专业导论网络和信号处理

1、专业(zhuny)导论 - 网络(wnglu)和信号处理共六十二页21世纪的一些重要特征(tzhng)就是数字化,网络化和信息化,它是一个以网络为核心的信息时代. 共六十二页1.1 计算机网络在信息时代的作用世界经济：工业经济 知识经济知识经济的特点：信息化和全球化三网融合(rngh)： 电信网络（电话、传真等） 有线电视网络（单向电视节目的传送） 计算机网络 ： 发展最快、核心作用共六十二页1.2 计算机网络的发展(fzhn)过程1.2.1计算机网络的产生 计算机技术与通信技术相互(xingh)渗透、密切结合现代计算机网络起始于60 s 美苏冷战时期 第一代：50 s 面向终端的计算机通信网

2、，采用电路交换(线路交换)方式。 第一代的计算机网络特点： 以单个主机为中心的星型网，各终端通过通信线路共享主机的软硬件资源。共六十二页第二代：60 s 分组交换计算机网络，采用分组交换方式。1 传统的线路交换技术不适合计算机数据的传输； 计算机通信具有突发性、断续(dun x)性。 线路利用率低。 建立通路的呼叫过程对计算机通信太长。2 分组交换网的产生 基于40s 电报通信的存储转发概念和报文交换方式。 1966 年6 月英国国家物理实验室NPL 提出分组一词。 1967 年美国国防部高级研究计划局(ARPA)研究分组交换网。 1969 年12 月ARPANET 投入运行。是网络发展的重要

3、标志。共六十二页第一代与第二代的区别(qbi)第一代(以单个主机(zhj)为中心)第二代(以通信子网为中心)共六十二页传输媒体的比较(bjio)传输媒体速率 传输距离性能（抗干扰性）价格应用双绞线10-1000Mb/s几十KM可以低模拟/数字传输基带同轴电缆10Mb/s3kM内较好略高于双绞线基带数字信号宽带同轴电缆300-450MHz100kM较好较高模拟传输电视，数据以及音频光纤几十Gbps30kM很好较高远距离传输无线电波小于50MHz全球较差较低远程低速通信地面微波接力4-6GHz几百KM好中等远程通信卫星500MHz18000kM很好与距离无关远程通信共六十二页1.2.2 因特网时代

4、(shdi)发展过程1. ARPANET(ARPA 美国国防部高级(goj)研究计划局)1969 实验性运行，四个节点（四所大学）1980 转向TCP/IP 协议，1984 主机超过1000 台1990 ARPANET 退役。共六十二页 七十年代的计算机网络X.25 分组交换网：各国的电信部门建设运行(ynxng)各种专用的网络体系结构：SNA，DNAInternet 的前身ARPANET进行实验运行 八十年代的计算机网络标准化计算机网络体系结构：OSI局域网络 LAN 技术空前发展建成NSFNET，Internet 初具规模 九十年代的计算机网络Internet空前发展Web技术在Inter

5、net/Intranet 得到广泛应用共六十二页20世纪(shj)90年代:因特网(Internet) 1993.9.15 美国政府发布 NII计划: 国家信息基础结构行动计划 即 信息高速公路共六十二页Internet 发展规模(gum)和趋势Internet的发展速度是历史上发展最快的一种技术以商业化后达到 5000 万用户为例电视用了13年，收音机用了38年，电话(dinhu)更长Internet 从商业化后达到 5000 万用户用了4 年时间Internet 正在以超过摩尔定理的速度发展共六十二页Growth of the Internet Number of Hosts on the

6、 Internet:Aug. 1981 213Oct. 1984 1,024Dec. 1987 28,174 Oct. 1990 313,000 Oct. 1993 2,056,000Apr. 1995 5,706,000Jul. 1997 19,540,000Jul. 2000 93,047,785共六十二页 网络时代的三大(sn d)基本定律摩尔定律:CPU性能18个月翻番,10年100倍。所有电子系统（包括电子通信(tng xn)系统，计算机）都适用光纤定律：超摩尔定律，骨干网带宽9个月翻番，10年10000倍。带宽需求呈超高速增长的趋势迈特卡尔夫定律:联网定律，网络价值随用户数平方成正

