發布時間：2023-04-08 11:36:40
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了8篇的工業工程畢業論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，請盡情閱讀。
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[1]。
超寬帶無線電是對基于正弦載波的常規無線電的一次突破。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、系統處理增益等方面，具有獨特的優勢，尤其是能夠在密集的多徑環境下實現高速傳輸。由于脈沖持續時間很短，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缺點，性能的好壞，并進行動態的仿真，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點成為短距離無線通信極具競爭力和發展前景的技術之一。FCC(美國通信委員會) 對超寬帶系統的最新定義是: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]它與現有的無線電系統比較,在花費更小的制造成本的條件下,能夠做到更高的數據傳輸速率(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
發射超寬帶(UWB) 信號最常用和最傳統的方法是發射一種時域上很短(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,因為它不像傳統通信系統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,使用并行同步觸發的方式,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了強烈的能量尖峰。這些尖峰將會對信號構成干擾,通過數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
超寬帶系統中信息數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據的傳輸脈沖幅度的調制技術。在PAM調制系統中,一系列的脈沖幅度被用來代表需要傳輸的數據。任何形狀的脈沖都是通過其幅度調制使傳輸數據在{ - 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(發送數據為1 ,UWB 信號的幅度為1 ;發送數據為0 ,UWB 信號的幅度為0) ;
（2）PPAM(發送數據為1 ,UWB 信號的幅度為β1 ;發送數據為0 ,UWB 信號的幅度為β2) ;
（3）BPSK(發送數據為1 ,UWB 信號的幅度為1 ;發送數據為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 ) 是一個數量級。當發送數據為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,超寬帶系統又被分為跳時的超寬帶系統(TH - UWB) 、直擴的超寬帶系統(DS - UWB) 、跳頻的超寬帶系統(FH - UWB) 和基帶多載波超寬帶系統(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 與傳統通信系統相比,工作原理迥異,因此UWB 具有如下傳統通信系統無法比擬的技術特點[4]:
(1)系統容量大。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。超寬帶無線電系統用戶數量大大高于3G系統。
(2)高速的數據傳輸。UWB 系統使用上GHz 的超寬頻帶,根據香農信道容量公式,即使把發送信號功率密度控制得很低,也可以實現高的信息速率。一般情況下,其最大數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,所以能充分利用發射信號的能量。實驗表明,對常規無線電信號多徑衰落深達10～30dB 的多徑環境,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 定位系統只能工作在GPS 定位衛星的可視范圍之內。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送每個比特所用的脈沖數。UWB 的占空比一般為0. 01～0. 001 ,具有比其它擴頻系統高得多的處理增益,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 無線通信系統接收機沒有本振、功放、鎖相環( 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送數據,脈沖持續時間很短,一般在0. 20ns～1. 5ns之間,有很低的占空因數,所以它只需要很低的電源功率。一般UWB 系統只需要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, 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,進一步降低收發結構的復雜度等。
2.4 UWB發射機和接收機組成框圖
2.4.1 UWB發射機組成框圖
UWB發射機直接發送納秒級脈沖來傳輸數據而不需使用載波電路。所以，UWB發射機比現有的無線發射設備要簡單得多。TH-UWB發射機組成框圖如圖2-3所示[5]。
圖2-3 UWB發射機組成框圖
調制后的數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生器的發送時刻，脈沖信號發生器輸出的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]。
接收機與發射機類似，兩者的區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 系統在很低的功率譜密度的情況下,UWB具有巨大的數據傳輸速率優勢,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的技術優勢非常明顯,如表1 所示。現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有的通信系統造成影響的新的無線通信方案,超寬帶脈沖無線電系統正好滿足了這一要求。UWB 技術對于無線短距離的高速數據通信是非常有競爭力的,隨著研究的深入,憑借多方面的優勢,它將在很多領域占有一席之地。特別是短距離傳輸的后3G領域,UWB 將有廣闊的發展空間[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、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大學講授線性代數課程時，發現應用其他高級語言編程極為不便，便構思并開發了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，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軟件包LINPACK和特征計算軟件包EISPACK中的子程序為基礎發展而成的一種開放型程序設計語言，其基本的數據單元是一個維數不加限制的矩陣，這就允許用戶可以根據數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博士等一批數學家與軟件專家組建了名為MathWorks的軟件開發公司，專門擴展并改進MATLAB。
為了準確地把一個控制系統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模型，然后利用該軟件提供的功能來對系統直接進行仿真。很明顯，這種做法使得一個很復雜系統的輸入變得相當容易。SIMULINK的出現，更使得MATLAB的控制系統的仿真與其在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，這使它的優勢得到了充分的體現。
(2) 人機界面適合科技人員
MATLAB的語言規則與筆算式相似。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。矩陣的行列數無需定義。MATLAB不必有階數定義，輸入數據的行列數就決定了它的階數。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
能根據輸入數據自動確定坐標繪圖，能規定多種坐標系，（極坐標系、對數坐標系等），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擴展兩大部分。
基本部分包括矩陣的運算和各種變換、代數和超越方程的求解、數據處理和傅立葉變換及數值積分等等。可以充分滿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，或實現某一類的新算法。現在已經有控制系統、信號處理、圖像處理、系統辨識、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、系統仿真和實時運行等領域發展。
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給出詳細定義，明確系統中的模塊、系統構成、模塊之間的相互關系，系統的輸入輸出、邊界條件以及系統的約束條件，并明確仿真所要達到的目標。
根據仿真系統分析的結果，確定系統中的參數、變量及其互之間的關系，并以數學形式將這些關系描述出來，從而構成仿真系統的數學模型。數學建模是系統仿真中最關鍵的一步，所建立的數學模型必須盡可能準確地反映所關心的真實系統的特性，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。電子與通信系統的數學模型通常以方框圖形式或數學方程形式來表達。
根據建立的數學模型所需要的數據元素，收集與模型系統有關的數據。根據數學模型建立系統的計算機仿真模型，收集數據，確定其中各子模塊的結構，輸入輸出接口，輸入輸出的數據表達形式，數據的存儲方式等。然后編制相應的程序流程，用MATLAB語言實現。
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學模型。仿真模型驗證通常的方法是將數學模型的解析結果（或理論結果）與仿真所得到的數值結果相比較來完成的；或通過已知的系統輸入輸出結果，對比在相同條件下的系統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，讓計算機執行計算，并在執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和仿真機制下的輸出，得出試驗數據，從而預測系統在實際環境中的運行情況。
對仿真模型的運行階段所產生的數據進行分析，其目的是從運行階段所產生的數據中找出系統運行規律，對仿真系統的性能做出評價，為系統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
發射超寬帶（UWB）信號最常用和最傳統的方法是發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）對數據符號進行編碼。一般是，編碼后的數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，靠發射高速率數據而不是窄脈沖所產生的具有UWB射頻帶寬的系統，就不應該被排除在UWB系統之外。諸如正交頻分復用（OFDM），在數據速率適當的情況下也可產生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地描述如下(參見圖4-1描繪的發射鏈路) [1]。
SHAPE \* MERGEFORMAT
圖4-1 PPM-TH-UWB信號的發射方案
給定待發射的二進制序列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是一個實數值序列，而a是二進制序列，c是整數值序列.現在我們遵循最常用的方法，假定c是企業界隨機碼序列，它的元素cj是整數，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相等。我們必須牢記：傳輸編碼扮演了碼分多址編碼和發射信號的頻譜形成雙重角色[1]。
實數值序列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。
以上所有系統級聯以后的輸出信號 可表示如下：
(4-2)
比特間隔或比特持續時間，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的發射鏈路 系統模型如圖4-2所示
SHAPE \* MERGEFORMAT
圖4-2 PPM-TH-UWB 發射器的系統模型
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）顯示了參數設置如下時所產生的UWB信號
以dBm為單位的平均發射功率Pow， 信號的抽樣頻率fc， 由二進制源產生的比特數numbits， 平均脈沖重復時間Ts（單位為秒），每個比特映射的脈沖數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等間隔脈沖的結果。
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。在傳統的DS-SS系統中，RF發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（見圖所示發射鏈路）。
SHAPE \* MERGEFORMAT 圖4-5 PAM-DS-UWB 信號的發射方案
假定待發射的二進制序列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，系統引入的冗余相當于一個參數為(Ns,1)的重復碼編碼器。
第二個系統將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——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。在傳統的DS-SS系統中，沖激響應p(t)是持續時間為Ts的矩形脈沖。而在DS-UWB系統中，與TH方式相似，p(t)是持續時間遠小于Ts的脈沖。
以上系統級聯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則的時間間隔出現，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 發射鏈路 其系統模型如圖4-6所示.
