《学习生活纵横谈》PPT课件.ppt

学习生活纵横谈,北京大学 光纤通信国家重点实验室 邵子瑜,Perfect is our business!,干什么的？,焊电路板的？ 做盗版光盘的？ 中关村打工的程序员？ 电器修理?,设计流程,1.寻找实现系统功能的物理机制 2.运用各种数学工具对系统建立模型和分析 3.运用计算机仿真技术对分析结果进行论证，检验可行性 4.软件实现和硬件实现,研究系统的科学技术,工程科学 系统论 控制论 信息论,覆盖范围,日用家电 上天入地！ 上至宇宙空间站的控制电路，下至深海潜艇的超声波检测仪，都是电子的用武之地。 上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆可见,IEEE 介绍,Insititute of Electrical and Electronics Engineers IEEE是一个覆盖计算机工程，生物医学，电信，电力，航空和消费电子设备等领域的权威的学术协会 IEEE在电子工程、计算机及控制技术方面所发表的论文占世界论文总量的30% IEEE FELLOW是很高的荣誉,ACM和图灵奖,ACM：Association for Computing Machinery 美国计算机协会. ACM Fellow也是很高的荣誉 图灵奖最早设立于1966年，是美国计算机协会在计算机技术方面所授予的最高奖项，被称为计算机界的诺贝尔奖。 它是以英国数学天才Alan Turing先生的名字命名的，Alan Turing对早期计算的理论和实践做出了突出的贡献。图灵奖主要授予在计算机技术领域做出突出贡献的个人。而这些贡献必须对计算机业有长远而重要的影响。迄今为止已有34位在计算机领域做出突出贡献的科学家获此殊荣。,EE/CS基本范畴,通信与信息系统 信息理论与应用、信息系统与电信网络、光通信、卫星通信、无线及移动通信、 用户接入通信、软件无线电、多媒体通信、 信息的测量与定位、雷达信号检测与估计。,信息论,关于信息的本质和传输规律的科学的理论，是研究信息的计量、发送、传递、交换、接收和储存的一门科学 发展历史： 1922年卡松提出边带理论 1922年哈特莱发表信息传输 美国统计学家费希尔从古典统计理论角度研究，苏联数学家哥尔莫戈洛夫从概率论角度研究,控制论创始人维纳建立了维纳滤波理论和信号预测理论，也提出了信息量的统计数学公式 法国物理学家L.布里渊把热力学熵与信息熵直接联系起来 时代呼唤英雄！ 一位集大成的天才牛人出现了！,香农,MIT数学博士学位和电子工程硕士学位 划时代的论文：“通讯的数学原理” 与其他牛人合作：现代数字信号处理理论及实践的创始人和先驱者Nyguist和Hamming博士 最早致力于研究电动老鼠钻迷宫和自动下象棋机器的科学家。正如他自己所说的：“我总是奇怪事物是怎样拼在一起的？”,“how things are put together“ 好奇心的驱使 大人者，不失其赤子之心也！,为什么晴朗的天空是蓝色的？ 为什么清晨日出或傍晚日落时，太阳呈红色，而正午时太阳呈白色,大气分子密度的涨落产生的色散属于瑞利色散。晴朗的天空之所以呈浅蓝色，是由于大气的分子散射。太阳光中的蓝色光比红色光散射的厉害，故散射光中波长较短的蓝光占优势,清晨日出或傍晚日落时，因为这时太阳光几乎平行于地面，穿过的大气层最厚，所有波长较短的蓝黄光几乎都朝侧向散射，仅剩下波长较长的红光到达观察者，但此时人们仰望天空仍是浅蓝色。而云块为阳光照射，也呈红色（朝霞，晚霞）。正午时太阳光所穿过的大气层最薄，散射不多，故太阳仍呈白色。,贝尔实验室,第一台传真机、按键电话、数字调制解调器、蜂窝电话、通信卫星、高速无线数据系统、太阳能电池、电荷耦合器件、数字信号处理器、单芯片、激光器和光纤、光放大器、密集波分复用系统、首次长途电视传输、高清晰度电视。 Unix操作系统与C语言 信息时代的两项最重要发明就是晶体管和信息论，而香农博士正是信息论之父。,团队精神,科研团队通病： 没有交流和沟通，没有相互的鼓励和切磋，没有一个良好的思考环境，只有报怨和愤恨，只有coder甚至是farmer的水平，只有手工业小作坊的划地圈钱，你抢我夺 哪里会有一流的成果？天上掉下来么？,学术团体,法国的布尔巴基学派 维纳控制论 凯恩斯在剑桥时参加的伯里坎特里集团 足以使他们在年老的时候回忆起来这些感到怀念，怀念那无限美好的青年时光,控制论,研究各类系统的调节和控制规律的科学。