1、專業(yè)(zhuny)導論 - 網絡(wnglu)和信號處理共六十二頁21世紀的一些重要特征(tzhng)就是數字化,網絡化和信息化,它是一個以網絡為核心的信息時代. 共六十二頁1.1 計算機網絡在信息時代的作用世界經濟：工業(yè)經濟 知識經濟知識經濟的特點：信息化和全球化三網融合(rngh)： 電信網絡（電話、傳真等） 有線電視網絡（單向電視節(jié)目的傳送） 計算機網絡 ： 發(fā)展最快、核心作用共六十二頁1.2 計算機網絡的發(fā)展(fzhn)過程1.2.1計算機網絡的產生 計算機技術與通信技術相互(xingh)滲透、密切結合現代計算機網絡起始于60 s 美蘇冷戰(zhàn)時期 第一代：50 s 面向終端的計算機通信網

2、，采用電路交換(線路交換)方式。 第一代的計算機網絡特點： 以單個主機為中心的星型網，各終端通過通信線路共享主機的軟硬件資源。共六十二頁第二代：60 s 分組交換計算機網絡，采用分組交換方式。1 傳統的線路交換技術不適合計算機數據的傳輸； 計算機通信具有突發(fā)性、斷續(xù)(dun x)性。 線路利用率低。 建立通路的呼叫過程對計算機通信太長。2 分組交換網的產生 基于40s 電報通信的存儲轉發(fā)概念和報文交換方式。 1966 年6 月英國國家物理實驗室NPL 提出分組一詞。 1967 年美國國防部高級研究計劃局(ARPA)研究分組交換網。 1969 年12 月ARPANET 投入運行。是網絡發(fā)展的重要

3、標志。共六十二頁第一代與第二代的區(qū)別(qbi)第一代(以單個主機(zhj)為中心)第二代(以通信子網為中心)共六十二頁傳輸媒體的比較(bjio)傳輸媒體速率 傳輸距離性能（抗干擾性）價格應用雙絞線10-1000Mb/s幾十KM可以低模擬/數字傳輸基帶同軸電纜10Mb/s3kM內較好略高于雙絞線基帶數字信號寬帶同軸電纜300-450MHz100kM較好較高模擬傳輸電視，數據以及音頻光纖幾十Gbps30kM很好較高遠距離傳輸無線電波小于50MHz全球較差較低遠程低速通信地面微波接力4-6GHz幾百KM好中等遠程通信衛(wèi)星500MHz18000kM很好與距離無關遠程通信共六十二頁1.2.2 因特網時代

4、(shdi)發(fā)展過程1. ARPANET(ARPA 美國國防部高級(goj)研究計劃局)1969 實驗性運行，四個節(jié)點（四所大學）1980 轉向TCP/IP 協議，1984 主機超過1000 臺1990 ARPANET 退役。共六十二頁 七十年代的計算機網絡X.25 分組交換網：各國的電信部門建設運行(ynxng)各種專用的網絡體系結構：SNA，DNAInternet 的前身ARPANET進行實驗運行 八十年代的計算機網絡標準化計算機網絡體系結構：OSI局域網絡 LAN 技術空前發(fā)展建成NSFNET，Internet 初具規(guī)模 九十年代的計算機網絡Internet空前發(fā)展Web技術在Inter

5、net/Intranet 得到廣泛應用共六十二頁20世紀(shj)90年代:因特網(Internet) 1993.9.15 美國政府發(fā)布 NII計劃: 國家信息基礎結構行動計劃 即 信息高速公路共六十二頁Internet 發(fā)展規(guī)模(gum)和趨勢Internet的發(fā)展速度是歷史上發(fā)展最快的一種技術以商業(yè)化后達到 5000 萬用戶為例電視用了13年，收音機用了38年，電話(dinhu)更長Internet 從商業(yè)化后達到 5000 萬用戶用了4 年時間Internet 正在以超過摩爾定理的速度發(fā)展共六十二頁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共六十二頁 網絡時代的三大(sn d)基本定律摩爾定律:CPU性能18個月翻番,10年100倍。所有電子系統（包括電子通信(tng xn)系統，計算機）都適用光纖定律：超摩爾定律，骨干網帶寬9個月翻番，10年10000倍。帶寬需求呈超高速增長的趨勢邁特卡爾夫定律:聯網定律，網絡價值隨用戶數平方成正