SHAPE \* MERGEFORMAT
圖4-6 PAM-DS-UWB 發射機系統模型
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發射機產生的信號
圖（4-7）顯示了參數設置如下時所產生的UWB信號
以dBm為單位的平均發射功率Pow， 信號的抽樣頻率fc， 由二進制源產生的比特數numbits， 平均脈沖重復時間Ts（單位為秒），每個比特映射的脈沖數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（信號每比特發射脈沖數）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）方式與本章前兩節分析研究的IR原理不同。根據2002年，FCC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來說相當于熱噪聲，并不被窄帶通信系統的接收機檢測到，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。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。
式（4-9）中OFDM信號的數字變換相當于傳輸式（4-10）中復數包絡的抽樣值，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 要發射的總比特數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； 循環前綴的持續時間TP；保護間隔時間TG， 矩形脈沖響應的幅度為A， OFDM系統的子載波數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[9]。
OFDM具有良好的抗多徑干擾性能，通過頻率的合理選擇，能夠同現存的窄帶系統和開放頻段的通信系統具有很好的共存性，同傳統的超寬帶系統相比有很大的優勢[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據信息的調制方式。按照采用的離散數據符號的狀態數可以分為二進制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的位置有2個或M個，脈沖位置與符號狀態一一對應。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，為保證系統傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關函數的負峰值點，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的優點在于：它僅需要根據數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調制與解調。因此，PPM是UWB系統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）是數據通信系統最為常用的調制方式之一。在UWB系統中，考慮到實現復雜度和功率有效性，不宜采用多進制PAM（MPAM）。UWB系統常用的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有很多優點：能夠提供較大的系統容量，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，靈活分配數據容量和功率，可提供靈活的高速和變速綜合數據傳輸可以實現較高的安全傳輸性能，允許數據在復數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。
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。
相對于傳統的窄帶無線通信系統，超寬帶無線產生系統具有諸多優點和潛力，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據率傳輸的能力與定位功能，可以設計依賴定位信息優化網絡資源管理的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。該系統包括傳輸距離遠（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點，該系統還可以應用與偵察、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，接收端必須已知發射端擴頻碼的條件下才能解調出發射數據來，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展的熱門技術。它以其自身的優點，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的方式兩大類。脈沖傳輸的特點是把信息調制在離散脈沖信號上發射，而帶通載波調制傳輸的特點則是把信息調制在正弦載波上發射。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為基礎進行研究的。
為了更好地了解超寬帶通信系統，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，說明調制方式的優缺點。
常采用不同的調制方案，對系統傳輸速率、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，還要根據系統總的設計加以考慮。
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我校交通工程專業畢業設計可分為畢業設計及畢業論文兩類。選題的來源一般為教師自擬題目或科研項目中的某一部分，選題總體來說比較豐富，包括交通工程各領域，如交通設計、道路設計、道路橋梁結構分析等。總體上而言，我校交通工程專業選題范圍較廣，基本上涉及到了交通工程的各個方面，且與學生的就業方向具有較好的相關性。但由于指導教師專業方向的限制，學生能力的限制以及教學條件的限制，學生選題的自由度實際上不大。在設計類題目中，“交通設施設計”中采用的題目大多就有很強的工程背景或實際背景，如“建設一路公路改造設計”。此類題目由于具有很強的工程背景，可以為學生提供比較全面的資料，如實際的地形圖、地勘報告等，學生參與的興趣較高，而題目又涉及到實際工程中各方面問題，若師生之間能進行良好的互動，可取得更好的教學效果。“交通設計”則主要針對道路交叉口或者一定區域內的道路網進行交通分析，在此基礎上進行交通優化設計，如“武漢市二環東段道路出入口控制設計”。此類題目一般以實際問題為依托，學生需要自己采集交通數據及道路數據，在此基礎上進行交通模擬分析并對原設計方案進行優化。“交通信息”則主要涉及到信息工程在交通領域的應用，如“基于Sketch-up的校園三維場景模型的構建”，此類選題需要學生有一定的專業軟件能力，具有較強的應用性。論文類題目中也可分為3個方面，分別為“結構與材料性能”、“交通策略”和“交通信息”。一般而言，畢業論文涉及到的專業知識相對而言較少，一般僅對某一門課程中一方面的問題開展研究。其一方面需要學生有扎實的專業基礎，另一方面要求學生有一定的科研能力，因此論文在全部設計中占有的比例不宜過大，本專業要求一般不高于20%。
