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通信工程导论课件1-6讲


什么是通信? 什么是通信?
通信( 通信(Information)是通过某种媒体进行 ) 的信息传递。古代,人们通过驿站、 的信息传递。古代,人们通过驿站、飞鸽 传书、烽火报警等方式进行信息传递。 传书、烽火报警等方式进行信息传递。今 随着科学水平的飞速发展, 天,随着科学水平的飞速发展,相继出现 了无线电,固话,手机, 了无线电,固话,手机,互联网甚至可视 电话等各种通信方式。 电话等各种通信方式。 通信技术拉近了人与人之间的距离, 通信技术拉近了人与人之间的距离,提高 了经济的效率, 了经济的效率,深刻的改变了人类的生活 方式和社会面。 方式和社会面。
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什么是系统? 什么是系统?
「系统」一词,其涵义最早可追溯到帕拉 系统」一词, )、亚里士多德 图 (Philebus)、亚里士多德( 政治学 ) )、亚里士多德( 和欧几里德( 几何原本) 和欧几里德( 几何原本)等。它的意思是 总体」、「群体」 」、「群体 联盟」。 「总体」、「群体」或「联盟」。

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什么是系统? 什么是系统?
世纪第一个发展自然科学中「 在19世纪第一个发展自然科学中「系统」 世纪第一个发展自然科学中 系统」 概念的,是研究热力学的法国物理学家卡 热力学的法国物理学家 概念的,是研究热力学的法国物理学家卡 年 诺 。1824年,他研究了蒸汽发动机中的 工作物质」,即通常说的水蒸气, 」,即通常说的水蒸气 「工作物质」,即通常说的水蒸气,在一 个由锅炉、冷储(冷水流)、 )、活塞组成的 个由锅炉、冷储(冷水流)、活塞组成的 体系中做功的能力。德国物理学家克劳修 体系中做功的能力。德国物理学家克劳修 扩展了系统的含义, 斯扩展了系统的含义,使之包括了环境的 概念。 概念。
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什么是系统? 什么是系统?
生物学家贝塔郎非是发展一般系统论的一 生物学家贝塔郎非是发展一般系统论的一 贝塔郎非是发展一般系统论 个先驱。 个先驱。1945年他引入了讨论广义系统或 年他引入了讨论广义系统或 它们的子类的模型和法则, 它们的子类的模型和法则,而不纠缠于其 特定种类、性质、 特定种类、性质、组成要素之间的关系或 相互作用等细节。 相互作用等细节。 诺伯特·维纳及 维纳及Ross Ashby应用数学方法对 诺伯特 维纳及 应用数学方法对 系统概念做出了重大发展。 系统概念做出了重大发展。

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什么是系统? 什么是系统?
生态系统 大气系统 水循环系统 电子系统 通信系统 社会操作系统

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什么是通信工程? 什么是通信工程?
通信工程( 信息工程,电信工程, 通信工程(也作 信息工程,电信工程,旧 称远距离通信工程、弱电工程) 称远距离通信工程、弱电工程)是电子工 程的重要分支, 程的重要分支,同时也是其中一个基础学 科。该学科关注的是通信过程中的信息传 输和信号处理的原理和应用。 输和信号处理的原理和应用。

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什么是通信工程? 什么是通信工程?
通信工程研究的是, 电磁波、声波或 通信工程研究的是,以电磁波、声波或光 的形式把信息通过电脉冲, 波的形式把信息通过电脉冲,从发送端 ( 信源)传输到一个或多个接受端 信宿)。 传输到一个或多个接受端(信宿 信源 传输到一个或多个接受端 信宿 。接 受端能否正确辨认信息, 受端能否正确辨认信息,取决于传输中的 损耗高低。信号处理是通信工程中一个重 损耗高低。信号处理是通信工程中一个重 要环节,其包括过滤,编码和解码等。 要环节,其包括过滤,编码和解码等。

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什么是通信工程? 什么是通信工程?
通信工程所关注的频段涉及甚广。低频段, 通信工程所关注的频段涉及甚广。低频段, 亦即低赫兹, 亦即低赫兹,关心的是技术声学或低频技 高频段中关注的范围从微波或雷达系 术。高频段中关注的范围从微波或雷达系 统到可见光的激光或镭射系统。 统到可见光的激光或镭射系统。微波到可 见光中间的频段几乎都是通信工程的研究 对象。除此之外, 对象。除此之外,通信过程中所应用的媒 介和技术,包括通信系统在陆上、水下、 介和技术,包括通信系统在陆上、水下、 空中和宇宙空间中的应用, 空中和宇宙空间中的应用,也是相当丰富 的。
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什么是通信工程? 什么是通信工程?
通信工程的基础建立于应用数学中的数理 通信工程的基础建立于应用数学中的数理 方程。其理论起点是物质与波在傅里叶热 方程。其理论起点是物质与波在傅里叶热 扩散和麦克斯韦电动力条件下观察到的传 扩散和麦克斯韦电动力条件下观察到的传 播现象。 播现象。

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什么是通信工程? 什么是通信工程?
不可否认的是, 不可否认的是,如今通信工程正在转变为 信息工程,英特网就是一个很好的例子。 信息工程,英特网就是一个很好的例子。 一方面通信系统常常是信息与应用技术的 计算系统的一个重要组成部分, 计算系统的一个重要组成部分,另一方面 现代通信系统给信息工程予以理论和方法 指导,并处于计算系统的核心位置。 指导,并处于计算系统的核心位置。

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2010级通信工程专业本科培养方案 级通信工程专业本科培养方案
指导方针: 指导方针:
加强基础、拓宽专业、提高素质、 加强基础、拓宽专业、提高素质、培养能力

培养目标: 培养目标:
培养具备数字通信技术、 培养具备数字通信技术、计算机网络通信和 数字信号处理等方面的专业知识, 数字信号处理等方面的专业知识,有较强的 创新实践能力,能在计算机通信、 创新实践能力,能在计算机通信、数字信号 处理系统等领域中从事研究、设计、制造、 处理系统等领域中从事研究、设计、制造、 运营以及在国民经济各部门中从事计算机网 络和嵌入式系统等方面的开发、应用、维护、 络和嵌入式系统等方面的开发、应用、维护、 管理的高级工程技术人才。 管理的高级工程技术人才。
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2010级通信工程专业本科培养方案 级通信工程专业本科培养方案
知识结构和能力培养
具有电路分析、信号与系统、 具有电路分析、信号与系统、计算机高级语 言编程等方面的基础理论和基本知识; 言编程等方面的基础理论和基本知识; 掌握数字通信领域的基本理论和基本知识; 掌握数字通信领域的基本理论和基本知识; 了解典型数字通信系统和设备的工作原理, 了解典型数字通信系统和设备的工作原理, 基本构成,具有分析通信设备性能的能力; 基本构成,具有分析通信设备性能的能力; 掌握计算机网络编程的基本方法,基本技能, 掌握计算机网络编程的基本方法,基本技能, 具有独立开发计算机 网络通信应用软件的能 力;
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2010级通信工程专业本科培养方案 级通信工程专业本科培养方案
掌握数字信号处理系统的基本理论和基本设 计方法,具有设计DSP芯片、FPGA/CPLD芯 芯片、 计方法,具有设计 芯片 芯 片与ARM芯片嵌入式系统软硬件的能力; 芯片嵌入式系统软硬件的能力; 片与 芯片嵌入式系统软硬件的能力 了解数字通信技术、 了解数字通信技术、计算机通信和嵌入式系 统的最新进展与发展动态; 统的最新进展与发展动态; 掌握文献检索,资料查询的基本方法, 掌握文献检索,资料查询的基本方法,具有 获取新知识的能力; 获取新知识的能力; 熟练掌握科技英语的阅读能力, 熟练掌握科技英语的阅读能力,具有公共英 语一定的听、 译能力。 语一定的听、说、写、译能力。
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2010级通信工程专业本科培养方案 级通信工程专业本科培养方案
主干课程
高等数学、大学英语、大学物理、电路分析、 高等数学、大学英语、大学物理、电路分析、 C程序设计、信号与系统、通信原理、数字信 程序设计、 程序设计 信号与系统、通信原理、 号处理、 技术、 技术及应用、 号处理、EDA技术、DSP技术及应用、无线 技术 技术及应用 传感器网络等

特色课程
DSP技术及应用、无线传感器网络、软件无线 技术及应用、无线传感器网络、 技术及应用 电
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继续深造方向
我国高等教育学科: 我国高等教育学科: 高等教育学科
哲学,经济学,法学(包括政治学,社会学, 哲学,经济学,法学(包括政治学,社会学, 民族学),教育学(包括体育学), ),教育学 ),文学 民族学),教育学(包括体育学),文学 包括语言学,艺术学,图书馆等), ),历史 (包括语言学,艺术学,图书馆等),历史 理学,工学,农学,医学,管理学。 学,理学,工学,农学,医学,管理学。
通信与信息系统

工学

信息与通信工程
一级学科

二级学科

信号与信息处理

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继续深造方向
国内通信强校: 国内通信强校:
著名的贝尔实验室和国内5所大学建立了联合 著名的贝尔实验室和国内 所大学建立了联合 实验室:清华、北大、中科大、复旦、上交大。 实验室:清华、北大、中科大、复旦、上交大。 全国6所高校中标参加国家 所高校中标参加国家4G( 全国6所高校中标参加国家4G(最新一代通信 技术)研发:东南、北邮、清华、中科大、 技术)研发:东南、北邮、清华、中科大、电 子科大、华中科大。 子科大、华中科大。 全国7所高校参加国家 项目“4G蜂窝移动 所高校参加国家863项目 项目“ 全国 所高校参加国家 蜂窝移动 通信无线网络试验系统研究开发” 清华、 通信无线网络试验系统研究开发”:清华、中 科大、东南、北邮、华中科大、西电、上交大。 科大、东南、北邮、华中科大、西电、上交大。
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专业发展趋势
专业口径变大 综合化趋势 跨学科趋势(交叉学科) 跨学科趋势(交叉学科)

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Students
学问和做人
人格才是最高的学位

学习的动机
认知的内驱力 自我提高的内驱力 附属的内驱力

短期、中期和长期目标的建立 短期、

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通信工程发展历史
近代的通信理论有三位主要的奠基者: 近代的通信理论有三位主要的奠基者:
香农 维纳 莱斯 其中尤以香农的贡献为最大也最具原创性与突破 这三位都是杰出的数学家。 性 。 这三位都是杰出的数学家 。 由于他们在 四十年代初分别在贝尔实验室( 香农、 莱斯) 四十年代初分别在贝尔实验室 ( 香农 、 莱斯 ) 与麻省理工学院( 维纳) 的研究, 与麻省理工学院 ( 维纳 ) 的研究 , 使人们对 通讯的原理有了革命性的理解。 通讯的原理有了革命性的理解 。 他们的理论 要在将近二十五年后才为通讯工程界所逐渐 2011春季 信息科学与工程学院— 2011春季 信息科学与工程学院—诸燕平 消化、了解并充分的利用。 消化、了解并充分的利用。
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香农( 香农(CLAUDEE. SHANNON) )
香农二十二岁在麻省理工的硕士论文被称为 本世纪最重要的硕士论文」 在这篇论文中, 「本世纪最重要的硕士论文」。在这篇论文中, 香农为今日所有的数字系统奠定了理论基础 ——他首先发现利用布尔代数可以来代表开关交换线路 —— 他首先发现利用布尔代数可以来代表开关交换线路 ( RELAY SWITCHING CIRCUITS)。 十年后 , 三十二 ) 十年后, 岁的香农发表了现代通信理论最重要的论文: 岁的香农发表了现代通信理论最重要的论文 : 「 通信的数 学理论」 这篇论文不但开创了一个全新的数学领域—— 学理论 」 , 这篇论文不但开创了一个全新的数学领域 —— 而且准确地预测所有通信系统——新的、 ——新的 信息论 —— 而且准确地预测所有通信系统 —— 新的 、 旧 还没有被设计出来的-的基本限制与极限, 的 、 还没有被设计出来的 - 的基本限制与极限 , 告诉我们 设计通信系统的「最高指导原则」——设计的大方向与基 设计通信系统的 「 最高指导原则 」 —— 设计的大方向与基 本法则。 本法则。
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莱斯( 莱斯(STEPHEN O. RICE) )
赖斯的主要贡献在对噪声的分析,他在 赖斯的主要贡献在对噪声的分析, 一九四四年发表的「随机噪声的数学分析」 一九四四年发表的「随机噪声的数学分析」 到现在仍是值得再三细读的经典之作。 到现在仍是值得再三细读的经典之作。噪声 对通信工程师来讲是最大的天敌也是最好的朋友。 对通信工程师来讲是最大的天敌也是最好的朋友。 没有各种噪声对信号的干扰, 没有各种噪声对信号的干扰,百分之九十五以上的 通信工程师都要失业;有了它们, 通信工程师都要失业;有了它们,我们便要绞尽脑 费尽心机来应付。赖斯的分析, 汁,费尽心机来应付。赖斯的分析,为我们作了基 本的「知敌」的工作, 本的「知敌」的工作,使我们明白各种噪声的基本 特性以及它们通过各式各样电子器件时所产生的变 化与影响。 化与影响。
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维纳( 维纳(NORBERT WIENER) )
维纳从小就是个天才儿童,十几岁便从麻省理工拿到博士学位。 维纳从小就是个天才儿童,十几岁便从麻省理工拿到博士学位。 一九二三年维纳为「布朗运动」提出了数学模型。 一九二三年维纳为「布朗运动」提出了数学模型。一九三零年 发表的「广义谐波分析」乃是维纳自认最好的作品, 发表的「广义谐波分析」乃是维纳自认最好的作品,其中得到 的重要成果之一便是所谓的WIENER KHINTCHINE定理 WIENER- 定理, 的重要成果之一便是所谓的WIENER-KHINTCHINE定理,为二阶 随机过程的频谐分析奠下了理论和各种应用的基础。然而它的精义, 随机过程的频谐分析奠下了理论和各种应用的基础。然而它的精义, 则要等到五零年前后才为科学界所明了。 则要等到五零年前后才为科学界所明了 。 维纳对通信工程最直接的贡献则来自 他在一九四二年写的「稳定性时间序列之外延、 他在一九四二年写的 「 稳定性时间序列之外延 、 内差与平滑化及其在工程上的 应用」 这篇报告原列为高度机密文件,直到一九四九年才解密, MIT出版 出版。 应用」。这篇报告原列为高度机密文件,直到一九四九年才解密,由MIT出版。 其主要内容乃是维纳自一九四零年初为美军方设计防空机枪一年多来的心得。 其主要内容乃是维纳自一九四零年初为美军方设计防空机枪一年多来的心得 。 今天我们一谈到最佳滤波器、接收机、自适应系统( SYSTEM) 今天我们一谈到最佳滤波器、接收机、自适应系统(ADAPTIVE SYSTEM),谈到 目标追踪、飞机、轮船的导航都免不了要从维纳的理论出发, 目标追踪 、 飞机 、 轮船的导航都免不了要从维纳的理论出发 , 要利用到所谓的 韦纳-霍伯方程式,但是当年没有人知道如何解决这些工程问题; 韦纳 - 霍伯方程式 , 但是当年没有人知道如何解决这些工程问题 ; 即是在维纳 给了数学模型与答案后仍没有几个人了解。 给了数学模型与答案后仍没有几个人了解 。 看过那份机密报告的工程师称它为 黄色的探险( PERIL) 对他们来讲,那不啻是本黄颜色的天书。 黄色的探险 ( YELLOW PERIL ) 。 对他们来讲 , 那不啻是本黄颜色的天书 。 要不 是维纳有个叫列敏逊( LEVINSON)的好学生, 是维纳有个叫列敏逊(N. LEVINSON)的好学生,花了一番力气写了两篇阐释性 的论文,维纳的学说,至少它在工程上的应用, 的论文 , 维纳的学说 , 至少它在工程上的应用 , 可能要再等个十年才会广为世 人所接受。 人所接受。 2011春季 信息科学与工程学院— 2011春季 信息科学与工程学院—诸燕平 22

