[12]。
OFDM技術是將頻道資源分成若干個子信道，每個子信帶再采用一定的調制技術，提高頻率利用率。OFDM可與PPM、PAM等結合使用，將會有性能更好的調制技術出現(xiàn)。
5.3 UWB的應用前景
超寬帶技術在通信、雷達和無線定位等領域都將有廣闊的應用前景。近年來，人們對超寬帶技術深入的研究使超寬帶技術在系統(tǒng)理論、功率放大器、脈沖的產生與接收、同步、集成電路等方面取得了重大進步，尤其是在超寬帶無線產生領域的技術進步，使超寬帶通信成為無線網絡的重要組成部分成為可能。
相對于傳統(tǒng)的窄帶無線通信系統(tǒng)，超寬帶無線產生系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點和潛力，使超寬帶無線產生成為中短距無線網絡的理想接入技術。根據產生速率不同，擠兌超寬帶無線傳輸系統(tǒng)也具有不同的特點和應用領域。
利用超寬帶技術可以提供高數(shù)據率傳輸?shù)哪芰εc定位功能，可以設計依賴定位信息優(yōu)化網絡資源管理的WPAN或WLAN，并應用于多媒體傳輸、計算機通信和家庭娛樂等領域。
利用脈沖超寬帶信號對障礙物的良好穿透特性與精確測距功能，可以設計既具有通信功能也具有定位功能的超寬帶脈沖無線通信與定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳輸距離遠（通信速率低）、頒布式移動定位、便攜、超低成本、超低功耗、定位可靠性和精度高等特點。因而可以廣泛用于傳感器網絡、消防、公共安全、庫存盤點、人員監(jiān)護與救生等重要領域。利用超寬帶脈沖信號低截獲概率、保密性高和體積小的優(yōu)點，該系統(tǒng)還可以應用與偵察、情報收集、傷員救護、武器制導等軍事領域[8]。
超寬帶信號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，功率譜密度極低，類似白噪聲頻譜，具有低干擾、低截獲概率特性；同時由于使用窄脈沖為信號載體并采用跳時擴頻，接收端必須已知發(fā)射端擴頻碼的條件下才能解調出發(fā)射數(shù)據來，加上它對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用。非常低的輻射功率可以避免過量的電磁波對人體的傷害[7]。
結論
超寬帶無線通信技術是目前發(fā)展的熱門技術。它以其自身的優(yōu)點，被研究人員廣泛關注。超寬帶無線電技術大體包括基帶脈沖傳輸方式和帶通載波調制傳輸?shù)姆绞絻纱箢悺Ｃ}沖傳輸?shù)奶攸c是把信息調制在離散脈沖信號上發(fā)射，而帶通載波調制傳輸?shù)奶攸c則是把信息調制在正弦載波上發(fā)射。本論文是以采用基帶脈沖傳輸技術的經典超寬帶無線電通信系統(tǒng)為基礎進行研究的。
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線通信的基礎知識。接著將仿真的基本工具MATLAB的使用說明簡單介紹。然后，重點介紹超寬帶通信的調制方式，主要包括對TH-PPM、DS-PAM和OFDM調制方式的介紹，并通過仿真圖像加以對比，說明調制方式的優(yōu)缺點。
常采用不同的調制方案，對系統(tǒng)傳輸速率、搞多徑干擾能力有很大影響。對它們進行分析比較，對系統(tǒng)調制信號的設計具有一定的參考意義。通常，在一個通信系統(tǒng)中，應用何種調制方式不僅要看調制方式本身性能，還要根據系統(tǒng)總的設計加以考慮。
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超寬帶（UWB，Ultra Wide Band）無線技術在無線電通信、雷達、跟蹤、精確定位、成像、武器控制等眾多領域具有廣闊的應用前景，因此被認為是未來幾年電信熱門技術之一。1990年，美國國防部首先定義了“超寬帶”概念，超寬帶無線通信開始得到美國軍方和政府部門的重視。2002年4月，美國FCC通過了超寬帶技術的商用許可，超寬帶無線通信在民用領域開始受到普遍關注。目前“超寬帶”的定義只是針對信號頻譜的相對帶寬（或絕對帶寬）而言，沒有界定的時域波形特征。因此，有多種方式產生超寬帶信號。其中，最典型的方法是利用納秒級的窄脈沖（又稱為沖激脈沖）的頻譜特性來實現(xiàn)[1]。
超寬帶無線電是對基于正弦載波的常規(guī)無線電的一次突破。幾十年來，無線通信都是以正弦載波為信息載體，而超寬帶無線通信則以納秒級的窄脈沖作為信息載體。其信號產生、調制解調、信號隱蔽性、系統(tǒng)處理增益等方面，具有獨特的優(yōu)勢，尤其是能夠在密集的多徑環(huán)境下實現(xiàn)高速傳輸。由于脈沖持續(xù)時間很短，多徑分量在時域上不易重疊，多徑分辨能力高，通過先進的多徑分離技術或瑞克接收機，可以充分利用多徑分量。
目前，典型的超寬帶無線通信調制方式以TH-PPM、TH-PAM為主，本論文中，介紹超寬帶無線通信中的調制技術，主要討論TH-PPM、TH-PAM的基本原理，并且對比調制技術的優(yōu)缺點，性能的好壞，并進行動態(tài)的仿真，從仿真圖中較清楚的研究調制方式，從而得出正確的結論，細致的研究超寬帶無線通信中的調制技術。
關鍵字：超寬帶 調制方式 PPM調制 PAM調制 OFDM調制
2 概述
2.1 總述
近幾年來，超寬帶短距離無線通信引起了全球通信技術領域極大的重視。超寬帶通信技術以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強等優(yōu)點成為短距離無線通信極具競爭力和發(fā)展前景的技術之一。FCC(美國通信委員會) 對超寬帶系統(tǒng)的最新定義是:相對帶寬(在- 10dB 點處) (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)有的無線電系統(tǒng)比較，在花費更小的制造成本的條件下，能夠做到更高的數(shù)據傳輸速率(100～500MbPs) 、更強的抗干擾能力(處理增益50dB 以上) ，同時具有極好的抗多徑性能和十分精確的定位能力(精度在cm 以內) 。
2.2 UWB基本原理
發(fā)射超寬帶(UWB) 信號最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射一種時域上很短(占空比低達0. 5 %) 的沖激脈沖。這種傳輸技術稱為“沖擊無線電( IR) ”.UWB - IR 又被稱為基帶無載波無線電，因為它不像傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中使用正弦波把信號調制到更高的載頻上，而是用基帶信號直接驅動天線輸出的[6];由信息數(shù)據對脈沖進行調制，同時，為了形成所產生信號的頻譜而用偽隨即序列對數(shù)據符號進行編碼。因此沖擊脈沖和調制技術就是超寬帶的兩大關鍵所在。
2.2.1 脈沖信號
從本質上講，產生脈沖寬度為納秒級的信號源是UWB 技術的前提條件。目前產生脈沖信號源的方法有兩類: ①光電方法，基本原理是利用光導開關導通瞬間的陡峭上升沿獲得脈沖信號。由于作為激發(fā)源的激光脈沖信號可以有很陡的前沿，所以得到的脈沖寬度可達到皮秒(10 - 12 ) 量級。另外，由于光導開關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，在雪崩導通瞬間，電流呈“雪崩”式迅速增長，從而獲得具有陡峭前沿的波形，成形后得到極短脈沖。在電路設計中，采用多個晶體管串行級聯(lián)，使用并行同步觸發(fā)的方式，加快了雪崩過程，從而達到進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域和頻域數(shù)學模型分別表示為:
(2-1)
(2-2)
單周期脈沖的寬度在納秒級(0. 1～1. 5ns) ，重復周期為25～1000ns ，具有很寬的頻譜，如圖2-1 所示。實際通信中使用的是一長串的脈沖，由于時域中信號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)了強烈的能量尖峰。這些尖峰將會對信號構成干擾，通過數(shù)據信息和偽隨機碼來進行編碼P調制，改變脈沖與脈沖間的時間間隔，可以降低頻譜的尖峰幅度[2]。
圖2-1 單周期脈沖的時間域和頻率域的表示
2.2.2 UWB的調制技術
超寬帶系統(tǒng)中信息數(shù)據對脈沖的調制方法可以有多種。脈沖位置調制( PPM) 和脈沖幅度調制(PAM) 是UWB 最常用的兩種調制方式。通常UWB信號模型為:
(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延。
a PAM- UWB