2交通工程專業畢業設計中面臨的一些問題
由于交通工程專業是一個較新的綜合性學科，目前很多高校在教學目標上存在一定的差異，其畢業設計要求及教學方法也存在很大的差異。我校交通工程專業在借鑒其他高校教學方法基礎上，每年都會根據實際情況對畢業設計的教學方法及管理方法進行必要調整。但在畢業設計過程中仍然存在不少的問題，具體如下：
（1）教學條件有待完善。主要表現在幾個方面：首先畢業設計指導教師的指導時間投入不足，主要是由于畢業設計時間過于集中，而學校的師資力量有限，影響了畢業設計的質量。此外，學校對畢業設計重視程度仍然有待提高；其次，部分教師本身缺乏一定的工程經驗，因此很難解決畢業設計中出現的問題，這也影響了畢業設計的質量；最后，學校在教學設備及教學經費上的投入非常有限，嚴重影響了畢業設計的質量。實驗設備及經費的缺乏造成很多實驗項目及調研考察無法開展，畢業設計只能避實就虛，影響了學生的積極性。
（2）畢業設計選題局限性很大。學校規定畢業設計選題由學生及指導教師共同完成，但實際上操作起來具有很大的難度。實際操作中一般各教師按照指導學生人數擬定畢業設計題目再由學生自主選擇，學生在選題方面的自由度很小。部分學校要求畢業設計題目的擬定以學生為主也是不可取的，一方面學生的專業水平有限，缺乏實際經驗，很難擬定出符合要求的畢業設計題目，另一方面，本專業作為工程學科，畢業設計中如果與實際工程結合起來，效果更好，學生顯然不具備此條件。
（3）畢業生就業影響了畢業設計質量。大學生就業壓力越來越大，而學生的就業率作為學科建設的一個重要考核目標，使得學校必須為學生的就業提供各種便利。而畢業設計時間上與學生找工作的時間基本上重合，這必然對畢業設計教學秩序造成嚴重影響。
（4）學校對畢業設計的管理力度不夠。一般來說，學校對畢業設計都有較為嚴格的管理條例，但作為全校性的管理條例必然不可過于細致，同時學校在管理條例的執行上也不夠嚴格規范。其具體表現在幾個方面：一方面學校對教師的指導管理不夠，教師對畢業設計的指導僅依靠責任心維持；另一方面，學校對教師缺乏必要的業務指導，部分教師在業務水平方面的缺陷必然影響了畢業設計的質量；此外，畢業設計管理過程中，對畢業設計工作量的標準有待完善。
（5）畢業設計工作量的標準不合理。目前我校對畢業設計工作量的要求主要以字數為準，其它要求過于松散。實際執行過程中以指導教師要求為準，這造成了畢業設計標準的不統一。部分教師要求較高，學生畢業設計工作量很大，而另外一些教師要求較低則學生畢業設計工作量很小。過高工作量使得學生畢業設計壓力過大，而過低的工作量則不足以完成既定的教學目標，兩者都不利于教學效果的提高。
3交通工程專業畢業設計的幾點建議
基于畢業設計在本科教學體系中的重要性，如何提高畢業設計的教學質量從而提高本科畢業生的整體素質是教學改革的重點內容。
（1）加強科研工作與畢業設計教學的結合。指導教師在畢業設計選題階段中應盡量選擇難度相對較低的科研項目，以橫向科研項目為主，可由學生完成協助科研工作的某一部分，如交叉口的調查及交通控制的模擬。盡量將學生的工作納入科研團隊的工作之中，這樣才能真正起到教學與科研的互相促進作用。
（2）建立更加完善的畢業設計選題體系。教師在確定畢業設計選題時，應充分考慮學生的興趣及就業去向。為了保證學生選題的自由度，應改變原有的一對一的選題模式及有多少學生選擇多少題目，一個學生面對一名指導教師的模式。畢業設計題目總數應不少于2倍的學生數，同時每名畢業設計學生可安排；兩名指導教師（包括一名指導教師以及一名專業輔導教師），這樣既可以保證學生選題的自由度，可很好地解決教師的專業方向的局限。
（3）提前開題，合理優化畢業設計時間。由于畢業設計時間與學生就業存在一定的沖突，為了保障畢業設計的進度與質量，可適當延長畢業設計時間，將畢業設計的開題時間提前到第七學期初。學生在第七學期中教學任務不重，這樣學生有充足的時間進行畢業設計文獻收集及閱讀，同時也減少了學生在最后一學期的畢業設計與工作的雙重壓力。此外，畢業設計時間的延長有利于畢業設計水平的整體提高。
（4）加強管理，建立完善的畢業設計質量控制體系。加強畢業設計的管理工作，在畢業設計開始階段，教師應根據畢業設計內容的特點，指導學生完成畢業設計的進度安排表，具體工作應落實到每周。學生在每個階段必須完成既定的工作，及時匯報畢業設計的進度，保證按時按量完成畢業設計任務。
4結語
1.畢業設計內容較為單一，題目重復率高。
目前高校環境工程專業畢業設計所采用的模式基本是先由指導教師列出題目，再由學生進行選擇。然而由于有些教師手中掌握的工程技術資料有限，所指導學生數量又多，選題經常是使用多年的陳舊課題，有的甚至幾年都用一樣的題目，缺乏創新，重復率高。另外，由于不同高校的學科特色不同，環境工程專業的研究重點也各有差異，有些高校畢業設計題目主要集中在水處理方面，而大氣、土壤和固廢方面的設計題目相對較少；有些高校側重于固廢及土壤方面的研究，大氣及水處理方面研究相對較少。這就導致了畢業設計課題不夠全面，難以體現專業特色。
2.學生對畢業設計不夠重視，投入精力不足。
目前大部分高校的培養方案中把畢業設計安排在最后一個學期，而這一學期，又是畢業生找工作的關鍵時期。在高校擴招的總體趨勢下，近幾年來畢業生數量連年創新高，導致學生的就業壓力逐年增加，在激烈的市場競爭下，學生們不得不花費大量的時間精力在擇業就業上。同時，一部分學生選擇繼續深造，將主要精力放在了研究生復試及一些其他考試上。而學校經常把就業率和考研率作為衡量一個專業建設好壞的重要指標，導致部分學生對畢業設計的重視程度和精力投入不夠。很多學生認為自己找到了工作單位，畢業設計已經無關緊要了，應付心態嚴重。有些同學經常是東拼西湊，草草完成畢業設計，其結果就是使畢業設計流于形式，難以達到鍛煉學生分析解決問題的能力和培養綜合素質的效果。
3.師資缺乏，配套設施不足。
有些院校平均每位教師要指導十多名學生的畢業設計。很多教師除了指導畢業設計外，還要完成繁重的課堂教學任務和其他科研任務，所以指導教師根本不可能對每個學生都做到面面俱到的監督和指導。這就造成了一些學生的松懈，從而影響畢業設計的質量。同時，一些帶畢業論文的教師通常需要學生進行幾個月的實驗研究，由于學校實驗設備比較陳舊，一些設備出現了老化和故障，嚴重影響了實驗的進度和實驗結果的準確性，進而影響畢業論文的質量。
4.畢業設計評定流于形式化。
畢業設計教學環節通常包括選題、開題報告、中期檢查和畢業答辯等。學生的畢業設計成績主要取決于答辯成績。而學生畢業答辯一般安排在學生離校前幾天，所以答辯中即便發現一些問題，學生也不會再多花時間去修改。答辯組對于學生的評分，最低只給到及格，一般不會給學生不及格，答辯過程形式大于內容。這就使得學生們從思想上到行動上都對畢業設計不夠重視。
5.畢業設計經費支撐不足。
目前多數高校普遍存在經費不足的問題。由于多數畢業設計的題目均為陳舊的課題，并無直接的經費支撐，同時學校針對畢業設計提供的專項經費數量有限，進一步限制了設計資料及試驗條件等方面的支持，從而影響學生畢業設計實際針對性，難以保證質量。
二、環境工程專業畢業設計改革建議
1.廣泛收集資料，豐富畢業設計選題。
科學合理地確定畢業設計選題，是保證畢業設計水平的先決條件。從選題內容上，根據環境工程專業的特點，畢業論文應涵蓋水污染控制工程、大氣污染控制工程、土壤污染控制工程、生態工程及環境質量評價等各個方面。從選題方式上，畢業設計選題應與學生擇業方向相結合，與科研和工程項目相結合，與企業相結合，以學生自由選題為主，結合學生自己的興趣、特長及今后從事工作的需要自主選題。