摩尔斯( 摩尔斯(SAMUEL F.B.MORSE) )
电报的先驱,美国发明家、 电报的先驱,美国发明家、画家

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麦克斯韦尔 (James Clerk Maxwell)
电磁理论的奠基者麦克斯韦尔的主要贡献 电磁理论的奠基者麦克斯韦尔的主要贡献 麦克斯韦尔 是建立了麦克斯韦方程组 麦克斯韦方程组, 是建立了麦克斯韦方程组,创立了经典 电动力学,并且预言了电磁波的存在, 电磁波的存在 电动力学,并且预言了电磁波的存在, 提出了光的电磁说。 提出了光的电磁说。麦克斯韦是电磁学 理论的集大成者。 理论的集大成者。他出生于电磁学理论 奠基人法拉第提出电磁感应定理的1831 法拉第提出电磁感应定理的1831年 奠基人法拉第提出电磁感应定理的1831年, 后来又与法拉第结成忘年之交, 后来又与法拉第结成忘年之交,共同构筑 了电磁学理论的科学体系。 了电磁学理论的科学体系。物理学历史上 认为牛顿 牛顿的经典力学打开了机械时代的大 认为牛顿的经典力学打开了机械时代的大 门,而麦克斯韦电磁学理论则为电器时代 奠定了基石。1931年 爱因斯坦在麦克斯 奠定了基石。1931年,爱因斯坦在麦克斯 韦百年诞辰的纪念会上,评价其建树“ 韦百年诞辰的纪念会上,评价其建树“是 牛顿以来,物理学最深刻和最富有成果的工作。 牛顿以来,物理学最深刻和最富有成果的工作。”
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海蒂拉玛(Hedy Lamarr,1914-2000) 海蒂拉玛
美貌惊人的演员 出色的间谍 CDMA之母 CDMA之母 现代军事通信的先驱 保密通信的鼻祖 不著名的杰出科学家

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3G的祖师:海蒂拉玛 的祖师: 的祖师
正是这个大美人我们今天使用3G手机的手机的鼻祖! 正是这个大美人我们今天使用3G手机的手机的鼻祖! 3G手机的手机的鼻祖 上帝的确是太偏爱她了,除了惊人的美貌,更有惊人的头脑。 上帝的确是太偏爱她了,除了惊人的美貌,更有惊人的头脑。 她出身富贵,受过良好的教育,学的是通讯专业。 她出身富贵,受过良好的教育,学的是通讯专业。 她精力过人,在好莱坞打拼之余,竟有了如此发明,令人莫明震惊! 她精力过人,在好莱坞打拼之余,竟有了如此发明,令人莫明震惊! 海蒂.拉玛一生在娱乐杂志封面出现已经是司空见惯, 海蒂.拉玛一生在娱乐杂志封面出现已经是司空见惯,这一回却出现在 了科技杂志封面上。真是科技与美的完美结合! 了科技杂志封面上。真是科技与美的完美结合! 现在手机已经普及,大家千万不要小看手中这个小小的通讯工具, 现在手机已经普及,大家千万不要小看手中这个小小的通讯工具,在它 之后,站着一位世界上最美丽的女人。我们不应该忘记她! 之后,站着一位世界上最美丽的女人。我们不应该忘记她! 当以CDMA为基础的通信技术开始走入大众生活,科学界才想起了已经83 CDMA为基础的通信技术开始走入大众生活 当以CDMA为基础的通信技术开始走入大众生活,科学界才想起了已经83 岁高龄的CDMA之母海蒂.拉玛,非营利性、 CDMA之母海蒂 岁高龄的CDMA之母海蒂.拉玛,非营利性、非官方的电子前沿基金会 Foundation)授予了海蒂 授予了海蒂. (EFF: Electronic Frontier Foundation)授予了海蒂.拉玛早应得到的 荣誉,但此时,她的专利已经失效,而其终生未能因此而得利。 荣誉,但此时,她的专利已经失效,而其终生未能因此而得利。 另外这位美女逝世于2000 2000年 19日 另外这位美女逝世于2000年1月19日,无论是演员还是算科学家算是非 常长寿了。 常长寿了。
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赫兹——无线通信之父 赫兹——无线通信之父 ——
赫兹在1888年以充分的实验证据全面证实了电磁波和光波的同一性。 赫兹在1888年以充分的实验证据全面证实了电磁波和光波的同一性。由 1888年以充分的实验证据全面证实了电磁波和光波的同一性 于赫兹于六年后(1894 (1894年 去世,因此没有看到无线电波(Radio 于赫兹于六年后(1894年)去世,因此没有看到无线电波(Radio wave)的广泛应用 如果他能活到20世纪初, 的广泛应用。 20世纪初 wave)的广泛应用。如果他能活到20世纪初,他肯定会获得诺贝尔奖 的。 赫兹的实验震动了当时整个物理学界, 赫兹的实验震动了当时整个物理学界,全世界许多实验室立即重复了他 的实验。 赫兹波”成了当时物理学家口头常用的词组。 的实验。“赫兹波”成了当时物理学家口头常用的词组。赫兹的发 现不仅证实了麦克斯威尔理论的正确性, 现不仅证实了麦克斯威尔理论的正确性,并且也为人类利用电磁波 奠定了基础,开创了电子技术新时代。 奠定了基础,开创了电子技术新时代。 在赫兹宣布他的发现后不到六年,意大利工程师马可尼(Guglielmo 在赫兹宣布他的发现后不到六年,意大利工程师马可尼(Guglielmo 1874-1937)和俄国的波波夫 和俄国的波波夫(A. Popov,1859-1906)分 Marconi, 1874-1937)和俄国的波波夫(A. S. Popov,1859-1906)分 别实现了无线电远距离传播,并很快投入实际应用。 别实现了无线电远距离传播,并很快投入实际应用。 其他无线电技术也如雨后春笋般地涌现了出来,无线电报(1894 (1894年 其他无线电技术也如雨后春笋般地涌现了出来,无线电报(1894年)、无 线电AM广播(1906 AM广播(1906年 导航(1911 (1911年 无线电话(1916 (1916年 线电AM广播(1906年)、导航(1911年)、无线电话(1916年)、短波通 (1921年 传真(1923 (1923年 电视(1929 (1929年 微波通讯(1933 (1933年 讯(1921年)、传真(1923年)、电视(1929年)、微波通讯(1933年)、 雷达(1935 以及近代的无线电遥控、遥测、卫星通讯、大哥大、 (1935年 雷达(1935年)以及近代的无线电遥控、遥测、卫星通讯、大哥大、 无线网络等等各种各样技术的发明可以说都是赫兹实验的产物。 无线网络等等各种各样技术的发明可以说都是赫兹实验的产物。 27 2011春季 信息科学与工程学院— 2011春季 信息科学与工程学院—诸燕平

姚期智( 姚期智(Andrew Chi-Chih Y) )
美籍华人,计算机科学家,2000年图灵奖得主 年图灵奖得主, 美籍华人,计算机科学家,2000年图灵奖得主,是目前唯一一位获得此 奖项的华人及亚洲人。目前是清华大学理论计算机科学研究中心教授。 奖项的华人及亚洲人。目前是清华大学理论计算机科学研究中心教授。 姚期智祖籍湖北孝感,1946年12月24日出生于上海 日出生于上海, 姚期智祖籍湖北孝感,1946年12月24日出生于上海,幼年随父母移居台 1967年 姚期智毕业于台湾大学,之后赴美国深造。1972年获哈佛 湾。1967年,姚期智毕业于台湾大学,之后赴美国深造。1972年获哈佛 大学物理学博士学位,1975年获伊利诺大学香槟分校 UIUC) 年获伊利诺大学香槟分校( 大学物理学博士学位,1975年获伊利诺大学香槟分校(UIUC)计算机科 学博士学位。之后,他曾先后在麻省理工学院(1975—1976) 学博士学位。之后,他曾先后在麻省理工学院(1975—1976)、斯坦福 大学(1976—1981,1983—1986)、加州大学伯克利分校(1981—1983) 大学(1976—1981,1983—1986) 加州大学伯克利分校(1981—1983) 等美国高等学府从事教学和研究,1986年至2004年任普林斯顿大学计算 年至2004 等美国高等学府从事教学和研究,1986年至2004年任普林斯顿大学计算 机科学系教授, 2004年 月至今任北京清华大学高等研究中心教授。 机科学系教授 , 从 2004 年 9 月至今任北京清华大学高等研究中心教授 。 此外,姚期智还是美国国家科学院院士、美国人文及科学院院士、 此外,姚期智还是美国国家科学院院士、美国人文及科学院院士、中国 科学院外籍院士及台湾中央研究院院士。 科学院外籍院士及台湾中央研究院院士。 姚期智获得过美国工业与应用数学学会波利亚奖( Prize) 姚期智获得过美国工业与应用数学学会波利亚奖(Pólya Prize),美 国计算机协会算法与计算理论分会( SIGACT) 高德纳奖( 国计算机协会算法与计算理论分会 ( ACM SIGACT ) 高德纳奖 ( Donald Prize)等荣誉。2000年 因为姚期智对计算理论, E.Knuth Prize ) 等荣誉 。 2000 年 , 因为姚期智对计算理论 , 包括伪随 机数生成,密码学与通信复杂度的诸多贡献,美国计算机协会(ACM) 机数生成 , 密码学与通信复杂度的诸多贡献 , 美国计算机协会 ( ACM ) 决定把该年度的图灵奖授予他。 决定把该年度的图灵奖授予他。
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高锟——光通信之父 高锟——光通信之父 ——
高锟, CBE( Charles Kuen Kao, 1933年 高锟 , CBE ( Kao , 1933 年 11月 华裔物理学家, 11月4日-),华裔物理学家,生于中 国上海, 祖籍江苏金山( 国上海 , 祖籍江苏金山 ( 今上海市金 山区) 拥有英国、 山区 ) , 拥有英国 、 美国国籍并持香 港居民身份, 港居民身份 , 目前在香港和美国加州 山景城两地居住。 高锟为光纤通讯、 山景城两地居住 。 高锟为光纤通讯 、 电机工程专家, 华文媒体称之为“ 电机工程专家 , 华文媒体称之为 “ 光 纤之父” 普世称之为“ 纤之父 ” 、 普世称之为 “ 光纤通讯之 父 ” ( Father of Fiber Optic Communications) 美誉, Communications ) 美誉 , 曾任香港中 文大学校长。2009年,与威拉德.博伊 文大学校长。 2009年 与威拉德. 尔和乔治. 埃尔伍德. 尔和乔治 . 埃尔伍德 . 史密斯共享诺贝 尔物理学奖。 尔物理学奖。
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通信的发展方向
数字化 智能化 自动化 对语音、 对语音、数据和视频集成一体的一些新兴 应用

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通信行业的发展趋势
软件平台化 与用户业务的深度融合 更广泛的联盟合作 系统集成商和软件开发商将在整个统一通 信产业链上处于重要位置 企业并购现象将更加明显, 企业并购现象将更加明显,未来将会出现 几家大的垄断巨头

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通信工程系主要课程(学懂学透) 通信工程系主要课程(学懂学透)
高等数学(数学基础) 高等数学(数学基础) 概率论与数理统计、线性代数(数学基础) 概率论与数理统计、线性代数(数学基础) C程序设计(编程基础) 程序设计( 程序设计 编程基础) 电路分析 信号与系统(理论基础) 信号与系统(理论基础) 模拟电子技术 数字电子技术
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通信工程系主要课程(学懂学透) 通信工程系主要课程(学懂学透)
通信原理 数字信号处理 射频电路基础 EDA技术 技术 单片机原理及应用 数字信号处理的硬件实现( 数字信号处理的硬件实现(DSP) ) MATLAB程序设计 程序设计
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10级通信系专业方向 级通信系专业方向
数字信号处理方向
DSP技术与应用 技术与应用 嵌入式系统及应用 软件无线电

网络通信方向
无线传感器网络 无线局域网 多媒体通信
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10级通信系专业方向 级通信系专业方向
专业选修课程
嵌入式Linux及C程序设计 及 程序设计 嵌入式 嵌入式系统综合开发应用实验 多媒体综合开发应用实验 VHDL 综合开发应用实验 电机控制综合开发应用实验

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综合素质

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主要工作及内涵
毕业去向
对口专业直接就业
我能做什么?就业方向是什么?哪些地方适合我? 我能做什么?就业方向是什么?哪些地方适合我?

