信号与信息处理基础 Fundamentals of Signal and Information

1、计算机通信与信息系统 Computer Communication Networks彭彭 军军 教授教授Email: Phone: 82539616 (Office)(Cell)Future Wireless NetworksUbiquitous Communication Among People and DevicesNext-generation CellularWireless Internet AccessWireless MultimediaSensor Networks Smart Homes/SpacesAutomated HighwaysIn-Bod

2、y NetworksAll this and more Multimedia Throughout the HomeWithout Wires802.11n Wifi(Gigabits/sec)Wireless HDTVand Gaming Streaming video Blazing-fast data rates Seamless connectivity Coverage in every roomWireless Sensor NetworksEnergy is the driving constraintData flows to centralized locationLow p

3、er-node rates but tens to thousands of nodesIntelligence is in the network rather than in the devicesSmart homes/buildingsSmart structuresSearch and rescueHomeland securityEvent detectionBattlefield surveillanceDistributed Control over Wireless LinksAutomated Vehicles - Cars - UAVs - Insect flyers-

4、Different design principleslControl requires fast, accurate, and reliable feedback.lNetworks introduce delay and loss for a given rate.- Controllers must be robust and adaptive to random delay/loss.- Networks must be designed with control as the design objective.Wireless Biomedical SystemsIn- Body W

5、ireless Devices-Sensors/monitoring devices -Drug delivery systems-Medical robots-Neural implants Wireless TelemedicineRecovery fromNerve DamageWirelessNetwork信息从哲学的角度上讲，信息是构成物质世界的三大支柱之一，其他两个是物质和能量；我们生活在信息的海洋之中，没有信息就没有世界，当然也就没有人类社会。当今生活的社会被称作信息社会。一个抽象的概念，人们都没有对信息下过一个确切的定义。就像对于物质和能量一样信息：它依附于物质和能量，但又不同

6、于物质和能量。没有信息就不能更好地利用物质和能量，人类利用信息和知识改造物质，创造新物质，提高能量利用效率，发现新能量形式。信息也是客观存在的，它是人类认识、改造客观世界的主要动力，是人类认识客观世界的更高层次。信息科学的出现是时代的必然信息科学的出现是时代的必然n人类早就利用信息人类早就利用信息语言语言表达信息表达信息文字文字记录信息记录信息纸张纸张存储信息存储信息烽火台烽火台传递信息传递信息信息科学的出现是时代的必然信息科学的出现是时代的必然n自觉地认识信息，则始于十九世纪自觉地认识信息，则始于十九世纪40年代年代1948“通信的数学理论通信的数学理论”，仙农，仙农1948“控制论控制论

7、动物和机器中的通信与控制问动物和机器中的通信与控制问题题”，维纳，维纳电的发明与应用电的发明与应用n电话、电视、计算机电话、电视、计算机二次大战二次大战n雷达、通信、火炮的自动控制、计算机等雷达、通信、火炮的自动控制、计算机等从而使信息的科学与技术得到迅猛发展从而使信息的科学与技术得到迅猛发展信息科学技术及其产业n信息科学技术：主要研究信息的产生、获取、主要研究信息的产生、获取、存储、传输、处理及其应用存储、传输、处理及其应用以微电子、计算机、软件、通信讯技术为主导微电子、计算机、软件、通信讯技术为主导微电子是基础，计算机及通信设施是载体，而软件是核心，是计算机的灵魂n信息产业：进行信息的收集

8、、整理、存储、传输、处理及其应用服务的产业已成为世界第一大产业信息技术革命n信息技术革命正迅猛改变人们所生存的社会，人类开始从工业社会进入信息时代n信息技术在世界新技术革命中，不仅作为一项独立的技术而存在，还广泛渗透于各个高技术领域，以及生产、经营、管理等过程，成为它们发展的基本依据和重要手段n信息科学与技术的特色可以概括为发展迅猛，影响深远，需求紧迫，淘汰迅速信息技术正在改变我们的社会n我们通信交流的方式n我们处理信息的方式n我们学习、工作和研究的方式n我们设计和建造事物的方式n商业、政府运作的方式n医疗保健n对环境的理解信息科学研究的课题n信息科学正在形成和迅速发展，人们对其研究内容的范围

9、尚无统一的认识。现在主要的研究课题集中在以下六个方面：信源理论和信息的获取，研究自然信息源和社会信息源，以及从信息源提取信息的方法和技术；信息的传输、存储、检索、变换和处理；信号的测量、分析、处理和显示；模式信息处理，研究对文字、图像、声音等信息的处理、分类和识别研制机器视觉系统和语音识别装置；知识信息处理，研究知识的表示、获取和利用，建立具有推理和自动解决问题能力的知识信息处理系统即专家系统；决策和控制，在对信息的采集、分析、处理、识别和理解的基础上做出判断、决策或控制，从而建立各种控制系统、管理信息系统和决策支持系统。学科的范围（基金委）（1）n信息科学部信息科学一处：电子学与信息系统学科