2.靈活安排畢業設計時間，加強與學生間的互動。
針對畢業設計時間安排在學生時間精力均不足的第八學期的問題，可以改變畢業設計的固定組織形式，靈活利用時間來組織畢業設計。例如可以考慮把畢業設計分兩個學期進行：不考研的學生在第七學期進行，考研的學生在第八學期進行。部分學生也可在第五和第六學期通過參與教師的科研課題或開放實驗，提前完成畢業設計。這種方式就避免了畢業設計時間集中以及每位老師短時間內所帶學生較多的問題。另外，畢業設計是學生將四年的知識積累運用到實際應用中的一個過程，需要學生們細心地分析選題，進行資料調研，運用所學知識尋找解決問題的方法，這個過程需要教師精心的指導，因此師生間的互動非常關鍵。指導教師應該根據每個學生的具體情況，每周對學生進行指導，并在畢業設計過程中不定期檢查學生設計的進展，及時發現學生的問題，并進行指導，保證學生高質量地完成設計。
3.加大教學投入，提高教師的專業技術水平。
學校應為保障學生畢業設計的質量投入更多的教學設備，將機房和實驗室較大程度地向學生開放，以保證學生有足夠的時間完成實驗和設計。另外還應對指導畢業設計的教師進行培訓和考核，提高教師的專業技術水平，努力打造一支既有專業知識，又懂輔助技術，同時善于聯系實際的優秀教師隊伍。
4.加強管理，改革畢業設計的考核方式。
雖然在畢業設計的各個環節都有相應的管理措施，但在實際實施中常流于形式。要加強畢業設計的管理，首先要進行學風教育，使學生認識到畢業設計的重要性。最重要的是要嚴把答辯關，要嚴格答辯程序，避免答辯走過場的現場。對于達不到要求的設計，堅決不給予通過，營造良好的學風。同時，改革畢業設計的考核方式，研究制定科學高效的評分機制，對于平時設計過程中不按時完成各項任務的學生可給予相應的減分，提高指導教師打分的比例。
三、結語
學生考慮問題深入，對學生都給予較好的評語。其余學生由教研組組成答辨小姐進行逐個答辨。畢業設計的成果，基本反映了學生獨立工作能力的水平。
這次畢業設計工作，給予我們不少啟發，下面就今后畢業設計工作談一些想法。
一、選擇結合實際任務的不同類型畢業設計課題，進一步提高學生的獨立工作能力
建筑結構工程專業的培養目標是學生畢業后既能從事建筑結構的設計和研究，又能從事建筑工程的施工和管理，但他們在學校里要著重進行的是作為結構工程師的基本訓練。為了達到這個目標，必須在整個教學中加強基本理論，重視基本技能訓綜，切實安排好實踐環節，以及認真做好最后一個學期的畢業設計工作。
在各種教學安排中，傳授知識和培養能力是學校教學的兩個方面，而能力和創新精神卻是提髙教學質量的重要標志。能力和創新精神的丨川練應當貫穿在各個教學環節之中，使學生由低到高地受到連續的訓練和薰陶。但是畢業設計卻是貫徹理論聯系實際原則和綜合訓練獨立工作能力的最后的也是最重要環節。它對保證學生質量起著其它教學環節所不能代替的作用，因而必需予以髙度的重視和精心安排。
從歷史沿革看，我系本專業畢業設計曾有幾種做法：解放初期沒有畢業設計，學生祗是在臨畢業前閱讀幾篇文獻，寫份讀書報告；學蘇后開始設置畢業設計，做的是假擬題目，分建筑.結構、施工三個階段進行“總裝配”；58年后實行“真刀真槍”的畢業沒計，學生在一個小組里結合實際設計任務經歷結構設計的全過程；61年后“真刀真槍'’和“真題假做”的結構設計題目件舉，同時引入少呈科研題目，使學生學會科研方法。
我們認為把畢業設計作為“總裝配”也好，作為“經歷結構設計全過程”也好，作為“學會科研方法”也好，它們都有正確的一面，但也有困難的一面，而且不能概括畢業設計的基本要求。例如進行“建筑、結構、施工”的三階段總裝配，好處是學生能將已學知識聯系起來解決工程問題。但畢業設計時間短，學生要忙于完成三階段任務，精力分散，不易做到深入鉆研，不能更好地培養獨立工作能力和創新精神。又如“經歷結構設計全過程”的做法，好處是真刀真槍，能調動學生積極性，是一次實戰淚習。但生產和教學矛盾突出，例如設計資料常變動，各設計工種間技術矛盾很多，施工單位會提出種種實際問題要求推翻已做好的設計，因此學生會做大量重復性工作，有的不屬于基本教學要求。
我們認為畢業設計的基本要求，槪括起來應做到“兩彳、進一步”一就是進一步理論聯系實際，進一步訓練能力；抓住“三個性”——就是要求學生做畢業設計時具有綜合性、獨立性和創造性。這里所謂“進一步”，就是把畢業設計和其它教學環節聯系起來考慮，有些訓練可以在其它教學環節中基本完成，而在畢業設計中強調的則是進一步的提高。所謂“三個性”，就是在綜合進行“總裝配”的基礎上，強調培養獨立工作能力和創新精神。
為了達到這個目標，可供選擇的畢業設計課題是廣泛的。它可以是設計題目，可以是研究設計任務，也可以是本專業在結構、力學、材料、施工方面的科研專題。這里有一個核心問題，就是畢業設計題目要結合實際任務，它應該或者是一項實際生產任務或者是一個有現實意義的課題。學生不僅在畢業設計中能經歷一次設計的或小型科研的全過程，而且有為推動四化建設盡自己力量的責任感。有了這一點，學生就會有極大的主動性和極積性去研究解決各種工程實際問題，做一些有創新意義的工作。也就能使學生在畢業設計中更有目的地鉆研和運用理論，鍛煉基本技能，自覺提高獨立工作能力，自始至終地用高標準要求自己，最后達到培養目標要求。
二、抓好畢業設計前各個教學環節（尤其是實踐環節），是提高畢此設計水平的重要條件
建筑結構工程專業是設計類型的專業，培養目標測重于結構設計和設計問題的研究。上述畢業設計安排能不能完成培養目標賦予的任務？會不會削弱結構設計方面的訓練？這是必須認真考慮的問題。
我們認為，一個結構工程師，除了有寬厚的理論基礎外，必須有嚴S的學風，有熟練的運算、繪圖和應用規范手冊的技能，有一定的處理構造和施工問題的能力。這三方面是進行結構設計的基本要求。但要成為有作為的工程師，這些要求是不夠的。他還要有豐富的想象力，能做出好的設計方案，會處理新的工程問題L.這祥才能使生產不斷發展。所有這些學風、技能和能力訓練，顯然不能只在一個畢業設計環節中加以完成，而是大學五年培養的結果。大學平時教學環節和畢業計，@；一t有整體。所以，適當地對平時教學和畢業設計進行分工，將一些更基本的丨川練放莊F時教學中，尤其在乍時實踐環節中加以完成，而畢業設計丨則重對培養綜合性的理論聯系實際的能力，獨立工作能力和創新精神，則是可取的。
例如，學生測量實習時，我們可以要求他們在2~3周內完成一個廣區（或地區）的實際測圖任務，學生測繪的地形地物圖作為該廠的竣工圖或在該地區進行基建的依據。
學生肩負了生產任務，就能認真地對待每一個讀數，處理每一個數據，繪制每一根線條。這樣就能在不長時間內鍛煉嚴謹的學風，為今后培養更好的學風打下基礎。
又如我們有意地在一些課程設計和大作業中安排工程技能的訓練。譬如在“單層廠房結構設計”中，我們可以要求學生對一個典型廠房進行構件選型、主體結構和構件計算、處理各種構造問題、畫出結構布置圖、節點大樣圖、構件模板配筋圖、材料表等。
他們的計算和圖紙大體應達到生產用結構計算書和結構施工圖的水平。這樣就使學生在課程設計階段基本完成過去畢業設計中對結構施工圖訓練的要求，在畢業設計中就有更多時間去考慮新方案和新專題。在“髙層建筑結構”作業中，我們還可以要求學生進行一個較復雜的結構構件計算，了解一般結構工程的計算方法、步驟以及怎樣進行數值校核的方法。那么學生在畢業設計中就能擺脫一些數值運算釧練要求，用計算機進行工程計算：騰出精力去研究更為復雜的問題。