它是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门交叉性学科。 研究各种不同系统的通讯和控制的过程，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调节、自组织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机制，从而形成了一大套适用于各门科学的概念、模型、原理和方法。,丰碑人物维纳,天才,18岁时就获得了哈佛大学数学和哲学两个博士学位(11岁上大学，14岁上研究生） 喜爱物理、无线电、生物和哲学,曾去欧洲向罗素和希尔伯特这些数学大师们学习数学 正是多钟学科在他头脑里的汇合，才结出了控制论这颗综合之果。 在研究勒贝格积分时，就从统计物理方面萌发了控制论思想。 二战时参与美国研制防空火力自动控制系统的工作，提出了负反馈概念，对控制论的诞生起了决定性的作用。,通信,历史（1）通信发展历史的回顾,通信（Communication)作为电信（Telecommunication) 是从19世纪30年度开始的。 物理发现 通信技术发展 1831年法拉第电磁感应 1837年莫尔斯发明电报 1873年马克斯韦尔的电 1876年贝尔发明电话 磁场理论 1895年马可尼发明无线电 开辟了电信（Telecommunication)的新纪元,历史（2）电话的发明者贝尔,贝尔（18xx1922）英国人 1868年 在伦敦工作 1871年 去波士顿工作 1873年 任波士顿大学教授 1875年 发明多路电报 1876年 发明电话 一生曾获许多专利。 妻子是一位聋人。,历史（3）无线电的发明者马可尼,马可尼（18741937）意大利人 1894年 在父亲的庄园试验 1896年 去伦敦 1897年 建立无线电报公司 1899年 首次实现英法无线通信 1916年 实现短波无线电通信 1929年 建立世界性无线通信网 曾获诺贝尔奖金 曾参加法西斯党,历史（4）通信发展历史的回顾,物理发现 通信技术发展 1906年发明电子管 模拟通信得到发展 开辟了模拟通信的新纪元 1928年奈奎斯特准则和取样定理 1948年山农定理 在理论上为数字通信准备了条件,历史（5）通信发展历史的回顾,物理发现 通信技术发展 20世纪50年代 数字通信得到发展 发明半导体 20世纪60年代 发明集成电路 开辟了数字通信的新纪元,历史（6）通信发展历史的回顾,物理发现 通信技术发展 20世纪50年代 20世纪40年代提出静止卫 航天技术 星概念，但无法实现 1963年第一次实现同步卫 星通信 开辟了空间通信的新纪元,历史（7）通信发展历史的回顾,物理发现 通信技术发展 20世纪60年代 企图用于通信，未成功 发明激光 20世纪70年代 光纤通信得到发展 发明光导纤维 开辟了光纤通信的新纪元,历史（8）通信发展历史的启示,通信传输始终是最活跃的技术领域，物理上的新进展都可能在通信上找到新用途，从而形成新的通信产业。 通信传输的新要求又将推动物理和器件的进展，促使人们去研究发展新的物理机理来满足信息传输的需要。 一个优秀的通信工程师和研究人员，必须对物理学和器件技术的新进展十分感兴趣，并善于抓住新方向、新突破口迎接通信技术的革命。,环境（1）：无线通信的频谱环境,长波 30300 KHz 10-1km 中波 0.3-1.5 MHz 1000-200m 短波 1.5-30 MHz 100-10m 超短波: 米波 30-300 MHz 10-1m 微波： 分米波 0.33 GHz 100-10cm 厘米波 3-30 GHz 10-1cm 毫米波 30-300 GHz 10-1mm 亚毫米波 300-3000 GHz 1-0.1mm 光波： 红外光 3103-3105 GHz 100-1m 可见光 3105-3106 GHz 0.8-0.4m,环境（2）：无线通信的传播环境,无线传播环境的复杂性：天波（电离层、对流层）、地波（直射、反射、绕射） 无线传播的分类 带宽受限信道和功率受限信道 色散信道和非色散信道 恒参信道和变参信道 点对点信道和多址信道,应用（1）：无线通信的应用概况,短波/超短波通信 天波（电离层）：数据/电话、单边带 地波：小型接力机、单双工电台、对讲机 微波通信 微波接力（模拟、数字）、散射、点对多点微波 电视、电话、数据 卫星通信 高轨道（同步静止）、中轨道、低轨道 电视、电话、数据 移动通信 蜂窝电话、无绳电话、无线数据、集群系统、寻呼系统 