考研
我能考上吗?有哪些方向可以选择? 我能考上吗?有哪些方向可以选择?

转行业就业
可以转到哪些行业?这样的例子多吗? 可以转到哪些行业?这样的例子多吗?

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主要工作
本科就业——卖方市场,被选择 卖方市场, 本科就业 卖方市场
测试: 测试:产品测试工程师 软硬件开发:嵌入式/系统 应用 软硬件开发:嵌入式 系统/应用 系统 运营维护: 运营维护:网络运营商 网络建设:规划设计院、 网络建设:规划设计院、网络运营商等 ……

研究生就业——就业面光,主动选择余地 就业面光, 研究生就业 就业面光 大
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工作机会——竞争激励 竞争激励 工作机会

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工作机会
笔试
考验基础知识是否扎实——不同岗位有不同 不同岗位有不同 考验基础知识是否扎实 要求

研发类软件笔试内容
C/C++ 数据结构 电路/信号与系统等 电路 信号与系统等 逻辑推理类、 逻辑推理类、数据库等 单片机、 硬件实现、 单片机、DSP硬件实现、ARM相关知识等 硬件实现 相关知识等
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工作机会
面试
考验心智、为人处世、 考验心智、为人处世、沟通协作等全方位综 合能力——不同岗位有不同要求 合能力 不同岗位有不同要求

应对方法——能力强势 能力强势 应对方法
全方位锻炼自己 做好人生规划 多做事 多参加各种比赛, 多参加各种比赛,多拿奖 ……
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考研方向的选择
通信与信息系统
以信息获取、传输与交换、网络、 以信息获取、传输与交换、网络、处理等为主体 的通信与信息系统。含电信、广播、电视、雷达、 的通信与信息系统。含电信、广播、电视、雷达、 导航、遥控遥测、测量、控制等领域 导航、遥控遥测、测量、

信号与信息系统
主要研究信号检测、滤波、估计与识别、信息传 主要研究信号检测、滤波、估计与识别、 输安全等技术的基本理论、方法和实现 输安全等技术的基本理论、

电路与系统
研究电路与系统的理论、分析、测试、设计和物 研究电路与系统的理论、分析、测试、 理实现,侧重于器件级研究。 理实现,侧重于器件级研究。 2011春季 信息科学与工程学院— 2011春季 信息科学与工程学院—诸燕平
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学习方法
缩短适应期 独立性与自主性——自觉 独立性与自主性 自觉 学习途径广泛性——丰富知识 学习途径广泛性 丰富知识 学习创新性——学以致用 学习创新性 学以致用 基础课——扎实:公式活学活用,英语过 扎实: 基础课 扎实 公式活学活用, 关,计算机类课程多实践 选修课程学习——活用,多实践 活用, 选修课程学习 活用 实验室资源——动手能力,各种竞赛 动手能力, 实验室资源 动手能力
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学习方法
三种学习习惯
从系统的高度把握知识 寻求知识间的内在联系 发散思维, 发散思维,养成联想的思维习惯

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其他学习材料
国内网站 移动通信在线 http://www.mc21st.com/techfield/systech/ss /main.htm 通信人家园http://www.txrjy.com/ 通信人家园 研学论坛http://bbs.matwav.com 研学论坛 通信世界网http://www.cww.net.cn/ 通信世界网 中国通信资源网http://www.cnttr.com/ 中国通信资源网
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其他学习材料
国外网站 联邦通信委员会http://www.fcc.gov/ 联邦通信委员会 http://ct.oxfordjournals.org/ http://www.ieee.org/portal/site http://www.itu.int/home/index.html http://www.mathworks.com/

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作业: 作业:
请根据对通信工程专业的理解, 请根据对通信工程专业的理解,设计自己 的职业目标规划。 的职业目标规划。

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第二讲

信息论浅谈

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内容
信息论介绍 信源 自信息和信息熵

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信息论? 信息论
信息论是通信的数学基础,它以概率论、 信息论是通信的数学基础,它以概率论、 随机过程、 随机过程、数理统计和代数学为主要数学 工具,详细研究了通信中的各个关键环节, 工具,详细研究了通信中的各个关键环节, 以定理的形式给出了信源编码、 以定理的形式给出了信源编码、信道编码 的理论极限, 的理论极限,为各种具体的通信技术提供 了理论上的指导。 了理论上的指导。 信息论创立的标志:香农于 香农于1948年发表的论 信息论创立的标志 香农于 年发表的论 文:A Mathematical Theory of Communication (通信的数学理论) 通信的数学理论)
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信息的概念
“信息”是当代使用频率很高的一个概 信息” 信息 也是很难说清楚的一个概念。 念,也是很难说清楚的一个概念。据不完 全统计,信息的定义有100多种,它们都从 多种, 全统计,信息的定义有 多种 不同的侧面、 不同的侧面、不同的层次揭示了信息的某 些特征和性质,但至今仍没有统一的、 些特征和性质,但至今仍没有统一的、能 为各界普遍认同的定义。 为各界普遍认同的定义。

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哈特莱(Hartley)的信息定义(最早) 哈特莱( )的信息定义(最早)
他认为,发信者所发出的信息, 他认为,发信者所发出的信息,就是他在 通信符号表中选择符号的具体方式, 通信符号表中选择符号的具体方式,并主 张用所选择的自由度来度量信息。 张用所选择的自由度来度量信息。
——1928年“信息传输” 年 信息传输”

这种理解在一定程度上能够解释通信工程 中的一些信息问题,但存在局限性, 中的一些信息问题,但存在局限性,他所 定义的信息不涉及到信息的价值和具体内 只考虑选择方式。 容,只考虑选择方式。没有考虑各种可能 选择方法的统计特性, 选择方法的统计特性,限制了它的适用范 围。
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维纳( 维纳(Wiener)的信息定义 )
信息就是信息自己,它是与“物质” 信息就是信息自己,它是与“物质”、 能量”同等重要的概念。 “能量”同等重要的概念。
——1948年“控制论” 年 控制论”

信息是人们适应外部世界, 信息是人们适应外部世界,并且使这种适 应作用于外部世界的过程中, 应作用于外部世界的过程中,同外部世界 进行互相交换的内容名称。 进行互相交换的内容名称。
——“人有人的用处” “人有人的用处”

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朗格( 朗格(Longe)的信息定义 )
1975年意大利学者朗格在他出版的“信息 年意大利学者朗格在他出版的“ 年意大利学者朗格在他出版的 一书序言中,提出: 论”一书序言中,提出:信息是反映事物 的形式、关系和差别的东西。( 。(定义信息 的形式、关系和差别的东西。(定义信息 是客体之间的相互差异) 是客体之间的相互差异)

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香农的信息定义
1948年香农发表的论文“通信的数学理论” 年香农发表的论文“通信的数学理论” 年香农发表的论文 一文中,他从研究通信系统的实质出发, 一文中,他从研究通信系统的实质出发, 对信息做了科学的定义, 对信息做了科学的定义,并进行了定性和 定量的描述: 定量的描述:“信息是事物运动状态或存 在方式的不确定性的描述”。 在方式的不确定性的描述” 不确定性的描述
数学语言中, 数学语言中,不确 定性就是随机性

信息是用来消除不确定性的东西。 信息是用来消除不确定性的东西。 不确定性的东西
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信息论的研究范畴
基础信息论( 经典信息论) 基础信息论( Shannon经典信息论) 经典信息论
研究信息测度, 研究信息测度,信道容量以及信源和信道编码理论

一般信息论(工程信息论) 一般信息论(工程信息论)
以工程为背景,主要研究通信系统中各部分的最佳工作规 以工程为背景, 与最佳设计原则,以工程上技术问题为主。 律,与最佳设计原则,以工程上技术问题为主。研究内容 除经典信息论外还包括噪声理论,信号滤波和预测, 除经典信息论外还包括噪声理论,信号滤波和预测,统计 检测和估值理论,调制理论, 检测和估值理论,调制理论,信息处理理论和保密理论

广义信息论
除上述内容外,还包括自然和社会领域有关信息的内容, 除上述内容外,还包括自然和社会领域有关信息的内容, 如模式识别,计算机翻译,心理学,遗传学, 如模式识别,计算机翻译,心理学,遗传学,神经生理学
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信息论的研究范畴
信息论研究的对象是统一的通信系统模型。 信息论研究的对象是统一的通信系统模型。 各种通信系统如微波、卫星、光纤、 各种通信系统如微波、卫星、光纤、移动 虽然它们的用途各不相同, 本质是 用途各不相同 等,虽然它们的用途各不相同,但本质是 相同的,都是信息的传输系统。 相同的,都是信息的传输系统。 将各种通信系统中具有共性的部分抽取出 概括成一个统一的理论模型——通信 来,概括成一个统一的理论模型 通信 系统模型。 系统模型。

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研究Shannon信息论的主要目的 信息论的主要目的 研究
设计有效, 设计有效,可靠和安全的通信系统
有效性是用尽可能短的时间和尽可能少的设 有效性是用尽可能短的时间和尽可能少的设 备来传输一定信息量的消息
信源编码(数据压缩):无失真信源编码和限失 信源编码(数据压缩):无失真信源编码和限失 ): 真信源编码

可靠性是要使信源发出的消息经过传输后, 可靠性是要使信源发出的消息经过传输后, 是要使信源发出的消息经过传输后 尽可能准确地、 尽可能准确地、不失真地再现在接收端
信道编码(可靠传输) 信道编码(可靠传输)

安全性
加密编码
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Shannon信息论研究的主要问题 信息论研究的主要问题
1)什么是信息?如何度量信息?(信息熵) )什么是信息?如何度量信息?(信息熵) ?(信息熵 怎样确定信源输出信息的速率?(信息传输速率) ?(信息传输速率 2)怎样确定信源输出信息的速率?(信息传输速率) 对于一个信道,它传输信息的最高速率是多少?(信道容量) ?(信道容量 3)对于一个信道,它传输信息的最高速率是多少?(信道容量) 无失真信源编码,所需要的最少码符号数是多少?(香农第一定理: ?(香农第一定理 4)无失真信源编码,所需要的最少码符号数是多少?(香农第一定理: 如果编码后信源序列的信息传输速率不小于信源熵, 如果编码后信源序列的信息传输速率不小于信源熵,那么一定存在 一种无失真信源编码方法;否则,不存在这种无失真信源编码方) 一种无失真信源编码方法;否则,不存在这种无失真信源编码方) 在有噪声信道中,有没有可能以接近信道容量的速率传输信息, 5)在有噪声信道中,有没有可能以接近信道容量的速率传输信息,而 收端的错误概率几乎为零?(香农第二定理: ?(香农第二定理 收端的错误概率几乎为零?(香农第二定理:如果信息传输速率小 于信道容量,那么总可以找到一种编码方式, 于信道容量,那么总可以找到一种编码方式,使得当编码序列足够 长时传输差错任意小;否则,不存在使差错任意小的信道编码方式) 长时传输差错任意小;否则,不存在使差错任意小的信道编码方式) 6)如果信源编码时,允许一定的失真,那么信源编码所需要的最少码 如果信源编码时,允许一定的失真, 符号数又是多少?(香农第三定理: ?(香农第三定理 符号数又是多少?(香农第三定理:对于任意的失真度 D ≥ 0 ,只要 码字足够长,那么总可以找到一种编码方法, 码字足够长,那么总可以找到一种编码方法,使编码后每个信源符 号的信息传输速率 ≥ R ( D) ,而译码的平均失真度 d ≤ D )
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Shannon信息论的局限性 信息论的局限性
如果实际信源或信道符合所采用的概率模 型描述,这种方法是有效的, 型描述,这种方法是有效的,否则只能是 近似的,甚至根本无效。 近似的,甚至根本无效。
语言的熵描述是非常困难的,其是非平稳的, 语言的熵描述是非常困难的,其是非平稳的, 除了确定的信息,还有模糊的信息, 除了确定的信息,还有模糊的信息,比如 韵味” 意境” “韵味”,“意境” 不同的接收者对同一个东西得到的信息可能 是不同的