施工實習時，我們選擇寶鋼工地作為實習現場。那里有宏偉的建設場面，有先進的施工機械，有眾多的技術課題，有經驗豐富的技術人員指導。我們要求學生在完成實習任務的同時，為工地解決一、兩個實際工程問題，寫出專題報告，由工地技術人員負責審閱鑒定。例如有的學生為了統一異型鋼模板類型，改進了某項設計，可節約數十噸鋼材；有些學生對上海地區降水工程的歷史和現狀進行了調査分析，或者對寶鋼工程中的基坑邊坡穩定問題進行分析討論。他們都寫出有價值的專題報告，受到好評。在77和78級兩屆實習中，學生幾乎一致認為：“施工實習使我們開闊了眼界，學習了施工知識，受到了一次從未有過的獨立工作鍛煉，在能力培養上有一個飛躍”。
我們體會學生經過測量實習、課程設計、施工實習等實踐環節訓練后，在學風、技能和能力上，每次都能邁上一個臺階。如果思想抓緊，措施得力，一步一個腳印地前進，他們的進步將是不小的。這些訓練都能為畢業設計打下基礎，有些工程技術訓練大體得到解決，有些能力培養有了良好開端。在這個前提下，無疑地應該而且可以對畢業設計提出更髙的要求。
三、不同類型畢北設計題目的做法和要求
根據上面的畢業設計要求和我們的具體條件，我們認為畢業設計凈時間以16~17周為宜，畢業設計選題以三類為宜，即“設計類”、“設計研究類”和“其它形式研究類”。由于本專業培養目標和學生畢業后崗位都側重于結構設計和研究工作，所以前兩類題目應該多一些；又由于教學計劃中對結構課程設計已有一定訓練，所以單純設計的題目也不宜太多，以免過多重復。至于三類題目的比例，要看每屆畢業設計前的具體情況而定。
1.設計類題目，指的是學生所參加的實際設計任務，或以實際任務為背景的題目。這類畢業設計大體可分收集資料、方案、計算、繪施工圖、總結等個五階段進行。
在第一、二階段中，要考慮建筑、結構、施工三方面問題；在繪圖階段學生應參加各設計工種的技術討論和匯總工作；在總結階段有人可寫專題，有人可做本工程設計的業務總結。參加這類題目的學生一般可由三種人組成：基本技能尚嫌不足的學生，對結構設計有特長的學生以及少數成績優秀、組織能力較強的學生。
2. 設計研究類題目，指的是學生所參加的某項實際工程設計任務中的研究專題。
也可以是學生在參加某項工程的部分設計后，著重解決一、兩個專題。做這種專題時，在設計方面要求學生達到技術設計階段的要求，有一定份量的計算和繪圖工作；在研究方面要求學生有較深入的理論分析，有自己獨立的和創新的見解，有一些專題論文。參加這類題目的學生人數應該比另兩類題目多。這些學生對一般性的設計技能已有一定的訓練，有較好的自學能力，因而在畢業設計中有可能對他們進行進一步提高的訓練。
我們認為這類題目可以多一些，原因有四：
①學生在結構設計上至少能做到技術設計階段，在研究上有自己的專題，能夠滿足畢業設計的基本要求；
②不受生產任務在時間上和工作量上的限制，生產和教學的矛盾不大，又能為生產和技術改造直接服務；
③題目與教師的科研能結合。目前教師的科研大體有兩類：一類是基本理論，一類是工程技術專題。后一類更容易結合。教師指導這類題，花時間不多，收效卻不小。
學生又能為教師的科研提供必要的數據，所以教師愿意帶；
④與當前土建技術發展方向結合（例如髙層結構的某些專題，結構優化問題，抗震分析等），比較有生命力。
3. 研究類題目，指的是學生所參加的結構設計以外的專題研究，
如結構實驗研究、施工專題研究、結構力學專題研究、建筑材料專題研究等。有的可以實驗研究為主，有的可以理論研究為主。本科生做專題研究，可以在教師指導下進行，也可以和碩士研究生組成梯隊。本科生和碩士研究生進行研究的區別之一是研究生一人一題，而本科生一般都由幾個人合作進行。他們在一起做實驗，進行理論分析，互相啟發和補充，但每人必須有自己的工作5得出自己的見解和結論，寫出自己的論文。參加這類題目的學生是少數。他們理論基礎和技能訓練都比較好，有較強的自學能力，并a在平時表現出對結構實驗、施工.力學.材料等方面有較大的興趣和愛好。
據教育部高教司理工處處長李茂國介紹，在國內高校中，工科學生占到大學在校生總數的30%。我國工科教育每年在校大學生人數約為700萬，相比美國的幾十萬、英國的十幾萬，是個不折不扣的“世界第一”工程教育大國。
然而，我國工程應用人才正遭遇一系列問題：工科院校、工科專業的培養偏向于學術化、理論化，工程人才培養中企業的作用明顯缺失。而且老師都因循“學校—學校”路徑而來，缺乏足夠的工程實踐經驗。更注重科研的教學模式，讓大部分工科生喪失了最基本的工程實踐能力，也使這個“世界第一”缺乏國際競爭力。
工程人才密切關系著國家的實體經濟，為此，教育部在今年6月啟動了“卓越工程師計劃”試點。在由教育部舉辦的此次交流會上，上海交大、清華、浙大等近20所高校就各自近期的探索進行了研討。
記者獲悉，這一培養計劃將全面啟動，教育部今年已篩選61所高校參加試點，共涉及283個專業點，目前已經加入“卓越工程師計劃”的在校生人數達3萬余名。預計今后十年間，每年都將有10%（約10萬人）的工科專業本科生，以及50%（約6萬人）的工科研究生納入到培養計劃。
畢業論文是教學環節中很重要的一個部分，是考察學生綜合使用所學理論知識的一個應用能力，發現和解決問題的能力也得到了重要體現。比如土木工程專業的學生，就能獲得在施工單位從方案環節到施工的整個過程的鍛煉，然后把這些理論和實踐都融匯到土木工程畢業論文中去。
通過畢業設計這一重要的教學環節，培養土木工程專業本科畢業生正確的理論聯系實際的工作作風，嚴肅認真的科學態度。 畢業設計要求我們在指導老師的指導下，獨立系統的完成一項工程設計，解決與之有關的所有問題，熟悉相關設計規范、手冊、標準圖以及工程實踐中常用的方法，具有實踐性、綜合性強的顯著特點。因此畢業設計對于培養學生初步的科學研究能力，提高其綜合運用所學知識分析問題、解決問題能力有著重要意義。
在完成本次畢業設計過程中，我們需要運用感性和理性知識去把握整個建筑的處理，這其中就包括建筑外觀和結構兩個方面。還需要我們更好的了解國內外建筑設計的發展的歷史、現狀及趨勢，更多的關注這方面的學術動態，以及我們在以后的土木工程專業發展的方向。同時積極、獨立的完成本次畢業設計也是為今后的實際工作做出的必要的準備。
1.1研究現狀：
土木工程是建造各類工程設施的科學，技術和工程的總稱。土木工程是伴隨著人類社會的發展而發展起來的。它所建造的工程設施反映出各個歷史時期社會經濟、文化、科學、技術發展的面貌，因而土木工程也就成為社會歷史發展的見證之一。土木工程在我國可以分為：建筑工程、橋梁工程、公路和城市道路工程、鐵路工程、隧道工程、水利工程、港口工程、給水和排水工程、環境工程。作為土木工程專業的學生，深知土木工程設計范圍之廣，以及和社會生活聯系之密切。我們在校只是學習了土木工程這一個小的分支并且著重學習了工民建部分。工民建方面就結構布置部分有以下幾種結構：框架結構、剪力墻結構、框架-剪力墻結構、板柱-剪力墻結構、框架-支撐結構、筒體結構、框架-核心筒結構、巨型結構等等。
就此次的設計題目，以及結合任務書所給定的各項條件，選擇了框架結構比較合理并且切合實際。
1.2發展趨勢：
框架結構由梁柱構成，構件截面較小，因此框架結構的承載力和剛度都較低，它的受力特點類似于豎向懸臂剪切梁，樓層越高，水平位移越慢，高層框架在縱橫兩個方向都承受很大的水平力，這時，現澆樓面也作為梁共同工作的，裝配整體式樓面的作用則不考慮，框架結構的墻體是填充墻，起圍護和分隔作用，框架結構的特點是能為建筑提供靈活的使用空間，可提供較大的使用空間，也可構成豐富多變的立面造型。國外多用鋼為框架材料，而國內主要為鋼筋混凝土框架，框架結構可通過合理的設計，使之具有良好的延性，成為“延性框架”,在地震作用下，這種延性框架具有良好的抗震性能。
