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超宽带(UWB,Ultra Wide Band)无线技术在无线电通信、雷达、跟踪、精确定位、成像、武器控制等众多领域具有广阔的应用前景,因此被认为是未来几年电信热门技术之一。1990年,美国国防部首先定义了“超宽带”概念,超宽带无线通信开始得到美国军方和政府部门的重视。2002年4月,美国FCC通过了超宽带技术的商用许可,超宽带无线通信在民用领域开始受到普遍关注。目前“超宽带”的定义只是针对信号频谱的相对带宽(或绝对带宽)而言,没有界定的时域波形特征。因此,有多种方式产生超宽带信号。其中,最典型的方法是利用纳秒级的窄脉冲(又称为冲激脉冲)的频谱特性来实现[1]。
超宽带无线电是对基于正弦载波的常规无线电的一次突破。几十年来,无线通信都是以正弦载波为信息载体,而超宽带无线通信则以纳秒级的窄脉冲作为信息载体。其信号产生、调制解调、信号隐蔽性、系统处理增益等方面,具有独特的优势,尤其是能够在密集的多径环境下实现高速传输。由于脉冲持续时间很短,多径分量在时域上不易重叠,多径分辨能力高,通过先进的多径分离技术或瑞克接收机,可以充分利用多径分量。
目前,典型的超宽带无线通信调制方式以TH-PPM、TH-PAM为主,本论文中,介绍超宽带无线通信中的调制技术,主要讨论TH-PPM、TH-PAM的基本原理,并且对比调制技术的优缺点,性能的好坏,并进行动态的仿真,从仿真图中较清楚的研究调制方式,从而得出正确的结论,细致的研究超宽带无线通信中的调制技术。
关键字:超宽带 调制方式 PPM调制 PAM调制 OFDM调制
2 概述
2.1 总述
近几年来,超宽带短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视。超宽带通信技术以其传输速率高、抗多径干扰能力强等优点成为短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。FCC(美国通信委员会) 对超宽带系统的最新定义是:相对带宽(在- 10dB 点处) (fH - fL)/fc > 20 %(fH ,fL ,fc分别为带宽的高端频率、低端频率和中心频率) 或者总带宽BW> 500MHz。[1]它与现有的无线电系统比较,在花费更小的制造成本的条件下,能够做到更高的数据传输速率(100~500MbPs) 、更强的抗干扰能力(处理增益50dB 以上) ,同时具有极好的抗多径性能和十分精确的定位能力(精度在cm 以内) 。
2.2 UWB基本原理
发射超宽带(UWB) 信号最常用和最传统的方法是发射一种时域上很短(占空比低达0. 5 %) 的冲激脉冲。这种传输技术称为“冲击无线电( IR) ”.UWB - IR 又被称为基带无载波无线电,因为它不像传统通信系统中使用正弦波把信号调制到更高的载频上,而是用基带信号直接驱动天线输出的[6];由信息数据对脉冲进行调制,同时,为了形成所产生信号的频谱而用伪随即序列对数据符号进行编码。因此冲击脉冲和调制技术就是超宽带的两大关键所在。
2.2.1 脉冲信号
从本质上讲,产生脉冲宽度为纳秒级的信号源是UWB 技术的前提条件。目前产生脉冲信号源的方法有两类: ①光电方法,基本原理是利用光导开关导通瞬间的陡峭上升沿获得脉冲信号。由于作为激发源的激光脉冲信号可以有很陡的前沿,所以得到的脉冲宽度可达到皮秒(10 - 12 ) 量级。另外,由于光导开关是采用集成方法制成的,可以获得很好的一致性,因此是最有发展前景的一种方法。②电子方法,利用微波双极性晶体管雪崩特性,在雪崩导通瞬间,电流呈“雪崩”式迅速增长,从而获得具有陡峭前沿的波形,成形后得到极短脉冲。在电路设计中,采用多个晶体管串行级联,使用并行同步触发的方式,加快了雪崩过程,从而达到进一步降低脉冲宽度的目的[7]。
冲激脉冲通常采用单周期高斯脉冲,典型的单周期高斯脉冲的时域和频域数学模型分别表示为:
(2-1)
(2-2)
单周期脉冲的宽度在纳秒级(0. 1~1. 5ns) ,重复周期为25~1000ns ,具有很宽的频谱,如图2-1 所示。实际通信中使用的是一长串的脉冲,由于时域中信号的周期性造成了频谱的离散化,周期性的单脉冲序列频谱中出现了强烈的能量尖峰。这些尖峰将会对信号构成干扰,通过数据信息和伪随机码来进行编码P调制,改变脉冲与脉冲间的时间间隔,可以降低频谱的尖峰幅度[2]。
图2-1 单周期脉冲的时间域和频率域的表示
2.2.2 UWB的调制技术
超宽带系统中信息数据对脉冲的调制方法可以有多种。脉冲位置调制( PPM) 和脉冲幅度调制(PAM) 是UWB 最常用的两种调制方式。通常UWB信号模型为:
(2-3)
其中,w ( t) 表示发送的单周期脉冲, dj , tj 分别表示单脉冲的幅度和时延。
a PAM- UWB
PAM是一种通过改变那些基于需传输数据的传输脉冲幅度的调制技术。在PAM调制系统中,一系列的脉冲幅度被用来代表需要传输的数据。任何形状的脉冲都是通过其幅度调制使传输数据在{ - 1 , + 1}之间变化(对于双极性信号) 或在M 个值之间变化(对于M 元PAM) 。增加传输脉冲所占的带宽或减少脉冲重复频率,都可以增加一个固定平均功率谱密度的UWB 系统所能达到的吞吐量和传输距离,可以看出这一效果与增加传输功率的峰值的效果是相似的。[8]
采用脉冲幅度调制(PAM)的超宽带信号波形如下:[4]
(2-4)
其中, dj 是信息序列, Tf 是脉冲重复周期。根据dj 的不同取值, 可将PAM调制方式分为以下三种:
(1) OOK(发送数据为1 ,UWB 信号的幅度为1 ;发送数据为0 ,UWB 信号的幅度为0) ;
(2)PPAM(发送数据为1 ,UWB 信号的幅度为β1 ;发送数据为0 ,UWB 信号的幅度为β2) ;
(3)BPSK(发送数据为1 ,UWB 信号的幅度为1 ;发送数据为0 ,UWB 信号的幅度为- 1) 。
对于这三种方式,在超宽带的PAM调制方式中多采用BPSK方式。
b PPM- UWB
脉冲位置调制(PPM) 又称时间调制(TM) ,是用每个脉冲出现的位置落后或超前某一标准或特定时刻来表示某个特定信息的[3]。二进制PPM 是超宽带无线通信系统经常使用的一种调制方法,相对其它调制方法来说也是较早使用的一种方法。采用PPM的一个重要原因是它能够使用零相差的相关接收机来接收检测信号,而这种接收机有着非常好的性能。采用脉冲位置调制( PPM) 的超宽带信号波形如下:
(2-5)
其中, dj 取0 或1 ,δ为调制因子, 与脉冲宽度Tm (1/Tf ) 是一个数量级。当发送数据为1 时脉冲就会相应滞后一个时延δ。
图2-2 给出了上述四种调制方法的信号波形图,对这四种调制方式给出了一个比较直观的描述。
除了这些对脉冲的调制方法外,用伪随机码或伪随机噪声(PN) 对数据符号进行编码以得到所产生信号的频谱时,根据编码的不同即扩频和多址技术不同,超宽带系统又被分为跳时的超宽带系统(TH - UWB) 、直扩的超宽带系统(DS - UWB) 、跳频的超宽带系统(FH - UWB) 和基带多载波超宽带系统(MC - UWB) 等[9]。
图2-2 不同调制方式的信号波形[4]
2.3 UWB 技术特点
由于UWB 与传统通信系统相比,工作原理迥异,因此UWB 具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点[4]:
(1)系统容量大。香农公式给出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出,带宽增加使信道容量的升高远远大于信号功率上升所带来的效应,这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。超宽带无线电系统用户数量大大高于3G系统。
(2)高速的数据传输。UWB 系统使用上GHz 的超宽频带,根据香农信道容量公式,即使把发送信号功率密度控制得很低,也可以实现高的信息速率。一般情况下,其最大数据传输速度可以达到几百Mbps~1Gbps。
(3)多径分辨能力强。UWB 由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率,窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠,很容易分离出多径分量,所以能充分利用发射信号的能量。实验表明,对常规无线电信号多径衰落深达10~30dB 的多径环境,UWB 信号的衰落最多不到5dB。
(4)隐蔽性好。因为UWB 的频谱非常宽,能量密度非常低,因此信息传输安全性高。另一方面,由于能量密度低,UWB 设备对于其他设备的干扰就非常低。
(5)定位精确。冲激脉冲具有很高的定位精度,采用超宽带无线电通信,可在室内和地下进行精确定位,而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内。与GPS 提供绝对地理位置不同,超短脉冲定位器可以给出相对位置, 其定位精度可达厘米级。
(6)抗干扰能力强。UWB 扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。UWB 的占空比一般为0. 01~0. 001 ,具有比其它扩频系统高得多的处理增益,抗干扰能力强。一般来说,UWB 抗干扰处理增益在50dB 以上。
(7)低成本和低功耗。UWB 无线通信系统接收机没有本振、功放、锁相环( PLL) 、压控振荡器(VCO) 、混频器等, 因而结构简单,设备成本将很低。由于UWB 信号无需载波,而是使用间歇的脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,一般在0. 20ns~1. 5ns之间,有很低的占空因数,所以它只需要很低的电源功率。一般UWB 系统只需要50~70mW 的电源,是蓝牙技术的十分之一[10]。尽管如此,UWB 在技术上面临一定的挑战, 还有诸多技术的问题有待研究解决,比如需要更好地理解UWB 传播信道的特点,建立信道模型,解决多径传播;需要进一步研究高速脉冲信号的生成、处理等技术;研究新的调制技术,进一步降低收发结构的复杂度等。
2.4 UWB发射机和接收机组成框图
2.4.1 UWB发射机组成框图
UWB发射机直接发送纳秒级脉冲来传输数据而不需使用载波电路。所以,UWB发射机比现有的无线发射设备要简单得多。TH-UWB发射机组成框图如图2-3所示[5]。
图2-3 UWB发射机组成框图
调制后的数据与伪码产生器生成的伪码一起送入可编程延迟电路,可编程延迟电路产生的时延控制脉冲信号发生器的发送时刻,脉冲信号发生器输出的UWB信号由天线辐射出去。脉冲信号产生电路的一个关键部分是天线,它的作用相当于一个滤波器。
2.4.2 UWB接收机组成框图
TH-UWB接收机采用相关接收方式,接收机框图如图4所示。图4中虚线内的部分是相关器。它由乘法器、积分器和取样/保持电路三部分组成[5]。
接收机与发射机类似,两者的区别在于接收机的基带信号处理器从取样/保持电路中解调数据,基带信号处理器的输出控制可编程时延电路,为可编程时延电路提供定时跟踪信号,保证相关器正确解调出数据。
图2-4 UWB接收机组成框图
2.5 UWB 技术的应用前景
UWB 系统在很低的功率谱密度的情况下,UWB具有巨大的数据传输速率优势,最大可以提供高达1000Mbps 以上的传输速率,使UWB 同其它短距离无线通信系统的技术优势非常明显,如表1 所示。现有的各种无线解决方案(例如802. 11 ,Bluetooth等) 的速率均低于100Mbit/s ,UWB 则在10m 左右的范围之内打破了这一限制,UWB 的应用将使人们可以摆脱更多线缆的牵绊,通信因而变得更为方便[6]。
2.6 结束语
无线通信已经迅速渗入我们的生活当中,对容量不断增长的要求需要一种不对现有的通信系统造成影响的新的无线通信方案,超宽带脉冲无线电系统正好满足了这一要求。UWB 技术对于无线短距离的高速数据通信是非常有竞争力的,随着研究的深入,凭借多方面的优势,它将在很多领域占有一席之地。特别是短距离传输的后3G领域,UWB 将有广阔的发展空间[8]。
表1 几种短距离无线通信比较
IEEE802. 11a
Bluetooth
UWB
工作频率
2. 4GHz
2. 402~2. 48GHz
3. 1~10. 6GHz
传输速率
54Mbps
小于1Mbps
大于480Mbps
通信距离
10m~100m
10m
小于10m
发射功率
1 瓦以上
1 毫瓦~100毫瓦
1 毫瓦以下
容量空间
80kbps/m2
30kbps/m2
1000kbps/m2
应用范围
无线局域网
家庭和办公室互连
近距离多媒体
终端类型
笔记本、台式电脑、掌上电脑、因特网网关
笔记本、移动电话、掌上电脑、移动设备
无线电视、DVD , 高速因特网网关
3 MATLAB 软件工具介绍
3.1 MATLAB语言的概述
MATLAB是一种科学计算软件,适用于工程应用各领域的分析设计与复杂计算,它使用方便,输入简捷,运算高效且内容丰富,很容易由用户自行扩展。因此,它已成为大学教学和科学研究中最常用且必不可少的工具。
MATLAB是“矩阵实验室”(MATrix LABoratoy)的缩写,它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言,着重针对科学计算、工程计算和绘图的需求。与其他计算机语言相比,其特点是简洁和智能化,适应科技专业人员的思维方式和书写习惯,使得编程和调试效率大大提高。它用解释方式工作,键入程序立即得出结果,人机交互性能好,为科技人员所乐于接受。特别是它可适应多种平台,并且随计算机硬、软件的更新而用时升级。因而,MATLAB语言是数值计算用得最频繁的电子信息类学科工具。它大大提高了课程教学、解题作业、分析研究的效率。
3.2 MATLAB的历史
在1980年前后,美国的Cleve Moler博士在New Mexico大学讲授线性代数课程时,发现应用其他高级语言编程极为不便,便构思并开发了MATLAB(MATrix LABoratory,矩阵实验室),它是集命令翻译、科学计算于一身的一套交互式软件系统,经过在该大学进行了几次的试用之后,于1984年推出了该软件的正式版本。它是以著名的线性代数软件包LINPACK和特征计算软件包EISPACK中的子程序为基础发展而成的一种开放型程序设计语言,其基本的数据单元是一个维数不加限制的矩阵,这就允许用户可以根据数值计算问题的复杂程序,对问题进行分段甚至逐句编程处理,显然这与C、FORTRAN等传统高级语言完全不同。在MATLAB下,矩阵的运算变得异常的容易,后来的版本中又增添了丰富多彩的图形图像处理及多媒体功能,使得MATLAB的应用范围越来越广泛,Moler博士等一批数学家与软件专家组建了名为MathWorks的软件开发公司,专门扩展并改进MATLAB。
为了准确地把一个控制系统的复杂模型输入给计算机,然后对之进行进一步的分析与仿真,1990年MathWorks软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具,并定名为SIMULAB,该工具很快在控制界得致函广泛的使用。但因其名字与著名的软件SIMULA类似,所以在1992年正式改名为SIMULINK。此软件有两个明显的功能:仿真与连接,亦即可以利用鼠标在模型窗口上画出所需的控制系统模型,然后利用该软件提供的功能来对系统直接进行仿真。很明显,这种做法使得一个很复杂系统的输入变得相当容易。SIMULINK的出现,更使得MATLAB的控制系统的仿真与其在CAD中的应用打开了崭新的局面。
3.3 MATLAB语言的特点
MATLAB语言有以下特点。
(1) 起点高
每个变量代表一个矩阵,以矩阵运算见长。当前的科学计算中,几乎无处不用矩阵运算,这使它的优势得到了充分的体现。
(2) 人机界面适合科技人员
MATLAB的语言规则与笔算式相似。MATLAB的程序与科技人员的书写习惯相近,因此,易写易读,易于在科技人员之间交流。矩阵的行列数无需定义。MATLAB不必有阶数定义,输入数据的行列数就决定了它的阶数。键入算式立即得到结果,无需编译。MATLAB是以解释方式工作的,即它对每条语句解释后立即执行,若有错误也立即做出反应,便于编程者立即改正。这些都大大减轻了编程和调试的工作量。
(3) 强大而简易的做图功能
能根据输入数据自动确定坐标绘图,能规定多种坐标系,(极坐标系、对数坐标系等),能绘制三维坐标中的曲线和曲面,可设置不同颜色、线型、视角等。如果数据齐全,通常只需一条命令即可出图。
(4) 智能化程度高
绘图时自动选择坐标,大大方便了用户;做数值积分时自动按精度选择步长;自动检测和显示程序错误的能力强,易于调试。
(5) 功能丰富,可扩展性强
MATLAB软件包括基本部分和专业扩展两大部分。
基本部分包括矩阵的运算和各种变换、代数和超越方程的求解、数据处理和傅立叶变换及数值积分等等。可以充分满足大学理工科学生的计算需要。
扩展部分称为工具箱。它实际上是用MATLAB的基本语句编成的各种子程序集,用于解决某一方面的专门问题,或实现某一类的新算法。现在已经有控制系统、信号处理、图像处理、系统辨识、模糊集合、神经元网络及小波分析等工具箱,并且向公式推导、系统仿真和实时运行等领域发展。
MATLAB的核心内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语句编写的。
3.4 MATLAB仿真
通过利用所学的理论知识,建立一个完整、准确的需求说明,清楚、准确地提出仿真试验所要解决的问题。
对所提出的仿真系统给出详细定义,明确系统中的模块、系统构成、模块之间的相互关系,系统的输入输出、边界条件以及系统的约束条件,并明确仿真所要达到的目标。
根据仿真系统分析的结果,确定系统中的参数、变量及其互之间的关系,并以数学形式将这些关系描述出来,从而构成仿真系统的数学模型。数学建模是系统仿真中最关键的一步,所建立的数学模型必须尽可能准确地反映所关心的真实系统的特性,而又不能过于复杂,以免降低模型的效率,增加不必要的计算过程,即建模需要根据求解问题的要求,在模型的近似程度与复杂程度之间折中。电子与通信系统的数学模型通常以方框图形式或数学方程形式来表达。
根据建立的数学模型所需要的数据元素,收集与模型系统有关的数据。根据数学模型建立系统的计算机仿真模型,收集数据,确定其中各子模块的结构,输入输出接口,输入输出的数据表达形式,数据的存储方式等。然后编制相应的程序流程,用MATLAB语言实现。