Shannon信息论适合于能够定量描述的信 信息论适合于能够定量描述的信 对难于定量描述的信息则无能为力。 息,对难于定量描述的信息则无能为力。
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Shannon信息论在研究方法上的启示 Shannon信息论在研究方法上的启示
理论与实践的关系。五十年信息论发展的历史证明, 1. 理论与实践的关系。五十年信息论发展的历史证明, 理论必须结合实践才有旺盛的生命力。实践可以帮助人们 理论必须结合实践才有旺盛的生命力。 正确地提出问题和猜想; 正确地提出问题和猜想;实践需要理论的指导才能建立更 好的系统,才能迅速向前发展。理论用于不断变化的实践 好的系统,才能迅速向前发展。 过程中,又常常提示和激励我们探索新的理论问题, 过程中,又常常提示和激励我们探索新的理论问题,并以 新的方法重新检验已有的理论结论。 新的方法重新检验已有的理论结论。 简单模型胜于繁琐的现象罗列” 2.简化模型。 “简单模型胜于繁琐的现象罗列”, 简化模型。 “简单化才能显现出事物的本质,它表现了人的洞察力” 简单化才能显现出事物的本质,它表现了人的洞察力”
- Gallager 。

3.基础的重要性。切莫近视、急功近利。 基础的重要性。切莫近视、急功近利。
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Shannon对信息论的贡献 Shannon对信息论的贡献
2001年2月24日,Shannon于马萨诸塞州病 年 月 日 于马萨诸塞州病 著名信息论和编码学者Dr. Richard 逝。著名信息论和编码学者 Blahut 在Shannon塑像落成典礼上这样评 塑像落成典礼上这样评 价Shannon:“在我看来,两三百年之后, : 在我看来,两三百年之后, 当人们回过头来看我们这个时代的时候, 当人们回过头来看我们这个时代的时候, 他们可能不会记得谁曾是美国的总统。 他们可能不会记得谁曾是美国的总统。他 们也不会记得谁曾是影星或摇滚歌星。 们也不会记得谁曾是影星或摇滚歌星。但 是他们会记得Shannon的名字。学校里仍 的名字。 是他们会记得 的名字 然会讲授信息论。 然会讲授信息论。”
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Shannon信息论的应用范围 信息论的应用范围

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通信系统模型

信源

编码器

信道

译码器

信宿

干扰源

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信源
信源
产生消息(符号 、 产生消息 符号)、消息序列和连续消息的来源 符号 产生随机变量、随机序列和随机过程的源。 产生随机变量、随机序列和随机过程的源。 在通信系统中收信者在未收到消息以前对 信源发出什么消息是不确定的,是随机的 是随机的, 信源发出什么消息是不确定的 是随机的, 所以可用随机变量 随机变量、 所以可用随机变量、随机序列或随机过程 来描述信源输出的消息,或者说用一个样本 来描述信源输出的消息 或者说用一个样本 空间及其概率测度—概率空间来描述信源 空间及其概率测度 概率空间来描述信源

信源的基本特性:具有随机不确定性 信源的基本特性:具有随机不确定性
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信源
用随机变量或随机矢量来表示信源 随机变量或随机矢量来

用概率论和随机过程的理论来研究信息 概率论和随机过程的理论来研究信息 的理论来

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信源的分类
按照信源发出的消息在时间上和幅度上的 按照信源发出的消息在时间上和幅度上的 时间上和幅度 分布情况可将信源分成离散信源和连续信 源两大类 信源

{ 连续信源:

离散信源: 文字、数据、电报—随机序列
话音、图像—随机过程

连续信源
指发出在时间和幅度上都是连续分布的连续消息( 指发出在时间和幅度上都是连续分布的连续消息(模 连续分布的连续消息 拟消息)的信源,如语言、图像、 拟消息)的信源,如语言、图像、图形等都是连续消 息。
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信源的分类
离散信源
指发出在时间和幅度上都是离散分布的离散 指发出在时间和幅度上都是离散分布的离散 离散分布 消息的信源,如文字、数字、 消息的信源,如文字、数字、数据等符号都 是离散消息。 是离散消息。 发出单个符号的无记忆信源 离散 离散无记忆信源 发出符号序列的无记忆信源 信源 离散有记忆信源 发出符号序列的有记忆信源

{

{ { 发出符号序列的马尔可夫信源
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离散无记忆信源
所发出的各个符号是相互独立的, 所发出的各个符号是相互独立的,发出的符 号序列中的各个符号之间没有统计关联性 没有统计关联性, 号序列中的各个符号之间没有统计关联性, 各个符号的出现概率是它自身的先验概率。 各个符号的出现概率是它自身的先验概率。 例如扔骰子,每次试验结果必然是1~ 点中 例如扔骰子,每次试验结果必然是 ~6点中 的某一个面朝上。 的某一个面朝上。 用一个离散型随机变量X来描述这个信源输出 用一个离散型随机变量 来描述这个信源输出 的消息。 的消息。
x2 x3 x4 x5 x6 ? ? X ? ? x1 ? P ? = ?1/ 6 1/ 6 1/ 6 1/ 6 1/ 6 1/ 6 ? ? ? ? ?

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离散无记忆信源
发出单个符号的信源
指信源每次只发出一个符号代表一个消息; 指信源每次只发出一个符号代表一个消息;

发出符号序列的信源
指信源每次发出一组含二个以上符号的符号 序列代表一个消息
2 3 4 5 6 ? ?X ? ? 1 ? P ? = ?1/ 6 1/ 6 1/ 6 1/ 6 1/ 6 1/ 6 ? ? ? ? ?

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信源的描述
一个离散信源发出的各个符号消息的集合为: 一个离散信源发出的各个符号消息的集合为:

X = {x1 , x2 ,L, xn }
? 它们的概率分别为

a,b,c,…z

P = { p( x1 ), p( x2 ),L, p( xn )}
? p(xi): xi的先验概率 先验概率 ? 单符号离散信源的数学模型—概率空间

? X ? ? x1 ? P ? = ? p( x ) ? ? ? 1

xn ? ? p ( x2 ) L p ( xn ) ? x2 L
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p ( xi ) ≥ 0
n i =1 i

∑ p( x ) = 1
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离散信源的统计特性
离散消息是从有限个符号组成的符号集中 选择排列组成的随机序列( 选择排列组成的随机序列(组成离散消息 的信息源的符号个数是有限的) 的信息源的符号个数是有限的) 在形成消息时, 在形成消息时,从符号集中选择各个符号 的概率不同 。 组成消息的基本符号之间有一定的统计相 关特性 。

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连续无记忆信源
连续信源: 连续信源:
输出在时间和幅度上都是连续分布的消息

单符号连续无记忆信源的概率空间 单符号连续无记忆信源的概率空间 连续
? X ? ? (a, b) ? ? P ? = ? p ( x)? ? ? ? X ?
px (x) ≥ 0
随机取一节干电池测 其电压值作为输出符号 ,符号取值为[0,1.5]之间 的所有实数。 该信源就是发出单符 号的连续无记忆信源



b

a

p X ( x ) dx = 1

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有记忆信源
一般情况下,信源在不同时刻发出的符号之间是 一般情况下 信源在不同时刻发出的符号之间是 相互依赖的 也就是信源输出的平稳随机序列X 相互依赖的,也就是信源输出的平稳随机序列 各随机变量x 之间是有依赖的。 中,各随机变量 i之间是有依赖的。
如在汉字序列中前后文字的出现是有依赖的, 如在汉字序列中前后文字的出现是有依赖的,不能认 为是彼此不相关的。 为是彼此不相关的。 用信源发出的一个符 表述有记忆信源要比表述无记忆信源困难得多 号序列的整体概率(即 离散有记忆信源 联合概率)反映有记忆 所发出的各个符号的概率是有关联 有关联的 所发出的各个符号的概率是有关联的。 信源的特征

发出符号序列的有记忆信源 发出符号序列的马尔可夫信源
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一个符号出现的概率 只与前面一个或有限 个符号有关,而不依赖 更前面的那些符号 74

概率论基础
无条件概率、条件概率、 无条件概率、条件概率、联合概率的性质 和关系 ⑴
0 ≤ p ( xi ),p( y j ),p ( y j | xi ),p ( xi | y j ),p( xi , y j ) ≤ 1
n m n

⑵ ∑ p( xi ) = 1, ∑ p( y j ) = 1, ∑ p( xi | y j ) = 1, i =1 j =1 i =1

∑ p( y
j =1
n i =1

m

j

| xi ) = 1, ∑∑ p ( xi , y j ) = 1
j =1 i =1
m

m

n

⑶∑ p( xi , y j ) = p( y j ), ∑ p( xi , y j ) = p( xi )
j =1
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概率论基础
无条件概率、条件概率、 无条件概率、条件概率、联合概率的性质 和关系 ⑷ ⑸
p ( xi y j ) = p ( xi ) p ( y j | xi ) = p ( y j ) p ( xi | y j )

当X与Y 相互独立时,p( xi y j ) = p( xi ) p( y j )

p( y j | xi ) = p( y j ),p( xi | y j ) = p( xi ),

⑹ p( xi | y j ) =

p( xi , y j )

∑ p( x , y )
i =1 i j

n

,p( y j | xi ) =

p ( xi , y j )

∑ p( x , y )
j =1 i j
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m

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信息的可度量性
1)中国女子乒乓球队夺取亚运会冠军。 )中国女子乒乓球队夺取亚运会冠军。 2)中国男子足球队夺取世界杯赛冠军。 )中国男子足球队夺取世界杯赛冠军。
某一事物状态的不确 定性的大小, 定性的大小,与该事 物可能出现的不同状 态数目以及各状态出 现的概率大小有关



既然不确定性的大小 能够度量, 能够度量,所以信息 是可以度量的

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自信息和信息熵
设离散信源X, 设离散信源 ,其概率空间为
x2 L xn ? ? X ? ? x1 ? P ? = ? p( x ) p( x ) L p( x )? ? ? ? 1 2 n ?

如果知道事件x 已发生,则该事件所含有的 如果知道事件 i已发生 则该事件所含有的 信息量定义为: 信息量定义为

I ( xi ) = ? log p( xi )
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I (xi) 含义:
当事件x 发生以前 表示事件 表示事件x 当事件 i发生以前,表示事件 i 发生的不确定性 当事件xi发生以后,表示事件 i所含有的信息量 当事件 发生以后 表示事件x 表示事件

自信息的单位的确定 自信息的单位的确定 单位
在信息论中常用的对数底是2,信息量的单位为比特 在信息论中常用的对数底是 信息量的单位为比特 (bit) 若取自然对数 则信息量的单位为奈特(nat) 自然对数,则信息量的单位为奈特 若取自然对数 则信息量的单位为奈特 若以10为对数底 则信息量的单位为笛特(det) 为对数底,则信息量的单位为笛特 若以 为对数底 则信息量的单位为笛特 1 nat=log2e ≈ l.433 bit, = , l det=log210≈3.322 bit =
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不确定度
定义: 定义:
随机事件的不确定度在数量上等于它的自信 息量。 息量。

说明: 说明
两者的单位相同,但含义却不相同。 两者的单位相同,但含义却不相同。 具有某种概率分布的随机事件不管发生与否, 具有某种概率分布的随机事件不管发生与否, 都存在不确定度, 都存在不确定度,不确定度表征了该事件的 特性,而自信息量是在该事件发生后 发生后给予观 特性,而自信息量是在该事件发生后给予观 察者的信息量。 察者的信息量。

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例题2-1 例题
二进制码元0,1,当符号概率为 当符号概率为p(0)=1/4, 二进制码元 当符号概率为 p(1)=3/4,则这两个符号的自信息量为: 则这两个符号的自信息量为: 则这两个符号的自信息量为 I(0) =-log2 (1/4) = log24 = 2bit - I(1) =-log2 (3/4) = 0.4151 bit - 一个以等概率出现的二进制码元(0, 所 一个以等概率出现的二进制码元 ,1)所 包含的自信息量为: 包含的自信息量为: I(0) = I(1) = -log2 (1/2) = log22 = 1 bit

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例题2-2 例题
箱中有90个红球, 个白球 个白球。 箱中有 个红球,10个白球。现从箱中随 个红球 机地取出一个球。 机地取出一个球。求:
(1)事件“取出一个红球”的不确定性; )事件“取出一个红球”的不确定性; (2)事件“取出一个白球”的不确定性; )事件“取出一个白球”的不确定性; (3)事件“取出一个红球”与“取出一个白 )事件“取出一个红球” 的发生,哪个更难猜测? 球”的发生,哪个更难猜测