PAM是一種通過改變那些基于需傳輸數(shù)據的傳輸脈沖幅度的調制技術。在PAM調制系統(tǒng)中，一系列的脈沖幅度被用來代表需要傳輸?shù)臄?shù)據。任何形狀的脈沖都是通過其幅度調制使傳輸數(shù)據在{ - 1 ， + 1}之間變化(對于雙極性信號) 或在M 個值之間變化(對于M 元PAM) 。增加傳輸脈沖所占的帶寬或減少脈沖重復頻率，都可以增加一個固定平均功率譜密度的UWB 系統(tǒng)所能達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]
采用脈沖幅度調制(PAM)的超寬帶信號波形如下:[4]
(2-4)
其中， dj 是信息序列， Tf 是脈沖重復周期。根據dj 的不同取值， 可將PAM調制方式分為以下三種:
（1） OOK(發(fā)送數(shù)據為1 ，UWB 信號的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據為0 ，UWB 信號的幅度為0) ;
（2）PPAM(發(fā)送數(shù)據為1 ，UWB 信號的幅度為β1 ;發(fā)送數(shù)據為0 ，UWB 信號的幅度為β2) ;
（3）BPSK(發(fā)送數(shù)據為1 ，UWB 信號的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據為0 ，UWB 信號的幅度為- 1) 。
對于這三種方式，在超寬帶的PAM調制方式中多采用BPSK方式。
b PPM- UWB
脈沖位置調制(PPM) 又稱時間調制(TM) ，是用每個脈沖出現(xiàn)的位置落后或超前某一標準或特定時刻來表示某個特定信息的[3]。二進制PPM 是超寬帶無線通信系統(tǒng)經常使用的一種調制方法，相對其它調制方法來說也是較早使用的一種方法。采用PPM的一個重要原因是它能夠使用零相差的相關接收機來接收檢測信號，而這種接收機有著非常好的性能。采用脈沖位置調制( PPM) 的超寬帶信號波形如下:
(2-5)
其中， dj 取0 或1 ，δ為調制因子， 與脈沖寬度Tm (1/Tf ) 是一個數(shù)量級。當發(fā)送數(shù)據為1 時脈沖就會相應滯后一個時延δ。
圖2-2 給出了上述四種調制方法的信號波形圖，對這四種調制方式給出了一個比較直觀的描述。
除了這些對脈沖的調制方法外，用偽隨機碼或偽隨機噪聲(PN) 對數(shù)據符號進行編碼以得到所產生信號的頻譜時，根據編碼的不同即擴頻和多址技術不同，超寬帶系統(tǒng)又被分為跳時的超寬帶系統(tǒng)(TH - UWB) 、直擴的超寬帶系統(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 不同調制方式的信號波形[4]
2.3 UWB 技術特點
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)無法比擬的技術特點[4]:
(1)系統(tǒng)容量大。香農公式給出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出，帶寬增加使信道容量的升高遠遠大于信號功率上升所帶來的效應，這一點也正是提出超寬帶技術的理論機理。超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)。
(2)高速的數(shù)據傳輸。UWB 系統(tǒng)使用上GHz 的超寬頻帶，根據香農信道容量公式，即使把發(fā)送信號功率密度控制得很低，也可以實現(xiàn)高的信息速率。一般情況下，其最大數(shù)據傳輸速度可以達到幾百Mbps～1Gbps。
(3)多徑分辨能力強。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，窄脈沖的多徑信號在時間上不易重疊，很容易分離出多徑分量，所以能充分利用發(fā)射信號的能量。實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達10～30dB 的多徑環(huán)境，UWB 信號的衰落最多不到5dB。
(4)隱蔽性好。因為UWB 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 設備對于其他設備的干擾就非常低。
(5)定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，可在室內和地下進行精確定位，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。與GPS 提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置， 其定位精度可達厘米級。
(6)抗干擾能力強。UWB 擴頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個比特所用的脈沖數(shù)。UWB 的占空比一般為0. 01～0. 001 ，具有比其它擴頻系統(tǒng)高得多的處理增益，抗干擾能力強。一般來說，UWB 抗干擾處理增益在50dB 以上。
(7)低成本和低功耗。UWB 無線通信系統(tǒng)接收機沒有本振、功放、鎖相環(huán)( PLL) 、壓控振蕩器(VCO) 、混頻器等， 因而結構簡單，設備成本將很低。由于UWB 信號無需載波，而是使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據，脈沖持續(xù)時間很短，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，是藍牙技術的十分之一[10]。盡管如此，UWB 在技術上面臨一定的挑戰(zhàn)， 還有諸多技術的問題有待研究解決，比如需要更好地理解UWB 傳播信道的特點，建立信道模型，解決多徑傳播;需要進一步研究高速脈沖信號的生成、處理等技術;研究新的調制技術，進一步降低收發(fā)結構的復雜度等。
轉貼于
2.4 UWB發(fā)射機和接收機組成框圖
2.4.1 UWB發(fā)射機組成框圖
UWB發(fā)射機直接發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據而不需使用載波電路。所以，UWB發(fā)射機比現(xiàn)有的無線發(fā)射設備要簡單得多。TH-UWB發(fā)射機組成框圖如圖2-3所示[5]。
圖2-3 UWB發(fā)射機組成框圖
調制后的數(shù)據與偽碼產生器生成的偽碼一起送入可編程延遲電路，可編程延遲電路產生的時延控制脈沖信號發(fā)生器的發(fā)送時刻，脈沖信號發(fā)生器輸出的UWB信號由天線輻射出去。脈沖信號產生電路的一個關鍵部分是天線，它的作用相當于一個濾波器。
2.4.2 UWB接收機組成框圖
TH-UWB接收機采用相關接收方式，接收機框圖如圖4所示。圖4中虛線內的部分是相關器。它由乘法器、積分器和取樣/保持電路三部分組成[5]。
接收機與發(fā)射機類似，兩者的區(qū)別在于接收機的基帶信號處理器從取樣/保持電路中解調數(shù)據，基帶信號處理器的輸出控制可編程時延電路，為可編程時延電路提供定時跟蹤信號，保證相關器正確解調出數(shù)據。
圖2-4 UWB接收機組成框圖
2.5 UWB 技術的應用前景
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)據傳輸速率優(yōu)勢，最大可以提供高達1000Mbps 以上的傳輸速率，使UWB 同其它短距離無線通信系統(tǒng)的技術優(yōu)勢非常明顯，如表1 所示?，F(xiàn)有的各種無線解決方案(例如802. 11 ，Bluetooth等) 的速率均低于100Mbit/s ，UWB 則在10m 左右的范圍之內打破了這一限制，UWB 的應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 結束語
無線通信已經迅速滲入我們的生活當中，對容量不斷增長的要求需要一種不對現(xiàn)有的通信系統(tǒng)造成影響的新的無線通信方案，超寬帶脈沖無線電系統(tǒng)正好滿足了這一要求。UWB 技術對于無線短距離的高速數(shù)據通信是非常有競爭力的，隨著研究的深入，憑借多方面的優(yōu)勢，它將在很多領域占有一席之地。特別是短距離傳輸?shù)暮?G領域，UWB 將有廣闊的發(fā)展空間[8]。
表1 幾種短距離無線通信比較
家庭和辦公室互連
筆記本、臺式電腦、掌上電腦、因特網網關
無線電視、DVD ， 高速因特網網關
3 MATLAB 軟件工具介紹
3.1 MATLAB語言的概述