仿真模型验证的目的是确定计算机仿真模型是否准确表达了数学模型。仿真模型验证通常的方法是将数学模型的解析结果(或理论结果)与仿真所得到的数值结果相比较来完成的;或通过已知的系统输入输出结果,对比在相同条件下的系统仿真结果来验证仿真模型的正确性。
根据仿真试验设计的方案,让计算机执行计算,并在执行计算的过程中了解仿真模型对于各种不同输入信号以及不同参数和仿真机制下的输出,得出试验数据,从而预测系统在实际环境中的运行情况。
对仿真模型的运行阶段所产生的数据进行分析,其目的是从运行阶段所产生的数据中找出系统运行规律,对仿真系统的性能做出评价,为系统方案的最终决策提供辅助支持。对仿真结果进行分析,对仿真数据的可靠性、一致性、置信度等做出判定,最终将仿真结果以曲线、图表和文字等形式形成论文。
4 超宽带无线的调制技术
发射超宽带(UWB)信号最常用和最传统的方法是发射时域上很短的脉冲。这种传输技术称为“冲激无线电”(Impulse Radio,简写为IR)。信息数据符号对脉冲进行调制,其调制方式可以有多种。脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)是最常用的两种调制方式。除了要对脉冲进行调制外,为了形成所产生的信号的频谱,还要用伪随机码或伪随机噪声(PN)对数据符号进行编码。一般是,编码后的数据符号引起脉冲在时间轴上的偏移,这就是所谓的跳时超宽带(TH-UWB,Time-Hopping UWB)。直接序列扩谱(DS-SS)就是编码后的数据符号对基本脉冲的幅度进行调制,这在冲激无线电(IR)中被称为直接序列超宽带(DS-UWB,Direct-Sequence UWB),这种调制方式似乎非常有吸引力[1]。
对于超宽带信号,也可以通过很高的数据速率来产生而根本不需要具备脉冲的特性。只要UWB定义所要求的相对带宽或最小带宽在整个传输过程中得到满足,那么,靠发射高速率数据而不是窄脉冲所产生的具有UWB射频带宽的系统,就不应该被排除在UWB系统之外。诸如正交频分复用(OFDM),在数据速率适当的情况下也可产生UWB信号。因此,OFDM也是一种超宽带的调制方式。
本文主要讨论TH-UWB、DS-UWB和OFDM调制方式。
4.1 PPM-TH-UWB 调制方式
4.1.1 跳时超宽带信号的产生
在结合了二进制PPM的TH-UWB(二进制PPM-TH-UWB或者PPM-TH-UWB)中,UWB信号的产生可以系统地描述如下(参见图4-1描绘的发射链路) [1]。
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图4-1 PPM-TH-UWB信号的发射方案
给定待发射的二进制序列b=(…,b0,b1,…,bk,bk+1,…),其速率Rb=1/Tb (b/s),图4-1中的第一个模块使每个比特重复Ns次,产生一个二进制序列:
(…,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)。这个模块引入了冗余,其实是一种被称为重复码的(Ns,1)分组编码器。一般术语上称为信道编码。
第二个模块是传输编码器,就是应用整数值码序列c=(…,c0,c1,…,cj,cj+1,…)和二进制序列a=(…,a0,a1,…,aj,aj+1,…),产生一个新序列d,序列d的一般元素表达式如下:
dj=cjTc+aj (4-1)
式中,Tc和 是常量,对所有的cj满足条件cjTc+ <Ts,通常 <Tc。
这里的d是一个实数值序列,而a是二进制序列,c是整数值序列.现在我们遵循最常用的方法,假定c是企业界随机码序列,它的元素cj是整数,且满足
0 cj Nh-1。 码序列c可能为周期序列,其周期表示为Np。两种特殊情况值得讨论。第一种,码是非周期的,即 ;第二种是Np=Ns,这是最常用的一种,这时的编码周期与二进制码重复的次数相等。我们必须牢记:传输编码扮演了码分多址编码和发射信号的频谱形成双重角色[1]。
实数值序列d输入到第三个模块,即PPM调制模块,产生了一个速率为Rp=Ns/Tb=1/Ts(脉冲/s)的单位脉冲(Dirac pulses ) 序列。这些脉冲在时间轴上的位置为 ,因此脉冲位置在jTs基础上偏移了dj,脉冲的发生时间也可表示为( )。注意是码序列对c信号引入了TH位移,也正因为此,c被称为TH码。还要注意一点就是由PPM调制引起的位移 ,通常比TH码引起的位移cjTc小得多,即: ,cj=0除外。Tc称为码片时间(chip time)。
最后一个模块是脉冲形成滤波器,其冲激响应为。必须保证脉冲形成滤波器输出的脉冲序列不能有任何的重叠。
以上所有系统级联以后的输出信号 可表示如下:
(4-2)
比特间隔或比特持续时间,也即用于传输一个比特的时间Tb,可表示为:Tb=NsTs。在式(4-2)中,cjTc定义了脉冲的随机性或者说是相对于Ts整数倍时刻的抖动。如果用随机TH抖动 来表示由TH编码cjTc引起的时间上的位移,并假定 在0和 之间分布,则可得到:
(4-3)
正如前面提到的, 通常远大于 。这两个量的整体效果是产生一个分布在0和 之间的时间随机位移量,用 表示这个时间随机位移,可得发射信号的如下表达式:
(4-4)
更一般性地概括式(4-2)所表示的信号,其思想是:对于信息比特“0”和“1”,可以发射两个不同的脉冲波形 和 来分别表示。上面分析的PPM调制的例子,引入了 这个时间位移量,它的值根据它所代表的比特而有所不同,其实是上述思想的特殊例子,其中的 是 位移以后的波形。一种更一般的表达式:
(4-5)
当将 设置为- 时,式(4-5)也表示了PAM和TH-UWB的结合,即PAM-TH-UWB模型[1]。
4.1.2 PPM-TH-UWB的发射链路 系统模型如图4-2所示
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图4-2 PPM-TH-UWB 发射器的系统模型
图4-2中的第一个模块表示二进制源。这个模块的输出是发射到物理信道的二进制流。第二个模块表示重复码编码器。二进制流的每一个比特都被重复次。第三个模块仿真TH编码和二进PPM。这里考虑伪随机TH码。最后一个模块是脉冲形成。这个模块的冲激响应表示要发射的UWB信号的基本脉冲波形[1]。
4.1.3 PPM-TH-UWB 仿真结果及其分析
图(4-3)显示了参数设置如下时所产生的UWB信号
以dBm为单位的平均发射功率Pow, 信号的抽样频率fc, 由二进制源产生的比特数numbits, 平均脉冲重复时间Ts(单位为秒),每个比特映射的脉冲数Ns, 码片时间Tc(秒), 跳时码的码元最大值Nh和周期Np,冲激响应持续时间Tm, 脉冲波形形成因子tau(秒), PPM时移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
由图4-3中可以看到输出序列的前五个脉冲在其对应时隙的中间位置,而后五个脉冲则在其对应时隙的起始位置。
图4-3 PPM-TH-UWB 发射机产生的信号
图4-4 PPM-TH-UWB的幅度谱
由图4-4可以看出,TH编码和PPM调制都对幅度谱的高斯形状产生扭曲。PPM-TH-UWB信号的幅度谱将完全包含在无TH编码和无PPM调制的幅度谱包络中,这是因为以同样的形状和同样的平均功率传输等间隔脉冲的结果。
4.2 PAM-DS-UWB调制方式
4.2.1 直接序列超宽带信号的产生
直接序列扩谱(DS-SS)是一种著名的数字调制方式。这里,我们先回顾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特性的信号可以通过下面的过程产生:首先,用伪随机码或二进制PN码序列对要发射的二进制进行编码;其次,对一串窄脉冲进行幅度调制。这一过程可以看做是目前使用DS-SS系统的一种极端方式,此时脉冲在时域上是具有典型时间的奈奎斯特型脉冲或方波。让脉冲宽度远远小于切普间隔,很容易得到DS-SS-UWB的解析表达式。在传统的DS-SS系统中,RF发射信号是对载波进行幅度调制后得到的,通常使用二进制相移键控BPSK方式。而在DS-UWB中,如果没有专门的要求,这一过程可省略。[1]
更详细地,上述信号可以通过如下过程产生(见图所示发射链路)。
SHAPE \* MERGEFORMAT 图4-5 PAM-DS-UWB 信号的发射方案
假定待发射的二进制序列b=(…,b0,b1,…,bk,bk+1,…),其速率为Rb=1/Tb (b/s),图4-5中的第一个系统将每个比特重复Ns次,得到序列:(…,b0,b0,…,b0,b1,b1,…,b1,…,bk,bk,…,bk,bk+1,bk+1,…,bk+1,…)=a*,其速率为Rcb=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。与TH方式相似,系统引入的冗余相当于一个参数为(Ns,1)的重复码编码器。
第二个系统将a*序列转换成只含有正值和负值元素的序列a=(…,a0,…,a1,…,aj,aj+1,…),转换公式为:( ).
发射编码器将一个由 1组成、周期为Np的二进制码序列c=(…,c0,c1,…,cj,cj+1,…)应用到序列a=(…,a0,…,a1,…,aj,aj+1,…),产生一个新序列d=a·c,其组成元素dj=ajcj。通常假定Np等于Ns,更具一般性的假定是Np等于Ns的整数倍。注意,序列d的元素值为 1,这一点与序列a相同,其速率为Rc=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。
序列d进入第三个系统——PAM调制器,产生一个速率为Rp=Ns/Tb=1/Ts (脉冲/s)的单位脉冲(Dirac脉冲 )序列,其位置在jTs处[6]。
调制器输出的信号进入冲洲响应为p(t)的脉冲形成滤波器。在传统的DS-SS系统中,冲激响应p(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲。而在DS-UWB系统中,与TH方式相似,p(t)是持续时间远小于Ts的脉冲。
以上系统级联后的输出信号可以表示为
(4-6)
注意,与TH方式相似,比特间隔或比特持续时间,即传输一个比特所用的时间是Tb=NsTs。
输出的波形显然是一个PAM波形。很容易知道,由于没有时移而且脉冲以规则的时间间隔出现,计算式(4-6)所示信号的PSD要比计算式(4-2)所示信号的PSD更容易。
上述方式的一种变形是使用PPM调制器代替PAM调制器,得到的信号可表示为:
(4-7)
注意到在式(4-7)中,由于码的伪随机特性,编码会起到白化频谱的作用。
4.2.2 PAM-DS-UWB 发射链路 其系统模型如图4-6所示.
SHAPE \* MERGEFORMAT
图4-6 PAM-DS-UWB 发射机系统模型
图4-6中的前两个模块分别表示二进制源和重复码编码器。第三个模块是在重复码编码器的输出端实现DS编码和二进制PAM调制。我们考虑伪随机DS码,分配给一般用户的是长度为NP的二进制码序列。最后一个模块是脉冲形成器[1]。
4.2.3 PAM-DS-UWB 仿真结果及其分析
图4- 7 由PAM-DS-UWB发射机产生的信号
图(4-7)显示了参数设置如下时所产生的UWB信号
以dBm为单位的平均发射功率Pow, 信号的抽样频率fc, 由二进制源产生的比特数numbits, 平均脉冲重复时间Ts(单位为秒),每个比特映射的脉冲数Ns, 码片时间Tc(秒), 跳时码的码元最大值Nh和周期Np,冲激响应持续时间Tm, 脉冲波形形成因子tau(秒), PPM时移dPPM(秒)。
Stx: Pow=-30, fc=50e9, numbits =2, Ts=2e-9,
Ns=10, Np=10, Tm=0.5e-9,
tau=0.25e-9,
这个信号由两组脉冲序列组成,每组包含10个脉冲,每组映射信息源的一个比特。从图4-7中可以看出每二组的10个脉冲与第一组的10个脉冲在极性上是相反的。
图4-8 PAM-DS-UWB的幅度谱
由图4-8可以看出,幅度谱的包络具有基本脉冲的傅氏变换的形状,即高斯形状。且Np(信号每比特发射脉冲数)值越大,图形分布越宽,即幅度峰值越小。
4.3 OFDM调制技术
4.3.1 概述
多频带(MB)方式与本章前两节分析研究的IR原理不同。根据2002年,FCC公布的UWB定义,带宽超过500MHz的信号都是UWB信号。因此,按照FCC规定的频带范围3.1~10.6GHz,将此7.5 GHz的带宽分割成最小带宽为500MHz的若干个频带。为了尽量减小同窄带通信系统的相互干扰,UWB采用较小的功率,于是UWB信号对于窄带通信系统来说相当于热噪声,并不被窄带通信系统的接收机检测到,也可以避免特定频带上的非人为干扰[1]。
在每个子频带内可以使用不同的数据调制类型,并不一定要用IR方式,正确的频谱带宽可以通过合适的比特速率实现。应用最广泛的是众所周知的正交频分复用(OFDM)。
4.3.2 多频段OFDM-UWB信号产生
一个已调的OFDM信号由调制在不同载波频率 上的同个并行发射的信号组成。这些载波等间隔地位于频域上,其间隔为 。OFDM调制器输入的二进制序列每K比特编为一组,以产生具有N个符号的数据块{ },这里假定 是L个可能的取值中的一个,K=N1bL。最后,每个符号调制一个不同的载波。为了并行传输数据块的N个符号,不同的调制载波信号在频率上必须正交[8]。
所有调制器使用相同的矩形波,其持续时间为T:
(4-8)
如果符号 在星座图中的点用 表示,OFDM信号中有N个符号的数据块的表达式如下[1]:
(4-9)
而相应的复包络是
(4-10)
其中 ,S(t)是周期为T0的周期函数。
式(4-9)中OFDM信号的数字变换相当于传输式(4-10)中复数包络的抽样值,也就是说传输序列可表示如下:
(4-11)
tc是抽样周期。
仿真OFDM调制信号,考虑的是OFDM各个载波使用QPSK调制的情况。仿真整个发射链路,产生式(4-9)的信号。
4.3.3 OFDM仿真结果及其分析 要发射的总比特数numbits; 调制信号的中心频率fp; 抽样频率fc; 每个符号在其相应载波上的传输时间T0; 循环前缀的持续时间TP;保护间隔时间TG, 矩形脉冲响应的幅度为A, OFDM系统的子载波数N。
(1) numbits=8; fp=1e9; fc=50e9; T0=242.4e-9;
TP=60.6e-9; TG=70.1e-9; A=1; N=4;
图4-9 OFDM-UWB信号
图4-10 OFDM-UWB幅度谱
图4-10中的幅度谱由子载波的幅度谱叠加而成。
(2)numbits=8; fp=1e9; fc=50e9; T0=242.4e-9;
TP=0; TG=50e-9; A=1; N=2;
图4-11 OFDM-UWB信号图
图4-11 OFDM-UWB信号幅度谱
对比以上两图,可以看出,在同样的时间里为了传输更多的符号,是以增加带宽为代价的,也就是增加子载波的数量。
4.4 总结
通过一系列的仿真,我们可以得出以下结论:PAM、PPM两种调制方法主要是为了进行信息数据符号对脉冲的调制,而信号中的伪随机TH码和DS码主要是为了产生信号的频谱,使信号的功率谱密度在采用伪随机码调制后变得更加平滑,不能干扰到其它已经存在的窄带系统[9]。
OFDM具有良好的抗多径干扰性能,通过频率的合理选择,能够同现存的窄带系统和开放频段的通信系统具有很好的共存性,同传统的超宽带系统相比有很大的优势[11]。
5 性能分析及应用前景
5.1 脉位调制(PPM)和脉幅调制(PAM)
脉位调制(PPM)是一种利用脉冲位置承载数据信息的调制方式。按照采用的离散数据符号的状态数可以分为二进制PPM(2PPM)和多进制(MPPM)。在这种调制方式中,一个脉冲重复周期内脉冲可能出现的位置有2个或M个,脉冲位置与符号状态一一对应。根据相邻脉位之间距离与脉冲宽度之间关系,又可分为部分重叠的PPM和正交PPM(OPPM)。在部分重叠的PPM中,为保证系统传输可靠性,通常选择相邻脉位互为脉冲自相关函数的负峰值点,从而使相邻符号的欧氏距离最大化。在OPPM中,通常以脉冲宽度为间隔确定脉冲位置。接收机利用相关器在相应位置进行相干检测。鉴于UWB系统的复杂度和功率限制,实际应用中,常用的调制方式为2PPM或2OPPM[3]。
PPM的优点在于:它仅需要根据数据符号控制脉冲位置,不需要进行脉冲幅度和极性的控制,便于以较低的复杂度实现调制与解调。因此,PPM是UWB系统广泛采用的调制方式。但是,由于PPM信号为单极性,其辐射谱中往往存在幅度较高的离散谱线。对此超宽带信号的幅度谱仿真也证明了这一点。如果不对这些谱线进行抑制,将很难满足FCC对辐射谱的要求[10]。
脉幅调制(PAM)是数据通信系统最为常用的调制方式之一。在UWB系统中,考虑到实现复杂度和功率有效性,不宜采用多进制PAM(MPAM)。UWB系统常用的PAM有两种方式:开关键控(OOK)和二进制相移键控(BPSK)。前者可以采用非相干检测降低接收机复杂度,而后者采用相干检测可以更好地保证传输可靠性[3]。
当发射能量相同时,使用二进制PAM调制的信号可以比使用二进制PPM调制的信号获得更好的性能。
5.2 OFDM调制
OFDM有很多优点:能够提供较大的系统容量,具有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力,适应多径和移动信道传播条件,能够适应不同设计需求,灵活分配数据容量和功率,可提供灵活的高速和变速综合数据传输可以实现较高的安全传输性能,允许数据在复数的高速的射频上被编码。由于OFDM技术的良好性能使得它在无线通信系统中得到了广泛的应用[12]。
OFDM技术是将频道资源分成若干个子信道,每个子信带再采用一定的调制技术,提高频率利用率。OFDM可与PPM、PAM等结合使用,将会有性能更好的调制技术出现。
5.3 UWB的应用前景
超宽带技术在通信、雷达和无线定位等领域都将有广阔的应用前景。近年来,人们对超宽带技术深入的研究使超宽带技术在系统理论、功率放大器、脉冲的产生与接收、同步、集成电路等方面取得了重大进步,尤其是在超宽带无线产生领域的技术进步,使超宽带通信成为无线网络的重要组成部分成为可能。
相对于传统的窄带无线通信系统,超宽带无线产生系统具有诸多优点和潜力,使超宽带无线产生成为中短距无线网络的理想接入技术。根据产生速率不同,挤兑超宽带无线传输系统也具有不同的特点和应用领域。
利用超宽带技术可以提供高数据率传输的能力与定位功能,可以设计依赖定位信息优化网络资源管理的WPAN或WLAN,并应用于多媒体传输、计算机通信和家庭娱乐等领域。