7、比。未联网设备增加N倍，效率增加N倍。联网设备增加N倍，效率增加N2倍共六十二页1996.10 美国提出： NGI 计划 (下一代因特网计划) 目标： 下一代网络结构； 主干网速率：10Gb/s 先进的网络服务： 健康保健：远程医疗、紧急医疗响应支持 教育：远程教育、数字图书馆 科学研究：能源、地理系统、气象、生物 国家安全(nqun)：高性能全球通信、先进的信息传播 环境：监测、预测、警告、响应 政府：传递政府服务和信息给公民和企业 突发事件：灾难响应、危机管理 设计和制造：共六十二页1.3 计算机网络在我国的发展(fzhn)1989.11 我国第一个公用分组交换网CNPAC 运行;1993

8、. 该网扩充(kuchng)成层次结构的全国网CHINAPAC;目前有7 大互联网络与Internet 相连： 中国公用计算机互联网(CHINANET)、 中国科技网(CSNET)、 中国教育和科研计算机网(CERNET)、 中国国家公用经济信息网(CHINAGBNET)、 中国联通数据网、 网通公用互联网(CNCNET)、 军队资源数据网。共六十二页余家头校区S/R-9马房山(fngshn)校区东院S/R-9OmniCore5052马房山(fngshn)校区西院S/R-9Cisco7505 雄楚大街武珞路雄楚大街武珞路WWW服务器数据库服务器OA服务器E-mail服务器Cisco3100三层

9、楼校区S/R-5AAA服务器计费服务器FirewallFirewall校区网络拓朴图路由交换机路由器路由器二级中心节点 共六十二页2 数字(shz)信号处理（DSP）（Digital signal processing)数字信号处理: 是20世纪60年代，随着信息学科和计算机学科的高速发展(fzhn)而迅速发展(fzhn)起来的一门新兴学科。它的重要性日益在各个领域的应用中表现出来。 数字信号处理是把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数字的数值计算方法处理（例如：滤波、变换、增强、估计、识别等），达到提取有用信息便于应用的目的。共六十二页2.1 数字(shz)

10、信号处理(DSP)(Digital Signal Processing)凡是利用数字(shz)计算机或专用数字(shz)硬件、对数字(shz)信号所进行的一切变换或按预定规则所进行的一切加工处理运算。例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析等。对于DSP:狭义理解可为Digital Signal Processor 数字信号处理器。广义理解可为Digital Signal Processing 译为数字信号处理技术。在此我们讨论的DSP的概念是指广义的理解。共六十二页2.2 信号(xnho)、系统和信号(xnho)处理 2.2.1信号(xnho)信号是一种物理体现。在信号处理领域中，信号被定义为一

11、个随机(su j)变化的物理量。例如：为了便于处理，通常都使用传感器把这些真实世界的物理信号-电信号，经处理的电信号-传感器-真实世界的物理信号。如现实生活中最常见的传感器是话筒、扬声器话筒(将声压变化)-电压信号-空气压力信号(扬声器)共六十二页（1）信号的最基本(jbn)的参数频率和幅度3-30kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航)甚低频30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇通信)低频3003000kHz:Medium frequency(调幅广播)中频(zhngpn)3-30MHz:High frequency(HF)(无线电爱好者，国际

12、广播，军事通信 无绳电话，电报，传真)高频30-300MHz:Very High frequency(VHF)(调频FM，甚高频电视)0.33GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF电视，蜂窝电话，雷达，微波，个人通信)超高频频率低20Hz范围，称为次声波，它不能被听到，当强度足够大，能被感觉到。(处于VLF Very low frequency)甚低频频率20Hz20KHz称为声波，Low frequency (处于LF)低频频率20KHz称为超声波 ，具有方向性，可以成束(处于LF)共六十二页（2）信号(xnho)分类同一种信号(xnho)，如电信号(xnho)，