MATLAB是一種科學計算軟件，適用于工程應用各領域的分析設計與復雜計算，它使用方便，輸入簡捷，運算高效且內容豐富，很容易由用戶自行擴展。因此，它已成為大學教學和科學研究中最常用且必不可少的工具。
MATLAB是“矩陣實驗室”（MATrix LABoratoy）的縮寫，它是一種以矩陣運算為基礎的交互式程序語言，著重針對科學計算、工程計算和繪圖的需求。與其他計算機語言相比，其特點是簡潔和智能化，適應科技專業(yè)人員的思維方式和書寫習慣，使得編程和調試效率大大提高。它用解釋方式工作，鍵入程序立即得出結果，人機交互性能好，為科技人員所樂于接受。特別是它可適應多種平臺，并且隨計算機硬、軟件的更新而用時升級。因而，MATLAB語言是數(shù)值計算用得最頻繁的電子信息類學科工具。它大大提高了課程教學、解題作業(yè)、分析研究的效率。
3.2 MATLAB的歷史
在1980年前后，美國的Cleve Moler博士在New Mexico大學講授線性代數(shù)課程時，發(fā)現(xiàn)應用其他高級語言編程極為不便，便構思并開發(fā)了MATLAB（MATrix LABoratory，矩陣實驗室），它是集命令翻譯、科學計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經過在該大學進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和特征計算軟件包EISPACK中的子程序為基礎發(fā)展而成的一種開放型程序設計語言，其基本的數(shù)據單元是一個維數(shù)不加限制的矩陣，這就允許用戶可以根據數(shù)值計算問題的復雜程序，對問題進行分段甚至逐句編程處理，顯然這與C、FORTRAN等傳統(tǒng)高級語言完全不同。在MATLAB下，矩陣的運算變得異常的容易，后來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的應用范圍越來越廣泛，Moler博士等一批數(shù)學家與軟件專家組建了名為MathWorks的軟件開發(fā)公司，專門擴展并改進MATLAB。
為了準確地把一個控制系統(tǒng)的復雜模型輸入給計算機，然后對之進行進一步的分析與仿真，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類似，所以在1992年正式改名為SIMULINK。此軟件有兩個明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標在模型窗口上畫出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來對系統(tǒng)直接進行仿真。很明顯，這種做法使得一個很復雜系統(tǒng)的輸入變得相當容易。SIMULINK的出現(xiàn)，更使得MATLAB的控制系統(tǒng)的仿真與其在CAD中的應用打開了嶄新的局面。
3.3 MATLAB語言的特點
MATLAB語言有以下特點。
(1) 起點高
每個變量代表一個矩陣，以矩陣運算見長。當前的科學計算中，幾乎無處不用矩陣運算，這使它的優(yōu)勢得到了充分的體現(xiàn)。
(2) 人機界面適合科技人員
MATLAB的語言規(guī)則與筆算式相似。MATLAB的程序與科技人員的書寫習慣相近，因此，易寫易讀，易于在科技人員之間交流。矩陣的行列數(shù)無需定義。MATLAB不必有階數(shù)定義，輸入數(shù)據的行列數(shù)就決定了它的階數(shù)。鍵入算式立即得到結果，無需編譯。MATLAB是以解釋方式工作的，即它對每條語句解釋后立即執(zhí)行，若有錯誤也立即做出反應，便于編程者立即改正。這些都大大減輕了編程和調試的工作量。
(3) 強大而簡易的做圖功能
能根據輸入數(shù)據自動確定坐標繪圖，能規(guī)定多種坐標系，（極坐標系、對數(shù)坐標系等），能繪制三維坐標中的曲線和曲面，可設置不同顏色、線型、視角等。如果數(shù)據齊全，通常只需一條命令即可出圖。
(4) 智能化程度高
繪圖時自動選擇坐標，大大方便了用戶；做數(shù)值積分時自動按精度選擇步長；自動檢測和顯示程序錯誤的能力強，易于調試。
(5) 功能豐富，可擴展性強
MATLAB軟件包括基本部分和專業(yè)擴展兩大部分。
基本部分包括矩陣的運算和各種變換、代數(shù)和超越方程的求解、數(shù)據處理和傅立葉變換及數(shù)值積分等等?？梢猿浞譂M足大學理工科學生的計算需要。
擴展部分稱為工具箱。它實際上是用MATLAB的基本語句編成的各種子程序集，用于解決某一方面的專門問題，或實現(xiàn)某一類的新算法?，F(xiàn)在已經有控制系統(tǒng)、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、模糊集合、神經元網絡及小波分析等工具箱，并且向公式推導、系統(tǒng)仿真和實時運行等領域發(fā)展。
MATLAB的核心內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句編寫的。
3.4 MATLAB仿真
通過利用所學的理論知識，建立一個完整、準確的需求說明，清楚、準確地提出仿真試驗所要解決的問題。
對所提出的仿真系統(tǒng)給出詳細定義，明確系統(tǒng)中的模塊、系統(tǒng)構成、模塊之間的相互關系，系統(tǒng)的輸入輸出、邊界條件以及系統(tǒng)的約束條件，并明確仿真所要達到的目標。
根據仿真系統(tǒng)分析的結果，確定系統(tǒng)中的參數(shù)、變量及其互之間的關系，并以數(shù)學形式將這些關系描述出來，從而構成仿真系統(tǒng)的數(shù)學模型。數(shù)學建模是系統(tǒng)仿真中最關鍵的一步，所建立的數(shù)學模型必須盡可能準確地反映所關心的真實系統(tǒng)的特性，而又不能過于復雜，以免降低模型的效率，增加不必要的計算過程，即建模需要根據求解問題的要求，在模型的近似程度與復雜程度之間折中。電子與通信系統(tǒng)的數(shù)學模型通常以方框圖形式或數(shù)學方程形式來表達。
根據建立的數(shù)學模型所需要的數(shù)據元素，收集與模型系統(tǒng)有關的數(shù)據。根據數(shù)學模型建立系統(tǒng)的計算機仿真模型，收集數(shù)據，確定其中各子模塊的結構，輸入輸出接口，輸入輸出的數(shù)據表達形式，數(shù)據的存儲方式等。然后編制相應的程序流程，用MATLAB語言實現(xiàn)。
仿真模型驗證的目的是確定計算機仿真模型是否準確表達了數(shù)學模型。仿真模型驗證通常的方法是將數(shù)學模型的解析結果（或理論結果）與仿真所得到的數(shù)值結果相比較來完成的；或通過已知的系統(tǒng)輸入輸出結果，對比在相同條件下的系統(tǒng)仿真結果來驗證仿真模型的正確性。
發(fā)射超寬帶（UWB）信號最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射時域上很短的脈沖。這種傳輸技術稱為“沖激無線電”（Impulse Radio，簡寫為IR）。信息數(shù)據符號對脈沖進行調制，其調制方式可以有多種。脈沖位置調制（PPM）和脈沖幅度調制（PAM）是最常用的兩種調制方式。除了要對脈沖進行調制外，為了形成所產生的信號的頻譜，還要用偽隨機碼或偽隨機噪聲（PN）對數(shù)據符號進行編碼。一般是，編碼后的數(shù)據符號引起脈沖在時間軸上的偏移，這就是所謂的跳時超寬帶（TH-UWB，Time-Hopping UWB）。直接序列擴譜（DS-SS）就是編碼后的數(shù)據符號對基本脈沖的幅度進行調制，這在沖激無線電（IR）中被稱為直接序列超寬帶（DS-UWB，Direct-Sequence UWB），這種調制方式似乎非常有吸引力[1]。
對于超寬帶信號，也可以通過很高的數(shù)據速率來產生而根本不需要具備脈沖的特性。只要UWB定義所要求的相對帶寬或最小帶寬在整個傳輸過程中得到滿足，那么，靠發(fā)射高速率數(shù)據而不是窄脈沖所產生的具有UWB射頻帶寬的系統(tǒng)，就不應該被排除在UWB系統(tǒng)之外。諸如正交頻分復用（OFDM），在數(shù)據速率適當?shù)那闆r下也可產生UWB信號。因此，OFDM也是一種超寬帶的調制方式。
本文主要討論TH-UWB、DS-UWB和OFDM調制方式。
4.1 PPM-TH-UWB 調制方式
4.1.1 跳時超寬帶信號的產生
在結合了二進制PPM的TH-UWB(二進制PPM-TH-UWB或者PPM-TH-UWB)中，UWB信號的產生可以系統(tǒng)地描述如下(參見圖4-1描繪的發(fā)射鏈路) [1]。