利用脉冲超宽带信号对障碍物的良好穿透特性与精确测距功能,可以设计既具有通信功能也具有定位功能的超宽带脉冲无线通信与定位系统。该系统包括传输距离远(通信速率低)、颁布式移动定位、便携、超低成本、超低功耗、定位可靠性和精度高等特点。因而可以广泛用于传感器网络、消防、公共安全、库存盘点、人员监护与救生等重要领域。利用超宽带脉冲信号低截获概率、保密性高和体积小的优点,该系统还可以应用与侦察、情报收集、伤员救护、武器制导等军事领域[8]。
超宽带信号具有很低的辐射功率,而这样的辐射功率分布在某些方面GHz的频率范围内,功率谱密度极低,类似白噪声频谱,具有低干扰、低截获概率特性;同时由于使用窄脉冲为信号载体并采用跳时扩频,接收端必须已知发射端扩频码的条件下才能解调出发射数据来,加上它对多径干扰具有很好的鲁棒特性,非常适合在军事保密通信的应用。非常低的辐射功率可以避免过量的电磁波对人体的伤害[7]。
结论
超宽带无线通信技术是目前发展的热门技术。它以其自身的优点,被研究人员广泛关注。超宽带无线电技术大体包括基带脉冲传输方式和带通载波调制传输的方式两大类。脉冲传输的特点是把信息调制在离散脉冲信号上发射,而带通载波调制传输的特点则是把信息调制在正弦载波上发射。本论文是以采用基带脉冲传输技术的经典超宽带无线电通信系统为基础进行研究的。
为了更好地了解超宽带通信系统,本文先概括地介绍了超宽带无线通信的基础知识。接着将仿真的基本工具MATLAB的使用说明简单介绍。然后,重点介绍超宽带通信的调制方式,主要包括对TH-PPM、DS-PAM和OFDM调制方式的介绍,并通过仿真图像加以对比,说明调制方式的优缺点。
常采用不同的调制方案,对系统传输速率、搞多径干扰能力有很大影响。对它们进行分析比较,对系统调制信号的设计具有一定的参考意义。通常,在一个通信系统中,应用何种调制方式不仅要看调制方式本身性能,还要根据系统总的设计加以考虑。
参考文献
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[11] Jeffrey H.Miller,”Why UWB? A Review of Ultrawideband Technology”, NETEX
超宽带(UWB,Ultra Wide Band)无线技术在无线电通信、雷达、跟踪、精确定位、成像、武器控制等众多领域具有广阔的应用前景,因此被认为是未来几年电信热门技术之一。1990年,美国国防部首先定义了“超宽带”概念,超宽带无线通信开始得到美国军方和政府部门的重视。2002年4月,美国FCC通过了超宽带技术的商用许可,超宽带无线通信在民用领域开始受到普遍关注。目前“超宽带”的定义只是针对信号频谱的相对带宽(或绝对带宽)而言,没有界定的时域波形特征。因此,有多种方式产生超宽带信号。其中,最典型的方法是利用纳秒级的窄脉冲(又称为冲激脉冲)的频谱特性来实现[1]。
超宽带无线电是对基于正弦载波的常规无线电的一次突破。几十年来,无线通信都是以正弦载波为信息载体,而超宽带无线通信则以纳秒级的窄脉冲作为信息载体。其信号产生、调制解调、信号隐蔽性、系统处理增益等方面,具有独特的优势,尤其是能够在密集的多径环境下实现高速传输。由于脉冲持续时间很短,多径分量在时域上不易重叠,多径分辨能力高,通过先进的多径分离技术或瑞克接收机,可以充分利用多径分量。
目前,典型的超宽带无线通信调制方式以TH-PPM、TH-PAM为主,本论文中,介绍超宽带无线通信中的调制技术,主要讨论TH-PPM、TH-PAM的基本原理,并且对比调制技术的优缺点,性能的好坏,并进行动态的仿真,从仿真图中较清楚的研究调制方式,从而得出正确的结论,细致的研究超宽带无线通信中的调制技术。
关键字:超宽带 调制方式 PPM调制 PAM调制 OFDM调制
2 概述
2.1 总述
近几年来,超宽带短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视。超宽带通信技术以其传输速率高、抗多径干扰能力强等优点成为短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。FCC(美国通信委员会) 对超宽带系统的最新定义是:相对带宽(在- 10dB 点处) (fH - fL)/fc > 20 %(fH ,fL ,fc分别为带宽的高端频率、低端频率和中心频率) 或者总带宽BW> 500MHz。[1]它与现有的无线电系统比较,在花费更小的制造成本的条件下,能够做到更高的数据传输速率(100~500MbPs) 、更强的抗干扰能力(处理增益50dB 以上) ,同时具有极好的抗多径性能和十分精确的定位能力(精度在cm 以内) 。
2.2 UWB基本原理
发射超宽带(UWB) 信号最常用和最传统的方法是发射一种时域上很短(占空比低达0. 5 %) 的冲激脉冲。这种传输技术称为“冲击无线电( IR) ”.UWB - IR 又被称为基带无载波无线电,因为它不像传统通信系统中使用正弦波把信号调制到更高的载频上,而是用基带信号直接驱动天线输出的[6];由信息数据对脉冲进行调制,同时,为了形成所产生信号的频谱而用伪随即序列对数据符号进行编码。因此冲击脉冲和调制技术就是超宽带的两大关键所在。
2.2.1 脉冲信号
从本质上讲,产生脉冲宽度为纳秒级的信号源是UWB 技术的前提条件。目前产生脉冲信号源的方法有两类: ①光电方法,基本原理是利用光导开关导通瞬间的陡峭上升沿获得脉冲信号。由于作为激发源的激光脉冲信号可以有很陡的前沿,所以得到的脉冲宽度可达到皮秒(10 - 12 ) 量级。另外,由于光导开关是采用集成方法制成的,可以获得很好的一致性,因此是最有发展前景的一种方法。②电子方法,利用微波双极性晶体管雪崩特性,在雪崩导通瞬间,电流呈“雪崩”式迅速增长,从而获得具有陡峭前沿的波形,成形后得到极短脉冲。在电路设计中,采用多个晶体管串行级联,使用并行同步触发的方式,加快了雪崩过程,从而达到进一步降低脉冲宽度的目的[7]。
冲激脉冲通常采用单周期高斯脉冲,典型的单周期高斯脉冲的时域和频域数学模型分别表示为:
(2-1)
(2-2)
单周期脉冲的宽度在纳秒级(0. 1~1. 5ns) ,重复周期为25~1000ns ,具有很宽的频谱,如图2-1 所示。实际通信中使用的是一长串的脉冲,由于时域中信号的周期性造成了频谱的离散化,周期性的单脉冲序列频谱中出现了强烈的能量尖峰。这些尖峰将会对信号构成干扰,通过数据信息和伪随机码来进行编码P调制,改变脉冲与脉冲间的时间间隔,可以降低频谱的尖峰幅度[2]。
图2-1 单周期脉冲的时间域和频率域的表示
2.2.2 UWB的调制技术
超宽带系统中信息数据对脉冲的调制方法可以有多种。脉冲位置调制( PPM) 和脉冲幅度调制(PAM) 是UWB 最常用的两种调制方式。通常UWB信号模型为:
(2-3)
其中,w ( t) 表示发送的单周期脉冲, dj , tj 分别表示单脉冲的幅度和时延。
a PAM- UWB
PAM是一种通过改变那些基于需传输数据的传输脉冲幅度的调制技术。在PAM调制系统中,一系列的脉冲幅度被用来代表需要传输的数据。任何形状的脉冲都是通过其幅度调制使传输数据在{ - 1 , + 1}之间变化(对于双极性信号) 或在M 个值之间变化(对于M 元PAM) 。增加传输脉冲所占的带宽或减少脉冲重复频率,都可以增加一个固定平均功率谱密度的UWB 系统所能达到的吞吐量和传输距离,可以看出这一效果与增加传输功率的峰值的效果是相似的。[8]
采用脉冲幅度调制(PAM)的超宽带信号波形如下:[4]
(2-4)
其中, dj 是信息序列, Tf 是脉冲重复周期。根据dj 的不同取值, 可将PAM调制方式分为以下三种:
(1) OOK(发送数据为1 ,UWB 信号的幅度为1 ;发送数据为0 ,UWB 信号的幅度为0) ;
(2)PPAM(发送数据为1 ,UWB 信号的幅度为β1 ;发送数据为0 ,UWB 信号的幅度为β2) ;
(3)BPSK(发送数据为1 ,UWB 信号的幅度为1 ;发送数据为0 ,UWB 信号的幅度为- 1) 。
对于这三种方式,在超宽带的PAM调制方式中多采用BPSK方式。
b PPM- UWB
脉冲位置调制(PPM) 又称时间调制(TM) ,是用每个脉冲出现的位置落后或超前某一标准或特定时刻来表示某个特定信息的[3]。二进制PPM 是超宽带无线通信系统经常使用的一种调制方法,相对其它调制方法来说也是较早使用的一种方法。采用PPM的一个重要原因是它能够使用零相差的相关接收机来接收检测信号,而这种接收机有着非常好的性能。采用脉冲位置调制( PPM) 的超宽带信号波形如下:
(2-5)
其中, dj 取0 或1 ,δ为调制因子, 与脉冲宽度Tm (1/Tf ) 是一个数量级。当发送数据为1 时脉冲就会相应滞后一个时延δ。
图2-2 给出了上述四种调制方法的信号波形图,对这四种调制方式给出了一个比较直观的描述。
除了这些对脉冲的调制方法外,用伪随机码或伪随机噪声(PN) 对数据符号进行编码以得到所产生信号的频谱时,根据编码的不同即扩频和多址技术不同,超宽带系统又被分为跳时的超宽带系统(TH - UWB) 、直扩的超宽带系统(DS - UWB) 、跳频的超宽带系统(FH - UWB) 和基带多载波超宽带系统(MC - UWB) 等[9]。
图2-2 不同调制方式的信号波形[4]
2.3 UWB 技术特点
由于UWB 与传统通信系统相比,工作原理迥异,因此UWB 具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点[4]:
(1)系统容量大。香农公式给出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出,带宽增加使信道容量的升高远远大于信号功率上升所带来的效应,这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。超宽带无线电系统用户数量大大高于3G系统。
(2)高速的数据传输。UWB 系统使用上GHz 的超宽频带,根据香农信道容量公式,即使把发送信号功率密度控制得很低,也可以实现高的信息速率。一般情况下,其最大数据传输速度可以达到几百Mbps~1Gbps。
(3)多径分辨能力强。UWB 由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率,窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠,很容易分离出多径分量,所以能充分利用发射信号的能量。实验表明,对常规无线电信号多径衰落深达10~30dB 的多径环境,UWB 信号的衰落最多不到5dB。
(4)隐蔽性好。因为UWB 的频谱非常宽,能量密度非常低,因此信息传输安全性高。另一方面,由于能量密度低,UWB 设备对于其他设备的干扰就非常低。
(5)定位精确。冲激脉冲具有很高的定位精度,采用超宽带无线电通信,可在室内和地下进行精确定位,而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内。与GPS 提供绝对地理位置不同,超短脉冲定位器可以给出相对位置, 其定位精度可达厘米级。
(6)抗干扰能力强。UWB 扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。UWB 的占空比一般为0. 01~0. 001 ,具有比其它扩频系统高得多的处理增益,抗干扰能力强。一般来说,UWB 抗干扰处理增益在50dB 以上。
(7)低成本和低功耗。UWB 无线通信系统接收机没有本振、功放、锁相环( PLL) 、压控振荡器(VCO) 、混频器等, 因而结构简单,设备成本将很低。由于UWB 信号无需载波,而是使用间歇的脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,一般在0. 20ns~1. 5ns之间,有很低的占空因数,所以它只需要很低的电源功率。一般UWB 系统只需要50~70mW 的电源,是蓝牙技术的十分之一[10]。尽管如此,UWB 在技术上面临一定的挑战, 还有诸多技术的问题有待研究解决,比如需要更好地理解UWB 传播信道的特点,建立信道模型,解决多径传播;需要进一步研究高速脉冲信号的生成、处理等技术;研究新的调制技术,进一步降低收发结构的复杂度等。
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2.4 UWB发射机和接收机组成框图
2.4.1 UWB发射机组成框图
UWB发射机直接发送纳秒级脉冲来传输数据而不需使用载波电路。所以,UWB发射机比现有的无线发射设备要简单得多。TH-UWB发射机组成框图如图2-3所示[5]。
图2-3 UWB发射机组成框图
调制后的数据与伪码产生器生成的伪码一起送入可编程延迟电路,可编程延迟电路产生的时延控制脉冲信号发生器的发送时刻,脉冲信号发生器输出的UWB信号由天线辐射出去。脉冲信号产生电路的一个关键部分是天线,它的作用相当于一个滤波器。
2.4.2 UWB接收机组成框图
TH-UWB接收机采用相关接收方式,接收机框图如图4所示。图4中虚线内的部分是相关器。它由乘法器、积分器和取样/保持电路三部分组成[5]。
接收机与发射机类似,两者的区别在于接收机的基带信号处理器从取样/保持电路中解调数据,基带信号处理器的输出控制可编程时延电路,为可编程时延电路提供定时跟踪信号,保证相关器正确解调出数据。
图2-4 UWB接收机组成框图
2.5 UWB 技术的应用前景
UWB 系统在很低的功率谱密度的情况下,UWB具有巨大的数据传输速率优势,最大可以提供高达1000Mbps 以上的传输速率,使UWB 同其它短距离无线通信系统的技术优势非常明显,如表1 所示。现有的各种无线解决方案(例如802. 11 ,Bluetooth等) 的速率均低于100Mbit/s ,UWB 则在10m 左右的范围之内打破了这一限制,UWB 的应用将使人们可以摆脱更多线缆的牵绊,通信因而变得更为方便[6]。
2.6 结束语
无线通信已经迅速渗入我们的生活当中,对容量不断增长的要求需要一种不对现有的通信系统造成影响的新的无线通信方案,超宽带脉冲无线电系统正好满足了这一要求。UWB 技术对于无线短距离的高速数据通信是非常有竞争力的,随着研究的深入,凭借多方面的优势,它将在很多领域占有一席之地。特别是短距离传输的后3G领域,UWB 将有广阔的发展空间[8]。
表1 几种短距离无线通信比较
家庭和办公室互连
笔记本、台式电脑、掌上电脑、因特网网关
无线电视、DVD , 高速因特网网关
3 MATLAB 软件工具介绍
3.1 MATLAB语言的概述
MATLAB是一种科学计算软件,适用于工程应用各领域的分析设计与复杂计算,它使用方便,输入简捷,运算高效且内容丰富,很容易由用户自行扩展。因此,它已成为大学教学和科学研究中最常用且必不可少的工具。
MATLAB是“矩阵实验室”(MATrix LABoratoy)的缩写,它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言,着重针对科学计算、工程计算和绘图的需求。与其他计算机语言相比,其特点是简洁和智能化,适应科技专业人员的思维方式和书写习惯,使得编程和调试效率大大提高。它用解释方式工作,键入程序立即得出结果,人机交互性能好,为科技人员所乐于接受。特别是它可适应多种平台,并且随计算机硬、软件的更新而用时升级。因而,MATLAB语言是数值计算用得最频繁的电子信息类学科工具。它大大提高了课程教学、解题作业、分析研究的效率。
3.2 MATLAB的历史
在1980年前后,美国的Cleve Moler博士在New Mexico大学讲授线性代数课程时,发现应用其他高级语言编程极为不便,便构思并开发了MATLAB(MATrix LABoratory,矩阵实验室),它是集命令翻译、科学计算于一身的一套交互式软件系统,经过在该大学进行了几次的试用之后,于1984年推出了该软件的正式版本。它是以著名的线性代数软件包LINPACK和特征计算软件包EISPACK中的子程序为基础发展而成的一种开放型程序设计语言,其基本的数据单元是一个维数不加限制的矩阵,这就允许用户可以根据数值计算问题的复杂程序,对问题进行分段甚至逐句编程处理,显然这与C、FORTRAN等传统高级语言完全不同。在MATLAB下,矩阵的运算变得异常的容易,后来的版本中又增添了丰富多彩的图形图像处理及多媒体功能,使得MATLAB的应用范围越来越广泛,Moler博士等一批数学家与软件专家组建了名为MathWorks的软件开发公司,专门扩展并改进MATLAB。
为了准确地把一个控制系统的复杂模型输入给计算机,然后对之进行进一步的分析与仿真,1990年MathWorks软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具,并定名为SIMULAB,该工具很快在控制界得致函广泛的使用。但因其名字与著名的软件SIMULA类似,所以在1992年正式改名为SIMULINK。此软件有两个明显的功能:仿真与连接,亦即可以利用鼠标在模型窗口上画出所需的控制系统模型,然后利用该软件提供的功能来对系统直接进行仿真。很明显,这种做法使得一个很复杂系统的输入变得相当容易。SIMULINK的出现,更使得MATLAB的控制系统的仿真与其在CAD中的应用打开了崭新的局面。
3.3 MATLAB语言的特点
MATLAB语言有以下特点。
(1) 起点高
每个变量代表一个矩阵,以矩阵运算见长。当前的科学计算中,几乎无处不用矩阵运算,这使它的优势得到了充分的体现。
(2) 人机界面适合科技人员
MATLAB的语言规则与笔算式相似。MATLAB的程序与科技人员的书写习惯相近,因此,易写易读,易于在科技人员之间交流。矩阵的行列数无需定义。MATLAB不必有阶数定义,输入数据的行列数就决定了它的阶数。键入算式立即得到结果,无需编译。MATLAB是以解释方式工作的,即它对每条语句解释后立即执行,若有错误也立即做出反应,便于编程者立即改正。这些都大大减轻了编程和调试的工作量。
(3) 强大而简易的做图功能
能根据输入数据自动确定坐标绘图,能规定多种坐标系,(极坐标系、对数坐标系等),能绘制三维坐标中的曲线和曲面,可设置不同颜色、线型、视角等。如果数据齐全,通常只需一条命令即可出图。
(4) 智能化程度高
绘图时自动选择坐标,大大方便了用户;做数值积分时自动按精度选择步长;自动检测和显示程序错误的能力强,易于调试。
(5) 功能丰富,可扩展性强
MATLAB软件包括基本部分和专业扩展两大部分。