13、可从不同角度进行分类：（a）一维信号、二维信号、矢量信号（b）周期信号和非周期信号（c）确定性信号和随机信号（d）能量信号和功率信号（e）连续信号、离散信号（f）模拟信号和数字信号共六十二页2.2.2 系统(xtng)系统：处理信号的物理设备或运算。或者说，凡是能将信号加以变换(binhun)以达到人们要求的各种设备称之。系统分类：大小之分，一个大系统可细分为若干个小系统。实际上，因为系统是完成某种运算（操作）的，因而我们还可把软件编程也看成一种系统的实现方法。共六十二页2.2.3 信号处理(xn ho ch l)信号处理是研究系统对含有信息的信号进行(jnxng)处理（变换），以获得人们所希

14、望的信号，从而达到提取信息、便于利用的一门学科。系统处理y(t)x(t)共六十二页(1)信号处理(xn ho ch l)的内容滤波变换检测谱分析估计(gj)压缩识别等一系列的加工处理。共六十二页（2）数字(shz)信号处理引入多数科学和工程中遇到的是模拟信号。以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。模拟信号处理缺点：难以做到高精度，受环境影响较大，可靠性差，且不灵活等。随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展，加之从60年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号，即数字信号处理，已逐渐取代模拟信号处理。随着信息时代、数字世界(shji)的到来，数字信号处理已成为一门极其

15、重要的学科和技术领域。共六十二页2.3 数字信号处理系统(xtng)的基本组成以下所讨论(toln)的是模拟信号的数字信号处理系统.前置预滤波器A/D变换器数字信号处理器D/A变换器模拟滤波器模拟xa(t)PrFADCDSPDACPoF模拟ya(t)x(n)y(n)共六十二页2.4 数字(shz)信号处理的学科概貌 1.数字信号处理开端在国际上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里叶变换(FFT)的问世，作为数字信号处理(xn ho ch l)这一学科的开端。而它的历史可以追溯到17世纪-18世纪，也即牛顿和高斯的时代。共六十二页2.数字信号处理(xn ho ch l)领域的

16、理论基础数字信号处理的基本工具：微积分，概率统计，随机过程，高等代数，数值(shz)分析，近代代数，复杂函数。数字信号处理的理论基础：离散线性变换(LSI)系统理论，离散付里叶变换(DFT)。 共六十二页3.“数字(shz)信号处理”又成为一些学科的理论基础在学科发展上，数字信号处理又和最优控制，通信理论，故障诊断等紧紧相连，成为人工智能(rn n zh nn)，模式识别，神经网络，数字通信等新兴学科的理论基础。共六十二页2.5 数字信号处理实现(shxin)方法1.采用大、中小型计算机和微机。2.用单片机。3.利用通用(tngyng)DSP芯片4.利用特殊用途的DSP芯片共六十二页1.采用(

17、ciyng)大、中小型计算机和微机工作站和微机上各厂家的数字信号软件，如有各种图象压缩和解压软件。用这一方法优点：可适用于各种数字信号处理(xn ho ch l)的应用场合，很灵活。共六十二页2.用单片机由于单片机发展已经很久，价格便宜，且功能很强。优点：可根据不同(b tn)环境配不同(b tn)单片机，其能达实时控制，但数据运算量不能太大。共六十二页3.利用(lyng)通用DSP芯片DSP芯片较之单片机有着更为突出优点。如内部带有乘法器，累加器，采用流水线工作方式及并行结构，多总线速度快。配有适于信号处理的指令(如FFT指令)等。目前市场(shchng)上的DSP芯片有：美国德州仪器公司(

18、TI):TMS320CX系列 占有90%还有AT&T公司dsp16,dsp32系列Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列共六十二页4.利用特殊用途(yngt)的DSP芯片市场上推出专门用于FFT,FIR滤波器，卷积、相关等专用数字芯片。如：BB公司：DF17XX系列 MAXIM公司：MAXIM27X ,MAXIM28XNational公司：National-SEMI系列：MF系列。其软件算法已在芯片内部用硬件电路实现，使用者只需给出输入数据(shj)，可在输出端直接得到数据(shj)。共六十二页2.6 数据(shj)信号处理的特点与模