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例题2-2——解答 解答 例题
表示“取出一个红球”的事件, 解:(1)设a1表示“取出一个红球”的事件, ( ) 则p(a1) = 0.9,故事件 1的不确定性为 ,故事件a I (a1 ) = ? log 2 0.9 = 0.152bit 表示“取出一个白球”的事件, (2)设a2表示“取出一个白球”的事件,则 ) p(a2) = 0.1,故故事件 2的所提供的信息量 ,故故事件a 为 I (a2 ) = ? log 2 0.1 = 3.323bit
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例题2-2——解答 解答 例题
(3)因为 2) > I(a1),所以事件“取出一个 )因为I(a ,所以事件“ 白球”的发生更难猜测。 白球”的发生更难猜测。

结论:欲求事件的自信息, 结论:欲求事件的自信息,首先要求事件发 生的概率。 生的概率。

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自信息量的特性
I(xi)的特性 的特性
⑴ I (xi)是非负值 是非负值 ⑵ 当p(xi) = 1时,I(xi) = 0 时 ⑶ 当p(xi) = 0时,I(xi) =∞ 时 是先验概率p(x 的单调递减函数, ⑷ I(xi)是先验概率 i)的单调递减函数,即 是先验概率 当p(x1)>p(x2)时,I (x1)<I (x2) > 时 < ⑸两个独立事件的联合信息量等于它们分别的信 息量之和。 息量之和。 即统计独立信源的信息量等于它们分别的信息 量之和。 量之和。
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例题2-3 例题
设有12枚同值硬币,其中有一枚为假币, 设有12枚同值硬币,其中有一枚为假币, 12枚同值硬币 且只知道假币的重量与真币的重量不同, 且只知道假币的重量与真币的重量不同, 但不知究竟是重还是轻。 但不知究竟是重还是轻。现采用天平比较 左右两边轻重的方法来测量(因无砝 左右两边轻重的方法来测量( 为了在天平上称出哪一枚是假币, 码)。为了在天平上称出哪一枚是假币, 试问至少必须称多少次? 试问至少必须称多少次? 用信息论方法证明) (用信息论方法证明)

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例题2-3——解答 解答 例题
枚同值硬币中, 设“在12枚同值硬币中,某一枚为假币”这 枚同值硬币中 某一枚为假币” 事件为a。 事件为 。其出现的概率为 1 p(a) = 12 假币重量比真币重量重,或轻” 设“假币重量比真币重量重,或轻”这事件 为b。其出现的概率为 。 1 p (b) = 2 事件a, 的不确定性为 事件 b的不确定性为 I (a ) = ? log 2 p(a ) = log 2 12 I (b) = ? log 2 p(b) = log 2 2
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例题2-3——解答 解答 例题
要发现某假币并知其比真币重还是轻所需的信息 量是消除这两事件的不确定性。 量是消除这两事件的不确定性。这两事件是统计 独立事件. 独立事件.所以所需获得的信息量 I1 = I (a) + I (b) ≈ 4.585bit 而在天平上称—次能判断出三种情况: 而在天平上称 次能判断出三种情况:重、轻和 次能判断出三种情况 相等。这三种情况是等概率的 相等。 1 p (c ) = 3

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例题2-3——解答 解答 例题
所以,天平测一次能获得的信息量(即消除的不 所以,天平测一次能获得的信息量 即消除的不 确定性)为 确定性 为

I 2 = I (c) = log 3 ≈ 1.585bit
则至少必须称的次数为

I1 log 2 24 = ≈ 2.9次 I2 log 2 3

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信息熵
离散信源的(信息) 离散信源的(信息)熵
定义自信息的数学期望为信源的平均信息量
q 1 H ( X ) = E[log ] = ?∑ P(ai ) log P(ai ) p(ai ) i =1

信息熵具有以下两种物理含义: 信息熵具有以下两种物理含义:
1、表示信源输出前信源的平均不确定性 、 2、表示信源输出后,每个符号所携带的平均 、表示信源输出后, 信息量
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例2-4
设有一布袋内放100个电阻,其中80个电阻 个电阻,其中 个电阻 设有一布袋内放 个电阻 个电阻是2?的 是1?的,20个电阻是 的。若随意摸取 的 个电阻是 一个电阻,猜测其阻值,我们用a 一个电阻,猜测其阻值,我们用 1表示事 摸出的是1?的电阻 的电阻” 件“摸出的是 的电阻”,用a2表示事件 “摸出来的是2 ?的电阻”。 摸出来的是 的电阻” 的电阻 如果被告知摸出的是1?的电阻 的电阻, 如果被告知摸出的是 的电阻,那么获得 的信息量是: 的信息量是:
I (a1 ) = ? log 2 P (a1 ) = ? log 2 0.8bit
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如果被告知摸出的是2 的电阻 的电阻, 如果被告知摸出的是 ?的电阻,那么获得 的信息量是: 的信息量是:
I (a2 ) = ? log 2 P (a2 ) = ? log 2 0.2bit

若每次摸出一个电阻又放回去, 若每次摸出一个电阻又放回去,再进行第 次中, 二次摸取。那么摸取n次中 二次摸取。那么摸取 次中, 1?电阻出现 电阻出现 的次数约为nP(a1)次, 1?电阻出现的次数 的次数约为 次 电阻出现的次数 约为nP(a2)次。则摸取n次后总共获得的信 约为 次 则摸取 次后总共获得的信 息量为
nP( a1 ) I (a1 ) + nP (a2 ) I (a2 )
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这样平均摸取一次获得的信息量约为
H ( x) = ?[ P (a1 )log(a1 ) + P (a2 )log(a2 )] = ?∑ P( ai )logP (ai )
i =1 2

可见信息熵H(x)是从平均意义上表征信源 是从平均意义上表征信源 可见信息熵 总体特征的一个量。 总体特征的一个量。

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例题2-4 例题
天气预报, 天气预报,有两个信源
? X 1 ? ? a1, ? p ( x) ? = ? ? ? ?1/ 4,
则:

a2 ? ? X 2 ? ? a1, ? ? ?=? 3 / 4 ? ? p( x) ? ?1/ 2,

a2 ? ? 1/ 2 ?

1 3 4 H ( X 1 ) = log 4 + log = 0.809 4 4 3 1 1 H ( X 2 ) = log 2 + log 2 = 1 2 2 说明第二个信源的平均不确定性更大一些 说明第二个信源的平均不确定性更大一些
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作业
1、同时掷出两个正常的骰子,也就是各面 、同时掷出两个正常的骰子, 呈现的概率都为1/6, 呈现的概率都为 ,求:
(1) “3和5同时出现”这事件的自信息; 同时出现” 和 同时出现 这事件的自信息; (2) “两个 同时出现”这事件的自信息; 两个1同时出现 这事件的自信息; 同时出现” (3) 两个点数的各种组合(无序)对的熵和平 两个点数的各种组合(无序) 均信息量; 均信息量; (4) 两个点数之和(即2, 3, … , 12构成的子集) 两个点数之和( 构成的子集) 构成的子集 的熵; 的熵; (5) 两个点数中至少有一个是 的自信息量。 两个点数中至少有一个是1的自信息量 的自信息量。
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作业
2、设离散无记忆信源 、 ? X ? ? x1 = 0 x2 = 1 x3 = 2 x4 = 3? ? ? P ( X ) ? = ? 3 / 8 1/ 4 1/ 4 1/ 8 ? ? ? ? 其发出的信息为 (202120130213001203210110321010021032 011223210),求 ,
(1) 此消息的自信息量是多少? 此消息的自信息量是多少? (2) 此消息中平均每符号携带的信息量是多少? 此消息中平均每符号携带的信息量是多少?
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第三讲

模拟通信与数字通信

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内容
通信系统 模拟通信与数字通信 调制与解调

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通信系统
通信系统的一般模型

信息源(简称信源):把各种消息转换成原始电信号, 信息源(简称信源):把各种消息转换成原始电信号, ):把各种消息转换成原始电信号 如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。 如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。 发送设备:产生适合于在信道中传输的信号。 发送设备:产生适合于在信道中传输的信号。 信道:将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。 信道:将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。 分为有线信道和无线信道两大类。 有线信道和无线信道两大类 分为有线信道和无线信道两大类。
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100

噪声源:集中表示分布于通信系统中各处的噪声。 噪声源:集中表示分布于通信系统中各处的噪声。 接收设备: 接收设备:从受到减损的接收信号中正确恢复出原始 电信号。 电信号。 受信者(信宿):把原始电信号还原成相应的消息, ):把原始电信号还原成相应的消息 受信者(信宿):把原始电信号还原成相应的消息, 如扬声器等。 如扬声器等。

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101

有线传输媒质

75Ω射频同轴电缆 75Ω射频同轴电缆

电梯用综合电缆

金属光缆 室外非金属光缆布线
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102

模拟通信系统模型和数字通信系统模型
模拟信号和数字信号
模拟信号:代表消息的信号参量取值连续, 模拟信号:代表消息的信号参量取值连续,例如 麦克风输出电压: 麦克风输出电压:

t

t

(a) 话音信号

(b) 抽样信号

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数字信号: 数字信号:代表消息的信号参量取值为有限 例如电报信号、计算机输入输出信号。 个,例如电报信号、计算机输入输出信号。

t
(a) 二进制信号 (b) 2PSK信号

t

通常, 通常,按照信道中传输的是模拟信号还是数 字信号, 字信号,相应地把通信系统分为模拟通信系 统和数字通信系统。 统和数字通信系统。
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104

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105

调制方式分类
模拟通信系统

按传输信号的特征分类
有线

数字通信系统

按传输媒介分类
无线

按传输信号的复用方式分类 按通信方式分类 其他
单工 半双工 全双工

FDM TDM CDM WDM

串行∝并行,专线∝ 串行∝并行,专线∝通信网
106

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常见调制方式
调制方式 线性调制 常规双边带调幅 抑制载波双边带调幅 单边带调幅SSB 连续 波调 制 非线性调制 残留边带调幅VSB 频率调制FM 相位调制PM 数字调制 幅度键控ASK 相位键控 广播 立体声广播 载波通信、无线电台、数传 电视广播、 数传、 传真 微波中继、卫星通信、广播 中间调制方式 数据传输 数据传输
107

用途

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调制方式 数字调制

用途

相位键控PSK、 DPSK、 数据传输、 数字微波、 空 QPSK等 间通信 其他高效数字调制QAM、 数字微波、 空间通信 MSK等

脉冲模拟调 制 脉冲 调制 脉冲数字调 制

脉幅调制PAM 脉宽调制PDM(PWM) 脉位调制PPM 脉码调制PCM 增量调制DM 差分脉码调制DPCM 其他语言编码方式 ADPCM、 APC、 LPC

中间调制方式、 遥测 中间调制方式 遥测、 光纤传输 市话、 卫星、 空间通信 军用、 民用电话 电视电话、 图像编码 中低速数字电话
108

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通信波段与常用传输媒质
频率范围 3 Hz~30 kHz 波长 104~108 m 符号 甚低频VLF 传输媒质 有线线对 长波无线电 有线线对 长波无线电 同轴电缆 短波无线电 同轴电缆 短波无线电 用途 音频、电话、数据 终端、长距离导航、 时标 导航、 信标、 电 力线通信 调幅广播、移动陆 地通信、业余无线 电 移动无线电话、 短波广播定点军用 通信、 业余无线 电 电视、 调频广播、 空中管制、 车辆、 通信、 导航
109

30~300 kHz

103~104 m

低频LF

300 kHz~3 MHz

102~103 m

中频MF

3~30 MHz

10~102 m

高频HF

30~300 MHz

1~10 m

甚高频?VHF 同轴电缆 米波无线电
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频率范围 300 MHz~3 GHz 3~30 GHz

波长 10~100 cm

符号 特高频?UHF

传输媒质 波导? 分米波无线电 波导 厘米波无线电 波导? 毫米波无线电

用途 微波接力、 卫星 和空间通信、 雷 达 微波接力、 卫星 和空间通信、 雷 达 雷达、 微波接力、 射电天文学

1~10 cm

超高频? SHF 极高频?EHF

30~300 GHz

1~10 mm

107~108 GHz

3×10-5 ~? 3×10-4 cm

紫外可见光 ?红外

光纤? 激光空间传播

光通信

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110

通信方式
单工、 单工、半双工和全双工通信
单工通信:消息只能单方向传输的工作方式。 单工通信:消息只能单方向传输的工作方式。

半双工通信:通信双方都能收发消息, 半双工通信:通信双方都能收发消息,但不 能同时收发的工作方式。 能同时收发的工作方式。

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111

全双工通信:通信双方可同时进行收发消息的工 全双工通信: 作方式。 作方式。

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112

并行传输和串行传输
并行传输: 并行传输:将代表信息的数字信号码元序 列以成组的方式在两条或两条以上的并行 信道上同时传输 。

优点:节省传输时间,速度快:不需要字符同步措施; 优点:节省传输时间,速度快:不需要字符同步措施; 缺点: 条通信线路, 缺点:需要 n 条通信线路,成本高 。
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113

串行传输 :将数字信号码元序列以串行方 式一个码元接一个码元地在一条信道上。 式一个码元接一个码元地在一条信道上。

优点:只需一条通信信道,节省线路铺设费用; 优点:只需一条通信信道,节省线路铺设费用; 缺点:速度慢,需要外加码组或字符同步措施。 缺点:速度慢,需要外加码组或字符同步措施。
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114