基本部分包括矩阵的运算和各种变换、代数和超越方程的求解、数据处理和傅立叶变换及数值积分等等。可以充分满足大学理工科学生的计算需要。
扩展部分称为工具箱。它实际上是用MATLAB的基本语句编成的各种子程序集,用于解决某一方面的专门问题,或实现某一类的新算法。现在已经有控制系统、信号处理、图像处理、系统辨识、模糊集合、神经元网络及小波分析等工具箱,并且向公式推导、系统仿真和实时运行等领域发展。
MATLAB的核心内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语句编写的。
3.4 MATLAB仿真
通过利用所学的理论知识,建立一个完整、准确的需求说明,清楚、准确地提出仿真试验所要解决的问题。
对所提出的仿真系统给出详细定义,明确系统中的模块、系统构成、模块之间的相互关系,系统的输入输出、边界条件以及系统的约束条件,并明确仿真所要达到的目标。
根据仿真系统分析的结果,确定系统中的参数、变量及其互之间的关系,并以数学形式将这些关系描述出来,从而构成仿真系统的数学模型。数学建模是系统仿真中最关键的一步,所建立的数学模型必须尽可能准确地反映所关心的真实系统的特性,而又不能过于复杂,以免降低模型的效率,增加不必要的计算过程,即建模需要根据求解问题的要求,在模型的近似程度与复杂程度之间折中。电子与通信系统的数学模型通常以方框图形式或数学方程形式来表达。
根据建立的数学模型所需要的数据元素,收集与模型系统有关的数据。根据数学模型建立系统的计算机仿真模型,收集数据,确定其中各子模块的结构,输入输出接口,输入输出的数据表达形式,数据的存储方式等。然后编制相应的程序流程,用MATLAB语言实现。
仿真模型验证的目的是确定计算机仿真模型是否准确表达了数学模型。仿真模型验证通常的方法是将数学模型的解析结果(或理论结果)与仿真所得到的数值结果相比较来完成的;或通过已知的系统输入输出结果,对比在相同条件下的系统仿真结果来验证仿真模型的正确性。
发射超宽带(UWB)信号最常用和最传统的方法是发射时域上很短的脉冲。这种传输技术称为“冲激无线电”(Impulse Radio,简写为IR)。信息数据符号对脉冲进行调制,其调制方式可以有多种。脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)是最常用的两种调制方式。除了要对脉冲进行调制外,为了形成所产生的信号的频谱,还要用伪随机码或伪随机噪声(PN)对数据符号进行编码。一般是,编码后的数据符号引起脉冲在时间轴上的偏移,这就是所谓的跳时超宽带(TH-UWB,Time-Hopping UWB)。直接序列扩谱(DS-SS)就是编码后的数据符号对基本脉冲的幅度进行调制,这在冲激无线电(IR)中被称为直接序列超宽带(DS-UWB,Direct-Sequence UWB),这种调制方式似乎非常有吸引力[1]。
对于超宽带信号,也可以通过很高的数据速率来产生而根本不需要具备脉冲的特性。只要UWB定义所要求的相对带宽或最小带宽在整个传输过程中得到满足,那么,靠发射高速率数据而不是窄脉冲所产生的具有UWB射频带宽的系统,就不应该被排除在UWB系统之外。诸如正交频分复用(OFDM),在数据速率适当的情况下也可产生UWB信号。因此,OFDM也是一种超宽带的调制方式。
本文主要讨论TH-UWB、DS-UWB和OFDM调制方式。
4.1 PPM-TH-UWB 调制方式
4.1.1 跳时超宽带信号的产生
在结合了二进制PPM的TH-UWB(二进制PPM-TH-UWB或者PPM-TH-UWB)中,UWB信号的产生可以系统地描述如下(参见图4-1描绘的发射链路) [1]。
SHAPE \* MERGEFORMAT
图4-1 PPM-TH-UWB信号的发射方案
给定待发射的二进制序列b=(…,b0,b1,…,bk,bk+1,…),其速率Rb=1/Tb (b/s),图4-1中的第一个模块使每个比特重复Ns次,产生一个二进制序列:
(…,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)。这个模块引入了冗余,其实是一种被称为重复码的(Ns,1)分组编码器。一般术语上称为信道编码。
第二个模块是传输编码器,就是应用整数值码序列c=(…,c0,c1,…,cj,cj+1,…)和二进制序列a=(…,a0,a1,…,aj,aj+1,…),产生一个新序列d,序列d的一般元素表达式如下:
dj=cjTc+aj
(4-1)
式中,Tc和 是常量,对所有的cj满足条件cjTc+
这里的d是一个实数值序列,而a是二进制序列,c是整数值序列.现在我们遵循最常用的方法,假定c是企业界随机码序列,它的元素cj是整数,且满足
0 cj Nh-1。 码序列c可能为周期序列,其周期表示为Np。两种特殊情况值得讨论。第一种,码是非周期的,即 ;第二种是Np=Ns,这是最常用的一种,这时的编码周期与二进制码重复的次数相等。我们必须牢记:传输编码扮演了码分多址编码和发射信号的频谱形成双重角色[1]。
实数值序列d输入到第三个模块,即PPM调制模块,产生了一个速率为Rp=Ns/Tb=1/Ts(脉冲/s)的单位脉冲(Dirac pulses ) 序列。这些脉冲在时间轴上的位置为 ,因此脉冲位置在jTs基础上偏移了dj,脉冲的发生时间也可表示为( )。注意是码序列对c信号引入了TH位移,也正因为此,c被称为TH码。还要注意一点就是由PPM调制引起的位移 ,通常比TH码引起的位移cjTc小得多,即: ,cj=0除外。Tc称为码片时间(chip time)。
最后一个模块是脉冲形成滤波器,其冲激响应为。必须保证脉冲形成滤波器输出的脉冲序列不能有任何的重叠。
以上所有系统级联以后的输出信号 可表示如下:
(4-2)
比特间隔或比特持续时间,也即用于传输一个比特的时间Tb,可表示为:Tb=NsTs。在式(4-2)中,cjTc定义了脉冲的随机性或者说是相对于Ts整数倍时刻的抖动。如果用随机TH抖动 来表示由TH编码cjTc引起的时间上的位移,并假定 在0和 之间分布,则可得到:
(4-3)
正如前面提到的, 通常远大于 。这两个量的整体效果是产生一个分布在0和 之间的时间随机位移量,用 表示这个时间随机位移,可得发射信号的如下表达式:
(4-4)
更一般性地概括式(4-2)所表示的信号,其思想是:对于信息比特“0”和“1”,可以发射两个不同的脉冲波形 和 来分别表示。上面分析的PPM调制的例子,引入了 这个时间位移量,它的值根据它所代表的比特而有所不同,其实是上述思想的特殊例子,其中的 是 位移以后的波形。一种更一般的表达式:
(4-5)
当将 设置为- 时,式(4-5)也表示了PAM和TH-UWB的结合,即PAM-TH-UWB模型[1]。
4.1.2 PPM-TH-UWB的发射链路
系统模型如图4-2所示
SHAPE \* MERGEFORMAT
图4-2 PPM-TH-UWB 发射器的系统模型
图4-2中的第一个模块表示二进制源。这个模块的输出是发射到物理信道的二进制流。第二个模块表示重复码编码器。二进制流的每一个比特都被重复次。第三个模块仿真TH编码和二进PPM。这里考虑伪随机TH码。最后一个模块是脉冲形成。这个模块的冲激响应表示要发射的UWB信号的基本脉冲波形[1]。
4.1.3 PPM-TH-UWB 仿真结果及其分析
图(4-3)显示了参数设置如下时所产生的UWB信号
以dBm为单位的平均发射功率Pow,
信号的抽样频率fc,
由二进制源产生的比特数numbits, 平均脉冲重复时间Ts(单位为秒),每个比特映射的脉冲数Ns,
码片时间Tc(秒),
跳时码的码元最大值Nh和周期Np,冲激响应持续时间Tm,
脉冲波形形成因子tau(秒),
PPM时移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
由图4-3中可以看到输出序列的前五个脉冲在其对应时隙的中间位置,而后五个脉冲则在其对应时隙的起始位置。
图4-3 PPM-TH-UWB 发射机产生的信号
图4-4 PPM-TH-UWB的幅度谱
由图4-4可以看出,TH编码和PPM调制都对幅度谱的高斯形状产生扭曲。PPM-TH-UWB信号的幅度谱将完全包含在无TH编码和无PPM调制的幅度谱包络中,这是因为以同样的形状和同样的平均功率传输等间隔脉冲的结果。
4.2 PAM-DS-UWB调制方式
4.2.1 直接序列超宽带信号的产生
直接序列扩谱(DS-SS)是一种著名的数字调制方式。这里,我们先回顾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特性的信号可以通过下面的过程产生:首先,用伪随机码或二进制PN码序列对要发射的二进制进行编码;其次,对一串窄脉冲进行幅度调制。这一过程可以看做是目前使用DS-SS系统的一种极端方式,此时脉冲在时域上是具有典型时间的奈奎斯特型脉冲或方波。让脉冲宽度远远小于切普间隔,很容易得到DS-SS-UWB的解析表达式。在传统的DS-SS系统中,RF发射信号是对载波进行幅度调制后得到的,通常使用二进制相移键控BPSK方式。而在DS-UWB中,如果没有专门的要求,这一过程可省略。[1]
更详细地,上述信号可以通过如下过程产生(见图所示发射链路)。
SHAPE \* MERGEFORMAT
图4-5 PAM-DS-UWB 信号的发射方案
假定待发射的二进制序列b=(…,b0,b1,…,bk,bk+1,…),其速率为Rb=1/Tb (b/s),图4-5中的第一个系统将每个比特重复Ns次,得到序列:(…,b0,b0,…,b0,b1,b1,…,b1,…,bk,bk,…,bk,bk+1,bk+1,…,bk+1,…)=a*,其速率为Rcb=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。与TH方式相似,系统引入的冗余相当于一个参数为(Ns,1)的重复码编码器。
第二个系统将a*序列转换成只含有正值和负值元素的序列a=(…,a0,…,a1,…,aj,aj+1,…),转换公式为:( ).
发射编码器将一个由 1组成、周期为Np的二进制码序列c=(…,c0,c1,…,cj,cj+1,…)应用到序列a=(…,a0,…,a1,…,aj,aj+1,…),产生一个新序列d=a·c,其组成元素dj=ajcj。通常假定Np等于Ns,更具一般性的假定是Np等于Ns的整数倍。注意,序列d的元素值为 1,这一点与序列a相同,其速率为Rc=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。
序列d进入第三个系统——PAM调制器,产生一个速率为Rp=Ns/Tb=1/Ts
(脉冲/s)的单位脉冲(Dirac脉冲 )序列,其位置在jTs处[6]。
调制器输出的信号进入冲洲响应为p(t)的脉冲形成滤波器。在传统的DS-SS系统中,冲激响应p(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲。而在DS-UWB系统中,与TH方式相似,p(t)是持续时间远小于Ts的脉冲。
以上系统级联后的输出信号可以表示为
(4-6)
注意,与TH方式相似,比特间隔或比特持续时间,即传输一个比特所用的时间是Tb=NsTs。
输出的波形显然是一个PAM波形。很容易知道,由于没有时移而且脉冲以规则的时间间隔出现,计算式(4-6)所示信号的PSD要比计算式(4-2)所示信号的PSD更容易。
上述方式的一种变形是使用PPM调制器代替PAM调制器,得到的信号可表示为:
(4-7)
注意到在式(4-7)中,由于码的伪随机特性,编码会起到白化频谱的作用。
4.2.2 PAM-DS-UWB 发射链路
其系统模型如图4-6所示.
SHAPE \* MERGEFORMAT
图4-6 PAM-DS-UWB 发射机系统模型
图4-6中的前两个模块分别表示二进制源和重复码编码器。第三个模块是在重复码编码器的输出端实现DS编码和二进制PAM调制。我们考虑伪随机DS码,分配给一般用户的是长度为NP的二进制码序列。最后一个模块是脉冲形成器[1]。 4.2.3 PAM-DS-UWB 仿真结果及其分析
图4- 7 由PAM-DS-UWB发射机产生的信号
图(4-7)显示了参数设置如下时所产生的UWB信号
以dBm为单位的平均发射功率Pow,
信号的抽样频率fc,
由二进制源产生的比特数numbits, 平均脉冲重复时间Ts(单位为秒),每个比特映射的脉冲数Ns,
码片时间Tc(秒),
跳时码的码元最大值Nh和周期Np,冲激响应持续时间Tm,
脉冲波形形成因子tau(秒),
PPM时移dPPM(秒)。
Stx: Pow=-30,
fc=50e9, numbits =2,
Ts=2e-9,
Ns=10,
Np=10,
Tm=0.5e-9,
tau=0.25e-9,
这个信号由两组脉冲序列组成,每组包含10个脉冲,每组映射信息源的一个比特。从图4-7中可以看出每二组的10个脉冲与第一组的10个脉冲在极性上是相反的。
图4-8 PAM-DS-UWB的幅度谱
由图4-8可以看出,幅度谱的包络具有基本脉冲的傅氏变换的形状,即高斯形状。且Np(信号每比特发射脉冲数)值越大,图形分布越宽,即幅度峰值越小。
4.3 OFDM调制技术
4.3.1 概述
多频带(MB)方式与本章前两节分析研究的IR原理不同。根据2002年,FCC公布的UWB定义,带宽超过500MHz的信号都是UWB信号。因此,按照FCC规定的频带范围3.1~10.6GHz,将此7.5 GHz的带宽分割成最小带宽为500MHz的若干个频带。为了尽量减小同窄带通信系统的相互干扰,UWB采用较小的功率,于是UWB信号对于窄带通信系统来说相当于热噪声,并不被窄带通信系统的接收机检测到,也可以避免特定频带上的非人为干扰[1]。
在每个子频带内可以使用不同的数据调制类型,并不一定要用IR方式,正确的频谱带宽可以通过合适的比特速率实现。应用最广泛的是众所周知的正交频分复用(OFDM)。
4.3.2 多频段OFDM-UWB信号产生
一个已调的OFDM信号由调制在不同载波频率 上的同个并行发射的信号组成。这些载波等间隔地位于频域上,其间隔为 。OFDM调制器输入的二进制序列每K比特编为一组,以产生具有N个符号的数据块{ },这里假定 是L个可能的取值中的一个,K=N1bL。最后,每个符号调制一个不同的载波。为了并行传输数据块的N个符号,不同的调制载波信号在频率上必须正交[8]。
所有调制器使用相同的矩形波,其持续时间为T:
(4-8)
如果符号 在星座图中的点用 表示,OFDM信号中有N个符号的数据块的表达式如下[1]:
(4-9)
而相应的复包络是
(4-10)
其中 ,S(t)是周期为T0的周期函数。
式(4-9)中OFDM信号的数字变换相当于传输式(4-10)中复数包络的抽样值,也就是说传输序列可表示如下:
(4-11)
tc是抽样周期。
仿真OFDM调制信号,考虑的是OFDM各个载波使用QPSK调制的情况。仿真整个发射链路,产生式(4-9)的信号。
4.3.3 OFDM仿真结果及其分析
要发射的总比特数numbits;
调制信号的中心频率fp;
抽样频率fc; 每个符号在其相应载波上的传输时间T0;
循环前缀的持续时间TP;保护间隔时间TG, 矩形脉冲响应的幅度为A, OFDM系统的子载波数N。
(1) numbits=8; fp=1e9;
fc=50e9;
T0=242.4e-9;
TP=60.6e-9;
TG=70.1e-9;
A=1;
N=4;
图4-9 OFDM-UWB信号
图4-10 OFDM-UWB幅度谱
图4-10中的幅度谱由子载波的幅度谱叠加而成。
(2)numbits=8; fp=1e9;
fc=50e9;
T0=242.4e-9;
TP=0;
TG=50e-9;
A=1;
N=2;
图4-11 OFDM-UWB信号图
图4-11 OFDM-UWB信号幅度谱
对比以上两图,可以看出,在同样的时间里为了传输更多的符号,是以增加带宽为代价的,也就是增加子载波的数量。
4.4 总结
通过一系列的仿真,我们可以得出以下结论:PAM、PPM两种调制方法主要是为了进行信息数据符号对脉冲的调制,而信号中的伪随机TH码和DS码主要是为了产生信号的频谱,使信号的功率谱密度在采用伪随机码调制后变得更加平滑,不能干扰到其它已经存在的窄带系统[9]。
OFDM具有良好的抗多径干扰性能,通过频率的合理选择,能够同现存的窄带系统和开放频段的通信系统具有很好的共存性,同传统的超宽带系统相比有很大的优势[11]。
5 性能分析及应用前景
5.1 脉位调制(PPM)和脉幅调制(PAM)
脉位调制(PPM)是一种利用脉冲位置承载数据信息的调制方式。按照采用的离散数据符号的状态数可以分为二进制PPM(2PPM)和多进制(MPPM)。在这种调制方式中,一个脉冲重复周期内脉冲可能出现的位置有2个或M个,脉冲位置与符号状态一一对应。根据相邻脉位之间距离与脉冲宽度之间关系,又可分为部分重叠的PPM和正交PPM(OPPM)。在部分重叠的PPM中,为保证系统传输可靠性,通常选择相邻脉位互为脉冲自相关函数的负峰值点,从而使相邻符号的欧氏距离最大化。在OPPM中,通常以脉冲宽度为间隔确定脉冲位置。接收机利用相关器在相应位置进行相干检测。鉴于UWB系统的复杂度和功率限制,实际应用中,常用的调制方式为2PPM或2OPPM[3]。
PPM的优点在于:它仅需要根据数据符号控制脉冲位置,不需要进行脉冲幅度和极性的控制,便于以较低的复杂度实现调制与解调。因此,PPM是UWB系统广泛采用的调制方式。但是,由于PPM信号为单极性,其辐射谱中往往存在幅度较高的离散谱线。对此超宽带信号的幅度谱仿真也证明了这一点。如果不对这些谱线进行抑制,将很难满足FCC对辐射谱的要求[10]。
脉幅调制(PAM)是数据通信系统最为常用的调制方式之一。在UWB系统中,考虑到实现复杂度和功率有效性,不宜采用多进制PAM(MPAM)。UWB系统常用的PAM有两种方式:开关键控(OOK)和二进制相移键控(BPSK)。前者可以采用非相干检测降低接收机复杂度,而后者采用相干检测可以更好地保证传输可靠性[3]。
当发射能量相同时,使用二进制PAM调制的信号可以比使用二进制PPM调制的信号获得更好的性能。
5.2 OFDM调制
OFDM有很多优点:能够提供较大的系统容量,具有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力,适应多径和移动信道传播条件,能够适应不同设计需求,灵活分配数据容量和功率,可提供灵活的高速和变速综合数据传输可以实现较高的安全传输性能,允许数据在复数的高速的射频上被编码。由于OFDM技术的良好性能使得它在无线通信系统中得到了广泛的应用[12]。