19、拟系统(ASP)相比，数字系统具有如下(rxi)特点：1、精度高2、可靠性高3、灵活性大4、易于大规模集成5、时分复用6、可获得高性能指标7、二维与多维处理共六十二页1.精度高在模拟系统中，它的精度是由元件(yunjin)决定，模拟元器件的精度很难达到10-3以上。而数字系统中，17位字长就可达10-5精度，所以在高精度系统中，有时只能采用数字系统。共六十二页2.可靠性强数字系统：只有两个信号电平0，1受噪声及环境(hunjng)条件等影响小。模拟系统：各参数都有一定的温度系数，易受环境条件，如温度、振动、电磁感应等影响，产生杂散效应甚至振荡等且数字系统采用大规模集成电路，其故障率远远小于采用

20、众多分立元件构成的模拟系统。共六十二页3.灵活性大数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数，且系数存放于系数存储器内，只需改变存储的系数，就可得到(d do)不同的系统，比改变模拟系统方便得多。共六十二页4.易于(yy)大规模集成数字部件(bjin)：高度规范性，便于大规模集成，大规模生产，对电路参数要求不严，故产品成品率高。例：(尤其)在低频信号：如地震波分析，需要过滤几Hz几十Hz的信号，用模拟系统处理其电感器、电容器的数值，体积，重量非常大，且性能亦不能达到要求，而数字信号处理系统在这个频率处却非常优越(显示出体积，重量和性能的优点）。共六十二页5.时分复用利用DSP同时处理几个通道的信号

21、。某一路(yl)信号的相邻两抽样值之间存在很大的空隙时间，因而在同步器的控制下，在此时间空隙中送入其他路的信号，而各路信号则利用同一DSP，后者在同步器的控制下，算完一路(yl)信号后，再算另一路(yl)信号，因而处理器运算速度越高，能处理的信道数目也就越多。多路器DSP分路器同步(tngb)123n123n共六十二页6.可获得(hud)高性能指标例：对信号进行频谱分析模拟频谱仪在频率低端只能分析到10Hz以上频率，且难于做到高分辨率(也即足够窄的带宽)。但在数字的谱分析中，已能做到10-3Hz的谱分析。又例：有限(yuxin)长冲激响应数字滤波器，则可实现准确的线性相位特性，这在模拟系统中是

22、很难达到的。共六十二页7.二维与多维处理(chl)利用庞大的存储单元，可以(ky)存储一帧或数帧图象信号，实现二维甚至多维信号包括二维或多维滤波，二维及多维谱分析等。共六十二页8.局限性数字系统的速度还不算高，因而不能处理(chl)很高频率的信号。(因为抽样频率要满足奈奎斯特准则定理)另外，数字系统的设计和结构复杂，价格较高，对一些要求不高的应用来说，还不宜使用。共六十二页2.7 DSP的典型(dinxng)应用1.网络2.无线通信3.家电4.另外还有虚拟现实，噪声(zoshng)对消技术，电机控制，图像处理等等可以说DSP是现代信息产业的重要基石,它在网络时代的地位与CPU在PC时代的地位是

23、一样的。共六十二页2.8 实例(shl)语音处理它是最早采用数字信号处理技术的领域之一。本世纪50年代提出语音形成数字模型，经过十多年对语音的分析、综合、证明是正确的。在语音领域现存(xincn)在着三种系统：语音分析系统：(自动语音识别系统，它能识别语音，辨认说话的人是谁，而且破译后，能立即作出决断。语音综合系统：盲人的自动阅读机，声音响应的计算机终端，会说话玩具，家用电器(CD,VCD,DVD)。语音分析综合系统：语音存储和检索系统。共六十二页语音(yyn)压缩在手机中用可将语音压缩至13bps,在卫星电话中用将语音压缩至4.3bps后,仍具有良好的清晰度。在语音信箱、留言(liyn)电话