[1]鋼筋混凝土多層框架結構作為一種常用的結構形式, 具有傳力明確、結構布置靈活、抗震性和整體性好的優點, 目前已被廣泛地應用于各類多層的工業與民用建筑中。隨著社會的發展，多層框架結構的建筑越來越多了。但隨著結構高度增加，水平作用使得框架底部梁柱構件的彎矩和剪力顯著增加，從而導致梁柱截面尺寸和配筋量增加，到一定程度，將給建筑平面布置和空間處理帶來困難，影響建筑空間的正常使用，在材料用量和造價方面也趨于不合理。框架結構住宅是指以鋼筋混凝土澆搗成承重梁柱，再用預制的加氣混凝土、膨脹珍珠巖、浮石、蛭石、陶爛等輕質板材隔墻分戶裝配成而的住宅。適合大規模工業化施工，效率較高，工程質量較好。
[2]框架結構房屋的布置應對稱、均勻，減小抗側剛度中與水平荷載合力作用線的距離，減小結構重心和剛度中心之間的距離，以減小結構發生的扭轉。由于框架構件截面較小，抗側剛度較小，在強震作用下結構整移和層間位移都較大，容易產生震害。此外，非結構性破壞如填充墻、建筑裝修和設備管道等破壞較嚴重。因而其主要適用于非抗震區和層數較少的建筑，抗震設計的框架結構除需加強梁、柱和節點的抗震措施外，還需注意填充墻的材料以及填充墻與框架的連接方式等，以避免框架變形過大時填充墻的破壞。框架結構是柔性結構，有水平位移，房屋的總水平位移越大，人的感覺越不舒服，而層間位移會影響建筑物的裝修和隔墻開裂，因而對這兩種水平位移進行限，這樣在設計中要增大房屋的抗側剛度。在框架結構的抗震設計中，柱頂、柱底、梁端易出現裂縫。
[3]作為一座辦公樓設計，在設計之前作為設計者必須深入實際，調查研究，了解其所屬位置地理、經濟條件。而作為本課題中框架結構的辦公樓，必須整體設計、大門入口設計要體現行政辦公特征。設計要滿足室內水、電、暖、訊、消防、抗震等配套設計要求。因此必須察看相應的規范、標準等。
1.3研究方法：
框架是典型的桿件體系，近似計算的方法很多，工程中最實用的是力矩分配法及D值法，前者多用于豎向作用下求解，后者用于水平作用下求解。
這些方法的使用都作了以下幾點的假定：
[1]忽略粱，柱軸向變形及剪切變形。
[2]桿件為等截面(等剛度)，以桿件軸線作為框架計算軸線。
[3]在豎向荷載下結構的側移很小，因此在做豎向荷載下計算時，假定結構無側移。
1.4應用領域：
框架結構可設計成靜定的三鉸框架或超靜定的雙鉸框架與無鉸框架。框架鋼結構常用于大跨度的公共建筑、多層工業廠房和一些特殊用途的建筑物中，如劇場、商場、體育館、火車站、展覽廳、造船廠、飛機庫、停車場、輕工業車間等。
2、課題任務、重點研究內容、實現途徑
本次畢業設計任務包括三個部分：建筑設計，結構設計和施工組織設計。
2.1建筑設計
2.1.1設計任務
根據設計任務書要求完成建筑平面、剖面及立面設計;根據相應的建筑設計規范并結合實際情況初步確定預設建筑物的平面形狀，立面外觀，側面外觀，單層平面尺寸，以及建筑物的層數;由功能分區的相關原則初步確定建筑物各部分的功能，最終初步確定出建筑設計部分的輪廓。
2.1.2設計成果：
(一)總平面圖：1：500要求標明建筑物位置、道路、綠化、標高、朝向等。
(二)平面圖：1：100或1：200平面圖應標明各房間名稱，固定設備布置。
1.底層平面圖：標注三道尺寸，注標高。
2.標準層平面圖：標注三道尺寸，注標高。
3.頂層平面圖：標注兩道尺寸，注標高。
(三)剖面圖：比例1：100或1：200(一個)
要求剖到樓梯，標注層高、樓梯平臺、屋頂、室內外地坪標高、標注兩道尺寸(門窗洞口、層高)。
(四)立面圖：比例1：100或1:200(二至三個)
1.入口立面
2.側立面或背立面
標注三道尺寸(墻段及洞口、層高、總高)，標明室內外地坪標高，屋頂標高。
(五)節點詳圖：(二至三個)比例自定
(六)設計簡要說明：
1.建筑總平面及概況。
2.方案特點及主要建筑技術措施。
3.防火設計簡要說明。
(七)主要技術經濟指標
1.總用地面積
2.總建筑面積
3.建筑密度(底層建筑面積/總用地面積)
4.容積率(總建筑面積/總用地面積)
5.綠地率(綠地面積/總用地面積)
2.1.3進度安排
第1周：講解建筑設計基本原理、建筑設計基本步驟，了解并掌握辦公建筑基本設計知識。完成“一草”。
第2周：深入方案，細化初步設計，為結構設計提供必要的條件。完成“二草”。
第3周：結構設計完成之后，完成施工圖設計。
2.2結構設計
2.2.1設計任務
根據建筑設計方案及設計原始資料，選擇結構體系，布置結構構件，進行結構內力分析，確定構件配筋，繪制結構施工圖。
2.2.2設計內容和步驟
1.根據房屋基本情況確定結構設計基本參數
2.進行結構平面布置
3.手算一榀框架，并用計算機程序PK復核
4.使用PMCAD,建立結構整體計算模型，用SATWE進行結構空間分析與設計
5.設計一部現澆板式樓梯
6.基礎設計
7.整理計算書，繪制結構施工圖
專題：總體設計
專 業：機械工程
班 別：機自041
學 號：1037
學生姓名：
指導教師：
完成時間： XX年3月31日
學生宿舍地源熱泵供熱系統設計
----總體設計
1、選題的依據及意義：
1.依據：
進入90年代后，我國的居住環境和工業生產環境都已廣泛地應用熱水供應裝置，熱水供應裝置已成為現代學校居住必備。90年代中期，由于大中城市電力供應緊張，供電部門開始重視需求管理及削峰填谷，熱泵供熱技術提到了議事日程。近年來，由于能源結構的變化，促進了地源熱泵供熱機組的快速發展。
隨著生產和科技的不斷發展，人類對地源熱泵供熱技術也進行了1系列的改進，同時也在積極研究環保、節能的地源熱泵供熱產品和技術，現在利用成熟的電子技術來進行綜合的控制，并和太陽能結合更注意能源的綜合利用、節能、保護環境及趨向自然的舒適環境必然是今后發展的主題。
2.意義：
地源熱泵技術，是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對穩定的特性，，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉移到需要供熱或加溫的地方，在夏天還可以將室內的余熱轉移到低位熱源中，達到降溫或制冷的目的。地源熱泵不需要人工的冷熱源，可以取代鍋爐或市政管網等傳統的供暖方式和中央空調系統。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱，向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空調向土壤、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時，它還可供應生活用水，可謂1舉3得，是1種有效地利用能源的方式。通常根據熱泵的熱源(heat source)和熱匯(heat sink)(冷源)的不同，主要分成3類：
空氣源熱泵系統 ( air-source heat pump) ashp
水源熱泵系統 (water- source heat pump) wshp
地源熱泵系統 (ground- source heat pump)gshp
平時還有人把熱泵系統按照1次和2次介質的不同，分別叫做：
空氣---水熱泵系統
水 --- 空氣熱泵系統
水 --- 水熱泵系統
空氣---空氣熱泵系統
這些都是把熱源、熱匯以及空調系統的傳遞介質也包括進來分類形成的。