其他分类方式
同步通信和异步通信 专线通信和网通信

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115

什么要调制? 为什么要调制?
1. 天线的长度与发射信号的波长可比拟
时才能有效地发射电磁波。 时才能有效地发射电磁波。基带信号的频 率较低, 率较低,必须将基带信号的频谱搬移到频 率很高的载波附近, 率很高的载波附近,该频谱搬移过程称为 调制。 调制。 不同的调制方式, 2. 不同的调制方式,其可靠性和有效性不 同。选择不同的调制方式满足不同的服务 品质。 品质。
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116

无线数据传输系统的简化图
0100100
本振670MHz 本振 800MHz 调制电路 本振130MHz 本振130MHz 带通滤波器 频率合成 130+670=800MHz 800MHz 本振670MHz 本振 RF放大器 放大器

0100100
解调电 路

IF滤波 滤波 器

带通滤 波器 频率合成

RF放 放 大器

带通滤 波器

800MHz-670MHz=130MHz
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117

调制信号的一般表达式
s (t ) = Am (t ) cos {2π f ct + φm (t )} = Am (t ) cos {φ (t )}
瞬时相位偏移 瞬时相位 瞬时振幅(包络线振幅) 瞬时振幅(包络线振幅)

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118

调制信号的矢量表示形式
s (t ) = Am (t ) cos {2π f ct + φm (t )} = Am (t ) cos φm (t ) cos ( 2π f c t ) ? Am (t ) sin φm (t ) sin ( 2π f c t ) = Re [ z (t )] cos ( 2π f c t ) ? Im [ z (t ) ] sin ( 2π f ct ) Re [ z (t ) ] = Am (t ) cos φm (t ) Im [ z (t )] = Am (t ) sin φm (t )

Im [ z (t )] = Am (t ) sin φm (t )

虚轴(Q) 虚轴

Am (t )

φm (t )

实轴(I) 实轴
Re [ z (t )] = Am (t ) cos φm (t )

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119

AM、PM和FM 、 和

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120

解调
解调是从携带消息的已调信号中恢复消息 的过程。 的过程。 在各种信息传输或处理系统中, 在各种信息传输或处理系统中,发送端用 所欲传送的消息对载波进行调制, 所欲传送的消息对载波进行调制,产生携 带这一消息的信号。 带这一消息的信号。接收端必须恢复所传 送的消息才能加以利用,这就是解调。 送的消息才能加以利用,这就是解调。

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121

解调是调制的逆过程 调制方式不同,解调方法也不一样。 调制方式不同,解调方法也不一样。
与调制的分类相对应, 与调制的分类相对应,解调可分为正弦波解 有时也称为连续波解调)和脉冲波解调。 调(有时也称为连续波解调)和脉冲波解调。 正弦波解调还可再分为幅度解调、 正弦波解调还可再分为幅度解调、频率解调 和相位解调 。此外还有一些变种如单边带信 号解调、残留边带信号解调等。 号解调、残留边带信号解调等。 脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、 脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲相 位解调、脉冲宽度解调和脉冲编码解调等。 位解调、脉冲宽度解调和脉冲编码解调等。 对于多重调制需要配以多重解调。 对于多重调制需要配以多重解调。
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122

解调——应用 应用 解调
调制解调器 Modem,其实是 ,其实是Modulator(调制器) (调制器) 与Demodulator(解调器)的简称,中文称为调 (解调器)的简称, 制解调器(港台称之为数据机)。跟据Modem )。跟据 制解调器(港台称之为数据机)。跟据 的谐音,亲昵地称之为“ 的谐音,亲昵地称之为“猫”。 调制解调器是一种计算机硬件, 调制解调器是一种计算机硬件,它能把计算机的 脉冲信号 数字信号翻译成可沿普通电话线传送的脉冲信号, 数字信号翻译成可沿普通电话线传送的脉冲信号, 而这些脉冲信号又可被线路另一端的另一个调制 解调器接收,并译成计算机可懂的语言。 解调器接收,并译成计算机可懂的语言。这一简 单过程完成了两台计算机间的通信。 单过程完成了两台计算机间的通信。

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123

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124

第四讲

移动通信、 移动通信、光纤通信和微波通信

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125

内容
移动通信概述 光纤通信概述 微波通信概述

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126

移动通信概述
移动通信的基本概念
通信双方至少有一方在移动的通信系统

移动通信的特点
多径传输
多径传输引起信号衰落和 多径传输引起信号衰落和时延扩展 信号衰落

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127

时延扩展:
时延扩展△越大,相干带宽BC越窄

发射机

接收机

时延扩 展△

发射机发送一个窄脉冲,由于多经效应,接收机 接收到多个幅度不同、延迟时间也不同扩展信号。

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128

移动通信工作方式
大区制与蜂窝(大区制与小区制) 大区制与蜂窝(大区制与小区制) 移动通信的工作方式
单工方式 半双工方式 全双工方式

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129

移动通信的接入方式 移动通信的接入方式
上行链路 下行链路

BS: Base Station MS: Mobile Station 问题: 用什么方法把信号发送到 用什么方法把信号发送到BS? 问题:MS用什么方法把信号发送到 ? BS用什么方法把信号发送到 ? 用什么方法把信号发送到MS? 用什么方法把信号发送到

接入方法问题
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130

移动通信系统的基本组成
移动网
BS PSTN 移动交换中心 MSC BS BS

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131

移动通信频率分配和抗干扰技术
频率分配
GSM: MS BS BS 890MHz-915MHz MS 935MHz-960MHz

载频间隔: 带宽分为124个载频 载频间隔 200kHz, 25MHz带宽分为 带宽分为 个载频 频道间隔:25kHz. 频道间隔

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132

移动通信频率分配
中国移动: 中国移动:1880~1900MHz,2010~2025MHz, ~ , ~ , 共35M频率资源 频率资源 中国电信:1920~1935MHz,2110~2125MHz , 中国电信: ~ , ~ 共30M频率资源 频率资源 中国联通:1940~1955MHz,2130~2145MHz , 中国联通: ~ , ~ 共30M频率资源 频率资源

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133

抗干扰技术
发射功率控制 分集接收 调频技术 均衡技术 间断传输

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134

移动通信的时代变迁
80年代 年代
黎明期 成长期

90年代 年代
量变扩展期

21世纪 世纪
质变扩展期

第一代
以语言为中心

第二代

第三代

第四代

语言,高速数据 宽频带( 语言 高速数据 宽频带(大于 100Mbps) 语言,低速数据 语言,低速数据~64kbit/s ~384kbit/s (~2Mbit/s) 所有信息

System 手机,车载电话 手机 车载电话 无绳电话 手机,车载电话 手机 车载电话 短信息 2G

IMT-2000 3G W-CDMA cdma2000 TD-SCDMA

beyond IMT2000 4G

1G AMPS, NTT TACS

GSM,PDC, IS-95, PHS

IMT-2000:International Mobile Telecommunication -2000 : 2011春季 信息科学与工程学院— 2011春季 信息科学与工程学院—诸燕平

135


无论何时 不受时间制约



无论何地

不受场所制约

无论何人

能和多样化媒体通信(PC, PDA,MS); WWW/Mail 声音、静止图像、活动图像、数据等 降低通信费用 分层次的通信品质和通信费用
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136

无论何种媒体 低廉的价格

蜂窝通信的概念
f1 f1 f3 f1 f3 f2 f1 f3 f2 f1 f3 f2 f3 f2 f1 f3 f2 f1 f3 f2 f1 f1 f2 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1

(a)

(b)

FDMA/TDMA
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CDMA
137

第4代移动通信的构想
业务 和应用 新的 无线接口 下载信道 数字广播 由核心网实现分组通信 第2代手机 IMT―2000 WLAN 类 无线 xDSL

其它 近距离 接续

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138

4G+的构想 的构想
移动网络 的时代

2G GSM,PDC , +Internet
移动Internet 移动

3G W-CDMA ATM All IP
移动多媒体

4G 超宽带蜂窝 +多样化环境 多样化环境
移动泛在

业务概念

新业务例

短消息 Web接入 接入

视频邮件 TV会议 会议 TV电话 电话

宽带和泛在 现实世界协调业务 个人业务, 个人业务,现实通信
139

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泛在网络的概念
移动性 移动系统监视 (故障监视,自动驾驶)

跟踪/感知 身体感知 (生物信息监视,远程诊断) 4G + 物品跟踪 (SCM,质量管理) 泛在性 控制

超现实通信 (3D/生物信息通信)

丰富的内容分发

比特率

智能环境控制 (智能装置,智能家居,智能办公)

新用户接口 (游戏,家电,机器人) Pervasive computing (虚拟办公室,虚拟终端)

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140

对泛在网络的描述
泛在网: 泛在网: 是一个依靠所有物品及机器构成的 网络,是一个在任何地点都能够自由自在、 网络,是一个在任何地点都能够自由自在、 毫无意识、没有烦恼的对终端、 毫无意识、没有烦恼的对终端、网络及内容 进行使用的环境。 进行使用的环境。 泛在设备: 网络化的泛在设备是多样化的, 泛在设备: 网络化的泛在设备是多样化的, 包含了从微小嵌入型到信息家电等具有高性 能的多种设备。 能的多种设备。 人们期望有效地利用这些设备去获取环境信 息及个人信息, 息及个人信息,不仅是迄今为止的通信业务 。
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141

网络设施的扩展
泛在世界 (泛在网) 传感器网络 移动世界 (移动网)

4G 无线接入 物品、ID管理网络

4G 网络 终端功能协调网络

路由器 信息家电网络

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142

移动网络与泛在网络的协作
4G 蜂窝 移动小区 室内小区 传感器网络 室外小区 多跳中继 网关 网关 移动网 目标管理 利用现实世界 信息强化业务

网关 网关 交互目标通信 家居 / PAN 服务区 网络扩大 网关 网关 网关

公共空间 移动体 终端功能扩展 泛在网
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143

将移动终端作为网关的网络
移动泛在网(4G+) 手机 泛在局域网 (ULN) PAN 家庭网络 移动网

传感器网络 泛在网关 (UbG)

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144

4G+的理解 对4G+的理解
超宽带 + All IP + 泛在网

传 Ad Hoc 网 络 感 器 网 络

智 能 家 居 网 络

物 品 、 ID 管 理 网 络

终 端 功 能 协 调 网 络

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145

光纤通信概述
发送者 电信号 电信号 接收者

发信机 光纤 光纤

收信机

电信号→光信号 电信号 光信号 光信号→电信号 光信号 电信号

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光纤通信优点
容量大 衰减小 体积小、 体积小、重量轻 防干扰性能好 节约有色金属 成本低

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光纤通信的发展简史
1880年,A?G贝尔发明了利用太阳光作为光源的 年 贝尔发明了利用太阳光作为光源的 通话装置,光波在大气中传输,通话距离达213 通话装置,光波在大气中传输,通话距离达 后来改用孤光灯作为光源,延长通信距离。 米。后来改用孤光灯作为光源,延长通信距离。 但光源在大气中传输受到雨、 但光源在大气中传输受到雨、雾、烟和尘土的阻 抗或减弱,通信很不稳定, 抗或减弱,通信很不稳定,应用上受到很大的限 制。 1966年,高锟等人提示了实现低衰耗光导纤维的 年 可能性。 可能性。

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光纤通信的发展简史
1970年,美国研制出衰耗为20分贝 公里的石英光纤 年 美国研制出衰耗为 分贝 分贝/公里的石英光纤 和体积很小的半导体激光器。此后, 和体积很小的半导体激光器。此后,光纤及激光器 等部件的质量逐年迅速提高, 等部件的质量逐年迅速提高,因而以半导体激光器 作为光源,以石英光纤作为光的传输媒介, 作为光源,以石英光纤作为光的传输媒介,以半导 体光电二极管作为接收器件的光源通信系统迅速发 展起来。 展起来。 80年代,以短波长光源和多模光纤为标志的第一代 年代, 年代 光通信技术已很成熟,已用作市话局之间的中继线, 光通信技术已很成熟,已用作市话局之间的中继线, 也用于城市间的通信系统,但中继站较多, 也用于城市间的通信系统,但中继站较多,站距较 短。以长波长光源和单模光纤为标志的第二代光纤 通信技术也已成熟,无中继通信距离约为30公里 公里, 通信技术也已成熟,无中继通信距离约为 公里, 通信容量约为5000路,适用于长途干线通信。 通信容量约为 路 适用于长途干线通信。
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149

光纤通信的发展简史
全光化和光集成化的光纤通信技术正在研 究之中。 究之中。全光化指的是在中继器中光信号 直接被放大,省去了光—电转换和电 电转换和电—光 直接被放大,省去了光 电转换和电 光 转换过程。 转换过程。全光化的光集成化功能大大减 少中断器和光端机的体积, 少中断器和光端机的体积,降低功耗和成 提高可靠性。 本,提高可靠性。

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151

时分复用( 时分复用(TDM: Time Division Multiplexing)

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152

波分复用 (WDM: Wavelength Division Multiplexing)

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153

多值调制(MM:Multi-level Modulation) 多值调制

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154

极化复用(Polarization multiplexing) 极化复用

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155

Multiplexing

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微波通信概述
现代通信的主要手段
Coaxial cable Radio link