SHAPE \* MERGEFORMAT
圖4-1 PPM-TH-UWB信號的發(fā)射方案
給定待發(fā)射的二進制序列b=(…，b0，b1，…，bk，bk+1，…)，其速率Rb=1/Tb (b/s)，圖4-1中的第一個模塊使每個比特重復Ns次，產生一個二進制序列：
(…，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)。這個模塊引入了冗余，其實是一種被稱為重復碼的(Ns，1)分組編碼器。一般術語上稱為信道編碼。
第二個模塊是傳輸編碼器，就是應用整數(shù)值碼序列c=(…，c0，c1，…，cj，cj+1，…)和二進制序列a=(…，a0，a1，…，aj，aj+1，…)，產生一個新序列d，序列d的一般元素表達式如下：
dj=cjTc+aj
（4-1）
式中，Tc和 是常量，對所有的cj滿足條件cjTc+
這里的d是一個實數(shù)值序列，而a是二進制序列，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，這時的編碼周期與二進制碼重復的次數(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)射信號的頻譜形成雙重角色[1]。
實數(shù)值序列d輸入到第三個模塊，即PPM調制模塊，產生了一個速率為Rp=Ns/Tb=1/Ts(脈沖/s)的單位脈沖(Dirac pulses ) 序列。這些脈沖在時間軸上的位置為 ，因此脈沖位置在jTs基礎上偏移了dj，脈沖的發(fā)生時間也可表示為( )。注意是碼序列對c信號引入了TH位移，也正因為此，c被稱為TH碼。還要注意一點就是由PPM調制引起的位移 ，通常比TH碼引起的位移cjTc小得多，即： ，cj=0除外。Tc稱為碼片時間(chip time)。
最后一個模塊是脈沖形成濾波器，其沖激響應為。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)級聯(lián)以后的輸出信號 可表示如下：
(4-2)
比特間隔或比特持續(xù)時間，也即用于傳輸一個比特的時間Tb，可表示為：Tb=NsTs。在式(4-2)中，cjTc定義了脈沖的隨機性或者說是相對于Ts整數(shù)倍時刻的抖動。如果用隨機TH抖動 來表示由TH編碼cjTc引起的時間上的位移，并假定 在0和 之間分布，則可得到：
(4-3)
正如前面提到的， 通常遠大于 。這兩個量的整體效果是產生一個分布在0和 之間的時間隨機位移量，用 表示這個時間隨機位移，可得發(fā)射信號的如下表達式：
(4-4)
更一般性地概括式(4-2)所表示的信號，其思想是：對于信息比特“0”和“1”，可以發(fā)射兩個不同的脈沖波形 和 來分別表示。上面分析的PPM調制的例子，引入了 這個時間位移量，它的值根據它所代表的比特而有所不同，其實是上述思想的特殊例子，其中的 是 位移以后的波形。一種更一般的表達式：
(4-5)
當將 設置為- 時，式(4-5)也表示了PAM和TH-UWB的結合，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中的第一個模塊表示二進制源。這個模塊的輸出是發(fā)射到物理信道的二進制流。第二個模塊表示重復碼編碼器。二進制流的每一個比特都被重復次。第三個模塊仿真TH編碼和二進PPM。這里考慮偽隨機TH碼。最后一個模塊是脈沖形成。這個模塊的沖激響應表示要發(fā)射的UWB信號的基本脈沖波形[1]。
4.1.3 PPM-TH-UWB 仿真結果及其分析
圖（4-3）顯示了參數(shù)設置如下時所產生的UWB信號
以dBm為單位的平均發(fā)射功率Pow，
信號的抽樣頻率fc，
由二進制源產生的比特數(shù)numbits， 平均脈沖重復時間Ts（單位為秒），每個比特映射的脈沖數(shù)Ns，
碼片時間Tc（秒），
跳時碼的碼元最大值Nh和周期Np，沖激響應持續(xù)時間Tm，
脈沖波形形成因子tau（秒），
PPM時移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脈沖在其對應時隙的中間位置，而后五個脈沖則在其對應時隙的起始位置。
圖4-3 PPM-TH-UWB 發(fā)射機產生的信號
圖4-4 PPM-TH-UWB的幅度譜
由圖4-4可以看出，TH編碼和PPM調制都對幅度譜的高斯形狀產生扭曲。PPM-TH-UWB信號的幅度譜將完全包含在無TH編碼和無PPM調制的幅度譜包絡中，這是因為以同樣的形狀和同樣的平均功率傳輸?shù)乳g隔脈沖的結果。
4.2 PAM-DS-UWB調制方式
4.2.1 直接序列超寬帶信號的產生
直接序列擴譜（DS-SS）是一種著名的數(shù)字調制方式。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特性的信號可以通過下面的過程產生：首先，用偽隨機碼或二進制PN碼序列對要發(fā)射的二進制進行編碼；其次，對一串窄脈沖進行幅度調制。這一過程可以看做是目前使用DS-SS系統(tǒng)的一種極端方式，此時脈沖在時域上是具有典型時間的奈奎斯特型脈沖或方波。讓脈沖寬度遠遠小于切普間隔，很容易得到DS-SS-UWB的解析表達式。在傳統(tǒng)的DS-SS系統(tǒng)中，RF發(fā)射信號是對載波進行幅度調制后得到的，通常使用二進制相移鍵控BPSK方式。而在DS-UWB中，如果沒有專門的要求，這一過程可省略。[1]
更詳細地，上述信號可以通過如下過程產生（見圖所示發(fā)射鏈路）。
SHAPE \* MERGEFORMAT
圖4-5 PAM-DS-UWB 信號的發(fā)射方案
假定待發(fā)射的二進制序列b=(…，b0，b1，…，bk，bk+1，…)，其速率為Rb=1/Tb (b/s)，圖4-5中的第一個系統(tǒng)將每個比特重復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)引入的冗余相當于一個參數(shù)為(Ns，1)的重復碼編碼器。
第二個系統(tǒng)將a*序列轉換成只含有正值和負值元素的序列a=(…，a0，…，a1，…，aj，aj+1，…)，轉換公式為：( ).
發(fā)射編碼器將一個由 1組成、周期為Np的二進制碼序列c=(…，c0，c1，…，cj，cj+1，…)應用到序列a=(…，a0，…，a1，…，aj，aj+1，…)，產生一個新序列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，這一點與序列a相同，其速率為Rc=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。
序列d進入第三個系統(tǒng)——PAM調制器，產生一個速率為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]。
調制器輸出的信號進入沖洲響應為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p(t)是持續(xù)時間為Ts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)時間遠小于Ts的脈沖。
以上系統(tǒng)級聯(lián)后的輸出信號可以表示為
(4-6)
注意，與TH方式相似，比特間隔或比特持續(xù)時間，即傳輸一個比特所用的時間是Tb=NsTs。
輸出的波形顯然是一個PAM波形。很容易知道，由于沒有時移而且脈沖以規(guī)則的時間間隔出現(xiàn)，計算式(4-6)所示信號的PSD要比計算式(4-2)所示信號的PSD更容易。
上述方式的一種變形是使用PPM調制器代替PAM調制器，得到的信號可表示為：
(4-7)
注意到在式(4-7)中，由于碼的偽隨機特性，編碼會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)射機系統(tǒng)模型
圖4-6中的前兩個模塊分別表示二進制源和重復碼編碼器。第三個模塊是在重復碼編碼器的輸出端實現(xiàn)DS編碼和二進制PAM調制。我們考慮偽隨機DS碼，分配給一般用戶的是長度為NP的二進制碼序列。最后一個模塊是脈沖形成器[1]。 4.2.3 PAM-DS-UWB 仿真結果及其分析
圖4- 7 由PAM-DS-UWB發(fā)射機產生的信號
圖（4-7）顯示了參數(shù)設置如下時所產生的UWB信號
以dBm為單位的平均發(fā)射功率Pow，
信號的抽樣頻率fc，
由二進制源產生的比特數(shù)numbits， 平均脈沖重復時間Ts（單位為秒），每個比特映射的脈沖數(shù)Ns，
碼片時間Tc（秒），
跳時碼的碼元最大值Nh和周期Np，沖激響應持續(xù)時間Tm，