為了和國際標準接軌，我們還是應該依照國際慣例來命名。在1997年由美國的ashrae(美國采暖、制冷與空調工程師學會)統1了標準術語，無論是wshp、gshp都叫做gshp--地源熱泵系統。
另外，為了讓我們在學習和討論中更方便，介紹1些地源熱泵室外能量交換系統的概念：
土壤埋管系統----土壤換熱器(水平埋管、豎直埋管)
地下水系統
地表水系統
這些都是地源熱泵的熱源或熱匯形式。(具體參見下圖)
圖。1。1土壤換熱器(水平埋管)圖
圖。1。2土壤換熱器(豎直埋管)圖
圖。1。3 地表水系統圖
圖。1。4 地下水系統圖
2、國內外研究現狀及發展趨勢
1、地源熱泵的發展歷史
地源熱泵是1種先進的技術，它高效、節能、環保，有利于可持續發展。這項技術最先開始于19XX年，瑞士zoelly提出了“地熱源熱泵”的概念。1946年美國開始對地源熱泵進行系統研究，在俄勒岡州建成第1個地源熱泵系統，運行很成功，由此掀起了地源熱泵系統在美國的商用。1985年美國安裝地源熱泵14000臺，1997年則安裝了45000臺，目前已安裝了400000臺以上的地源熱泵，并且以每年10%的速度遞長。1998年美國商用建筑的地源熱泵空調系統已經占到空調保有量的19%以上，其中在新建筑里面占30%。在歐洲國家里更多的是利用淺層地熱資源，來供熱或者取暖。上個世紀70年代以來，隨著能源和環境問題的逐漸變得嚴重，在各個方面節能也被更多的考慮，以可再生的地熱源為能源的地源熱泵又引起了人們的重視。尤其是近年來，隨著能源和環境問題的日益突出，地源熱泵的研究和應用發展迅速，國內外的很多高校和研究機構相繼開展了理論和實際應用方面的研究。隨著研究的深入，我們的地源熱泵研究工作者在全國范圍內舉行了各種交流探討會。中國制冷學會第2專業委員會主辦了“全國余熱制冷與熱泵技術學術會議”;1988年中科院廣州能源研究所主辦了“熱泵在我國應用與發展問題專家研討會”;中國能源研究會地熱專業委員會于1994年9月6日至8日在北京召開了第4次全國地熱能開發利用研討會;從90年代開始，每屆全國暖通制冷學術年會上都有“熱泵應用”的專題;XX年6月19～23日，中美地源熱泵技術交流會在北京召開，會議介紹了地源熱泵技術，國外的應用狀況和在中國的推廣;山東建筑工程學院地源熱泵研究所與山東建筑學會熱能動力專業委員會聯合發起并承辦“國際地源熱泵新技術報告會”于XX年3月17日在山東建筑工程學院舉行，加強了國內外地源熱泵先進技術的交流。
2、地源熱泵在中國的發展現狀及前景：
目前在中國，地下水熱泵系統已開始廣泛使用，而土壤源熱泵系統尚處于研究機構工程摸索和研究階段。
從有關調查來看，地下水熱泵工程真正成功的并不多。原因在于要實現100%的回灌，并回灌到同1含水層，不污染地下水，且能長時間穩定運行，并不容易做到。同時，還出現了大量不進行回灌的熱泵工程，更有甚者，出現了直接利用地下水通入風機盤管內進行空調。這樣做，1則污染水體，2則浪費水資源。
對于土壤源熱泵的發展主要是從1998年開始。國內數家大學建立了土壤源熱泵實驗臺，且大多數進行了地下換熱器與地面熱泵設備的長期聯合運行。其中1998年重慶建筑大學建設了包括淺埋豎埋管換熱器和水平埋管換熱器在內的熱泵系統;1998年青島建工學院建成了聚乙烯垂直土壤源熱泵系統;湖南大學1998年建設了水平埋管土壤源熱泵系統;1999同濟大學建設了垂直土壤源熱泵系統。這些系統為中國推廣土壤源熱泵奠定了基礎。從XX年開始，在國內長春、濟南、溫州、重慶、米泉建立了1系列土壤源熱泵系統的示范工程。土壤源熱泵系統越來越多的被房地產商所關注和采用。
鑒于國內的國情和地源熱泵系統自身的特點，我們對其各自的前景作1分析。隨著地下水熱泵工程技術改進和規范化，由于其突出的節能和保護大氣環境的功能，還是存在著巨大的潛在的市場。水平埋管土壤源熱泵，雖然占地面積大，但靠地表換熱可以自然恢復地溫，在年排熱量和吸熱量不平衡的地區應用比較有優勢。而垂直埋管土壤源熱泵，隨著專業安裝隊伍的發展，鉆孔設備的完善，勢必會使造價大幅度降低，無疑會成為今后最有競爭力空調方式。
3、本課題研究方案：
本課題屬于設計改造現有熱水系統，學校宿舍的熱水供應系統。在改造中應該充分考慮到：
1、 學生的定時供熱，需要的功率及系統響應時間問題。
2、 屬于改造系統，要和現有的系統相結合。
3、 考慮到成本問題，造價是否合理。
4、 在使用過程中維護的費用及技術的要求是否合理。
5、 運行的安全及噪音處理問題。
6、 廢物的處理及環保問題。
4、本課題研究的內容：
廣西工學院北區5#的熱水供應改裝。
1、該大樓空調工程包括：
1-6層的熱水供應，所有宿舍。
2、設計參數：
每層有14個房間，每間8人，共6層。
3、柳州地區基本氣象參數：
根據物候報告，5月1號到10月1號之間為高溫區很少用熱水，寒假期間不用熱水
(1)、循環水換熱器的計算
(2)、土壤熱泵系統(gchp)的土壤換熱器設計
地下埋管換熱器是地源熱泵系統的關鍵組成部分，是土壤源熱泵系統設計的核心內容，其選擇的形式是否合理，設計的是否正確，關系到整個地源熱泵系統能否滿足要求和正常使用。
地下埋管換熱器設計主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長及豎井數目、間距確定，管道阻力計算及水泵選型等
(3)、布置型式
目前地源熱泵地下埋管換熱器主要有兩種布置型式，即水平埋管和垂直埋管。選擇方式主要取決于場地大小、當地土壤類型以及挖掘成本，如果場地足夠大且無堅硬巖石，則水平式較經濟;如果場地面積有限時則采用垂直式布置，很多場合下這是唯1的選擇。
盡管水平布置通常是淺層埋管，初投資1般會便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，并且往往受可利用土地面積的限制，故1般采用垂直埋管布置方式。
3.1 水平埋管
水平埋管主要有單溝單管、單溝雙管、單溝2層雙管、單溝2層4管、單溝2層6管等形式，由于多層埋管的下層管處于1個較穩定的溫度場，換熱效率好于單層，而且占地面積較少，因此應用多層管的較多。(單層管最佳深度1。2～2。0m，雙層管1。6～2。4m)
近年來國外又新開發了兩種水平埋管形式，1種是扁平曲線狀管，另1種是螺旋狀管。它們的優點是使地溝長度縮短，而可埋設的管子長度增加。
3.2 垂直埋管
根據埋管形式的不同，1般有單u 形管，雙u 形管，套管式管，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀管、蜘蛛狀管等形式;按埋設深度不同分為淺埋(≤30m)、中埋(31～80m)和深埋(>80m)。
1)u 形管型：是在鉆孔的管井內安裝u 形管，1般管井直徑為100～150mm，井深10~200m，u 形管徑1般在φ50mm 以下
2)套管式換熱器：的外管直徑1般為100～200mm，內管為φ15～φ25mm。其換熱效率較u 形管提高16。7%。缺點：⑴下管比較困難，初投資比u 形管高。⑵在套管端部與內管進、出水連接處不好處理，易泄漏，因此適用于深度≤30m 的豎埋直管，對中埋采用此種形式宜慎重。
(4)、地下埋管系統環路方式：串聯方式和并聯方式
串聯方式的優點是：①1個回路具有單1流通通路，管內積存的空氣容易排出;
②串聯方式1般需采用較大直徑的管子，因此對于單位長度埋管換熱量來講，串聯方式換熱性能略高于其缺點是：①串聯方式需采用較大管徑的管子，因而成本較高;
②由于系統管徑大，在冬季氣溫低地區，系統內需充注的防凍液(如乙醇水溶液)多;
③安裝勞動成本增大;