OFDM技术是将频道资源分成若干个子信道,每个子信带再采用一定的调制技术,提高频率利用率。OFDM可与PPM、PAM等结合使用,将会有性能更好的调制技术出现。
5.3 UWB的应用前景
超宽带技术在通信、雷达和无线定位等领域都将有广阔的应用前景。近年来,人们对超宽带技术深入的研究使超宽带技术在系统理论、功率放大器、脉冲的产生与接收、同步、集成电路等方面取得了重大进步,尤其是在超宽带无线产生领域的技术进步,使超宽带通信成为无线网络的重要组成部分成为可能。
相对于传统的窄带无线通信系统,超宽带无线产生系统具有诸多优点和潜力,使超宽带无线产生成为中短距无线网络的理想接入技术。根据产生速率不同,挤兑超宽带无线传输系统也具有不同的特点和应用领域。
利用超宽带技术可以提供高数据率传输的能力与定位功能,可以设计依赖定位信息优化网络资源管理的WPAN或WLAN,并应用于多媒体传输、计算机通信和家庭娱乐等领域。
利用脉冲超宽带信号对障碍物的良好穿透特性与精确测距功能,可以设计既具有通信功能也具有定位功能的超宽带脉冲无线通信与定位系统。该系统包括传输距离远(通信速率低)、颁布式移动定位、便携、超低成本、超低功耗、定位可靠性和精度高等特点。因而可以广泛用于传感器网络、消防、公共安全、库存盘点、人员监护与救生等重要领域。利用超宽带脉冲信号低截获概率、保密性高和体积小的优点,该系统还可以应用与侦察、情报收集、伤员救护、武器制导等军事领域[8]。
超宽带信号具有很低的辐射功率,而这样的辐射功率分布在某些方面GHz的频率范围内,功率谱密度极低,类似白噪声频谱,具有低干扰、低截获概率特性;同时由于使用窄脉冲为信号载体并采用跳时扩频,接收端必须已知发射端扩频码的条件下才能解调出发射数据来,加上它对多径干扰具有很好的鲁棒特性,非常适合在军事保密通信的应用。非常低的辐射功率可以避免过量的电磁波对人体的伤害[7]。
参考文献
[1]葛利嘉,朱林,袁晓芳,陈帮富,超宽带无线电基础,电子工业出版社,2005,1~110
[2]葛利嘉,曾凡鑫,刘郁林,岳光荣,超宽带无线通信,国防工业出版社,2005,76~107
[3]常远,UWB无线通信系统信号产生和调制技术的研究,哈尔滨工程大学优秀硕士论文,2006
[4]朱慧,苏锐,超宽带技术概述,信息技术,2006
[5]武海斌,超宽带无线通信技术的研究,无线电工程,2003
[6]徐征,UWB超宽带无线通信技术,中国电力教育2006年研究综述与论坛专刊,2006
[7]张新跃,沈树群,UWB超宽带无线通信技术及其发展前景,数据通信,2004
[8]张在琛,毕光国,超宽带无线通信技术及其应用,技术视点,2004
[9]牛犇,梁涛,超宽带无线通信系统的调制方式研究,电子质量,2004
[10]邵怀宗,李玉柏,彭启琮,马永,时间脉冲位置调制的超宽带无线通信,系统工程与电子技术,2003
[11] Jeffrey H.Miller,”Why UWB? A Review of Ultrawideband Technology”, NETEX
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5、空格破拆
【关键词】通信工程专业 体系建设 队伍
通讯工程专业建设体系应包括学科基础体系、专业和专业包含专业方向的知识体系和专业实践等内容,其中,通识教育内容应该包含人文社科、自然科学以及数学,经济管理和外语,计算机技术以及实践活动等知识体系。学科基础知识体系应包括电路电子专业领域,信号系统、控制领域,计算机知识领域,以及电磁场等领域知识,专业方向知识应包括交通通讯系统,交通联网等相关知识,专业实践应包括课程实验,课程设计等专业内容,一系列的专业实践技能。
一、专业评估体系建设
进行专业评估是十二五期间教学改革的建设目标之一,继续升华普通高等学校本科教学工作水平,通过师职队伍建设,教学条件、课程内容体质改革等多方面的体系建设,可以明确通信工程专业建设的内容与目标。
师职队伍的建设应该包括专业教师的年龄、学历学位、职称、专业背景、学科结构等方面的内容,主要表现为教师是否使用教学的发展,有无学科带头人的经历,如何形成学术梯队的条件,是否有相当数量的教学骨干,以及,获得硕士、博士、副高职称的教师比例。
师资队伍建设的还应包含本专业教师人家发表学术论文的数量,获得省级以上科技奖项的数量,高水平的学术论文,副高职称以上教师的引进,等等。为了加大对年轻教师的培养力度,要争取本专业发展更多的高层次人才,调动教师从事本专业科研技术发明的积极性,完善科研项目奖励基金建设。
二、教学方法与方式的体系建设
通信工程专业建设的体系应有实践教学体系和专业知识的体系,两者紧密结合,教学内容应该由简单到复杂,通过设计型实验,进步到综合实验,在实验手段上,无比采取硬件软件相互结合的办法,。因为通信工程专业知识体系由各个不同学科的知识领域构成,通过不同层次的实验教学计划可以培养和激发学生眼中理论的能力,设计能力,更好的达到综合应用知识的能力。
与其他专业相比较而言,通信工程专业建设要有一套比较完备、合理和科学的教学计划和教学体系,按照人才培养模式和课程改革的要求不断完善达到教学计划目标。在这里,可以通过各种方法不断提高教学效果和教学目的,提高毕业生的就业率,积极开展第二课程活动,培养学生动手实践的兴趣和能力,规范管理学生参加各类学科竞赛活动,也要成立人才领导小组,选派教学和实践经验丰富的教师为学生提供讲座和实验讲解,让那些经验丰富的教师担任转职卡知道,争取获得更多好级别更高的参赛作品,动员广大教师和学生踊跃参加各类科技实验比武竞赛中去。
在教学条件的指标上,有设有实验室、实习实训基地以及,专业图书资料等几个指标,主要是有生均教学科研仪器设备,有开放性的实验室,在校内外有稳定的实习实训基地,专业图书馆等等。
所以在教学资源方面有重视通信工程专业的体系建设,必须投入大量资金,改善学习和实践环境,加大实验建设力度,完善信号与系统、移动通信、光纤通信等专业实验室,不断完善扩大实习基地的规模,将实习基地建设形成制度化。
三、教学制度与管理建设
高等学校要完成日常的教学教务活动,必须制定系统化、规范化、科学化的教学管理制度,使教学教务活动的每一个环节要有指导、有监督保证教学计划按时完成,保证教学质量,整体上各项教学指标达标,这些都是最基本的前提。
在软件方面,体系化建设还体现在,文字与表格的一些关键性指标,需要实实在在的材料和数据体现,比如,各种职称证书、学历学位证书,获奖证书,合同,论文、教材、实习报告等等,在平时的体系建设过程中务必将这些档案材料的搜集、汇总,成为一项关键工作,这就要求在平时日常的教学活动中,要有意的收集积累这类与本专业相关的档案资料。
四、课程与核心课程建设
按照专业指导意见,通信工程专业建设要开展广泛调研,参考名校的培养方案,构建通信工程专业核心课程框架,逐渐形成完整的课程,分为基础课,学科基础课,专业基础课,专业与计算机能力培养等五个方向的培养课程。各个课程下应该设有核心和主干课程,各课程与课程群之间也须有横向的协调关系。专业基础核心课程为通信原理、通信电子电路以及数字信号处理,强调通信工程专业的基本概念,一些基本原理和理论,更多的则是基本技能的培养,专业课的核心课程为光纤通信原理,现代交换技术,无线通信,这方面的课程更加强调专业素质的培养,让课程出于核心地位,对其他课程形成辐射作用。
五、科研成果转化为教学资源
通信工程专业是一门实践操作性很强的专业,要多采用教学科研互动机制,将“运动平台总线”、“系统电磁兼容”等方面的科研成果有效融入到专业教学的实践活动中去。特别是“无线电通信”“电波传播”“信号与信息处理”“嵌入式系统”等课程要建立常态的教学平台,让教学案例常用常新。
其次要多举办开设技术论坛这样的前沿讲座,学科带头人要为优秀人才营造一个良好的学术氛围。对现在的大学生而言,他们更需要产业技术的探讨,为成为未来的企业家和技术精英而积累宝贵经验。这些活动不仅能够让学术理解产业的前沿技术,还能够让他们对本学科在企业中的商业模式、运营管理、商业策划、技术管理等多方面有一个大致全方位的了解,这对本专业毕业生提高对企业人才预期有很大的帮助,提高自身作为未来企业人才的知识和能力要求。
六、结语
通过学科竞赛、课程实验、综合实践设计和毕业论文等等方面的教学教育实践活动多做探索常识,让通信工程专业体系建设成为一种持续有效改进的过程,根据通信技术的发展和通信企业对人才要求,与时俱进,不断改进教学与实践课程内容,让教学手段与教学方法不断更新。
参考文献:
[1]杨树臣.通信工程专业“3+1”教学模式的研究与实践[J].吉林工程技术师范学院学报.
[2]刘丰年,果鑫,杨伟丰.面向“通信工程”专业培养的方向课程体系改革与实践[J].教育与教学研究.
关键词:通信工程;专业英语;课程;教学
中图分类号:G4文献标识码:A文章编号:16723198(2014)07013902
0引言
随着全球经济化一体化的发展,中国各大行业中除了对人才专业能力的要求外,对于专业科技英语水平的人才更是不可缺少。通信工程专业起源于欧美国家,是一门通用的专业学科,相关领域的知识更新速度让人目不暇接,各种行业标准、先进设备及新兴技术不断推新去旧,新技术的表述及大量学术文献都是用专业性很强的英语撰写,这就要求高校学生在学习基础理论知识的同时,更要有具备理解和吸收先进知识的能力,而这些能力的获取就必须要求学生具有专业英语阅读的能力。同时,各大企业要想更好的在市场中竞争,就要不断的融入到国际化的潮流中,而国际化的交流则需企业人才具备一定的英语及专业英语水平,因此,通信工程专业中开设专业英语这门课程,能更好的将英语和专业知识联系在一起,满足市场人才的需求。对于三本院校学生而言,掌握这方面的能力能更好的为自己的就业增加一份资产。所以,通信工程专业英语课程的开设是人才培养必不可少的。
1三本院校专业英语教学中所存在的问题
三本院校通信工程专业英语是该专业学生学习的一门专业选修课,其教学目的是除在学生毕业时撰写毕业论文的英文摘要和翻译英文文献外,也为学生走入社会接触新技术,学习新兴技术打下一定的基础。但三本院校学生相较于一本、二本则不同,他们在进校入取时分数线较低,英语基础不好的学生比较多,基础差自然对英语学习的兴趣不高,虽大学教学中大一、大二均要对大学英语进行学习,但兴趣决定效果,没有较高的兴趣如何有良好的学习效果。而多半学生学习英语的目的只是为了考证,目的达到后对英语的热情就更低了。专业英语的学习中涉及大量的专业词汇,语句复杂,长句较多,这就要求学生必须有一个比较好的英语基础,学生本身对两种不同的英语区别对待,又怎能激起学习专业英语的兴趣呢?另外,通过对学习专业英语的学生反馈可知,目前通信工程专业英语教学多采用专业词汇的讲解和课文翻译相结合的模式,教学方法单一,内容枯燥,课堂气氛死气沉沉,学生都处于昏昏欲睡的状态中,又像在听天书,这样的现象不仅与学生的基础知识有关,与课程的特点及老师的教学方法也是分不开的。三本院校对于基础教学后续的专业英语的教学没有相对具体的要求,重视程度也不够,一般作为专业选修课,开设的学时也比较少,这也使学生对该课程只是抱以通过即可的态度,主动性也就差了。同时专业英语的教学,要求教师既要懂专业又要擅长英语,这对三本院校而言,师资力量的培养上也存在很大的问题。再则,教材建设也无法满足教学需求,很多教材内容落后,而新编的教材内容太多,讲解起来费时费力,效果效率都不佳。而通信工程专业英语和其他专业课程有着比较明显的区别,它要求学生不仅具备通信各专业技术知识,同时又要有一定的英语基础。而通信工程专业知识的难度以及对英语基础的要求使通信工程专业英语学习的难度更加大,教学难度的力度就不言而喻了。所以,如何在通信工程专业英语的教学中,将专业知识和英语整合成一个统一体,又能提高学生对科技英语的学习兴趣,达到最佳的教学效果,是该课程急需解决的问题。
2三本院校通信工程专业英语课程教学实践
专业英语和普通的专业课不同,与大学英语的教学方式也不尽相同。该课程的注重点是英语在各个专业领域中的应用,除了大学英语中的读、听、说、写基本要求外,还要培养学生对科技文献的阅读和翻译能力。由于专业英语中的文献多为技术性和专业性很强的文章,一旦翻译出错,就会造成很大的影响,所以对学生的能力要求可想而知。下面结合三本院校通信工程专业英语来说一说专业英语的教学实践。
2.1所需专业知识
通信工程专业是一个专业性很强的学科,该学科的专业英语课程中所选取的文章大多是该专业的科技文献,有基本概念介绍的文章,也有具体问题原理性分析的文章,涉及方面形形,所包含的相关领域有移动通信、光纤通信、通信技术、电路、电子技术、计算机网络等。这对该课程的教学提出了很多具体的要求。主要表现在两方面,一是对教师而言,要求教学老师除了具备专业知识外还要有一定的专业英语翻译和口语能力,所以专业英语的教学多选用本专业的专业课教师讲授,因为有专业背景才能更好的理解科技文献的含义,知识服务于教学,这是不可改变的真理;另一方面对学生而言,在进入大学的第三个年度就开始逐渐接触比较重要的专业课,也具备了一定的专业知识,所以在学习专业英语的过程中,在教师的辅导下,能更好的理解专业词汇以及整篇文章的所代表的含义。
2.2专业词汇的把握
通信工程专业英语中专业词汇非常的多,除了一些特定的专业词汇外,还有很多大学英语的词汇用在专业英语中又有了特殊含义,这就使学生对文章的翻译又增加了一定的难度,同时很多词汇在翻译时还要进行词汇的引申,这对学生的要求无疑是一个质的转变。学习专业英语首先要搞清楚的就是专业词汇的含义,所以往往教学中是先讲解课文中所出现的专业词汇的含义,只有清楚了专业词汇的含义才能对句子的理解更加全面。例如:We will then develop an intuitive approach which can lead us to the same response without going through the formal solution of differential equations. 该句中重点是要理解develop的含义,而develop在科技文献中使用的频率较高,多翻译为“发展、开发或研发”的意思,但在此句中若翻译成此含义就大大影响了句子本身的含义,所以根据上下文的意义,应将原意引申为“推导、导出”比较合适,整个句子可翻译为“无需通过正式的微分方程求解,我们将导出一种直观的方法来得到同样的响应”。现在很多的英语词典中对于某些词汇都给出了专业领域的翻译的含义,这在一定程度上也给我们的翻译工作带来了很大的优势。只有准确的了解句子中重点词汇的含义,才能准确理解句子乃至整篇文章的含义。
2.3长句的应用
通信工程专业英语中往往为了很好的解释一个概念或是原理,需要大量使用长句和被动语态,这些语法特点也是有科技英语本身的特征来决定的,因为科技文献中多是对专业领域中相关技术的表述,要求在表述时叙述准确、没有任何的感彩参杂其中,所以要求句式结构严谨规范,而长句(复合句)则能更好的体现这种特征。很多学生一旦遇到长句整个人就一头雾水,读过之后没有任何印象,更不要说理解其含义,翻译时多是依靠积累的单词量来理解,而没有从句子整体再到逐个瓦解的方面来下手。科技英语的翻译中有很多的方法以及相关技巧,对于长句在翻译时,首先要让学生抱我整体结构,找出句子中的主谓宾,定语以及状语等,再根据上下文确定句子中重点词汇的词意,对某些词进行相应的词性转换、词意引申,为了使句子完整的表达出碑身的含义,必要时还要进行单词的增和减,尽量将长句划分为多个短句,既简单明了又使翻译简化。所以教学过程中不断通过实例来讲解科技英语的翻译方法,以此来提高学生多专业英语学习的积极性。
2.4课堂气氛
通信工程专业英语的教学本身是一件很枯燥无味的事情,如果不能充分调动课堂气氛,整个教学过程中就会死气沉沉,何谈教学效果。结合专业英语本身的特征,要在课程教学中,让学生充分的参与其中,营造一种更随意的课堂气氛。以学生为主体,鼓励学生主动朗读课文,翻译相关语句,解释相关语法现象,尤其是英语基础比较差的学生,更要给其跟多的机会,让他学习英语的信心一点一点的聚集起来,同时教师要注意学生在阅读和翻译时出现的一些语音错误、语法错误等给予及时的纠正,并给予鼓励和肯定。课后还可布置一些相关文章,让学生在课余时间得到更好的锻炼,并在课堂教学中让学生将翻译的文章拿出来大家一起分享翻译的成果,相互指出其中的不足之处,并对翻译好的地方给予肯定,提高学生的积极性和自信心。
3三本院校通信工程专业英语课程建设
3.1教学方法建设
在专业英语的教学中,应开展多项综合训练,引入各种专题报告,提高学生专业英语的应用能力。专业英语教师在讲授的过程中,既要重视教学内容的讲授,又要注重学生综合能力的提高,将传统的词汇+语法+翻译的讲授方式进行多样化,穿插讨论,情景等方式,提高学生积极性,活跃课堂气氛,以学生为主体,增加学生课堂上交流互动的机会,多说,多练,使学生在原本大学英语的基础之上,更好的融合专业英语的概念,两者相结合,全面提高学生的应用能力。同时,根据学生英语基础的差异,因材施教,避免课堂教学中知识过于简单亦或是听不懂等现象的发生,确保每一个学生都能在课堂上或多或少学到一些知识。除此外,课堂上还要重视口语表达,适时将专业词汇融会贯通,理解其实际含义。
3.2教学内容建设
通信工程专业英语中涉及该专业中形形的内容,教学中除了注重教材相关知识外,还可适时攘括一些该专业领域中的学术论文、技术报告、元器件和设备说明书以及技术专利等。另外,本科毕业论文中的英文摘要、国外求学申请等也可作为教学内容来丰富学生的眼界,这就要求学生除了要利用课堂时间,还要花费大量课外时间来训练,然而,专业英语一般在大四开设,在这一阶段,学生除了有繁重的专业课学习任务,还要面临找工作,考研等一些列的压力,精力明显不足,所以授课老师必须充分利用课堂时间,提高学生对专业英语学习的兴趣,才能在课后进一步巩固所学知识。
3.3师资建设
专业英语的教学无疑是让学生提高英语的综合应用能力,但同时也必须要求任课教师有良好的专业基础和一定的英语翻译能力,所以专业英语的授课教师一方面要不断提高自身的能力,更要形成专业英语的教学团队,相互交流,相互学习,相互进步,对学生对自己都是一个能力的提高。
3.4教材建设
三本院校专业英语的教材多是有由任课教师所选用的,而大部分教材在编写时都是该专业领域内一些文章的汇集,针对性不是很强,因此,通信工程专业英语的教材急需一些能针对该专业而又与本校该专业所设置课程相结合的科技文献,这样能更好的将专业知识和英语紧密联系在一起。
3.5考核方式建设
考核方式在很大程度上能够决定最终的教学成果,授课教师可在考核过程中采用多种方式相结合,并按一定比
例计算总分的形式,考核学生的专业英语实际应用能力。在最后的期终测试中,将词汇、语法、科技文献等以选择、填空、阅读理解、翻译等方式来考察学生对科技英语的掌握程度,同时还可加入口语测试环节,进一步确认学生的听、说、译等能力。课后作业也可加入到考核结果中,因为平时的作业也能让学生更好的应用相关的知识,提高科技英语翻译能力。