脈沖波形形成因子tau（秒），
PPM時移dPPM（秒）。
Stx: Pow=-30，
fc=50e9， numbits =2，
Ts=2e-9，
Ns=10，
Np=10，
Tm=0.5e-9，
tau=0.25e-9，
這個信號由兩組脈沖序列組成，每組包含10個脈沖，每組映射信息源的一個比特。從圖4-7中可以看出每二組的10個脈沖與第一組的10個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，幅度譜的包絡具有基本脈沖的傅氏變換的形狀，即高斯形狀。且Np（信號每比特發(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調制技術
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2002年，F(xiàn)CC公布的UWB定義，帶寬超過500MHz的信號都是UWB信號。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信號對于窄帶通信系統(tǒng)來說相當于熱噪聲，并不被窄帶通信系統(tǒng)的接收機檢測到，也可以避免特定頻帶上的非人為干擾[1]。
在每個子頻帶內可以使用不同的數(shù)據調制類型，并不一定要用IR方式，正確的頻譜帶寬可以通過合適的比特速率實現(xiàn)。應用最廣泛的是眾所周知的正交頻分復用（OFDM）。
4．3．2 多頻段OFDM-UWB信號產生
一個已調的OFDM信號由調制在不同載波頻率 上的同個并行發(fā)射的信號組成。這些載波等間隔地位于頻域上，其間隔為 。OFDM調制器輸入的二進制序列每K比特編為一組，以產生具有N個符號的數(shù)據塊{ }，這里假定 是L個可能的取值中的一個，K=N1bL。最后，每個符號調制一個不同的載波。為了并行傳輸數(shù)據塊的N個符號，不同的調制載波信號在頻率上必須正交[8]。
所有調制器使用相同的矩形波，其持續(xù)時間為T：
（4-8）
如果符號 在星座圖中的點用 表示，OFDM信號中有N個符號的數(shù)據塊的表達式如下[1]：
（4-9）
而相應的復包絡是
（4-10）
其中 ，S（t）是周期為T0的周期函數(shù)。
式（4-9）中OFDM信號的數(shù)字變換相當于傳輸式（4-10）中復數(shù)包絡的抽樣值，也就是說傳輸序列可表示如下：
（4-11）
tc是抽樣周期。
仿真OFDM調制信號，考慮的是OFDM各個載波使用QPSK調制的情況。仿真整個發(fā)射鏈路，產生式（4-9）的信號。
4．3．3 OFDM仿真結果及其分析
要發(fā)射的總比特數(shù)numbits；
調制信號的中心頻率fp；
抽樣頻率fc； 每個符號在其相應載波上的傳輸時間T0；
循環(huán)前綴的持續(xù)時間TP；保護間隔時間TG， 矩形脈沖響應的幅度為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
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信號圖
圖4-11 OFDM-UWB信號幅度譜
對比以上兩圖，可以看出，在同樣的時間里為了傳輸更多的符號，是以增加帶寬為代價的，也就是增加子載波的數(shù)量。
4.4 總結
通過一系列的仿真，我們可以得出以下結論:PAM、PPM兩種調制方法主要是為了進行信息數(shù)據符號對脈沖的調制，而信號中的偽隨機TH碼和DS碼主要是為了產生信號的頻譜，使信號的功率譜密度在采用偽隨機碼調制后變得更加平滑，不能干擾到其它已經存在的窄帶系統(tǒng)[9]。
OFDM具有良好的抗多徑干擾性能，通過頻率的合理選擇，能夠同現(xiàn)存的窄帶系統(tǒng)和開放頻段的通信系統(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[11]。
5 性能分析及應用前景
5.1 脈位調制(PPM)和脈幅調制(PAM)
脈位調制(PPM)是一種利用脈沖位置承載數(shù)據信息的調制方式。按照采用的離散數(shù)據符號的狀態(tài)數(shù)可以分為二進制PPM(2PPM)和多進制(MPPM)。在這種調制方式中，一個脈沖重復周期內脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個或M個，脈沖位置與符號狀態(tài)一一對應。根據相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關系，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函數(shù)的負峰值點，從而使相鄰符號的歐氏距離最大化。在OPPM中，通常以脈沖寬度為間隔確定脈沖位置。接收機利用相關器在相應位置進行相干檢測。鑒于UWB系統(tǒng)的復雜度和功率限制，實際應用中，常用的調制方式為2PPM或2OPPM[3]。
PPM的優(yōu)點在于：它僅需要根據數(shù)據符號控制脈沖位置，不需要進行脈沖幅度和極性的控制，便于以較低的復雜度實現(xiàn)調制與解調。因此，PPM是UWB系統(tǒng)廣泛采用的調制方式。但是，由于PPM信號為單極性，其輻射譜中往往存在幅度較高的離散譜線。對此超寬帶信號的幅度譜仿真也證明了這一點。如果不對這些譜線進行抑制，將很難滿足FCC對輻射譜的要求[10]。
脈幅調制（PAM）是數(shù)據通信系統(tǒng)最為常用的調制方式之一。在UWB系統(tǒng)中，考慮到實現(xiàn)復雜度和功率有效性，不宜采用多進制PAM（MPAM）。UWB系統(tǒng)常用的PAM有兩種方式：開關鍵控（OOK）和二進制相移鍵控（BPSK）。前者可以采用非相干檢測降低接收機復雜度，而后者采用相干檢測可以更好地保證傳輸可靠性[3]。
當發(fā)射能量相同時，使用二進制PAM調制的信號可以比使用二進制PPM調制的信號獲得更好的性能。
5.2 OFDM調制
OFDM有很多優(yōu)點：能夠提供較大的系統(tǒng)容量，具有較強的抗多徑干擾、抗頻率選擇性衰落和頻率擴散能力，適應多徑和移動信道傳播條件，能夠適應不同設計需求，靈活分配數(shù)據容量和功率，可提供靈活的高速和變速綜合數(shù)據傳輸可以實現(xiàn)較高的安全傳輸性能，允許數(shù)據在復數(shù)的高速的射頻上被編碼。由于OFDM技術的良好性能使得它在無線通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[12]。
OFDM技術是將頻道資源分成若干個子信道，每個子信帶再采用一定的調制技術，提高頻率利用率。OFDM可與PPM、PAM等結合使用，將會有性能更好的調制技術出現(xiàn)。
5.3 UWB的應用前景
超寬帶技術在通信、雷達和無線定位等領域都將有廣闊的應用前景。近年來，人們對超寬帶技術深入的研究使超寬帶技術在系統(tǒng)理論、功率放大器、脈沖的產生與接收、同步、集成電路等方面取得了重大進步，尤其是在超寬帶無線產生領域的技術進步，使超寬帶通信成為無線網絡的重要組成部分成為可能。
相對于傳統(tǒng)的窄帶無線通信系統(tǒng)，超寬帶無線產生系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點和潛力，使超寬帶無線產生成為中短距無線網絡的理想接入技術。根據產生速率不同，擠兌超寬帶無線傳輸系統(tǒng)也具有不同的特點和應用領域。
利用超寬帶技術可以提供高數(shù)據率傳輸?shù)哪芰εc定位功能，可以設計依賴定位信息優(yōu)化網絡資源管理的WPAN或WLAN，并應用于多媒體傳輸、計算機通信和家庭娛樂等領域。
利用脈沖超寬帶信號對障礙物的良好穿透特性與精確測距功能，可以設計既具有通信功能也具有定位功能的超寬帶脈沖無線通信與定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳輸距離遠（通信速率低）、頒布式移動定位、便攜、超低成本、超低功耗、定位可靠性和精度高等特點。因而可以廣泛用于傳感器網絡、消防、公共安全、庫存盤點、人員監(jiān)護與救生等重要領域。利用超寬帶脈沖信號低截獲概率、保密性高和體積小的優(yōu)點，該系統(tǒng)還可以應用與偵察、情報收集、傷員救護、武器制導等軍事領域[8]。
超寬帶信號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，功率譜密度極低，類似白噪聲頻譜，具有低干擾、低截獲概率特性；同時由于使用窄脈沖為信號載體并采用跳時擴頻，接收端必須已知發(fā)射端擴頻碼的條件下才能解調出發(fā)射數(shù)據來，加上它對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用。非常低的輻射功率可以避免過量的電磁波對人體的傷害[7]。