7、比。未聯網設備增加N倍，效率增加N倍。聯網設備增加N倍，效率增加N2倍共六十二頁1996.10 美國提出： NGI 計劃 (下一代因特網計劃) 目標： 下一代網絡結構； 主干網速率：10Gb/s 先進的網絡服務： 健康保健：遠程醫(yī)療、緊急醫(yī)療響應支持 教育：遠程教育、數字圖書館 科學研究：能源、地理系統、氣象、生物 國家安全(nqun)：高性能全球通信、先進的信息傳播 環(huán)境：監(jiān)測、預測、警告、響應 政府：傳遞政府服務和信息給公民和企業(yè) 突發(fā)事件：災難響應、危機管理 設計和制造：共六十二頁1.3 計算機網絡在我國的發(fā)展(fzhn)1989.11 我國第一個公用分組交換網CNPAC 運行;1993

8、. 該網擴充(kuchng)成層次結構的全國網CHINAPAC;目前有7 大互聯網絡與Internet 相連： 中國公用計算機互聯網(CHINANET)、 中國科技網(CSNET)、 中國教育和科研計算機網(CERNET)、 中國國家公用經濟信息網(CHINAGBNET)、 中國聯通數據網、 網通公用互聯網(CNCNET)、 軍隊資源數據網。共六十二頁余家頭校區(qū)S/R-9馬房山(fngshn)校區(qū)東院S/R-9OmniCore5052馬房山(fngshn)校區(qū)西院S/R-9Cisco7505 雄楚大街武珞路雄楚大街武珞路WWW服務器數據庫服務器OA服務器E-mail服務器Cisco3100三層

9、樓校區(qū)S/R-5AAA服務器計費服務器FirewallFirewall校區(qū)網絡拓樸圖路由交換機路由器路由器二級中心節(jié)點 共六十二頁2 數字(shz)信號處理（DSP）（Digital signal processing)數字信號處理: 是20世紀60年代，隨著信息學科和計算機學科的高速發(fā)展(fzhn)而迅速發(fā)展(fzhn)起來的一門新興學科。它的重要性日益在各個領域的應用中表現出來。 數字信號處理是把信號用數字或符號表示成序列，通過計算機或通用（專用）信號處理設備，用數字的數值計算方法處理（例如：濾波、變換、增強、估計、識別等），達到提取有用信息便于應用的目的。共六十二頁2.1 數字(shz)

10、信號處理(DSP)(Digital Signal Processing)凡是利用數字(shz)計算機或專用數字(shz)硬件、對數字(shz)信號所進行的一切變換或按預定規(guī)則所進行的一切加工處理運算。例如：濾波、檢測、參數提取、頻譜分析等。對于DSP:狹義理解可為Digital Signal Processor 數字信號處理器。廣義理解可為Digital Signal Processing 譯為數字信號處理技術。在此我們討論的DSP的概念是指廣義的理解。共六十二頁2.2 信號(xnho)、系統和信號(xnho)處理 2.2.1信號(xnho)信號是一種物理體現。在信號處理領域中，信號被定義為一

11、個隨機(su j)變化的物理量。例如：為了便于處理，通常都使用傳感器把這些真實世界的物理信號-電信號，經處理的電信號-傳感器-真實世界的物理信號。如現實生活中最常見的傳感器是話筒、揚聲器話筒(將聲壓變化)-電壓信號-空氣壓力信號(揚聲器)共六十二頁（1）信號的最基本(jbn)的參數頻率和幅度3-30kHz:Very low frequency VLF(潛水艇導航)甚低頻30-300kHz:Low frequency LF(潛水艇通信)低頻3003000kHz:Medium frequency(調幅廣播)中頻(zhngpn)3-30MHz:High frequency(HF)(無線電愛好者，國際

12、廣播，軍事通信 無繩電話，電報，傳真)高頻30-300MHz:Very High frequency(VHF)(調頻FM，甚高頻電視)0.33GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF電視，蜂窩電話，雷達，微波，個人通信)超高頻頻率低20Hz范圍，稱為次聲波，它不能被聽到，當強度足夠大，能被感覺到。(處于VLF Very low frequency)甚低頻頻率20Hz20KHz稱為聲波，Low frequency (處于LF)低頻頻率20KHz稱為超聲波 ，具有方向性，可以成束(處于LF)共六十二頁（2）信號(xnho)分類同一種信號(xnho)，如電信號(xnho)，