4三本院校通信工程专业英语课程改革探索
对于目前通信工程专业英语教学中所存在的问题,对专业英语教学的改革势在必行,结合三本院校特征,可从以下几个方面进行改革:
(1)以职业发展为目标,确定教学改革框架;
(2)以职业应用为导向,改革传统的考试考核方法;
(3)以提高学生应用能力为目标,改革传统的教学方法;
(4)以职业能力为本位,改革课程教学内容;
(5)以职业需求为动力,改革实践教学方式。
5结束语
三本院校通信工程专业英语教学和普通的大学英语教学不同,同时和专业课的教学也不同,与其他行业的专业英语相比,特点也不尽不同,而且里面所涉及的知识多由国外流进,故而,专业英语的教学方式应不能给予过多的限制,在以最大限度提高学生的主动性和能动性的条件下,给授课教师自由发挥的空间,让学生和教师形成一个密不可分的整体,而这个有机整体的形成则需要专业英语的教师在实践中不断的探索和改革。
参考文献
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关键词:应用技术型本科高校;特色专业;通信工程;培养方案
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2017)23-0192-03
一、引言
近年来,我国通信事业得到持续、快速、健康的发展,并取得举世瞩目的辉煌成就。截至2016年6月30日,我国移动电话用户总规模达到13亿,人口普及率达94.6%;移动宽带用户(3G和4G用户)总数达到8.38亿,占比达64.4%;4G用户总数达到6.13亿。另外,光纤接入用户占比超过68%,IPTV用户净增1991.7万户,总数达到6581.2万户。电话用户总抵多,位居全球第一。另外,在通信科研和生产方面,也取得长足的进步。通信产业的高速发展,促进了高等教育通信工程专业的快速发展。目前,在我国各层次大学中,开办通信工程专业的学校有近500所。在众多的通信工程专业中,制订一个适用于应用技术型本科高校,能与新技术接轨、与社会需求接轨、与学科发展接轨并具有特色的人才培养方案,显得尤为重要。
二、制订培养方案的指导思想与基本原则
(一)指导思想
贯彻党的教育方针,遵循高等教育发展规律,以培养适应区域经济社会发展、产业转型升级和公共服务发展需要的具有实践能力和创新精神的高层次应用技术型人才为目标,坚持以服务经济社会发展为宗旨,以就业为导向,专业对接产业,课程内容对应职业标准,教学过程对应生产过程;创新培养人才模式,大力推进产教融合、校企合作,采取理论教学和实训实践途径,提高学生学习、实践和创新创业能力;按照学以致用、全面发展的要求,整合课程资源,优化课程体系,更新教学内容,改革教学手段与方法,突出人才培养的实践性、应用性和技术性,全面提高应用技术型人才培养质量。
(二)基本原则
根据特色专业建设要求和应用技术型人才培养目标,制订具有特色的通信工程人才培养方案,其基本原则如下。
1.人才培养模式多样化原则。以服务经济社会发展为宗旨,以就业为导向,按照课程内容与职业标准对接、教学过程与生产过程对接的要求,遵循人才培养模式多样化的原则,创新人才培养模式。如推进产教融合、校企合作、岗位实习,探索“3+1”产教融合应用型人才培养模式,开办冠名班及订单式培养模式,“校企双导师制”培养模式,“专业方向模块”的特色培养模式,引入职业资格与工程认证教育培养模式,加强国际交流与合作,引进和改造国外人才培养方案、课程体系,开展中外联合培养模式,实现人才培养模式多样化,形成具有特色的人才培养模式。
2.贯彻通识教育理念的原则。按照适应国家和区域经济社会发展需要的高层次应用技术型人才培养目标定位,遵循人才培养内在规律,在专业教育过程中始终贯彻通识教育理念,开设系列通识教育课程。为了有利于应用技术型人才培养需要,适度压缩通识教育类课程的学时学分,增设专业导论课程,形成专业自身通识教育课程模块。通识课程教育为学生个性与全面发展、思想政治素质与文化技能素质、身体与心理素质全面发展和形成,提供必备的课程支撑。
3.课程体系整体优化原则。以社会经济发展和行业企业需求对学生专业知识、能力、技术技能结构的要求为导向,按照课程对应职业标准,照顾大多数学生学习基础和教育需求,重新审定、合理调整专业课程体系,避免专业培养同质化,突出体现高层次、有特色的应用型人才培养目标,科学设置学科基础平台课程和专业课程体系。学科基础平台课程本着够用、会用和终身学习发展必需的要求设置,压缩理论性强、应用程度不高的课程学时数,适度降低课程难度系数。
按照专业集群对应产业链的要求,引入行业企业课程,根据不同专业特点,开设职(执)业资格和工程认证课程。按照行业企业和职业岗位要求调整专业方向课程,适当开设与行业企业和职业岗位对应的微课程。根据建立现代职业教育体系的需要,在专业主干(核心)课程中,设置与专业学位研究生教育相连通的课程,为学生发展打通上升通道。
4.实践教学体系与专业培养目标相适应的原则。人才培养目标应与学校学科专业发展定位相匹配,坚持“应用性、差异化、集群化、有特色、高质量”的专业建设理念,根据学生能力形成规律和教学活动的内在逻辑关系,构建具有特色的实践教学体系。
根据专业特点,在结构上注重层次性,知识与能力上注重系统性和完备性。为了加强学生对专业知识的理解、专业技能的应用、技术能力和创新精神的形成,把课程实验、认知实习、实训、课程设计与岗位见习、学科综合实习、企业岗位操作和技术开发、毕业实习、毕业论文(设计)有机地结合起来,让第二课堂活动贯穿整个学习过程,形成相互联系、相互渗透的有特色的实践教学体系。
5.创新性原则。以转变教育思想观念为先导,在课程体系、人才培养模式、教学内容与方法、教学过程等人才培养全过程进行改革与创新,探索由相关专业组成的专业群与区域产业链的紧密对接,面向新(兴)支柱产业、高新技术产业、服务业形成应用技术型交叉专业群,促进学科专业交叉融合。注重培养学生“将理论转换为技术,将技术转换为生产力和产品”的能力,满足经济社会发展对高层次应用技术型人才的需求,提高学生、用人单位和社会对学校人才培养的满意度。
三、培养方案的基本结构
培养方案的结构主要包括:(1)专业代码;(2)培养目标;(3)专业优势与特色;(4)培养要求;(5)知识、能力、素质结构与能力实现方式;(6)指导性专业方向;(7)主干学科;(8)专业主干(核心)课程或核心知识领域;(9)学制与学位;(10)最低毕业学分;(11)专业主要实验和实践性教学要求;(12)毕业条件及其他必要说明。
培养方案所涉及的课程体系由通识教育类、专业教育类、职业技能培训类、创新创业能力训练类和集中实践教学环节、课外学分五个部分构成。
通识课程由通识教育必修课和通识教育选修课组成,强调在不同学科之间构建共同的知识结构基础平台,使学生基础扎实、知识面宽、能力强、素质高。
专业教育类课程由专业必修课和专业选修课构成。该类课程设置应本着学科专业自身的发展需要,结合行业企业要求,更新课程和教学内容。
职业技能培训类课程是培训学生从事本专业领域工作应当具备的职业技能。根据行业职业岗位和各专业实务中所需具备的职业技能,专业性职业技能培训类课程应开设职业技能证书培训课程2―3门,积极引进工程认证课程。同时,兼顾行业的发展和细分,根据经济社会发展形势,更新职业技能培训课程体系,开设3―5个学分和职业岗位对接的微课群,促进学生职业能力的提升。
集中实践教学环节贯穿在人才培养的全过程,主要由独立于理论课程开设的实验实训课程、课程设计、实习实训、专业实习、毕业实习及毕业设计(论文)、社会实践等组成。
设置10个课外学分,学生可利用课外科技文化活动时间参加教科研活动、文化活动、技能训练、科技发明创造和社会实践等,获得相应的课外学分。
四、通信工程专业培养方案的制订
(一)审视人才培养目标,适应信息通信企业的人才需求及趋势
根据“以人为本,求实创新,强化特色,协调发展”的办学思路和尊重学生个性发展的基本原则,以未来10年社会产业发展需要、科技文化发展需要和个体发展需要为出发点和落脚点,按学分制改革要求,深入研究信息通信技术快速发展对人才的需求和趋势,把握专业发展内涵,对人才培养目标进行重新审视定位,制订特色鲜明、适应性强、创新性强的培养方案。
(二)专业课程前置,技术培养提前,改革培养过程
长期以来,许多高校的通信工程专业基本上遵循这样一个课程教学习惯顺序:从高等数学开始,接着是电路分析基础、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、信号与系统……@样的顺序,虽然看起来符合一定的教学规律,但会带来一个问题。即:一些应用技术类课程,如单片机、嵌入式系统等课程的开课时间,会因基础课程的习惯性排序而被推后,甚至在大学三年级时才开课。显然,这样的培养方案很难满足应用技术型人才的培养要求,而将专业课程适当前置,就可解决这个问题。即:在大学第一学期开始上电路分析基础课程的直流电路部分,这部分内容不需要高等数学的支持,只要具备高中基础知识即可进行教学。在大学第二学期讲述交流电路时,所需的高等数学基础知识已经具备。同时,由于有了电路分析基础,这一学期可以同时开设模拟电子技术课程,这样技术培养的过程就得以提前了。
(三)创新课程体系,优化人才培养方案
以实现专业人才培养目标为着眼点,从学分制管理出发,按照“厚基础、宽口径、善创新、高素质”的人才培养思路,对本专业现有课程体系进行重新梳理,选择符合专业人才培养目标要求的课程,组合成具有培养特色的课程体系。
从课程相关性和衔接性出发,将专业教学内容体系归纳为以下四个课群。
1.学科基础课群。主要组成课程:电路分析基础、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、信号与系统、微机原理与通信接口、通信原理、高频电子线路、电磁场与电磁波。
2.信息处理课群。主要组成课程:数字信号处理、信息理论与编码、图像处理与通信、信息安全技术、数据结构与算法、数据库与信息系统、高级程序设计、数值计算方法。
3.通信系统课群。主要组成课程:交换技术、移动通信、光纤通信、通信网原理与技术、微波技术与天线、宽带无线通信、多媒体通信技术、数字电视技术。
4.应用技术课群。主要组成课程:单片机原理与应用、嵌入式系统、DSP原理与应用、EDA原理与应用、FPGA原理与应用。
针对上述课群组成教学组,对与课群相关的教材选用、教学内容选择、课时安排、教学环节衔接等问题进行研讨,使培养方案的可行性得到充分论证。
(四)加强实践教学环节的统筹规划,增加综合性、设计性和自主性实验项目
运用先进的实验仪器设备和实验装置,采用先进的现代设计工具和设计方法,使学生能够在加强基础的同时,与新技术接轨,与社会需求接轨,与学科发展接轨。在通信工程特色专业建设项目的推动下,利用通信系统综合平台、单片机应用实践平台、嵌入式系统实践平台和FPGA应用实践平台,通过建立多元化的实践教学体系,将理论体系的学习与综合实验技能相结合,针对上述四个课群,强化学生对知识体系的理解与应用,培养学生综合运用所学知识的能力。
学科基础课群综合训练与设计以系统仿真为主,信息处理课群综合训练与设计以编程实现为主,通信系统课群综合训练与设计以通信系统综合平台训练为主,应用技术课群综合训练与设计以系统设计与实现为主。
五、结语
研究并制订通信工程特色专业培养方案的过程,是推进特色专业建设的过程,是通信工程特色专业建设的阶段性成果。我们将认真落实培养方案中的各个教学环节,在方案实施阶段扎实推进师资队伍建设、教材建设、课程建设的各项工作,努力形成高质量的通信工程专业人才培养模式,为国家信息通信领域培养高质量创新人才、为应用技术型本科高校通信工程专业的建设和改革,起到重要的示范作用。
参考文献:
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[5]王冰,陈兆金.地方本科院校向应用技术大学转型基本问题探讨[J].天中学刊,2014,(12).
Applied Science Universities' Talent Development Program of Characteristic Specialty Research and Construction
LIU Lan,YU Hua
1.计算机软件开发类毕业设计存在的问题
自21世纪高等教育改革以来,全国各高校招生规模不断扩大,导致毕业生数量也相应大规模增加,给高校学生的求职择业带来了严峻的考验。为了可以跟上时代的步伐,为求职带来一些实际项目经验,计算机专业越来越多学生选取了软件开发作为毕业设计课题。然而,在各高校实际当中,本科毕业设计质量已经下降,软件开发类论文与实际完全脱节,归根结底是没有一个可以从头到尾指导学生进行软件开发的学习模式,主要存在下面几个不足之处。
1.1 学生问题
学生设计能力低,编程水平差,无项目实际经验,既不知道软件开发的基本理论与方法,也不知道程序语言代码编写和开发工具界面操作,甚至不知道从何处开始下手准备毕业论文,成为目前软件开发类毕业论文质量差的根本原因;学生思想上存在误区,不重视毕业设计的重要性与必要性,认为毕业设计与普通课程一样,对毕业设计敷衍了事,不愿意花时间和精力认真努力开发软件,总是被动、消极地接受学习,成为软件开发类毕业论文质量差的直接原因。
1.2 学校问题
学生在大一至大三期间,一般只是简单地开设各科课程,并没有将所有软件开发类课程结合起来,直接导致出现学生软件设计能力低与开发水平差的现象;从论文开题、中期检查到论文答辩等过程中,并没有严格技照各种材米斗上交的日期进行,普遍是最后答辩时上交补交所有材料,甚至包括论文开题报告,直接导致学生消极怠慢的态度;最后的毕业论文考核是最关键的问题,也是目前毕业论文相关制度中管理最混乱的一部分。既没有一套规范毕业论文考核标准,也没有对毕业论文的中间过程进行监控,就连最后的论文答辩也只是流于形式。
1.3 教师问题
大部分教师没有项目开发实际经验,只知道软件设计理论基础,不能全方位地指导学生,更加无法让学生能够主动积极地学习,成为毕业论文水平不高的原因之一。
2.CDIO教育模式
CDIO教育模式继承和发展欧美20多年以来的工程教育改革理念,将“做中学”和“基于项目教育和学习”的集中概括和抽象表达,是2004年由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学研究创立,CDIO分别代表了构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)等四个学习过程,它以产品研发到产品运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面,大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。
本文将CDIO模式的构思、设计、实现和运作等四个学习过程引入到计算机软件开发类毕业设计中,要求严格按照构思、设计、实现和运作这四个阶段进行,并将每一个阶段的成果都作为毕业论文考核的依据,以此调动学生的积极性与主动性,既能让指导老师清楚整个设计流程,并根据阶段安排加以指导和督促,也能让学生愿意付出时间和精力努力投入到毕业设计当中。在弥补学生软件开发水平不足的同时,提高学生思考问题、综合设计的能力,最后达到提高毕业论文质量的目的。
3.基于CDIO模式的计算机软件开发类毕业设计
3.1 构思阶段
毕业论文是从学生的选题开始,一般是由老师提供一系列题目,再由学生根据自己的具体情况选择,这种方式遏制了学生的主动性。应该由学生根据自己的爱好、专长和对将来的职业规划等情况,利用各种参考资料主动搜索与查找适合自己的题材范围,再在老师的指导下确定毕业论文题目。不仅能够调动学生的设计积极性,为后面的毕业论文工作提供有利条件,而且还可以培养学生查阅资料和思考问题的能力。之后,指导老师提供软件开发类参考资料,并在中国知网等学术平台搜索课题相关文献,确定论文的基本要求,给学生下达论文任务书。学生根据接收到的任努书,利用软件工程专业书籍、中国知网等学术平台、论文相关的Web网站,查阅大量的资料,了解论文的背景、研究现状和开发意义,确定论文的研究内容和幵发中的关键问题,撰写论文幵题报告,完成软件开发的构思阶段。
3.2 设计阶段
设计阶段主要包括需求分析和总体设计,正式开始毕业论文的设计工作。根据资料查阅、市场调查和企业要求等形式分析软件产品操作流程、功能列表,完成系统需求分析,并在需求分析的基础上重点进行功能设计、模块划分、模块接口规范、数据库概念设计及数据库逻辑设计,在老师的指导下反复修改不断完善,最终确定系统的总体设计。然而,在软件开发设计阶段,学生论文还没有开始写,软件程序也没有完成,指导老师无中期检查依据,不能有效地督促学生开发设计。因此,在设计阶段完成之后,应该形成需求分析、数据库设计、概要设计等相关说明书,作为毕业论文中期检查的材料,纳入论文考核的范围。
3.3 实现阶段
实现阶段是学生毕业论文工作的重点,也是毕业论文设计工作量最大、所需时间最长的一个阶段,直接决定最终毕业论文的质量水平。学生需要掌握软件开发工具、程序设计语言等基本理论与方法,根据系统总体设计的功能模块、接口规范等进行数据库的实现、程序代码的编写,并反复运行与测试。此阶段生成详细设计说明书、编程规范、测试等文档,作为毕业论文第二次中期检查材料。在这个阶段有了指导老师的督促,能够完全确定系统功能,不至于在后期阶段又需要反复修改。
3.4 运作阶段
根据前期产生的开题报告、需求分析、数据库设计、概要设计、详细设计、编程规范、测试等文档和开发好的软件系统撰写毕业论文,并参与论文答辩,是学生毕业论文的总结阶段,不仅着重体现学生的写作水平,更能了解学生对软件的学习情況,是分值比重最大的一部分。最后,将所有文档和论文、答辩情况一起评分,获得毕业论文成绩。
4.结语
1计算机软件开发类毕业设计存在的问题
自21世纪高等教育改革以来,全国各高校招生规模不断扩大,导致毕业生数量也相应大规模增加,给高校学生的求职择业带来了严峻的考验。为了可以跟上时代的步伐,为求职带来一些实际项目经验,计算机专业越来越多学生选取了软件开发作为毕业设计课题。然而,在各高校实际当中,本科毕业设计质量已经下降,软件开发类论文与实际完全脱节,归根结底是没有一个可以从头到尾指导学生进行软件开发的学习模式,主要存在下面几个不足之处。
1.1学生问题
学生设计能力低,编程水平差,无项目实际经验,既不知道软件开发的基本理论与方法,也不知道程序语言代码编写和开发工具界面操作,甚至不知道从何处开始下手准备毕业论文,成为目前软件开发类毕业论文质量差的根本原因;学生思想上存在误区,不重视毕业设计的重要性与必要性,认为毕业设计与普通课程一样,对毕业设计敷衍了事,不愿意花时间和精力认真努力开发软件,总是被动、消极地接受学习,成为软件开发类毕业论文质量差的直接原因。