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在整個系統(tǒng)中有三個子系統(tǒng)，它們分別是畢業(yè)設計教師管理、畢業(yè)設計管理員和畢業(yè)設計學生管理，這三個子系統(tǒng)的分配依據是各個系統(tǒng)的作用功能。這三個子系統(tǒng)又是由多個功能區(qū)域組成，配合畢業(yè)設計的管理，這三個子系統(tǒng)各自負責不同的區(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)管理員主要負責基礎信息的管理，比如說畢業(yè)設計從屬的系別、作者即學生信息、課題老師、畢業(yè)設計的時間信息等等。其中畢業(yè)設計時間信息包括研究的申請時間、選題時間等，其中負責研究申請時間的功能區(qū)域的作用是記錄指導老師報錄研究的時間，在這一時間內老師完成課題研究的準備工作，這部分工作由教師完成，畢業(yè)選題時間主要是留給學生的，在這一時間內學生會根據自己的興趣和能力在老師設計的課題下進行選擇，在其它時候這一區(qū)域是關閉的，學生無法再次進行選題。②負責學生信息管理的是學生資格審查區(qū)域，在這一區(qū)域內可以搜索查閱參與設計的學生的基本情況，同時也可以對學生的課題研究進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，在教師設計完課題后，系統(tǒng)的申報課題審核區(qū)域會進行核查，只有被此區(qū)域認可的設計才能夠被學生選擇。④課題的選擇并不是單項的學生挑選老師或老師挑選學生，這是一個雙向選擇的系統(tǒng)，在系統(tǒng)內有關課題的選取都要遵循老師和學生雙方的意愿，負責這一事項的是課題雙選信息管理區(qū)域。⑤負責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，教師和學生可以下載和課題有關的資料信息。⑦對畢業(yè)設計進行整理的是數(shù)據歸檔區(qū)域。⑧維護區(qū)域會對教師和學生的個人信息進行保護。⑨管理員信息維護區(qū)域主要作用是對系統(tǒng)內的管理員的信息進行保護。
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”組成了課題申報區(qū)域，“課題申報”是教師確定的研究課題，“我的課題”是學生選擇課題的信息。②如果想知道本年度老師設計的畢業(yè)課題都有哪些，這些信息資料可以通過查看畢業(yè)設計題目區(qū)域進行查詢。③已選課題和未選課題組成的選題區(qū)域可以隨時供學生和老師查詢，以便清楚的掌握課題選擇的信息。④任務書的主要由任務書區(qū)域負責，主要服務于教師，用于課題的公布。⑤老師在接收開題報告區(qū)域接收下載學生的研究資料，主要包括開題報告、課題的素材以及與課題相關的英文文獻資料。⑥如果學生在畢業(yè)設計過程中遇到了難題想找老師探討，可以通過網上答疑區(qū)域解決，在此區(qū)域內，老師和學生可以探討畢業(yè)設計的相關問題。⑦有關課題實時信息的了解可以通過查看管理員通知或公告區(qū)域，在此區(qū)域內會實時公開與畢業(yè)設計相關的信息。⑧想要下載資料則要進入下載文檔或表格材料區(qū)域，此區(qū)域主要負責的就是資料的下載，下載的資料主要有檢查表、評審表等。⑨對學生的畢業(yè)設計進行檢查的是設計材料檢查區(qū)域。⑩對畢業(yè)設計進行最終檢查并確定的是檢查論文正式稿區(qū)域。11對畢設設計進行整理留存的是上傳歸檔數(shù)據區(qū)域。12在系統(tǒng)內對老師信息進行保護的是個人信息維護區(qū)域。
1.3系統(tǒng)功能介紹之學生管理子系統(tǒng)①學生通過查詢畢業(yè)設計題目區(qū)域對老師設定的研究課題進行查閱，為畢業(yè)設計的進行做鋪墊。②通過畢業(yè)設計選題區(qū)域對畢業(yè)設計的主題進行確認。③通過查看任務書區(qū)域對畢業(yè)設計的內容進行了解，同時選擇適合自己的工作。④老師檢閱的有關學生畢業(yè)設計的撰寫報告，外文材料等資料是學生通過提交開題報告區(qū)域接收的。⑤而解決師生交流難題的是網上答疑區(qū)域，此區(qū)域包含三部分，分別是提問、回答及我的難題。⑥如果學生想知道有關畢業(yè)設計的相關信息，則要進入查看通知或公告區(qū)域。⑦學生想要下載的有關畢業(yè)設計的相關資料一般由下載文檔或表格材料區(qū)域管理。⑧畢業(yè)設計的提交是由提交論文正式稿區(qū)域負責。⑨負責學生信息保密的是個人信息維護區(qū)域。
2系統(tǒng)設計過程中的重中之重和難關
2.1如何挑選系統(tǒng)設計和實施的平臺在高等院校的畢業(yè)設計管理環(huán)節(jié)中，校園網的作用不容忽視，校園網的網絡平臺是互聯(lián)網，主要包括有網絡的操作、服務器、網絡操作的硬件系統(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)據訪問技術是語言集成查詢技術，數(shù)據庫管理系統(tǒng)應用的是SQLServer2005。
2.2如何解決多位學生選擇同一課題的情況在高效畢業(yè)設計課題選擇中必然會發(fā)生一種情況，那就是有多個學生都選擇了同一個課題，如果不對這一情況進行控制，那么課題研究人數(shù)就會過量，那么畢業(yè)設計信息的存儲也會出現(xiàn)問題，所以必須對這一問題加以控制。在系統(tǒng)中對某個課題的最大研究人數(shù)、已選定的人數(shù)、剩余的人數(shù)都會進行設定顯示，用于提示選題學生酌情選擇研究課題。
3結論
高校畢業(yè)論文管理信息系統(tǒng)的研究，主要研究的對象是云南省曲靖師范學院，從曲靖師范學院的實際情況出發(fā)進行研究和開發(fā)，在對學院實際情況分析研究的前提下，采用軟件工程方法對系統(tǒng)進行系統(tǒng)模型選擇，結合ASP技術，以MicrosoftVisualStudio2005和SQLsevter2000作為開發(fā)工具，設計開發(fā)一個基于ASP的高校畢業(yè)論文管理信息系統(tǒng)。以實現(xiàn)畢業(yè)論文設計和論文撰寫的管理信息化和網絡化，減少師生在畢業(yè)設計中的工作量為目的，系統(tǒng)設計完成后管理員能對導師及學生進行相應的管理，導師選題后需經過管理員審核才能被學生選擇。導師可通過網絡提交自己的論文題目和資料，瀏覽已經選了論文題目的學生信息資料；學生可通過網絡直接選老師在網絡上的論文題目，在系統(tǒng)中完善自身資料，提交開題報告等功能；高校畢業(yè)論文管理信息系統(tǒng)的開發(fā)，主要是為了使高校畢業(yè)論文管理能快捷、方便的進行，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)的開發(fā)對改進教學管理，提高教學質量有著十分重要的意義。
1.國內外研究現(xiàn)狀
隨著教育產業(yè)化進程的逐步推進，許多高校走上了強強聯(lián)合的道路，高校的規(guī)模不斷的擴大，為合理的利用教學資源，加強教學管理工作，對學生進行網絡化管理已經成為一種趨勢。目前，很多高校都具備了相關的管理軟件對學生的學籍、成績等都采用了網絡化管理技術，但畢業(yè)論文的管理大多采用單機管理模式。這種管理模式只能簡單的完成論文的輸入和輸出工作，而畢業(yè)設計過程中如：出題、選題、資料交流論文檢查等任務只能靠師生的手工操作來實現(xiàn)。
國外高校很早就開發(fā)了實現(xiàn)畢業(yè)論文管理網絡化的系統(tǒng)，如英國諾丁漢大學很早就開發(fā)了專門的畢業(yè)論文管理系統(tǒng)用于實現(xiàn)畢業(yè)設計的網上雙向選擇，國內高校近幾年也有了相關軟件來實現(xiàn)畢業(yè)論文設計的網絡化管理，但在服務范圍、服務質量、機構設置等方面與國外高校相比都存在一定的差距，造成這種現(xiàn)狀的原因是國外信息化建設起步早，網絡應用及設計都更見成熟并具有穩(wěn)定的技術隊伍，網絡發(fā)展穩(wěn)定，而國內信息化的建設與國外相比就顯得起步較晚，雖然發(fā)展迅猛，但由于缺乏像國外那樣成熟的網絡技術加上信息化發(fā)展時間較短。在實現(xiàn)校園管理信息化的進程中，國內各高校面臨既要不斷投資購建各種硬件、軟件和網絡，又要不斷開發(fā)各類應用于教學、教務、科研、辦公管理等應用系統(tǒng)的兩大難題，在信息起步晚，技術隊伍不穩(wěn)定規(guī)模不大的背景下，國內高校經過發(fā)展雖然也初步形成了具有一定規(guī)模的信息化建設體系，但是由于整體信息化程度落后，信息化建設任務多而重、經費短缺，理論體系不完善等原因，導致國內高校教務管理系統(tǒng)仍然不完善。