13、可從不同角度進行分類：（a）一維信號、二維信號、矢量信號（b）周期信號和非周期信號（c）確定性信號和隨機信號（d）能量信號和功率信號（e）連續(xù)信號、離散信號（f）模擬信號和數字信號共六十二頁2.2.2 系統(xtng)系統：處理信號的物理設備或運算。或者說，凡是能將信號加以變換(binhun)以達到人們要求的各種設備稱之。系統分類：大小之分，一個大系統可細分為若干個小系統。實際上，因為系統是完成某種運算（操作）的，因而我們還可把軟件編程也看成一種系統的實現方法。共六十二頁2.2.3 信號處理(xn ho ch l)信號處理是研究系統對含有信息的信號進行(jnxng)處理（變換），以獲得人們所希

14、望的信號，從而達到提取信息、便于利用的一門學科。系統處理y(t)x(t)共六十二頁(1)信號處理(xn ho ch l)的內容濾波變換檢測譜分析估計(gj)壓縮識別等一系列的加工處理。共六十二頁（2）數字(shz)信號處理引入多數科學和工程中遇到的是模擬信號。以前都是研究模擬信號處理的理論和實現。模擬信號處理缺點：難以做到高精度，受環(huán)境影響較大，可靠性差，且不靈活等。隨著大規(guī)模集成電路以及數字計算機的飛速發(fā)展，加之從60年代末以來數字信號處理理論和技術的成熟和完善，用數字方法來處理信號，即數字信號處理，已逐漸取代模擬信號處理。隨著信息時代、數字世界(shji)的到來，數字信號處理已成為一門極其

15、重要的學科和技術領域。共六十二頁2.3 數字信號處理系統(xtng)的基本組成以下所討論(toln)的是模擬信號的數字信號處理系統.前置預濾波器A/D變換器數字信號處理器D/A變換器模擬濾波器模擬xa(t)PrFADCDSPDACPoF模擬ya(t)x(n)y(n)共六十二頁2.4 數字(shz)信號處理的學科概貌 1.數字信號處理開端在國際上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里葉變換(FFT)的問世，作為數字信號處理(xn ho ch l)這一學科的開端。而它的歷史可以追溯到17世紀-18世紀，也即牛頓和高斯的時代。共六十二頁2.數字信號處理(xn ho ch l)領域的

16、理論基礎數字信號處理的基本工具：微積分，概率統計，隨機過程，高等代數，數值(shz)分析，近代代數，復雜函數。數字信號處理的理論基礎：離散線性變換(LSI)系統理論，離散付里葉變換(DFT)。 共六十二頁3.“數字(shz)信號處理”又成為一些學科的理論基礎在學科發(fā)展上，數字信號處理又和最優(yōu)控制，通信理論，故障診斷等緊緊相連，成為人工智能(rn n zh nn)，模式識別，神經網絡，數字通信等新興學科的理論基礎。共六十二頁2.5 數字信號處理實現(shxin)方法1.采用大、中小型計算機和微機。2.用單片機。3.利用通用(tngyng)DSP芯片4.利用特殊用途的DSP芯片共六十二頁1.采用(

17、ciyng)大、中小型計算機和微機工作站和微機上各廠家的數字信號軟件，如有各種圖象壓縮和解壓軟件。用這一方法優(yōu)點：可適用于各種數字信號處理(xn ho ch l)的應用場合，很靈活。共六十二頁2.用單片機由于單片機發(fā)展已經很久，價格便宜，且功能很強。優(yōu)點：可根據不同(b tn)環(huán)境配不同(b tn)單片機，其能達實時控制，但數據運算量不能太大。共六十二頁3.利用(lyng)通用DSP芯片DSP芯片較之單片機有著更為突出優(yōu)點。如內部帶有乘法器，累加器，采用流水線工作方式及并行結構，多總線速度快。配有適于信號處理的指令(如FFT指令)等。目前市場(shchng)上的DSP芯片有：美國德州儀器公司(

18、TI):TMS320CX系列 占有90%還有AT&T公司dsp16,dsp32系列Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列共六十二頁4.利用特殊用途(yngt)的DSP芯片市場上推出專門用于FFT,FIR濾波器，卷積、相關等專用數字芯片。如：BB公司：DF17XX系列 MAXIM公司：MAXIM27X ,MAXIM28XNational公司：National-SEMI系列：MF系列。其軟件算法已在芯片內部用硬件電路實現，使用者只需給出輸入數據(shj)，可在輸出端直接得到數據(shj)。共六十二頁2.6 數據(shj)信號處理的特點與模