MUX

MUX

Satellite

Fibre-optics cable
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157

微波通信在通信系统中的作用
统计资料显示, 统计资料显示,国外发达国家的微波中继 通信在长途通信网中所占的比例高达50 通信在长途通信网中所占的比例高达50 %以上。 美国为66%,日本为50%, 66%,日本为50 以上。 美国为66%,日本为50%, 法国为5 %。随着GSM,CDMA以及3G网络 法国为54%。随着GSM,CDMA以及3G网络 随着GSM 以及3G 的兴建, 的兴建,微波设备在移动通信网络建设中 的重要作用是不容忽视的。 的重要作用是不容忽视的。

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微波的定义
微波是一种电磁波,微波射频为300MHz~ 微波是一种电磁波,微波射频为300MHz~ 300MHz 300GHz, 300GHz,是全部电磁波频谱的一个有限频 段。 微波一般称为厘米波。 微波一般称为厘米波。 根据微波传播的特点,可视其为平面波。 根据微波传播的特点,可视其为平面波。 平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向 分量的,所以称为横电磁波,记为TEM TEM波 分量的,所以称为横电磁波,记为TEM波。 有时我们把这种电磁波简称为电波。 有时我们把这种电磁波简称为电波。
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微波的主要特征
似光性 高频性 穿透性 散射性 抗干扰性 热效应

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似光性
微波的波长范围为0.1 微波的波长范围为 mm~1 m,这样短 ~ , 的波长与地球上的物体(如飞机、舰船、 的波长与地球上的物体(如飞机、舰船、 建筑物) 建筑物)的尺寸相比小得多或属于同一个 数量级, 数量级,故当微波照射到这些物体上时将 产生强烈的反射。 产生强烈的反射。微波的这种直线传播特 性与光线的传播特性相似,所以, 性与光线的传播特性相似,所以,我们称 微波具有“似光性” 微波具有“似光性”。利用这一特性可实 现无线电定位。 现无线电定位。超视距微波通信就是依靠 中继站进行长距离信号传输的。 中继站进行长距离信号传输的。
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高频性
微波的振荡周期在10 量级, 微波的振荡周期在 ?9~10?13 s量级,利用 量级 微波的高频特性可以设计制造出微波振荡、 微波的高频特性可以设计制造出微波振荡、 放大与检波等微波器件,如磁控管、 放大与检波等微波器件,如磁控管、行波 管等。同时,由于微波的频率高,频带宽, 管等。同时,由于微波的频率高,频带宽, 传输信息容量大, 传输信息容量大,所以大信息量的无线传 输大多采用微波通信 .

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162

穿透性
微波照射到媒质时具有良好的穿透性, 微波照射到媒质时具有良好的穿透性,云、 雪等对微波的传播影响小, 雾、雪等对微波的传播影响小,这为微波 遥感和全天候通信奠定了基础。同时, ~ 遥感和全天候通信奠定了基础。同时,1~ 10 GHz, 10~30 GHz, 91 GHz附近波段的 ~ 附近波段的 微波受电离层影响较小, 微波受电离层影响较小,从而成为人类探 测太空的“宇宙之窗” 为射电天文学、 测太空的“宇宙之窗”,为射电天文学、 卫星通信、 卫星通信、卫星遥感提供了宝贵的无线电 通道。 通道。
163

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散射性
微波也具有散射性,利用这一特性, 微波也具有散射性,利用这一特性,可以 进行远距离的微波散射通信, 进行远距离的微波散射通信,也可以根据 散射的特征进行微波遥感。 散射的特征进行微波遥感。

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抗干扰性
由于微波的频率很高, 由于微波的频率很高,一般自然界和电气 设备产生的人为电磁干扰的频率与其差别 很大,所以基本上不会影响微波通信, 很大,所以基本上不会影响微波通信,它 的抗干扰能力强。 的抗干扰能力强。

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几个基本概念
A

抵抵

P

d1

d2

B

增增 干干增干干干干 d1-d2=mλ /2 当m为为为为增增;当m为为为为为干。

Y

Y

入入入
EY EX Z X EX Z EY

地入
X

E Z 地入

入入入 E Z

、 圆圆圆圆

椭圆圆圆圆

水水水圆圆圆 垂垂水圆圆圆

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第五讲

通信网新技术

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内容
计算机通信网 射频技术 无线传感器网络技术

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通信网的业务
借鉴传统ITU-T 借鉴传统 建议的方式, 建议的方式, 根据信息类型 的不同将业务 分为四类: 分为四类:
话音业务 数据业务 图像业务 视频和多媒体 业务
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话音业务的利润在逐渐递减
Change in Long Distance service price one year after liberalization
-20% -27% -31% -33% -40% -40% -47% -71% 0% -20% -40% -60% -80%

A

s

UK

NZ G

en

ile

n

US

Au

pa

Ja

Ch

ed

Sw

er

m

an

y

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171

数据业务将成为市场的主宰 Data Will Dominate the Network
% of Network Bandwidth
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 % Data % Voice 40 30 20 100 90 80

% of Network Bandwidth

Data

70 60 50

DATA
% Data % Voice

Voice
Year
6 7 8 9 10

10 0 1

Voice
2 3 4

Year

5

6

7

8

9

10

45 % Annual Data Growth

100% Annual Data Growth

With voice growing at 8%, in 5-10 years, voice will be a small minority of network bandwidth. The optimal strategy for the future may be to handle voice as much as2011春季 信息科学与工程学院—诸燕平 possible like data. 2011春季 信息科学与工程学院—

172

话音与数据世界的融合
Merging the Voice and Data Worlds

Circuit Switching TDM transport High reliability & security Limited programmability Time sensitive billing Slow service set-up Dumb phones Telephony services

Single infrastructure Packet Switching Intelligence throughout (distributed / collaborative) High reliability, security & controlled QoS Innovative business to business applications High value service bundles Instant self-provisioning Smart appliances
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Packet Switching Intelligence at “edge” Lower reliability & security Innovation in PC and enterprise applications Flat rate or bandwidth pricing Hard to achieve quality Smart PCs

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什么是下一代网络? 什么是下一代网络? What is a Next-Generation Network?
Services
Video

Single Integrated Pipe
HFC (Cable) Network using DOCSIS transport ATM or IP Over xDSL Lines Fixed Wireless

High-Speed Data

Voice/Fax

“A network where all kinds of information (voice, fax, video, data) are transported uniformly using packet-based transport and switching media.”
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带宽的概念1 带宽的概念
带宽” “带宽”本来的意思是指某个信号具有的频带宽 带宽的单位是赫兹(Hz) 千赫(kHz) (Hz)、 (kHz)、 度 。 带宽的单位是赫兹 (Hz) 、 千赫 (kHz) 、 兆赫 (MHz)等 (MHz)等。 对于数字信道, 带宽” 是指在信道上( 对于数字信道 , “ 带宽 ” 是指在信道上 ( 或一段 链路上)能够传送的数字信号的速率 数字信号的速率, 链路上 ) 能够传送的 数字信号的速率 , 即 数据率 比特率。 比特(bit) (bit)是计算机中的数据的最小 或 比特率 。 比特 (bit) 是计算机中的数据的最小 信息量的度量单位。 单元,它也是信息量的度量单位 单元,它也是信息量的度量单位。带宽的单位就 是比特每秒(bit/s) (bit/s)。 是比特每秒(bit/s)。 带宽有时也称为吞吐量。 带宽有时也称为吞吐量。 吞吐量
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175

带宽的概念2 带宽的概念

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面向连接服务和无连接服务
(1) 面向连接服务 面向连接”就是在正式通信前必须要与对方建立起连接。 “面向连接”就是在正式通信前必须要与对方建立起连接。比如你 给别人打电话,必须等线路接通了、对方拿起话筒才能相互通话。 给别人打电话,必须等线路接通了、对方拿起话筒才能相互通话。 连接: 两对等实体为进行数据通信而进行一种结合. 连接 两对等实体为进行数据通信而进行一种结合 面向连接服务具有连接建立,数据传输和连接释放这三个阶段 在网络 面向连接服务具有连接建立 数据传输和连接释放这三个阶段,在网络 数据传输和连接释放这三个阶段 层中又称为虚电路服务. 层中又称为虚电路服务 数据按序传送,可靠性高 可靠性高; 面向连接服务中 数据按序传送 可靠性高 适合于在一定期间内 向 同一目的地发送许多报情况. 同一目的地发送许多报情况 TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)是基于连接的协 ( ,传输控制协议) 也就是说,在正式收发数据前,必须和对方建立可靠的连接。 议,也就是说,在正式收发数据前,必须和对方建立可靠的连接。 一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来 连接必须要经过三次“ 一个 连接必须要经过三次 对话”才能建立起来.

面向连接 —— 虚电路服务 无连接 —— 数据报服务
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面向连接服务和无连接服务
(2) 无连接服务 面向非连接”就是在正式通信前不必与对方先建立连接, “面向非连接”就是在正式通信前不必与对方先建立连接,不管对方 状态就直接发送。这与现在风行的手机短信非常相似: 状态就直接发送。这与现在风行的手机短信非常相似:你在发短信 的时候,只需要输入对方手机号就OK了。 的时候,只需要输入对方手机号就 了 两个实体之间的通信不需要事先建立好一个连接,其下层资源只需 两个实体之间的通信不需要事先建立好一个连接 其下层资源只需 地进行分配,不需予留 不需予留; 在数据传输时动态 地进行分配 不需予留 收发二实体只是在工作时 才处于激活态. 才处于激活态 无连接服务的优点是通信比较迅速,使用灵活方便 连接开销小 无连接服务的优点是通信比较迅速 使用灵活方便,连接开销小 但可 使用灵活方便 连接开销小;但可 靠性低,不能防止报文的丢失 重复或失序. 不能防止报文的丢失,重复或失序 靠性低 不能防止报文的丢失 重复或失序 适合于传送少量零星的报 文. UDP(User Data Protocol,用户数据报协议)是与 ( 相对应的协议。 ,用户数据报协议)是与TCP相对应的协议。 相对应的协议 它是面向非连接的协议,它不与对方建立连接, 它是面向非连接的协议,它不与对方建立连接,而是直接就把数据 包发送过去! 包发送过去!
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虚电路( 虚电路(Virtual Circuit)
虚电路( 的概念: 虚电路(Virtual Circuit)的概念:虚电路是面向连接的数据传输, 的概念 虚电路是面向连接的数据传输, 工作过程类似于线路交换,不同之处在于此时的电路是虚拟的。 工作过程类似于线路交换,不同之处在于此时的电路是虚拟的。采 用虚电路方式传输时,物理媒体被理解为由多个子信道( 用虚电路方式传输时,物理媒体被理解为由多个子信道(称之为逻 辑信道LC)组成,子信道的串接形成虚电路( ), ),利用不同的 辑信道 )组成,子信道的串接形成虚电路(VC),利用不同的 虚电路来支持不同的用户数据的传输。 虚电路来支持不同的用户数据的传输。 2、采用虚电路进行数据传输的过程:( )虚电路建立:发送方发 :(1) 、采用虚电路进行数据传输的过程:( 虚电路建立: 送含有地址信息的特定的控制信息块( 呼叫分组), ),该信息块 送含有地址信息的特定的控制信息块(如:呼叫分组),该信息块 途经的每个中间结点根据当前的逻辑信道( )使用状况, 途经的每个中间结点根据当前的逻辑信道(LC)使用状况,分配 LC,并建立输入和输出 映射表,所有中间结点分配的 的串接 映射表, ,并建立输入和输出LC映射表 所有中间结点分配的LC的串接 形成虚电路( )。( )。(2)数据传输: 形成虚电路(VC)。( )数据传输:站点发送的所有分组均沿着 相同的VC传输 分组的发收顺序完全相同;( 虚电路释放: 传输, ;(3) 相同的 传输,分组的发收顺序完全相同;( )虚电路释放:数 据传输完毕,采用特定的控制信息块( 拆除分组), ),释放该虚 据传输完毕,采用特定的控制信息块(如:拆除分组),释放该虚 电路。通信的双方都可发起释放虚电路的动作。 电路。通信的双方都可发起释放虚电路的动作。
? 由于虚电路的建立和释放需要占用一定的 时间, 时间,因此虚电路方式不适合站点之间具有 频繁连接和交换短小数据的应用,例如:交 频繁连接和交换短小数据的应用,例如: 互式的通信。 互式的通信。
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数据报与虚电路比较
数据报: 数据报: 1、传输无需连接建立和释放的过程; 、传输无需连接建立和释放的过程; 2、每个数据报中需带较多的地址信息; 、每个数据报中需带较多的地址信息; 3、用户的连续数据块会无序地到达目的地;接受站点处理复杂。 、用户的连续数据块会无序地到达目的地;接受站点处理复杂。 4、当使用网状拓扑组建网络时,任一中间结点或者线路的故障 、当使用网状拓扑组建网络时, 不会影响数据报的传输(可以选择不同的路径),可靠性较高。 ),可靠性较高 不会影响数据报的传输(可以选择不同的路径),可靠性较高。 5、数据报较适合站点之间少量数据的传输。 、数据报较适合站点之间少量数据的传输。 虚电路: 虚电路: 1、 传输需连接建立和释放的过程; 、 传输需连接建立和释放的过程; 2、 数据块中仅含少量的地址信息(LC号),用户的连续数据 、 数据块中仅含少量的地址信息( 号),用户的连续数据 块沿着相同的路径,按序到达目的地;接受站点处理方便。 块沿着相同的路径,按序到达目的地;接受站点处理方便。 3、如果虚电路中的某个结点或者线路出现故障,将导致虚电路 、如果虚电路中的某个结点或者线路出现故障, 传输失效。 传输失效。 4、虚电路方式较适合站点之间大批量的数据传输。 、虚电路方式较适合站点之间大批量的数据传输。
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180