24、方面也都采用语音压缩技术和。共六十二页图像处理(t xin ch l)数字信号处理技术成功应用的图像处理方法有：数据压缩图像复原清晰化与增强由于单个数字图像以1兆个采样值的量级表示，所以要求高性能的处理机、高密度的数据(shj)存储器。即要求高速度硬件。共六十二页数字(shz)压缩数据压缩(sh j y su)在一定条件下把原始信号所含信息数据进行压缩,如语音、声音、图像信号中含有许多冗余信息,通过数字信号压缩算法最大限度地去除这些信号中的冗余度,使压缩后信号带宽减小,提高传输效率。作数据存储时可降低所需存储介质的容量。例如直径为120的光盘,本来存储的只是一套70分钟的 立体声音乐,现在可将

25、70分钟电视信号和音乐信号都压缩到120的光盘上,即光盘。共六十二页会议(huy)电视和可视电话采用完成视频图像信号的压缩,制成可通过(tnggu)公用电话交换网()传输的会议电视或可视电话。共六十二页雷达(lid)在军事上，雷达、计算机、射击武器等组成一个自动控制系统。当目标进入雷达的作用半径以内并被雷达自动跟踪时，雷达就测量出目标的当前位置(距离、方位角和高低角)，并把数据送入计算机，推算出目标的航向，航速，引导导弹或自动火炮去击中目标(爱国者导弹对飞毛腿导弹)。雷达系统是应用高性能数字信号处理技术(jsh)的一个例子。雷达系统主要信号处理功能包括：信号产生、匹配滤波、门限比较、目标参数(

26、如射程、方位和速度)估计。共六十二页通信(tng xn)整个通信领域几乎没有不受数字信号处理技术影响的地方。数字技术已用于信号的调制、解调(ji dio)、滤波、混频、检波和多路传输等问题中。语音数据压缩与解压是数字信号处理的重要内容。在电信领域，数字处理技术已发展到音调检测，回波清除、数字开关网和自适应均衡、数据加密、数据压缩、可视电话等。许多音频通信的信号处理功能，已由单块集成电路实现。共六十二页回声(hushng)抵消装置利用通信卫星打越洋长途电话时,因静止卫星离地球表面36000,通信延时为0.24,就会在话机中听到自己的讲话(jing hu),影响正常通话,现在采用了做的回声抵消器,

27、可把回声抑制掉。共六十二页调制解调器调制解调器()。为在电话线上传输计算机数据,采用可做成符合规定的各种调制解调器,尤其是符合.32、.33、.34建议的高速(o s),都可用软件加以实现共六十二页电话(dinhu)、电报下面介绍它们在通讯中的应用 大家知道，脉冲编码调制通讯（简称PCM）的主要优点是抗干扰性强。但是(dnsh)，要对语音信号进行脉冲编码传输，起码要有64kb/s。为了提高信道的利用率，必须压缩语音数码率。语音压缩编码的方法很多，如自适应差分脉调制（ADPCM），32kb/s的数码率达到了长途电话的质量标准，且复杂程度较低，1988年被CCITT（国际电报电话咨询委员会）建议为

28、长途传输中的一种新型国际通用语音编码方法。共六十二页扩频通信与数据压缩(sh j y su)相反的数据扩张，也是很有用的技术。它的根据是香农编码定理：在一定的条件下，只要码的长度充分大时，一定存在一种编码、译码方法，使错误译码率充分小。近年来，在国防上实现发射功率隐蔽与抗电子干扰，采用了数据扩张技术，用300千比特/秒的数码率传送64千比特/秒的语音，可以使敌方对此信号难以侦察或干扰。共六十二页移动(ydng)通信现代通信系统是信息时代的生命线。最近几年，电信业在我国发展很快，安装电话的用户与日俱增，移动通信已开始全国联网。现在，世界性的全球通讯网连接着6亿个以上的电话，还提供(tgng)大量的用户电报以及数据通信业务。到上世纪末，通讯已超过能源、汽车、钢铁、交通和农业，成为世界上最大的行业。共六十二页其他(qt)生物医学信