1.2学校问题
学生在大一至大三期间,一般只是简单地开设各科课程,并没有将所有软件开发类课程结合起来,直接导致出现学生软件设计能力低与开发水平差的现象;从论文开题、中期检查到论文答辩等过程中,并没有严格按照各种材料上交的日期进行,普遍是最后答辩时上交补交所有材料,甚至包括论文开题报告,直接导致学生消极怠慢的态度;最后的毕业论文考核是最关键的问题,也是目前毕业论文相关制度中管理最混乱的一部分。既没有一套规范毕业论文考核标准,也没有对毕业论文的中间过程进行监控,就连最后的论文答辩也只是流于形式。
1.3教师问题
大部分教师没有项目开发实际经验,只知道软件设计理论基础,不能全方位地指导学生,更加无法让学生能够主动积极地学习,成为毕业论文水平不高的原因之一。
2CDIO教育模式
CDIO教育模式继承和发展欧美20多年以来的工程教育改革理念,将“做中学”和“基于项目教育和学习”的集中概括和抽象表达,是2004年由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学研究创立,CDIO分别代表了构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)等四个学习过程,它以产品研发到产品运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习[3]。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面,大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标[4]。本文将CDIO模式的构思、设计、实现和运作等四个学习过程引入到计算机软件开发类毕业设计中,要求严格按照构思、设计、实现和运作这四个阶段进行,并将每一个阶段的成果都作为毕业论文考核的依据,以此调动学生的积极性与主动性,既能让指导老师清楚整个设计流程,并根据阶段安排加以指导和督促,也能让学生愿意付出时间和精力努力投入到毕业设计当中。在弥补学生软件开发水平不足的同时,提高学生思考问题、综合设计的能力,最后达到提高毕业论文质量的目的。
3基于CDIO模式的计算机软件开发类毕业设计
3.1构思阶段
毕业论文是从学生的选题开始,一般是由老师提供一系列题目,再由学生根据自己的具体情况选择,这种方式遏制了学生的主动性。应该由学生根据自己的爱好、专长和对将来的职业规划等情况,利用各种参考资料主动搜索与查找适合自己的题材范围,再在老师的指导下确定毕业论文题目。不仅能够调动学生的设计积极性,为后面的毕业论文工作提供有利条件,而且还可以培养学生查阅资料和思考问题的能力。之后,指导老师提供软件开发类参考资料,并在中国知网等学术平台搜索课题相关文献,确定论文的基本要求,给学生下达论文任务书。学生根据接收到的任务书,利用软件工程专业书籍、中国知网等学术平台、论文相关的Web网站,查阅大量的资料,了解论文的背景、研究现状和开发意义,确定论文的研究内容和开发中的关键问题,撰写论文开题报告,完成软件开发的构思阶段。
3.2设计阶段
设计阶段主要包括需求分析和总体设计,正式开始毕业论文的设计工作。根据资料查阅、市场调查和企业要求等形式分析软件产品操作流程、功能列表,完成系统需求分析,并在需求分析的基础上重点进行功能设计、模块划分、模块接口规范、数据库概念设计及数据库逻辑设计,在老师的指导下反复修改不断完善,最终确定系统的总体设计。然而,在软件开发设计阶段,学生论文还没有开始写,软件程序也没有完成,指导老师无中期检查依据,不能有效地督促学生开发设计。因此,在设计阶段完成之后,应该形成需求分析、数据库设计、概要设计等相关说明书,作为毕业论文中期检查的材料,纳入论文考核的范围。
3.3实现阶段
实现阶段是学生毕业论文工作的重点,也是毕业论文设计工作量最大、所需时间最长的一个阶段,直接决定最终毕业论文的质量水平。学生需要掌握软件开发工具、程序设计语言等基本理论与方法,根据系统总体设计的功能模块、接口规范等进行数据库的实现、程序代码的编写,并反复运行与测试。此阶段生成详细设计说明书、编程规范、测试等文档,作为毕业论文第二次中期检查材料。在这个阶段有了指导老师的督促,能够完全确定系统功能,不至于在后期阶段又需要反复修改。
3.4运作阶段
根据前期产生的开题报告、需求分析、数据库设计、概要设计、详细设计、编程规范、测试等文档和开发好的软件系统撰写毕业论文,并参与论文答辩,是学生毕业论文的总结阶段,不仅着重体现学生的写作水平,更能了解学生对软件的学习情况,是分值比重最大的一部分。最后,将所有文档和论文、答辩情况一起评分,获得毕业论文成绩。
4结语
依据高等教育指导委员会制定的电子信息工程专业的培养目标,围绕学校人才培养目标定位,“方案”从始至终体现“具有创新意识、高素质、应用型”的人才培养思路,体现以学生为本,以毕业生社会需求和就业为导向的价值观,加强学生思想品德等通用素质和能力教育,注重培养学生的社会责任感,培养方式逐步体现精细化,差异化、个性化的特征。我校电信专业明确了自己的的培养目标:本专业培养德、智、体、美全面发展,具有扎实的电子技术和信息系统等方面基本知识,掌握分析、设计、应用电子设备及信息系统的基本技能,具备良好的沟通能力和团队精神等基本素质,能在电子信息行业及各级企事业单位从事设计、应用开发以及技术管理等工作,具有创新意识的高素质应用型人才。
2电子信息工程专业人才培养方案修订遵循的基本原则
2.1充分的调查论证
(1)召开学生座谈会,征集毕业年级学生及毕业后走上工作岗位学生对“方案”的修订意见,了解学生自身需求。坚持以学生的学为中心,处理好教与学的关系。(2)邀请用人单位参与“方案”的修订。了解行业最新发展动态,邀请用人单位参与修订论证,充分考虑行业对专业人才的要求,尤其是行业协会制定的人才质量标准。(3)参照执行教育部的专业规范标准,确保专业完整性。
2.2德、智、体、美全面发展,处理好通识教育与专业教育的关系
本着“通识教育为体,专业教育为用”的思想,通识素质类教育贯穿始终,德育工作与通识类课程考核结合,学术讲座日常化,引进并开设高质量的艺术类通识教育课程。针对全国各地生源基础教育水平差异,对外语、数学、计算机课程进行分级教学。专业教育逐步向产学研合作的模式靠近,专业课程开设以业界需求为主导,鼓励与业界建立长期、稳定、互动的合作关系,鼓励“方案”的部分课程以合作教育的形式开展,包括合作办学、合作育人、合作就业、合作发展等。
2.3大力开展第二课堂教育,“方案”反映培养学生创新意识的要求设置6学分区间,给予参加学科竞赛、参与教师教、科研课题研究,参加人文、社会科学、自然科技、军事、历史、艺
术类通识课程修读,开展创业,参加职业资格认证考试、英语四、六级考试,参加计算机等级考试等学生的学分奖励,该模块是学生毕业必要条件之一。
2.4改革实践教学模式,加强实践教学环节,处理好理论教学与实践教学的关系
按照《普通高等学校本科教学工作合格评估方案》,工科实践教学比例占总学分不低于25%。根据校企合作的实际情况,改革实践教学模式,灵活多样,毕业实习以集中统一安排为主。重点让学生体验基层行业工人的工作过程,磨练意志,为走上工作岗位打下良好的基础。提倡学生的毕业论文(设计)以参与教师的教、科研课题的形式完成。重视课程设计。
2.5合理安排第四学年教学工作
根据学生职业发展需求“,方案”要考虑考取研究生深造和就业两种需求,1-10周集中安排课程,剩余时间安排毕业实习、毕业论文(设计)、准备研究生考试,确保教学秩序。
2.6教学计划统一性与灵活性相结合
随时关注行业发展需求,建立专业与行业信息交流机制,将行业发展最新的信息整合为课程资源,通过短课时的课程、讲座等形式开设,同时必须坚持“方案”的执行稳定性。
2.7分方向培养
在电子技术和信息系统的理论基础上,从第三学年开始分方向培养:嵌入式集成电路、信号与信息处理两个方向。嵌入式集成电路方向主要课程:嵌入式系统原理与应用、嵌入式操作系统、嵌入式微控制器应用、嵌入式Linux设备驱动开发;信号与信息处理方向主要课程:信息论基础、数字图像处理、DSP技术与应用、信息与网络安全。同时设置多门其他方向的选修课:通信工程、物联网工程、计算机网络、软件工程等。
3小结
依据高等教育指导委员会制定的电子信息工程专业的培养目标,围绕学校人才培养目标定位,“方案”从始至终体现“具有创新意识、高素质、应用型”的人才培养思路,体现以学生为本,以毕业生社会需求和就业为导向的价值观,加强学生思想品德等通用素质和能力教育,注重培养学生的社会责任感,培养方式逐步体现精细化,差异化、个性化的特征。我校电信专业明确了自己的的培养目标:本专业培养德、智、体、美全面发展,具有扎实的电子技术和信息系统等方面基本知识,掌握分析、设计、应用电子设备及信息系统的基本技能,具备良好的沟通能力和团队精神等基本素质,能在电子信息行业及各级企事业单位从事设计、应用开发以及技术管理等工作,具有创新意识的高素质应用型人才。
2电子信息工程专业人才培养方案修订遵循的基本原则
2.1充分的调查论证
(1)召开学生座谈会,征集毕业年级学生及毕业后走上工作岗位学生对“方案”的修订意见,了解学生自身需求。坚持以学生的学为中心,处理好教与学的关系。(2)邀请用人单位参与“方案”的修订。了解行业最新发展动态,邀请用人单位参与修订论证,充分考虑行业对专业人才的要求,尤其是行业协会制定的人才质量标准。(3)参照执行教育部的专业规范标准,确保专业完整性。
2.2德、智、体、美全面发展,处理好通识教育与专业教育的关系
本着“通识教育为体,专业教育为用”的思想,通识素质类教育贯穿始终,德育工作与通识类课程考核结合,学术讲座日常化,引进并开设高质量的艺术类通识教育课程。针对全国各地生源基础教育水平差异,对外语、数学、计算机课程进行分级教学。专业教育逐步向产学研合作的模式靠近,专业课程开设以业界需求为主导,鼓励与业界建立长期、稳定、互动的合作关系,鼓励“方案”的部分课程以合作教育的形式开展,包括合作办学、合作育人、合作就业、合作发展等。
2.3大力开展第二课堂教育,“方案”反映培养学生创新意识的要求设置6学分区间,给予参加学科竞赛、参与教师教、科研课题研究,参加人文、社会科学、自然科技、军事、历史、艺
术类通识课程修读,开展创业,参加职业资格认证考试、英语四、六级考试,参加计算机等级考试等学生的学分奖励,该模块是学生毕业必要条件之一。
2.4改革实践教学模式,加强实践教学环节,处理好理论教学与实践教学的关系
按照《普通高等学校本科教学工作合格评估方案》,工科实践教学比例占总学分不低于25%。根据校企合作的实际情况,改革实践教学模式,灵活多样,毕业实习以集中统一安排为主。重点让学生体验基层行业工人的工作过程,磨练意志,为走上工作岗位打下良好的基础。提倡学生的毕业论文(设计)以参与教师的教、科研课题的形式完成。重视课程设计。
2.5合理安排第四学年教学工作
根据学生职业发展需求“,方案”要考虑考取研究生深造和就业两种需求,1-10周集中安排课程,剩余时间安排毕业实习、毕业论文(设计)、准备研究生考试,确保教学秩序。
2.6教学计划统一性与灵活性相结合
随时关注行业发展需求,建立专业与行业信息交流机制,将行业发展最新的信息整合为课程资源,通过短课时的课程、讲座等形式开设,同时必须坚持“方案”的执行稳定性。
2.7分方向培养
在电子技术和信息系统的理论基础上,从第三学年开始分方向培养:嵌入式集成电路、信号与信息处理两个方向。嵌入式集成电路方向主要课程:嵌入式系统原理与应用、嵌入式操作系统、嵌入式微控制器应用、嵌入式Linux设备驱动开发;信号与信息处理方向主要课程:信息论基础、数字图像处理、DSP技术与应用、信息与网络安全。同时设置多门其他方向的选修课:
随着高等教育改革的不断深入,工科专业实践教学改革势在必行,而“立人教育”理念是吉首大学于2010年提出的,它是学校对人才培养的顶层设计,其具体目标在于通过高等教育使学生形成正确的世界观、人生观和价值观,使学生成为思想自由,精神独立,有担当的生命个体,实现人的全面发展。本文主要探讨了如何以“立人教育”为指导,推进通信工程专业实践教学改革,通过实践教学不仅要教授学生科学文化知识,而且要培养学生的人文素养,形成正确的思维方式、价值观念和审美情趣,从而提高学生的综合素质,为国家的大众创业以及万众创新战略提供真正合格的人才支撑。
关键词:
立人教育;实践教学改革;人文素养
一、引言
2010年,我国制定的《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020)》中提出:教育改革要贯彻素质教育,促进学生全面发展,指出了我国高等教育中存在的主要问题在于创新型、实用型、复合型人才紧缺,学生社会适应能力和就业创业能力不强。高等工程教育的主旨首先是要“立人”,其次才是将学生培养成合格的工程技术人员。在很长的一段时间里,高等工程教育片面地强调知识和技能,而忽视了学生的人文素养,导致了工科学生创新能力不强,社会适应能力很差。在这个大众创业、万众创新的时代,起决定性因素的却往往是个人的综合素质,而不仅仅是人的知识和技能,所以在实践教学过程中不但要传授学生专业知识,提高工程实践能力,而且要通过实践教学培养学生的人文素质,让学生体会人文知识的重要性。只有真正重视学生的全面发展,学校才能在四年的时间里培养出卓越的工程师和行业的弄潮儿,而不只是局限于技师和匠人。基于此,作为湖南省的地方性综合院校,根据自身办学特点和学校目前的实践教学现状,以“立人教育”为指导,应用性人才为培养目标,深化实践教学改革,构建合理的实践教学体系。
二、完善和创新实践教学体系
秉承吉首大学“立人教育”的理念,依据专业人才培养方案,紧扣企业对通信专业人才的能力要求,以学生为中心突出学生个性,根据学生在不同学习阶段的知识结构和能力结构,按照一、二学年重基础,三、四学年重创新的思路,分为“基础技能、专业能力、工程实践、应用创新”四个阶段完善和创新学科实践教学体系。基础技能阶段:改革实践教学,确保学生能够尽快适应大学学习方式和环境,改变中学学习惯性,充分熟悉计算机系统,掌握常用工具软件的使用,对专业有一定的认识和了解,建立初步的工程素养和思维方式。专业能力阶段:改革实践教学,确保学生能够直观和深刻地理解专业基础知识,有意识地引导学生学会独立分析和思考知识中的重点和难点,进一步加深对专业的理解,让学生通过实验夯实基础知识,锻炼学生动手能力,激发学生的学习兴趣和热情,培养学生正确的价值观和审美情趣。工程实践阶段:改革实践教学,确保学生能够综合应用专业知识和专业基础知识,引导学生解决企业工程实际和生活中的问题,并鼓励学生创造性地解决问题。让学生通过实验能够解决实际问题,并在实践中培养自己的创新思维和团队协作意识。应用创新阶段:改革实践教学,确保学生能够了解专业发展方向和热点,学习行业中的新技术,并能够利用新技术解决实际问题,通过在实习基地完成毕业实习,熟悉企业研发和工程模式,完成行业技能培训与职业资格认证,进一步对学生的创新能力,实践能力和综合素养进行全方位地培养和锻炼。
三、打造一流教学实验平台
实验室建设是特色专业建设的基础,在充分调研和论证的基础上,对通信工程实验室建设进行了统一规划,分四个层次构建实验平台:公共教学实验室、专业基础实验室、专业实验室、研究性实验室。目前,建设有“移动通信综合实验室”、“嵌入式技术实验室”、“PCB制板实验室”等综合性实验室,建设有“通信仿真实验室”、“DSP技术仿真实验室”、“MATLAB仿真实验室”等设计性实验室,与企业联合建设有“3G移动通信实验室”,已经初步形成通信专业人才培养的实验室体系。在充分利用现有实验平台的基础上,将进一步加强实验室的建设力度,完善与华为浙江通信技术公司联合建立的“3G移动通信实验室”,与华为浙江通信技术公司协作筹建无线通信设备E-LAB,构建基于MATLAB和LabVIEW的相关通信专业课网络虚拟实验室,探索建立移动互联虚拟实验室。
四、构建综合创新实验平台
通信工程专业积极推进综合创新实验平台建设,首先,积极与长沙拓建信息科技有限公司和长沙智能制造研究总院等企业展开合作筹建创新人才培养基地、大学生创业平台,让学生参与企业项目和产品研发;其次,继续完善校级创新工作室管理制度和人才培养模式,发挥学科竞赛在实践创新中的重要作用,实施“一专业一竞赛”的计划,以学科竞赛作为推进器,积极引导学生根据自身特长有选择性地参加相关专业学科竞赛,培养学生创造性地解决实际问题的能力;再者,准备启动“学生创新能力培养行动”,形成了老师和学生共同参与学生科技创新活动的良好氛围,积极鼓励学生参与教师科研团队,鼓励教师指导学生承担大学生研究性学习和创新性实验计划项目,制作课外科技作品和吉首大学本科生专项科研项目,以培养学生研究性学习和自主探究的能力。
五、加强校外实践教学基地建设
通信工程专业将新一代移动通信技术、物联网技术与应用、现代电子通信技术在工业信息化过程中的应用作为校企合作育人过程中重点的培养方向,主要涵盖“新一代移动通信技术与网络优化”、“嵌入式与物联网技术及其应用”、“工业4.0及信息技术”、“An-droid手机应用开发”等四个方向,积极开展与华为浙江通信技术公司、长沙拓建科技信息公司、北京千锋互联科技有限公司、深圳嵌云通信科技有限公司等企业的合作,加强校外实践教学基地建设,共同制定人才培养方案,共同组建教学团队,共建校企一体的实训基地,共同完成课程见习、毕业实习以及毕业论文等实践教学环节。选派优秀老师进行企业培训以及企业选派技术人员共同作为专业知识教学以及各实习阶段指导教师,对学生工作情况进行考核评价。根据企业需求和学生自己的意愿,大力推进学生进行从业资格认证和企业资格认证。
六、结论
实践教学对于培养学生的实践精神、创新意识、科学素养和动手能力有着重要的作用,而推动实践环节中人文素质的培养,进一步提高学生的团队协作精神、正确的思维方式和价值观念有着积极的意义,是贯彻素质教育,促进学生全面发展的一种途径。文中对通信工程专业实践教学体系、教学实验平台、创新实验平台和校外实习基地的构建和完善进行了探索,并将“立人教育”理念融入其中,实践表明,实践教学改革对学生培养和学科建设有着积极的作用,相信能够为国家培养更多复合型、应用型和创新型的人才。
作者:胡力 杨喜 单位:吉首大学信息科学与工程学院
参考文献:
[1]黎奇升,冷志明,刘晗,等.吉首大学“立人思想”来源[J].中国高等教育,2014,(24):32-33.
[2]崔琦,王晶.加强高等工程教育实践教学中的人文素质培养[J].高等工程教育研究,2013,(1):177-180.