19、擬系統(ASP)相比，數字系統具有如下(rxi)特點：1、精度高2、可靠性高3、靈活性大4、易于大規(guī)模集成5、時分復用6、可獲得高性能指標7、二維與多維處理共六十二頁1.精度高在模擬系統中，它的精度是由元件(yunjin)決定，模擬元器件的精度很難達到10-3以上。而數字系統中，17位字長就可達10-5精度，所以在高精度系統中，有時只能采用數字系統。共六十二頁2.可靠性強數字系統：只有兩個信號電平0，1受噪聲及環(huán)境(hunjng)條件等影響小。模擬系統：各參數都有一定的溫度系數，易受環(huán)境條件，如溫度、振動、電磁感應等影響，產生雜散效應甚至振蕩等且數字系統采用大規(guī)模集成電路，其故障率遠遠小于采用

20、眾多分立元件構成的模擬系統。共六十二頁3.靈活性大數字系統的性能主要決定于乘法器的各系數，且系數存放于系數存儲器內，只需改變存儲的系數，就可得到(d do)不同的系統，比改變模擬系統方便得多。共六十二頁4.易于(yy)大規(guī)模集成數字部件(bjin)：高度規(guī)范性，便于大規(guī)模集成，大規(guī)模生產，對電路參數要求不嚴，故產品成品率高。例：(尤其)在低頻信號：如地震波分析，需要過濾幾Hz幾十Hz的信號，用模擬系統處理其電感器、電容器的數值，體積，重量非常大，且性能亦不能達到要求，而數字信號處理系統在這個頻率處卻非常優(yōu)越(顯示出體積，重量和性能的優(yōu)點）。共六十二頁5.時分復用利用DSP同時處理幾個通道的信號

21、。某一路(yl)信號的相鄰兩抽樣值之間存在很大的空隙時間，因而在同步器的控制下，在此時間空隙中送入其他路的信號，而各路信號則利用同一DSP，后者在同步器的控制下，算完一路(yl)信號后，再算另一路(yl)信號，因而處理器運算速度越高，能處理的信道數目也就越多。多路器DSP分路器同步(tngb)123n123n共六十二頁6.可獲得(hud)高性能指標例：對信號進行頻譜分析模擬頻譜儀在頻率低端只能分析到10Hz以上頻率，且難于做到高分辨率(也即足夠窄的帶寬)。但在數字的譜分析中，已能做到10-3Hz的譜分析。又例：有限(yuxin)長沖激響應數字濾波器，則可實現準確的線性相位特性，這在模擬系統中是

22、很難達到的。共六十二頁7.二維與多維處理(chl)利用龐大的存儲單元，可以(ky)存儲一幀或數幀圖象信號，實現二維甚至多維信號包括二維或多維濾波，二維及多維譜分析等。共六十二頁8.局限性數字系統的速度還不算高，因而不能處理(chl)很高頻率的信號。(因為抽樣頻率要滿足奈奎斯特準則定理)另外，數字系統的設計和結構復雜，價格較高，對一些要求不高的應用來說，還不宜使用。共六十二頁2.7 DSP的典型(dinxng)應用1.網絡2.無線通信3.家電4.另外還有虛擬現實，噪聲(zoshng)對消技術，電機控制，圖像處理等等可以說DSP是現代信息產業(yè)的重要基石,它在網絡時代的地位與CPU在PC時代的地位是

23、一樣的。共六十二頁2.8 實例(shl)語音處理它是最早采用數字信號處理技術的領域之一。本世紀50年代提出語音形成數字模型，經過十多年對語音的分析、綜合、證明是正確的。在語音領域現存(xincn)在著三種系統：語音分析系統：(自動語音識別系統，它能識別語音，辨認說話的人是誰，而且破譯后，能立即作出決斷。語音綜合系統：盲人的自動閱讀機，聲音響應的計算機終端，會說話玩具，家用電器(CD,VCD,DVD)。語音分析綜合系統：語音存儲和檢索系統。共六十二頁語音(yyn)壓縮在手機中用可將語音壓縮至13bps,在衛(wèi)星電話中用將語音壓縮至4.3bps后,仍具有良好的清晰度。在語音信箱、留言(liyn)電話