④管路系統不能太長，否則系統阻力損失太大。
并聯方式的優點是：①由于可用較小管徑的管子，因此成本較串聯方式低;
②所需防凍液少;
③安裝勞動成本低。
其缺點是：①設計安裝中必須特別注意確保管內流體流速較高，以充分排出空氣;
②各并聯管道的長度盡量1致(偏差應≤10%)，以保證每個并聯同的流量;
③確保每個并聯回路的進口與出口有相同的壓力，使用較大管徑的管子做集箱，可達到此目的。
從國內外工程實踐來看，中、深埋管采用并聯方式者居多;淺埋管采用串聯方式的多
(5)土壤換熱器的埋管材料回路有相
5.1 管材選擇
1般來講，1旦將地下埋管系統換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，因此地下的管材應首先要保證其具有良好的化學穩定性、耐腐性
⑴ 聚乙烯(pe)和聚丁烯(pb)國外地源熱泵系統中得到了廣泛應用。
⑵ pvc(聚氯乙烯)管的導熱性差和可塑性不好，不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致泄漏，因此在地源熱泵系統中不推薦用pvc 管
⑶ 為了強化地下埋管的換熱，國外有的提出采用薄壁(0。5mm)的不銹鋼鋼管，但目前實際應用不多。
5.2 管件與連接
⑴熱熔聯接(承接聯接和對接聯接，對于小管徑常采用)
⑵電熔聯結
(6)、埋管管長與埋管間距的確定
地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統布置和管材外，還需要有當地的土壤技術資料，如地下溫度、傳熱系數等(可以通過熱響應實驗測得)。
6.1 水平埋管：確定管溝數目及間距
埋管管長的估算：利用管材“換熱能力”，即單位埋管管長的換熱量。水平埋管單位管材“換熱能力”在20～40w/m(管長)左右，;設計時可取換熱能力的下限值，即20 w/m。
單溝單管埋管總長具體計算公式如下：
其中l ——埋管總長，m
1 q ——冬季從土壤取出的熱量，kw，
分母“20”是每m 管長冬季從土壤取出的熱量，w/m
嗎啡易成癮，是其嚴重缺點。為了尋找更好的代用品，合成了哌替啶、安那度、芬太尼、美沙酮、噴他佐辛、二氫埃托啡等藥，它們的成癮性均較嗎啡輕。較常用的幾個藥物的化學結構見圖18-3
圖18-3常用的幾種人工合成鎮痛藥的化學結構
哌替啶
哌替啶（pethidine）又名度冷丁（dolantin），為苯基哌啶衍生物，是臨床常用的人工合成鎮痛藥，其結構雖與嗎啡不同，但它仍具有與嗎啡相同的基本結構，即哌啶環中的叔氮，與叔氮相隔兩個碳原子的季碳和與季碳相連的苯環（環A）。
【體內過程】口服易吸收，皮下或肌內注射后吸收更迅速，起效更快，故臨床常用注射給藥。血漿蛋白結合率約60%，主要在肝代謝為哌替啶酸及去甲哌替啶，再以結合型或游離型自尿排出。去甲哌替啶有中樞興奮作用，中毒時發生驚厥可能與此有關。哌替啶血漿t1/2約3小時。
【藥理作用】
1．中樞神經系統與嗎啡相似，作用于中樞神經系統的阿片受體而發揮作用。皮下或肌內注射后10分鐘可產生鎮靜、鎮痛作用，但持續時間比嗎啡短，僅2～4小時。鎮痛效力弱于嗎啡，注射80～100mg哌替啶約相當于10mg嗎啡的鎮痛效力。約10%～20%患者用藥后出現欣快。哌替啶與嗎啡在等效鎮痛劑量時，抑制呼吸的程度相等。對延腦CTZ有興奮作用，并能增加前庭器官的敏感性，易致眩暈、惡心、嘔吐。
2．平滑肌能中度提高胃腸道平滑肌及括約肌張力，減少推進性蠕動，但因作用時間短，故不引起便秘，也無止瀉作用。能引起膽道括約肌痙攣，提高膽道內壓力，但比嗎啡弱。治療量對支氣管平滑肌無影響，大劑量則引起收縮。對妊娠末期子宮，不對抗催產素興奮子宮的作用，故不延緩產程。
3．心血管系統治療量可致性低血壓，原因同嗎啡。由于抑制呼吸，也能使體內CO2蓄積，腦血管擴張而致腦脊液壓力升高。
【臨床應用】
1．鎮痛哌替啶對各種劇痛如創傷性疼痛、手術后疼痛、內臟絞痛、晚期癌痛都有止痛效果。但對慢性鈍痛則不宜使用，因仍有成癮性。新生兒對哌替啶抑制呼吸作用極為敏感，故產婦于臨產前2～4小時內不宜使用。
2．麻醉前給藥及人工冬眠哌替啶的鎮靜作用可消除患者手術前緊張、恐懼情緒，減少用量；與氯丙嗪、異丙嗪合用組成冬眠合劑用于人工冬眠療法。
【不良反應】治療量哌替啶與嗎啡相似，可致眩暈、出汗、口干、惡心、嘔吐、心悸及因性低血壓而發生暈厥等。久用也可成癮。劑量過大可明顯抑制呼吸。偶可致震顫、肌肉痙攣、反射亢進甚至驚厥，中毒解救時可配合抗驚厥藥。禁忌證與嗎啡同。
安那度
安那度（anadol）為短效鎮痛藥。皮下注射10～20mg，在5分鐘后即起效，維持2小時。靜注則1～2分鐘見效，維持0.5～1小時。主要用于短時止痛，如骨、外、五官科小手術以及泌尿外科器械檢查等。也可與阿托品合用，以解除胃腸道、泌尿道平滑肌痙攣性疼痛。副作用有輕微而短暫的眩暈、多汗、無力等。呼吸抑制與成癮性均較輕。
芬太尼
芬太尼（fentanyl）鎮痛作用較嗎啡強100倍（治療量為嗎啡1/100），一次肌內注射0.1mg，15分鐘起效，維持1～2小時。可用于各種劇痛。與全身或局部合用，可減少用量。與氟哌啶合用安定鎮痛作用。不良反應有眩暈、惡心、嘔吐及膽道括約肌痙攣。大劑量產生明顯肌肉僵直，納洛酮能對抗之。靜脈注射過速易抑制呼吸，應加注意。禁用于支氣管哮喘、顱腦腫瘤或顱腦外傷引起昏迷的患者以及二歲以下小兒。本藥成癮性小。
美沙酮
美沙酮（methadone）有左旋體及右旋體。左旋體較右旋體效力強8～50倍。常用其消旋體。藥理作用性質與嗎啡相似，但它口服與注射同樣有效（嗎啡口服利用率低）。其鎮痛作用強度與持續時間與嗎啡相當。耐受性與成癮性發生較慢，戒斷癥狀略輕，且易于治療。一次給藥后，鎮靜作用較弱，但多次用藥有顯著鎮靜作用。抑制呼吸、縮瞳、引起便秘及升高膽道內壓力都較嗎啡輕。適用于創傷、手術及晚期癌癥等所致劇痛。
噴他佐辛
噴他佐辛（pentazocine,鎮痛新）為苯并嗎啡烷類衍生物，其哌啶環中N上甲基為異戊烯基取代而成的合成鎮痛藥。主要激動κ、σ受體；但又可拮抗μ受體（見表18-2）。
【藥理作用和臨床應用】按等效劑量計算，本藥的鎮痛效力為嗎啡的1/3，一般皮下或肌內注射30mg的鎮痛效果與嗎啡10mg相當。其呼吸抑制作用約為嗎啡的1/2；增加劑量至30mg以上，呼吸抑制作用并不按比例增強；用量達60～90mg,則可產生精神癥狀，大劑量納洛酮可對抗之。本藥可減慢胃排空并延緩腸管運送腸內容物的時間，但對膽道括約肌的興奮作用較弱，膽道內壓力上升不明顯。對心血管系統的作用不同于嗎啡，大劑量反而增快心率，升高血壓。對冠心病患者，靜脈注射能提高平均主動脈壓、左室舒張末期壓，因而增加心臟作功量。本藥能提高血漿中去甲腎上腺素水平，這與它興奮心血管系統的作用有關。由于本藥尚有一定的拮抗μ受體的作用，因而成癮性很小，在藥政管理上已列入非麻醉品。本藥能減弱嗎啡的鎮痛作用；對嗎啡已產生耐受性的患者，可促進戒斷癥狀的產生。它拮抗嗎啡類抑制呼吸的作用不明顯。適用于各種慢性劇痛，口服及注射后吸收均良好，肌內注射后0.25～1小時達血藥濃度峰值。口服后，在肝中的首過消除顯著，進入全身循環的鎮痛新不到20%，故口服后需1～3小時才達血藥濃度峰值。本藥主要在肝內代謝，代謝速率個體差異較大，這可能是它鎮痛效果個體差異大的原因。肌內注射后t1/2約2小時；口服后作用持續5小時以上。
【不良反應】常見鎮靜、眩暈、惡心、出汗。劑量增大能引起呼吸抑制、血壓升高、心率增快；有時可引起焦慮、惡夢、幻覺等。納洛酮能對抗其呼吸抑制的毒性。