10、 n业务范围：通讯与电子学系统、信号与新型信息处理。 信息科学二处：计算机科学学科n业务范围：计算机科学、网络与信息安全。 信息科学三处：自动化学科n业务范围：控制理论与控制工程、系统科学与系统工程、智能系统 信息科学四处：半导体学科，光学与光电子学科n业务范围：信息器件、信息光学与光电子器件、激光技术与技术光学学科的范围（基金委）（2）n信息科学一处：电子学和信息系统领域电子学学科：n电磁波产生、传播机制以及相应的新型电子器件；传统电子学（电路与系统，电波传播，计算电磁学，电磁场瞬态特性等），纳米电子学，生物电子学信息系统学科：n信息获取，传输，处理和应用；高效可靠的无线通信，光通信系统，卫

11、星通信等新型接入网技术，支持多媒体业务且与互联网相结合的新型网络信息系统其他：n真空电子学，等离子体电子学，超导电子学，微波与天线，新型电磁材料机理与应用，与信息安全和中医诊断相关的人体生物特征信息获取与处理，新型探测和成像技术，图像处理与评价，生物信息分析与处理和生物信息系统仿真研究学科的范围（基金委）（3）n信息科学二处：计算机科学技术计算理论，包括计算复杂性，并行与分布式处理和算法等计算机系统结构，包括新型体系结构，软硬件协同设计，计算机系统的网络结构，新型存储结构和输入/输出等计算机软件，包括系统软件，软件工程，程序设计语言和软件安全等计算机应用技术，包括计算机图形学，计算机辅助几何设

12、计，可视化，虚拟现实，动画与仿真，人机接口技术，人工智能，智能代理，认知模型等先进的网络，包括网络体系结构，协议理论，网络中间件和网络应用等信息安全，包括安全体系结构，安全协议，信息保护，网络信息过滤，网络攻击检测与防护，密码技术等学科的范围（基金委）（4）n信息科学三处：自动化科学与技术控制理论与控制系统先进制造与先进传感技术系统科学与系统工程模式信息处理及其应用人工智能与知识工程认知科学及其信息处理机器人学与机器人技术学科的范围（基金委）（5）n信息科学四处：半导体科学与信息器件，光学与光电子学微电子学n片上系统，半导体材料，半导体物理，半导体传感器和微纳机械，片上实验室，半导体微波器件及

13、其集成电路，半导体功率器件，其它各类微结构信息器件光电子学n光学和光电子材料，光学信息处理，高速光通信器件技术，光互联，高密度光存储，光显示，激光物理与新型器件，超快光子学与超快过程，非线性光学，红外物理与技术，光谱技术，技术光学以及交叉学科中的光学问题等nFlying PigeonsnMarathon RunnersnReflecting MirrorsnTelephone nTelegraphnCable TVnInternetnSatellite-based cable/telephoneSome Communication NetworksTelephone FunctioningTh

14、e caller picks up the phone triggering the flow of current in wires that connect to the telephone office.The current is detected and a dial tone is transmitted by the telephone office to indicate that it is ready to receive the destination number.The equipment in the telephone office then uses the t

15、elephone network to attempt a connection. If the destination telephone busy, then a busy tone is returned to the caller. If the destination telephone is idle, then ringing signals are sent to both the originating and destination telephones.The ringing signals are discontinued when the destination ph

16、one is picked up and communication can then proceed.Either of the users terminate the call by putting down a receiver.Telephone Office1.Telephone Office2.Telephone Office3.4.Telephone Office5.6.Telephone OfficeTelephone OfficeThe caller sends this number by pushing the keys on the telephone set. Eac

17、h key generates a pair of tones that specify a number. (In the older phone sets the user dials a number which in turn generates a corresponding number of pulses.)The user clicks on a link to indicate which document is to be retrieved.The browser must determine the address that contains the document.

18、 It does this by sending a query to its local name server.Once the address is known the browser establishes a connection to the specified machine, usually a TCP connection. In order for the connection to be successful, the specified machine must be ready to accept TCP connections.The browser runs a

19、client version of HTTP, which issues a request specifying both the name of the document and the possible document formats it can handle.The machine that contains the requested document runs a server version of HTTP. It reacts to the HTTP request by sending an HTTP response which contains the desired

20、 document in the appropriate format.The TCP connection is then closed and the user may view the document..5.6.Web Access StepsSteps in Communication - US MailnCompose the letter - based on the user/office/personalnPackage it for transport - put it in an envelope, address (to and from) it, lea

21、ve it in a well-known port (mailbox)nPostman picks up the mail, local post office sorts it for further transportnNumber of letters may be bundled and transported to remote citynRemote post office sorts them by local addresses, postman delivers it to the To-mailboxnRemote person picks up the mail, receives the message.Work in generic communicationnAddressing -how to address the co