2.高校畢業(yè)論文信息管理系統(tǒng)研究的主要內容
高校畢業(yè)論文管理信息系統(tǒng)的設計采用ASP的C#編程技術和SQLserver2000數(shù)據庫工作平臺結合Dreamweaver作為開發(fā)工具進行設計，本系統(tǒng)研究的最終目的是實現(xiàn)以下功能：
（1）學生：能實現(xiàn)選擇自己的導師及畢業(yè)論文設計題目，瀏覽公告、修改信息、給導師留言等功能。
（2）導師：能夠通過網站給學生畢業(yè)設計的課題，供學生選擇；可以瀏覽本站的所有信息，可以給自己的學生、其他教師和管理員進行留言，并查收自己的留言。
（3）管理員：可以對學生、導師、通知等的基本信息進行修改、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)的主要功能是通過幾個功能模塊來實現(xiàn)的。具體的設計過程如下：
（1）系統(tǒng)登錄模塊：將用戶分為學生、教師和管理員三種不同的角色登錄以實現(xiàn)用戶權限的管理，加強系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。
（2）學生模塊：①查看通知②查看論文題目導師信息并進行選擇③留言：提供學生和導師之間的相互留言。
（3）導師模塊：①查看通知②提交論文題目③留言：提供學生和導師之間的相互留言。
（4）管理員模塊：編輯、刪除、添加用戶，對老師論文題目進行審核，查看修改學生基本信息、導師基本信息、學生和導師之間的留言等，對系統(tǒng)進行全面管理。
4.畢業(yè)論文管理信息系統(tǒng)的設計
系統(tǒng)要具備易操作、美觀、安全等特點，所以在對系統(tǒng)進行外觀設計時，要充分考慮到網站的可視性及美觀性，界面設計要力求達到層次分明、簡單大氣、兼顧美觀、突出重點、有吸引力等特點。在系統(tǒng)的后臺代碼設計上要能夠精煉，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。
4.1 系統(tǒng)登陸界面的設計
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)有三種權限學生用戶：學生、導師和管理員。不同的用戶在不同的角色選框中進行登陸，系統(tǒng)通過在用戶表中加入power屬性來判斷用戶的權限并進行身份驗證，若用戶名和密碼都正確，系統(tǒng)將跳轉到與角色相對應的頁面，若用戶或密碼錯誤，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)主要界面設計
本系統(tǒng)的主要界面如下：
（1）學生選題界面：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、退出等選項，學生從登錄界面正確登錄后將跳轉到本頁面，學生在本界面可以根據自己的實際情況進行相應的操作，可進行修改個人的資料修改密碼，查看可選題目及教師相關信息等操作。
（2）學生個人資料修改界面：本界面的提供學生的基本信息修改功能，學生可在本界面下對自己的功能進行修改和完善。
（3）教師提交選題界面：本界面主要功能是讓教師通過本網站進行畢業(yè)論文題目及論文說明的，通過本界面提交畢業(yè)論文題目，在通過管理員審核后即可作為學生選題。
（4）系統(tǒng)功能設定界面：此界面是在管理員模塊中的一個子模塊，通過本界面的相關操作，可以實現(xiàn)對選題系統(tǒng)、添加課題、審核課題、學生注冊等功能的開通和關閉操作、實現(xiàn)網站的分時處理，在相應時刻提供相應操作，減少了系統(tǒng)的開發(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畢業(yè)論文課題的相關信息，通過本界面可以知道老師的畢業(yè)論文所面向的專業(yè)、學生選擇狀態(tài)的信息，通過功能選項可實現(xiàn)對教師作廢畢業(yè)論文的刪除操作。
5.畢業(yè)論文管理系統(tǒng)的測試
由于條件限制，系統(tǒng)未能經過大規(guī)模訪問及超大容量數(shù)據庫測試，僅進行了小范圍及叫囂數(shù)據庫測試。測試結果為基本測試：測試顯示系統(tǒng)的用戶功能全部實現(xiàn)，能夠滿足用戶的各項要求。并發(fā)性測試：系統(tǒng)的并發(fā)性測試顯示多用戶同時登錄時未出現(xiàn)不正常狀態(tài)，服務器對不同用戶請求進行分布處理，工作正常。容錯性測試：系統(tǒng)對非法請求進行限制，對非法操作進行正確提示，限制非法用戶訪問頁面。
關鍵詞： B/S結構；畢業(yè)論文；信息化；；Access
畢業(yè)設計是高校教學的重要組成部分，培養(yǎng)大學生綜合運用所學基本理論、基本知識、基本技能分析和解決學科內某一實際問題的能力，使學生的科研能力得到一次完整的綜合性訓練。在提高學生綜合運用知識、培養(yǎng)分析與解決問題能力方面有著重要作用，是完成專
業(yè)培養(yǎng)目標的重要實踐教學環(huán)節(jié)。但當前不少高等院校在畢業(yè)設計（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、論文撰寫及指導、格式檢查等諸多方面存在管理成本高、效率低、效果差等系列問題。而且傳統(tǒng)畢業(yè)設計中的畢業(yè)論文管理沒有合適的交流平臺，都是教師和學生單向溝通。
1 系統(tǒng)的體系結構及開發(fā)環(huán)境
當前高校畢業(yè)生畢業(yè)設計環(huán)節(jié)與畢業(yè)生實習、找工作等環(huán)節(jié)相互交織，導致他們與指導教師之間經常存在時間和空間上的沖突。根據上述情況，本文將設計基于B/S結構的畢業(yè)論文信息管理系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于基于B/S結構的系統(tǒng)能夠通過Internet實現(xiàn)網上操作，打破時間和地域空間的限制，克服傳統(tǒng)管理方式下指導教師與學生必須見面交流或打電話交流等存在的不足。該信息化系統(tǒng)主要完成對畢業(yè)生選題的管理、教師指導課題至最終給出論文成績過程的管理以及管理員對學生和教師信息的管理等。
該信息化系統(tǒng)采用B/S三層體系結構：表示層、應用層和數(shù)據層，如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)三層體系結構圖
其中表示層提供應用程序的用戶界面，即客戶端瀏覽器，用戶通過瀏覽器訪問本系統(tǒng)；應用層實現(xiàn)業(yè)務功能，是系統(tǒng)的核心部分，這一層為表示層提供功能調用，同時它又通過調用數(shù)據層所提供的功能來訪問數(shù)據庫；數(shù)據層位于底層，以為接口，主要處理應用層對數(shù)據的請求。數(shù)據層可以對數(shù)據庫中存放的數(shù)據進行插入、修改和刪除等操作。
該信息化系統(tǒng)運用 3.5+CSS+C#技術，以Visual Web Developer 2008為開發(fā)平臺，基于B/S結構，使用IIS構架Web站點，以Access為后臺數(shù)據庫，通過訪問數(shù)據庫。
2 系統(tǒng)需求分析
根據畢業(yè)設計進行的過程，畢業(yè)論文信息管理系統(tǒng)主要分為三個模塊：管理員，教師和學生。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)，通過系統(tǒng)的身份驗證后，進入管理員界面進行操作。管理員主要進行公告公布，對用戶進行添加、刪除、密碼修改等操作。同時可以查看系統(tǒng)各類數(shù)據，提取及整理數(shù)據，將結果向上級報告。
學生用戶與教師用戶的功能相對應，先選報指導教師和相應課題。如果該學生未被所選報的指導教師選擇，可改選其他指導教師。若被指導教師選擇為所指導的學生，將不能再改報其他指導教師。選報指導教師成功的學生可以在該指導教師的課題方向中做出選擇，指導教師可以根據選報學生的具體情況確定該學生的選題，或指定該學生做某方向的課題。課題選定后學生方可進行畢業(yè)論文的相關工作，撰寫論文后上傳論文，并查看指導教師的點評，重新修改論文以及重新上傳論文。論文通過后，學生可以通過畢業(yè)論文信息管理系統(tǒng)查看自己的論文成績。