网络协议的概念
让通信硬件按照所规定的控制规则去运行, 让通信硬件按照所规定的控制规则去运行, 这些规则我们就称之为协议(Protocol)。计 这些规则我们就称之为协议 。 算机网络的运行是多个协议相互配合作用 的综合结果, 的综合结果,一套完整的计算机协议合在 一起被叫做"协议栈 一起被叫做 协议栈"(Protocol Stack,又 , 协议栈 称Protocol Suits)。 。

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181

计算机网络的模型

横向规程控制信息流和纵向数据流的概念 纵向的信息流实际上是真实的信息传输的途径, 纵向的信息流实际上是真实的信息传输的途径, 而横向的信息流实际上是用来控制网络正常运行 在同等层之间的流动只是一种“逻辑” 的。在同等层之间的流动只是一种“逻辑”上的 概念。 概念。
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182

DU: 数据 单元

OSI参考模型中数据传输方式 参考模型中数据传输方式: 参考模型中数据传输方式
发方
应用层
H7 H6 H5 H4 H3 H2 数据

收方
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层
T2 数据链路层

APDU PPDU SPDU TPDU 数据分组 数据帧 比特

数据

表示层 会话层 传输层 网络层
数据链路层

数据

数据

数据

数据 数据

物理层

数据

物理层

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183

宽带通信的引入
从电路交换到分组交换, 技术, 从电路交换到分组交换,到ATM技术,到 技术 MPLS,到GMPLS,到软交换; , ,到软交换; 从同步传送模式到异步传送模式, 从同步传送模式到异步传送模式,到基于 IP的传送模式; 的传送模式; 的传送模式 从单业务网到多业务网; 从单业务网到多业务网; 从PDH到SDH,到WDM,到ASON; 到 , , 从固定网络到自组织网络。 从固定网络到自组织网络。

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184

因特网的标准化工作
1992年,因特网不再归美国政府管辖,因此成立了 年 因特网不再归美国政府管辖, 因特网协会ISOC (Internet 一个国际性组织叫做 因特网协会 Society), 以便对因特网进行全面管理以及在世界 , 范围内促进其发展和使用。 范围内促进其发展和使用 。 ISOC下面有一个技术 下面有一个技术 组织叫做因特网体系结构研究委员会 因特网体系结构研究委员会IAB (Internet 组织叫做因特网体系结构研究委员会 Architecture Board),负责管理因特网有关协议的 , 开发。 下面又设有两个工程部。 开发。IAB下面又设有两个工程部。 下面又设有两个工程部 因 特 网 工 程 部 IETF (Internet Engineering Task Force) 因 特 网 研 究 部 IRTF (Internet Research Task Force) 2011春季 信息科学与工程学院— 2011春季 信息科学与工程学院—诸燕平
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标准的形成过程
从一个普通文档上升到因特网的正式标准 要经过四个阶段。 要经过四个阶段。
草案(Internet Draft)。 (1)因特网草案 )因特网草案 。 (2)建议标准 )建议标准(Proposed Standard)。 。 (3)草案标准 )草案标准(Draft Standard)。 。 (4)因特网标准 )因特网标准(Internet Standard)。 。
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三网融合
电信网络:主要的业务是电话, 电信网络:主要的业务是电话,但也有其 他业务,如传真、数据等; 他业务,如传真、数据等; 有线电视网络: 有线电视网络:即单向电视节目的传送网 但现已开始逐渐向双向传输网络改造; 络,但现已开始逐渐向双向传输网络改造; 计算机网络: 计算机网络:

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射频技术
射 频 技 术 ( RFID ) 是 Radio Frequency Identification的缩写 , 即射频识别 。 常称为感 的缩写, 的缩写 即射频识别。 运用射频技术 应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、 应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、 的门禁系统 电子标签、电子条码等。 电子标签、电子条码等。其原理为由扫描器发 射一特定频率之无线电波能量给接收器, 射一特定频率之无线电波能量给接收器,用以 驱动接收器电路将内部的代码送出,此时扫描 驱动接收器电路将内部的代码送出, 器便接收此代码。接收器的特殊在于免用电池、 器便接收此代码。接收器的特殊在于免用电池、 免接触、免刷卡故不怕脏污, 免接触、免刷卡故不怕脏污,且晶片密码为世 界唯一无法复制, 安全性高、 长寿命。 界唯一无法复制 , 安全性高 、 长寿命 。 RFID 的应用非常广泛,目前典型应用有动物晶片、 的应用非常广泛,目前典型应用有动物晶片、 汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生 汽车晶片防盗器、 门禁管制、 停车场管制、 产线自动化、 物料管理。 标签有两种: 产线自动化 、 物料管理 。 RFID标签有两种 : 标签有两种 有源标签和无源标签。 有源标签和无源标签。
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RFID无线识别电子标签基础介绍 无线识别电子标签基础介绍
RFID是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用 是一种非接触的自动识别技术, 是一种非接触的自动识别技术 射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合) 射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)或雷达反射的 传输特性,实现对被识别物体的自动识别。 传输特性,实现对被识别物体的自动识别。 RFID系统至少包含电子标签和阅读器两部分。电子标签 系统至少包含电子标签和阅读器两部分。 系统至少包含电子标签和阅读器两部分 射频识别系统的数据载体 的数据载体, 是射频识别系统的数据载体,电子标签由标签天线和标 签专用芯片组成。依据电子标签供电方式的不同, 签专用芯片组成。依据电子标签供电方式的不同,电子 标签可以分为有源电子标签 有源电子标签(Active tag)、无源电子标签 标签可以分为有源电子标签 、 (Passive tag)和半无源电子标签 和半无源电子标签(Semi—passive tag)。 和半无源电子标签 。

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RFID无线识别电子标签基础介绍 无线识别电子标签基础介绍
有源电子标签内装有电池,无源射频标签没有内 有源电子标签内装有电池, 装电池,半无源电子标签(Semi—passive tag)部 装电池,半无源电子标签 部 分依靠电池工作。 分依靠电池工作。 依据频率的不同可分为低频电子标签、 依据频率的不同可分为低频电子标签、高频电子 标签、超高频电子标签和微波电子标签。 标签、超高频电子标签和微波电子标签。 依据封装形式的不同可分为信用卡标签、 依据封装形式的不同可分为信用卡标签、线形标 纸状标签、玻璃管标签、 签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用 途的异形标签等。 途的异形标签等。

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RFID无线识别电子标签基础介绍 无线识别电子标签基础介绍
RFID阅读器(读写器)通过天线与RFID 阅读器(读写器)通过天线与 阅读器 电子标签进行无线通信, 电子标签进行无线通信,可以实现对标签 识别码和内存数据的读出或写入操作。 识别码和内存数据的读出或写入操作。典 型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收 型的阅读器包含有高频模块 发送器和接收 器)、控制单元以及阅读器天线。 、控制单元以及阅读器天线。

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RFID相关术语 相关术语
一般指微波。 射 频 : 一般指微波。 波长为0.1—100厘米或频率在 厘米或频率在1— 微 波 : 波长为 厘米或频率在 100GHZ的电磁波。 的电磁波。 的电磁波 电子标签 : 以电子数据形式存储标识物体代码 的标签,也叫射频卡。 的标签,也叫射频卡。 被动式电子标签: 内部无电源、 被动式电子标签: 内部无电源、靠接收微波能 量工作的电子标签。 量工作的电子标签。 主动式电子标签: 主动式电子标签: 靠内部电池供电工作的电子 标签。 标签。 用于发射和接受微波信号。 微波天线 : 用于发射和接受微波信号。
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RFID相关术语 相关术语
用于读取电子标签内电子数据。 读出装置 : 用于读取电子标签内电子数据。 用于读取电子标签内电子数据。 阅 读 器 : 用于读取电子标签内电子数据。 编 程 器 : 用于将电子数据写入电子标签 或查阅电子标签内存储数据。 或查阅电子标签内存储数据。 波束范围 : 指天线发射微波的照射功率范 围。 标签容量 : 电子标签编程时所能写入的字 节数或逻辑位数。 节数或逻辑位数。
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RFID相关术语 相关术语
振幅(Amplitude) :无线电波最高点和零值 振幅 之间的距离。 之间的距离。 只读存储( ROM): 只读存储(Read-only memory ,ROM): 一种将信息存储在芯片上的形式, 一种将信息存储在芯片上的形式,不能被 覆盖。只读芯片要比读写芯片便宜得多。 覆盖。只读芯片要比读写芯片便宜得多。 自动数据采集( 自动数据采集(Automatic data capture, ADC):用于收集数据并直接将其导入 ):用于收集数据并直接将其导入 ): 不涉及人工参与) (不涉及人工参与)计算机系统的方法 见自动识别与数据采集)。 (见自动识别与数据采集)。
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RFID相关术语 相关术语
智能卡( 智能卡(Smart Card) :内嵌有微芯片的 ) 塑料卡(通常是一张信用卡的大小) 塑料卡(通常是一张信用卡的大小)的通 一些智能卡包含一个RFID芯片,所以 芯片, 称。一些智能卡包含一个 芯片 它们不需要与读写器的任何物理接触就能 够识别持卡人。RFID智能卡常常被称为 够识别持卡人。 智能卡常常被称为 遥控”智能卡。 “遥控”智能卡。 ……

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无线传感器网络技术
无线传感器网络( 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是 , ) 当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、 当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识 高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、 高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系 现代网络和无线通信等技术的进步, 统、现代网络和无线通信等技术的进步,推动了现代无 线传感器网络的产生和发展。 线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人 们信息获取能力,将客观世界的物理信息同传输网络连 们信息获取能力, 接在一起,在下一代网络中将为人们提供最直接、 接在一起,在下一代网络中将为人们提供最直接、最有 最真实的信息。 效、最真实的信息。 无线传感器网络能够获取客观物理信息,具有十分广阔 无线传感器网络能够获取客观物理信息, 的应用前景,能应用于军事国防、工农业控制、 的应用前景,能应用于军事国防、工农业控制、城市管 生物医疗、环境检测、抢险救灾、 理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控 制等领域。 制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度 重视,被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之 重视,被认为是对 信息科学与工程学院—诸燕平 世纪产生巨大影响力的技术之 2011春季 2011春季 信息科学与工程学院— 196 一。

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量 的廉价微型传感器节点组成, 的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式 形成的一个多跳的自组织的网络系统, 形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是 协作地感知、 协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知 对象的信息,并发送给观察者。传感器、 对象的信息,并发送给观察者。传感器、感知对 象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。 象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。 WSN是一种由大量小型传感器所组成的网络。 是一种由大量小型传感器所组成的网络。 是一种由大量小型传感器所组成的网络 这些小型传感器一般称作sensor node(传感器节 这些小型传感器一般称作 ( 或者mote(灰尘)。此种网络中一般也有一 )。此种网络中一般也有一 点)或者 (灰尘)。 个或几个基站(称作 称作sink)用来集中从小型传感器 个或几个基站 称作 用来集中从小型传感器 收集的数据。 收集的数据。
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传感器节点构成
处理器和内存(一般能力都比较有限) 处理器和内存(一般能力都比较有限) 各类传感器(温度、湿度、声音、加速度、 各类传感器(温度、湿度、声音、加速度、全球 定位等) 定位等) 通讯设备(一般是无线电收发器或光学通信设备) 通讯设备(一般是无线电收发器或光学通信设备) 电池(一般是干电池,也有使用太阳能电池的) 电池(一般是干电池,也有使用太阳能电池的) 其他设备,包括各种特定用途的芯片, 其他设备,包括各种特定用途的芯片,串行并行 接口等( 接口等(USB,RS232)。 , )。

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无线传感器网络的体系结构
传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor 传感器网络系统通常包括传感器节点 node)、汇聚节点 和管理节点。 、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传 和管理节点 感器节点随机部署在监测区域内部或附近, 感器节点随机部署在监测区域内部或附近,能够 通过自组织方式构成网络。 通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数 据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输, 据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输 过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳 过程中监测数据可能被多个节点处理, 后路由到汇聚节点, 后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达 管理节点。 管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行 配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。 配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。

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传感器节点由传感器模块、处理器模块、 传感器节点由传感器模块、处理器模块、 无线通信模块和能量供应模块四部分组成, 无线通信模块和能量供应模块四部分组成, 如图1-2所示 所示。 如图 所示。传感器模块负责监测区域内 信息的采集和数据转换; 信息的采集和数据转换;处理器模块负责 控制整个传感器节点的操作, 控制整个传感器节点的操作,存储和处理 本身采集的数据以及其他节点发来的数据; 本身采集的数据以及其他节点发来的数据; 无线通信模块负责与其他传感器节点进行 无线通信,交换控制信息和收发采集数据; 无线通信,交换控制信息和收发采集数据; 能量供应模块为传感器节点提供运行所需 的能量,通常采用微型电池。 的能量,通常采用微型电池。
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无线传感器网络中的关键技术
网络拓扑控制 网络协议 时间同步 定位技术 数据融合 嵌入式操作系统

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