24、方面也都采用語音壓縮技術和。共六十二頁圖像處理(t xin ch l)數字信號處理技術成功應用的圖像處理方法有：數據壓縮圖像復原清晰化與增強由于單個數字圖像以1兆個采樣值的量級表示，所以要求高性能的處理機、高密度的數據(shj)存儲器。即要求高速度硬件。共六十二頁數字(shz)壓縮數據壓縮(sh j y su)在一定條件下把原始信號所含信息數據進行壓縮,如語音、聲音、圖像信號中含有許多冗余信息,通過數字信號壓縮算法最大限度地去除這些信號中的冗余度,使壓縮后信號帶寬減小,提高傳輸效率。作數據存儲時可降低所需存儲介質的容量。例如直徑為120的光盤,本來存儲的只是一套70分鐘的 立體聲音樂,現在可將

25、70分鐘電視信號和音樂信號都壓縮到120的光盤上,即光盤。共六十二頁會議(huy)電視和可視電話采用完成視頻圖像信號的壓縮,制成可通過(tnggu)公用電話交換網()傳輸的會議電視或可視電話。共六十二頁雷達(lid)在軍事上，雷達、計算機、射擊武器等組成一個自動控制系統。當目標進入雷達的作用半徑以內并被雷達自動跟蹤時，雷達就測量出目標的當前位置(距離、方位角和高低角)，并把數據送入計算機，推算出目標的航向，航速，引導導彈或自動火炮去擊中目標(愛國者導彈對飛毛腿導彈)。雷達系統是應用高性能數字信號處理技術(jsh)的一個例子。雷達系統主要信號處理功能包括：信號產生、匹配濾波、門限比較、目標參數(

26、如射程、方位和速度)估計。共六十二頁通信(tng xn)整個通信領域幾乎沒有不受數字信號處理技術影響的地方。數字技術已用于信號的調制、解調(ji dio)、濾波、混頻、檢波和多路傳輸等問題中。語音數據壓縮與解壓是數字信號處理的重要內容。在電信領域，數字處理技術已發(fā)展到音調檢測，回波清除、數字開關網和自適應均衡、數據加密、數據壓縮、可視電話等。許多音頻通信的信號處理功能，已由單塊集成電路實現。共六十二頁回聲(hushng)抵消裝置利用通信衛(wèi)星打越洋長途電話時,因靜止衛(wèi)星離地球表面36000,通信延時為0.24,就會在話機中聽到自己的講話(jing hu),影響正常通話,現在采用了做的回聲抵消器,

27、可把回聲抑制掉。共六十二頁調制解調器調制解調器()。為在電話線上傳輸計算機數據,采用可做成符合規(guī)定的各種調制解調器,尤其是符合.32、.33、.34建議的高速(o s),都可用軟件加以實現共六十二頁電話(dinhu)、電報下面介紹它們在通訊中的應用 大家知道，脈沖編碼調制通訊（簡稱PCM）的主要優(yōu)點是抗干擾性強。但是(dnsh)，要對語音信號進行脈沖編碼傳輸，起碼要有64kb/s。為了提高信道的利用率，必須壓縮語音數碼率。語音壓縮編碼的方法很多，如自適應差分脈調制（ADPCM），32kb/s的數碼率達到了長途電話的質量標準，且復雜程度較低，1988年被CCITT（國際電報電話咨詢委員會）建議為

28、長途傳輸中的一種新型國際通用語音編碼方法。共六十二頁擴頻通信與數據壓縮(sh j y su)相反的數據擴張，也是很有用的技術。它的根據是香農編碼定理：在一定的條件下，只要碼的長度充分大時，一定存在一種編碼、譯碼方法，使錯誤譯碼率充分小。近年來，在國防上實現發(fā)射功率隱蔽與抗電子干擾，采用了數據擴張技術，用300千比特/秒的數碼率傳送64千比特/秒的語音，可以使敵方對此信號難以偵察或干擾。共六十二頁移動(ydng)通信現代通信系統是信息時代的生命線。最近幾年，電信業(yè)在我國發(fā)展很快，安裝電話的用戶與日俱增，移動通信已開始全國聯網。現在，世界性的全球通訊網連接著6億個以上的電話，還提供(tgng)大量的用戶電報以及數據通信業(yè)務。到上世紀末，通訊已超過能源、汽車、鋼鐵、交通和農業(yè)，成為世界上最大的行業(yè)。共六十二頁其他(qt)生物醫(yī)學信