該信息化系統(tǒng)實現(xiàn)了畢業(yè)論文選題過程中的雙向選擇。學生可以選擇指導教師并選擇其提供的課題，同時指導教師也可以根據學生情況及課題的被選擇情況選擇合適的學生及其課題。使學生的論文選報工作靈活、高效。同時要求教師有較高的教學及論文指導水平，否則可能面臨沒有學生選報的尷尬處境。這也是教學改革中的一個重大進步。
3 系統(tǒng)的實現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)功能設計
根據系統(tǒng)需求分析，在整個系統(tǒng)中用戶登錄模塊首先進行身份（管理員、教師和學生）驗證。當身份驗證成功后，分別進入不同的模塊進行相應操作，具體的功能模塊圖如圖3所示。
圖3 功能模塊圖
3.2 數(shù)據庫設計
該信息化系統(tǒng)的功能就是在進入畢業(yè)論文信息管理系統(tǒng)后，教師指導學生進行畢業(yè)設計。系統(tǒng)數(shù)據庫主要包含學生表、教師表、管理員表、系統(tǒng)公告表和系統(tǒng)狀態(tài)表等。數(shù)據庫主要約束關系如圖4所示。
圖4 數(shù)據庫約束關系圖
3.3 功能實現(xiàn)
3.3.1 登錄功能
首先用戶通過登錄界面選擇相應的身份進行登錄，把用戶輸入的用戶名和密碼與數(shù)據庫中存儲的用戶名和密碼相比較，如果正確無誤則進入相應身份的操作頁面，如果錯誤，將進行提示。
本系統(tǒng)主要分三類用戶類型，將三類用戶登錄界面合而為一實現(xiàn)，只需選擇不同的用戶類型即可。實現(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 管理員功能的實現(xiàn)
管理員界面的功能包括公告、學生用戶管理、教師用戶管理、分組管理等。
導航菜單是一個系統(tǒng)的導航圖，用戶能快速、熟練地使用系統(tǒng)中的各個功能就必須要有一個清晰的導航菜單。導航菜單使用C#、CSS、圖片等技術實現(xiàn)，能夠點擊展開或收縮。并在右側顯示相應內容，便于操作。
3.3.3 教師功能實現(xiàn)
教師界面包括查看系統(tǒng)公告、學生信息、學生選報情況等，教師在此界面下可以對學生進行選擇等操作，修改密碼、課題方向和添加個人信息等。
3.3.4 學生功能實現(xiàn)
學生主界面包括查看教師信息，課題選擇、論文提交、查看點評、成績查詢、修改密碼等功能。
4 總結
基于B/S結構的畢業(yè)論文信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)了網上選題、網上指導學生進行畢業(yè)設計等工作，使得學生可以在任意地點、任意時間進行選題。同時實現(xiàn)了教師與學生的雙向選擇，既提高選題質量和效率，確保選題的公平、公正、合理，也為指導教師和學生順利高效地完成畢業(yè)論文整個工作提供了便利的平臺?！?/p>
參考文獻
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【關鍵詞】本科畢業(yè)設計 過程管理 信息系統(tǒng)
1 前言
高等學校本科畢業(yè)設計（論文）是本科實踐教學過程中的重要環(huán)節(jié)，更是本科教學計劃的最后一個重要環(huán)節(jié)，是衡量本科教育培養(yǎng)水平的重要依據。
如今，隨著社會的發(fā)展，高校教學規(guī)模的逐步擴大與深化、畢業(yè)設計（論文）任務布置環(huán)節(jié)的逐漸細化都將有效地促使畢業(yè)設計過程管理的信息化、現(xiàn)代化。然而，現(xiàn)階段畢業(yè)設計的過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高校連續(xù)擴招的要求，同時也對提高高校本科教學秘書的工作效率產生了制約。本論文在對本科畢業(yè)設計過程管理流程和方法研究的基礎上，希望通過在其中引入信息系統(tǒng)的應用，提高本科畢業(yè)設計工作的效率，從而進一步促進本科教學相關環(huán)節(jié)的進步。
2 本科畢業(yè)設計（論文）過程管理信息系統(tǒng)的應用探索
2.1 實際過程管理工作程序分析
為了完成本科畢業(yè)設計過程管理的信息化，有必要了解本科畢業(yè)設計過程管理工作的程序，從而為后續(xù)工作提供堅實的基礎。實際本科畢業(yè)設計過程管理工作程序有十余個階段，包括成立畢業(yè)設計指導組、教師題目申報、題目審查、公布題目學生選題、選題結果統(tǒng)計、實施階段、答辯資格審查、畢業(yè)設計論文評閱、畢業(yè)設計答辯、成績評定、畢業(yè)設計總結、整理歸檔。
2.2 實際過程管理工作問題分析
（1）學生?，F(xiàn)有工作程序下，學生在選題、開題、中期、答辯資格審查、答辯過程中需要多次重復填寫個人信息和論文信息，這不僅增加了學生的工作量，也給管理者的核對、整理、歸檔工作增加了負擔，而且由于數(shù)據量大，繁瑣復雜，工作中極易出現(xiàn)錯誤。
（2）教師。在現(xiàn)有工作程序下，教師在題目申報和審查過程中，需要多次提交、修改題目、背景等相關信息，如不能及時更新數(shù)據，將對后續(xù)工作的進行產生影響。
（3）管理者。畢業(yè)設計整個過程中，作為管理者要面臨來自學生、教師的各種信息數(shù)據，數(shù)量龐大，且需要隨時更新；學生選題和答辯資格審查仍然需要人工審核，無法實現(xiàn)與學?，F(xiàn)有教學系統(tǒng)數(shù)據的對接。
2.3 信息系統(tǒng)設計方案
2.3.1系統(tǒng)功能
本系統(tǒng)由相互管理的學生、教師、管理者共同組成。
（1）管理者
1）信息維護。通過現(xiàn)有教學管理系統(tǒng)導入學生、教師個人信息，設置操作權限，并對用戶信息進行添加、修改，畢業(yè)設計相關通知、公告。
2）審查管理。設置畢業(yè)設計題目、類型等基礎參數(shù)，審查教師申報題目、學生提交文檔及學生答辯資格，完成開題、中期檢查和畢業(yè)設計答辯成績錄入。
（2）教師
1）信息維護。對個人信息進行維護，申報、修改、刪除題目，查看申報題目審核狀態(tài)，查閱畢業(yè)設計通知、公告及學校相關管理規(guī)章制度。
2）審查管理。評閱論文，對論文進行修改、刪除，提交評閱分數(shù)、意見，對學生進行選擇，回答學生咨詢的問題。
（3）學生
1）信息維護。對個人信息進行維護，查閱畢業(yè)設計通知、公告及學校相關管理規(guī)章制度。
2）查閱管理。查閱指導教師信息、題目信息，提交論文，查看論文審核狀態(tài)，查看各階段評閱分數(shù)，向指導教師、評閱教師進行咨詢。
2.3.2方案設計
在對實際過程管理工作中問題分析的基礎上，提出信息系統(tǒng)管理方案。設計本科畢業(yè)設計過程管理信息系統(tǒng)，具體工作流程如下：
（1）準備基礎數(shù)據表。本系統(tǒng)需要準備多張相關基礎數(shù)據表，包括學生信息表、教師信息表、管理員信息表、題目選擇狀態(tài)表、相關文件表、專業(yè)信息表等。由管理員向系統(tǒng)直接導入學生、教師的相關文件及專業(yè)信息表，為后續(xù)畢設工作提供基礎數(shù)據。
（2）基礎數(shù)據操作。該階段由指導教師陸續(xù)在系統(tǒng)中錄入申報題目相關信息，管理員對教師所申報題目進行審查，審查通過的題目由管理員公布在系統(tǒng)，此時學生可以查閱題目信息及指導教師信息，并進行選題。選題結束后畢設工作正式開始，在開題和期中檢查過程中，學生需要在系統(tǒng)內完成相關信息的填寫，由檢查小組組長在系統(tǒng)內錄入學生各環(huán)節(jié)成績。
（3）評閱答辯階段。管理員通過系統(tǒng)對學生答辯資格進行審查，然后向教師分配論文評閱工作，教師使用系統(tǒng)評閱論文并錄入評分及評語。答辯結束后由答辯小組組長在系統(tǒng)內錄入學生答辯成績，系統(tǒng)根據規(guī)定比例自動計算學生總評成績。完成錄入工作后，系統(tǒng)自動生成相應表格并可以打印，方便整理歸檔。
3 結語
為了改善傳統(tǒng)畢業(yè)設計整個過程管理效果不佳的普遍問題，本文重點用現(xiàn)代高等教育理論方法，結合畢業(yè)設計（論文）教學管理的實踐， 提出了構建本科畢業(yè)設計（論文）教學管理的信息系統(tǒng)的解決方案，既規(guī)范畢業(yè)設計選題和管理過程，還可以綜合提升教師、學生、管理者的工作效率。
【參考文獻】
[1]趙潔.本科畢業(yè)設計（論文）教學管理信息系統(tǒng)的應用研究[J].廣東工業(yè)大學學報，2007，（6）.