关键词:产学研合作;毕业设计;创新能力
作者简介:许钢(1972-),男,安徽芜湖人,安徽工程大学电气工程学院,副教授;俞晓峰(1978-),男,安徽淮南人,安徽工程大学电气工程学院,讲师。(安徽 芜湖 241000)
基金项目:本文系2010年度安徽省教育厅质量工程一般项目(项目编号:20100733)、安徽高校省级自然科学研究产学研重点项目(项目编号:KJ2011A035)的研究成果。
中图分类号:G642.477 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)16-0145-02
毕业设计是普通高等院校“应用型人才”培养计划的重要组成部分,学生通过毕业设计可以接受全面的专业训练,其创新能力、动手能力、综合分析能力、解决实际工程问题的能力会得到较大提升。近年来,高等院校特别是一些地方性高等院校的规模不断壮大,但高等教育的投入却滞后于学生规模的增长,仪器设备和实习基地的配备也略显不足,同时学生面临着日趋严峻的就业压力,这些情况对毕业设计的完成和指导工作造成了很大的影响。如何利用现有资源提升毕业设计质量,培养学生一丝不苟的科学精神和认真负责的工作态度,是值得每一位教学工作者思索和探讨的问题。
一、产学研合作教育构建本科毕业设计的新模式
安徽工程大学电气工程学院深度融合地方经济的发展,与企业开展科技合作,签订人才培养合作协议,联合开办相关本科专业,以产学研项目为切入点,逐步探索和建立了产学研合作的应用型人才培养新模式,总结了一条产学研结合提升本科毕业设计质量的新道路。
1.产学研结合构建毕业设计选题模式
选题对毕业设计的内容和方向进行了规划,是决定设计质量的首要条件。从近年毕业设计选题情况来看,存在着题目雷同、内容陈旧、理论性课题偏多、部分选题脱离专业培养目标等问题,导致学生缺乏热情和动力,严重影响了教学效果。新模式下,产学研结合毕业设计的选题工作提前至第三学年的第二学期初开展。指导教师可根据承担的研究项目,提炼出若干子课题,供学生选择;也可由教师参考安徽产学研合作网的企业需求,根据企业提出的技术参数拟定毕业设计课题;对于学院下属电子协会中部分实践经验丰富的学生,鼓励其结合企业生产实际自行选题。毕业设计的选题应坚持理论联系实际的原则,要使学生通过毕业设计掌握专业领域的最新发展动态,务求做到“真题真做”。另外,选题也可由指导教师设计不同的实现方案,即“相同选题,不同方案”,这样不仅可以满足“一人一题”的要求,而且有利于强化学生间的交流和探讨,培养团队合作精神。毕业设计的产学研选题工作结束后,课题统一上报至学院教学工作委员会,委员会对课题的深度、广度、创新性及相关工作量进行审核后,在学期末和普通毕业设计选题时同时下发,供学生选择。
2.产学研结合毕业设计指导教师团队建设和职责
在学生完成毕业设计的过程中,教师的指导对设计质量的提高起着关键作用。产学研结合的毕业设计课题,鼓励校企合作,课题的指导工作由校内指导教师和企业指导教师共同承担。校内指导教师长期工作于教学第一线,理论水平高,知识体系完备;企业指导教师长期工作于生产第一线,业务水平高,实践经验丰富。两者在共同指导学生完成毕业设计的过程中会产生交集,可以取长补短,便于学校和企业建立长期的合作关系,也有利于打造产学研一体化的良好环境。在毕业设计的不同阶段,教师承担的任务和职责也会发生变化。
(1)在毕业设计的开始阶段,学生初次接触综合性课题的实际开展工作,多少都会有些茫然和不适应。在这一阶段,校内指导教师要向学生提供一定数量的参考资料,指导和督促学生进行阅读与消化,并引导学生利用图书馆和网络相关资源查阅所需文献。在充分理解和掌握课题要求之后,教师要协助学生制订工作计划和设计方案,撰写开题报告。制订设计方案时需要与企业指导教师沟通,并依据生产实际进行完善和修改。在这一阶段,校内指导教师发挥主要作用,企业指导教师作为辅助。
(2)在毕业设计进行阶段,校内指导教师要对学生的工作进行有效监督,保证每周不少于2次,每次不少于1学时的一对一指导时间。教师要带领学生深入企业生产实际进行调研,了解企业的生产现状和工艺流程,充分发挥学生的主观能动性,调动学生完成毕业设计的积极性。对于设计中的难点和重点,教师要带领学生亲自参与研发,并联合企业指导教师进行攻关。企业指导教师对毕业设计的工程应用性进行把关,主要进行可行性和可靠性等方面的指导,并对设计的阶段性成果进行验收。在这一阶段,校内指导教师和企业指导教师要同时参与毕业设计的指导工作。
(3)在毕业设计收尾阶段,学生需要对毕业设计的成果进行综合性调试。调试是实现系统设计目标,降低运行成本不可或缺的一环,也是强化学生实践能力、提升分析和解决问题能力的主要方法。在以往的毕业设计中,调试环节通常流于形式、纸上谈兵,有时候甚至被忽略。产学研毕业设计强调“真题真做”,调试通常分成两个步骤进行:首先是在学校的实验室环境中进行功能验证性调试,其次是进行工业现场调试。验证性调试由校内指导教师协助学生完成,工业现场的调试由校内指导教师和企业指导教师同时参与指导。工业现场环境复杂、干扰较多、参数变化较快,学生在短时间内可能难以发现和解决问题,这种情况下教师可直接参与调试,学生在协助教师的过程中,同样会接受一次生动的理论联系实际的教育。在这一阶段,校内指导教师和企业指导教师要同时参与对毕业设计的指导工作。
3.产学研结合毕业设计论文撰写和成绩评定模式
在论文的撰写阶段,教师负责指导学生制定和完善论文提纲,并对论文进行审核,确保学生论文格式符合学校的相关规定。论文撰写紧密围绕设计内容进行,对于涉及到的基本理论、概念、芯片介绍一笔带过,将重心放在系统的设计、优化和调试上,在降低工作量的同时很好地保证了论文质量。同时安徽工程大学电气工程学院还实行了灵活多样的毕业论文替代机制,对于已在中文核心期刊上发表了与毕业设计相关的论文的学生,或毕业设计成果获得了省级以上奖励的学生,或毕业设计研发产品已经通过相关企业的验收并投入实际应用的学生,经学院教学委员会审核后,可以将其论文、报奖材料、设计报告作为毕业论文进行提交。
毕业设计的成绩参考学生的考勤情况、论文撰写的规范程度、答辩中的表现等方面进行评定,由校内指导教师、企业指导教师、论文评阅教师和答辩小组共同确定,其中校内指导教师和企业指导教师给出的成绩各占30%,论文评阅教师和答辩小组给出的成绩各占20%。
4.加强制度建设,保证产学研结合毕业设计的顺利进行
在产学研合作教育模式下,毕业设计需要在学校、企业间交替进行,其指导工作由校内指导教师和企业指导教师共同承担,整个过程涉及学校、企业、科研院所、教师、学生等多个方面,因此如何对新模式下的毕业设计进行规范管理显得更为重要,为此安徽工程大学电气工程学院建立了一套完整的质量保障体系,对毕业设计过程进行全程管理和过程监控。
指导教师要结合毕业设计具体内容帮助学生明确各阶段目标、督促工作进度、协调学生团队之间的衔接等,督促每一位学生都按时完成课题任务,确保毕业设计按步骤、按计划进行,从而保证课题的设计进度。
学院要成立毕业设计领导小组,强化过程管理,除开题、中期、后期三个不同阶段的常规检查之外,院系两级的教学工作委员会不定期对毕业设计情况进行抽查,并由学院的教学工作委员会对各阶段检查情况和数据进行汇总与分析,形成书面的“毕业设计完成情况汇总表”提交至毕业设计领导小组,以便及时发现和处理问题。学院同时构建了完整的毕业设计评价体系,包括学生和指导教师之间的相互评价、教学工作委员会对毕业设计指导工作的评价、毕业设计领导小组对教学工作委员会监察工作的评价,以此理顺关系,确保责任到人。
二、产学研合作教育模式下毕业设计的实践
从2009年开始,安徽工程大学电气工程学院与鑫龙电器、海螺集团、鑫科材料等企业联合指导毕业设计,结合企业的生产实际和技术难题进行选题,直接参与了产品设计、研发和技术改造,与企业建立了良好的合作关系。学校和奇瑞集团成立了应用型人才培养工作小组,联合申报了“人才培养创新实验区”,按照校企全程合作培养的新模式,推动了工程技术人才培养模式创新,学生通过毕业设计参与设计的“网络化车用仪表机芯电路”和“汽车仪表液晶显示屏”已装备于奇瑞汽车。2011年,电子信息科学与技术专业依托产学研合作项目“电动叉车停车行车电磁离合制动器的研发”,由大中机电制造有限公司的相关人员和安徽工程大学电气工程学院教师共同指导完成了“制动器力矩的数字化控制”、“电磁离合制动器的设计”、“高压吸合低压保持电路的设计”、“电磁失电启动器的设计”等多项课题,有8名学生依托该项目完成了毕业设计工作,取得了良好的成绩,其中有2名学生和企业签订了就业协议,就职于企业的研发部门。2012年,自动化专业学生在毕业设计过程中与所在企业签订就业协议的达18人,电子信息工程专业达11人,电子信息科学与技术专业达12人,通信工程专业达6人。
在产学研合作教育模式下的毕业设计真正做到了“在产品上写论文,在工程中做设计”,学生的综合应用能力、岗位适应能力、创新能力有了较大提高,就业竞争能力也得到了明显增强,学生参加工作后,用人单位的反馈良好。
三、结语
产学研结合的毕业设计模式顺应了地方经济的发展,是校企联合、互补双赢,确保应用型人才培养质量的重要措施,同时也形成了安徽工程大学“深度融合地方经济”的办学特色。产学研合作教育模式下的毕业设计,依托相关企业,充分利用了企业、高等院校和科研院所的优势资源,以企业的需求为自主创新的导向,丰富了实践教学内容,促进了教学水平的提高,形成了人才培养的凝聚力,有利于强化学生创新能力和解决实际问题能力。实践表明,产学研合作教育模式可以有效提升地方性高等院校工科专业毕业设计质量。
参考文献:
[1]张荣.斯坦福大学产学研创新的成功与启示[D].太原:太原科技大学,2010:3-4.
[2]杨建芳.产学研结合的毕业设计模式研究[D].石家庄:河北师范大学,2007:21-27.
[3]吴亚男,毛有虎,石怀伟.校企合作创新毕业设计新模式[J].中国成人教育,2010,(13):68-69.
毕业论文答辩自述稿范文
尊敬的各位老师:
下午好!
我是通信工程专业14级秋季班的郭胜强,学号1409421031001,这篇论文是在我的指导老师李彦菲副教授及南广学院何光威副教授的悉心指点下完成的,论文的选题是经该论文选题是经李老师审核通过并给我提出此文的写作基调和原则,何老师在我撰写论文的过程中付出了大量心血,本文经过一二三稿并最终定稿,这期间何老师对我的论文进行了详细的修改和指正,并给予我许多宝贵的建议和意见,给予了我极大的帮助。在专业知识水平上,二位老师敢于尝试、锲而不舍、推陈出新的的精神是我永远学习的榜样,并将积极影响我今后的学习和工作,在此我谨向李老师、何老师表示崇高的敬意和衷心的感谢。不管今天答辩的结果如何,我都会由衷的感谢二位老师的帮助和指导,感谢各位评委老师的批评指正。
下面我将这篇论文的毕业论文选题的目的、意义、写作内容、成果、结论、存在的不足向各位老师作简要的陈述。
首先,我想谈谈为什么选这个题目及这篇文章的目的和意义。
我当时之所以选择《基于FPGA的数字音频信号源设计实现》这个题目是因在日常遇到的问题中有很多需要进行声音处理,所以选用FPGA器件实现音频信
号源处理的方案,即对声音信号进行了采集、处理、传输存储和还音回放工作以及如何在噪声环境中如何能有效地地把需要的语音信号提取出来,消除或者衰减噪声,从而显著提高数字音频信号源的质量方面的工作。另对系统如何进行声音信号采集、声音信号模数转换、编码、压缩、声音信号滤波、音频信号输出、传输、还音等工作进行了探讨。
其次,我想谈谈这篇文章的结构和主要内容。
我的论文主要分为以下5个部分:
第一部分主要音频采集、数据处理部分基本原理
首先使用话筒把收集到的语言信号作为输入信号,然后将收集到的音频信号转换为连续的电信号,耳机播放的声音是由经过滤波后转换的模拟音频信号;LM4550(AC-972.1)芯片将输入的模拟音频信号经过采样、量化、编码转换为数字音频信号;FPGA中的AC-97模块用来发送及接收256bit的串行数据流,具有I/O的18位立体声PCM数据端口;AC-97Commands的命令则是用来执行初始化命令和设置放大器增益等;FPGA通过配置接口编写Verilog程序来控制LM4550(AC-972.1)芯片的正常工作;FPGA和LM4550(AC-972.1)芯片通过数据传输接口实现音频信号编码后的的发送与接收;FIR滤波器将LM4550传输来的数字化音频数据处理后,经过数据传输接口传送到LM4550(AC-972.1)芯片的模数转换后,其模拟信号由耳机线路输出。
第二部分数据传输部分,本设计的数据传输部分拟采用以太网传输,具体来说使用3类双绞线的l0BASE-T方式,在上一节中提到的通过帧结构封装,多路时分复用后的数据流转换成串行数据后,通过以太网芯片,对数据流进行IP包的封装,封装好的IP包,通过RJ45的接口,经华为QuidwayS2700series交换机,再通过RJ45的接口按照协议传送到服务器,并将数据流信息存储到服务器上。
第三部分是还音部分
还音是整个音频系统的最后一个环节[6],还音的过程是这样的,通过网络将服务器中的数据流信息传送过来,由于先前对多路音频进行了时分复用,所以在此首先对数据流信息进行解复用,解复用后,生成多路音频数据流,将每一路音频数据流进行帧结构解析,去除帧头,帧尾,通道号,时间同步信号信息,纠错码信息,同时将时间同步信号信息和通道号信息提取出来,这样就解析出来带有通道的多路音频数字信号,这些信号之间的延迟信息通过时间同步信号信息来体现,然后将每一通道的音频数据信息进行归一化处理,形成可以播放的wav文件,根据通道号和时间同步信号信息通过不同的扬声器播放出来,到此,就完成了还音的过程。
第四部分主要是各模块的设计
(一)音频采集、处理硬件平台的实现(二)传输部分平台的实现(三)还音部分平台的实现
第五部分主要是系统的综合测试和整体实现(一)采集、处理部分的整体实现
(二)系统功能验证和效果分析及硬件实物验证(三)传输存储和还音部分综合测试和整体实现
我的论文结论是:本课题研究了基于FPGA的数字音频源设计实现,并利用FPGA设计了对声音信号进行了采集、处理、回放以及如何在噪声环境中如何能有效地地把需要的语音信号提取出来,消除或者衰减噪声。同时进行了传输存储和还音重放的设计工作,
系统在设计过程中以Xilinx公司Spartan-6系列XC6SLX45芯片为核心芯片,通过XC6SLX45芯片控制LM4550将麦克风采集到的语音信号实时的处理转换为数字信号,并将数据传给主控制芯片XC6SLX45,对数字音频信号进行滤波处理,滤除非有用信号。利用FPGA(FieldProgrammableGateArray,可编程门阵列)可反复编程、擦除、使用的特点成功的解决了语音滤波器可重构的特点。本文中基于FPGA的音频采集系统中的滤波器的设计实现了结构灵活、实时性好、通用性强、占用资源少、运行速率高等优点。
本文对系统如何进行声音信号采集、声音信号模数转换、编码、压缩、声音信号滤波、音频信号输出、传输、还音等工作进行了探讨。本论文主要完成工作如下:
1.实现了音频的采集,信号稳定。
2.对音频信号的处理完成了简单的同步处理,3.对音频信号采用时分复用方法进行数据处理。4.完成了对信号的测试。
5.接收的音频数据能够通过软件解析接出来。
6.本系统把从话筒收集到的语音信号进行实时处理转换为数字信号,并将数据传给主控制FPGA芯片XC6SLX45,然后对数字音频信号进行滤波处理,通过设计数字滤波器来处理噪声信号,消除或者衰减噪声。
7.借助MATLAB软件来设计FIR数字滤波器,使用FDATooI工具箱设计滤波器的系数。利用MATLAB/Simulink建模及算法级仿真,验证了设计滤波器的可行性。
8.采用时下比较流行的SystemGenerator设计FPGA的方式,构建了音频采集系统中的滤波器的硬件模型。完成了采集模块、时钟控制模块、按键防抖动模块、滤波系统模块的设计与仿真,并在ISE软件中进行了综合,验证了软件设计的可行性。
最后,我想谈谈这篇文章存在的不足。本文设计把首先对模拟音频信号进行量化采集,其次量化音频信号通过FPGA数据处理,是否通过FIR数字滤波器输出,然后通过异步串口输出存储,最终通过软件解码,对音频量化信号归一化处理,将声音回放出来。整个过程已经实现。但是还存在一些问题,需要进一步的改进和加强。
1.数据存储方面有新的改进2.获取更高精度的音频数据。
一、企业生产性实训基地的管理模式和运行机制
学校依托政府、行业和企业多方力量,按照“1+1+1伙伴”实训基地建设模式,建设一个与通信产业契合度高、社会服务功能强,集生产、教学、项目研发、培训于一体,涵盖工程施工、设计、监理、督导,具有教学载体产品化、教学环境真实化、教学人员工作化、教学管理企业化和考核模式多维化特征的生产性实习实训基地,如图 1 所示。
(一)建立互惠共赢的校企共担人才培养机制
一是制定《校企合作生产性实训基地管理办法》,进一步明确行业企业及学校的责任、权利、利益关系。学校采取成立专门机构、设定专职人员、引进先进信息技术等方式,搭建校企合作一站式服务平台,以实现双方共建共享实训基地、校企人才资源库、优质教学资源及共同开展技术研发、服务和推广的目标[2]。
二是制定校企合作管理办法,通过校企合作项目立项的方式进一步明确校企合作项目的目标任务、合作条件、执行机构、效益评价等。学校对确实能满足育人需求,运作良好的校企合作项目,采取租金让利、设备投入等方式提高企业参与办学的积极性。
三是完善校内外实习实训基地建设管理制度,规定校内外实训基地的主要任务、建设原则及建设条件、共建单位的权利和义务、组织与管理等,推行对校内外实习基地的分类管理和绩效评价,形成了“1+1+1伙伴”实训基地运作模式[3]。
四是制定校企合作仪器设备管理办法,多渠道、多形式筹措资金,以“校中厂”“厂中校”建设为重点,引进、共享企业生产设备、技术人员、技术标准和管理规范,以实现“校内基地生产化、校外基地教学化”的目标。
(二)建立市场导向的校企合作利益驱动机制
一是设立产学研合作贡献奖励基金,加大用于合作企业项目研发资金的支持力度。一方面用于鼓励系部与企业共建生产性实训基地,并挂牌运行;另一方面用于奖励在生产性实训基地作出突出贡献的师生员工和企业员工,以建立起多元化的评价体系,引导广大教师积极投身校企间的产学研合作。二是建立企业实训基地专兼职教师津贴制度,凡受聘于基地的专兼职教师,均可根据津贴发放的基本条件、额度标准及育人工作量的完成情况,享受学校的基本工作量津贴。同时,学校还将开展“星级”教师评定活动,“星级”教师除享受学校的基本津贴外,还可享受学校的奖励津贴。三是通过建设校企合作一站式服务平台和设立学生服务企业技革技改专项基金等,搭建师生服务企业生产、经营、服务的桥梁,使校企成为真正的利益共同体。
(三)建立校企相互联通的双师培养工作机制
一是完善“双师型”师资队伍建设制度。通过重新修订学校《教师双师素质认定办法》《专业带头人聘用管理办法》《骨干教师聘用管理办法》《教师企业实践管理规定》等管理制度,为专兼职教师教学能力的提升提供制度保障。二是制定校企人员互聘、岗位轮换管理制度,通过推行专业带头人“兼职企业顾问”制、骨干教师“企业挂职锻炼”制、专业教师“顶岗实践”制和建立企业教师工作站以及校企合作项目负责人制,建立起适合高职教育理念的教师实践制度。同时,积极推进兼职教师的选拔和聘用,以锻造专兼职双师教学团队[4]。
二、实行“共育、共担、共享”的基地运作模式
(一)建立以学校为主导,企业深度参与的生产性课程体系
学校与浙江通信产业服务有限公司绍兴分公司校企合作成立通信工程设计室,共同开发通信技术专业生产性课程体系,把集工程设计、施工、维护为一体的企业作为教学的主体单位,如图2所示。
(二)以行业人才标准为依据,系统设计与实施实践教学环节
学校成立“通信工程服务中心”,采用“工学结合、合作共赢”的模式建设生产性实训基地。中心在为通信企业提供[dylW.NEt专业提供写作毕业论文的服务,欢迎光临wwW. DYlw.NEt]工程设计、业务培训、咨询服务的同时,为学生生产性实训提供平台。生产性实训流程如图3所示。
三、依托企业生产性实训基地,开展“现代学徒制”教学改革
学校2011年与中国移动台州分公司等联合成立“光网改造工程”生产性实训基地。校企合作基地采用虚实结合、校企人员共同参的方式组建,设基地办公室,下辖项目开发组、项目实施组和项目支撑组等职能部门,具体组织架构如图4所示。基地管理层由学院和企业相关领导兼职担任,其他职能部门人员根据具体分工由企业和学校教师兼职或专任。
基地依托生产性实训项目“FTTH光缆工程设计”探索“现代学徒制”人才培养模式。自2011年起,学校台州生产性训练基地的专业教师和电信企业的技术人员组成教学团队,指导通信技术专业学生进行台州电信主干光缆的规划与设计、FTTH接入设计、基站接入设计、电缆技改项目设计等,累计完成设计文本800多个,文本设计总额达到750多万元。