卫星移动系统,短波电离层通信 特点：超远距离、灵活机动；容量小、质量差 用途： 海外使馆 远洋船队 边防哨所 应急通信,短波/超短波地面通信 特点：绕射能力、灵活机动、隐蔽性好；容量较小、质量较差 用途： 陆军电台 对空电台 特种通信(武警、公安) 无绳电话,应用（2）：无线通信的应用说明 短波、超短波通信,应用（3）：无线通信的应用说明 微波通信,微波接力 特点：容量大、质量好、视距传播条件 用途： 中小容量微波 SDH大容量微波 扩频微波 高频段微波,点对多点微波 用途：无线集中器 无线用户环 散射微波通信 衰落时变信道，距离远，频带较窄，质量较差 用途 军用 民用,应用（4）：无线通信的应用说明 卫星通信,高轨道卫星通信 特点：同步轨道、静止卫星、容量大、质量好、功率受限信道 用途： 国际长途 海事卫星 电视广播 军事通信,中低轨道卫星通信 特点：距离近、地面设备简单灵活，非静止轨道，要求跟踪 用途： 非实时信息传送 遥感 侦测 卫星移动通信,应用（5）：无线通信的应用说明 移动通信,蜂窝系统 无线通信最成功的应用 第一代：模拟 第二代：数字 第三代：多媒体 寻呼系统 无线通信最大众化的应用,其它无线移动系统 集群系统 无绳电话系统 无线数据系统 无线ATM系统 无线IP系统,发展（1）：21世纪电信网的发展趋势,20世纪 21世纪 业务方式 以音频为主的单媒体 以视频为主的多媒体 干线传输 微波 光纤 用户传输 有线 无线 复接方式 PDH SDH 交换模式 STM ATM 网络方式 三网鼎立 三网合一,发展（2）：21世纪电信网的发展趋势,面向21世纪通信的三大革命 以干线（包括部分支线）传输光纤化为标志的光纤革命 以SDH、ATM和IP为标志的数字革命 以个人通信和无线接入为标志的无线革命,发展（3）：21世纪电信网的发展趋势,面向21世纪通信的两大通信平台 光纤通信平台： 无线通信平台： 超大容量、超长距离 宽带、移动 关键技术：波分复用、 关键技术：CDMA、智 光纤放大器 能天线、软件无线电,IP over ?,发展（4）：21世纪电信网的发展趋势,无线通信面临的挑战及发展机遇 光纤通信对无线通信的巨大冲击 巨大带宽 超低损耗 较低成本 未来信息高速公路的主干道，还有 Fiber to home 的趋势 无线通信的发展机遇 灵活性 抗灾性 移动性,发展（5）：21世纪电信网的发展趋势,什么叫无线革命 20世纪通信网的基本框架 中继线 无线为主（微波、卫星） 天上 包括部分有线（电缆） 用户线 有线为主（市话电缆） 地下 包括部分无线（无线电话） 21世纪通信网的基本框架 中继线 有线为主（光缆） 地下 包括部分无线（微波、卫星） 用户线 无线为主 天上 包括部分有线,发展（6）：21世纪电信网的发展趋势 无线通信热点之一：个人通信,1986年 CCIR制订 FPLMTS，以个人全球通信为目标，首次提出个人通信概念 1986年 CCITT讨论 UPT（全球通用个人通信） 1989年 英国政府发放许可证建立双向个人通信网，首次出现 PCN名词 90年代以来，美国提出个人通信业务（ PCS），或个人通信系统 （PCS） 但是，到底什么是个人通信？,CCITT 个人的移动性和终端移动性分开 着重于个人的移动性，用户号码可以在任何终端上使用 无线接入不是必要的条件 CCIR、欧洲 PCN、美国 PCS 个人的移动性靠终端的移动性实现 移动通信网作为个人通信网的底层网络结构 无线接入是必要的条件 以无线接入为基础的个人通信叫做无线个人通信 Wireless Personal Communications,发展（7）：21世纪电信网的发展趋势 无线通信热点之二：无线接入,技术关键 多址 有效性与可靠性 组网 蜂窝 信令与空间接口 高层无线接入 特点：蜂窝范围大 复杂的信道处理（纠错、均衡、分集） 快速移动 无线交换 功率大 成本高 低速语音编码 低层无线接入 特点：蜂窝范围小 简单的信道处理 慢速移动 有线交换 功率小 成本低 中速语音编码（32Kb/s ADPCM）,发展（8）：21世纪电信网的发展趋势 无线通信热点之三：无线ATM,无线 ATM 的发展背景 ATM方式是未来通信网发展的必然趋势 可移动多媒体业务的发展与普及 无线频谱资源的更加合理利用 无线 ATM 的技术关键 窄带化技术（低到几 Mb/s） 抗误码技术 按信源的信息量动态地分配带宽 无线 ATM 的应用前景 军事通信、多媒体通信,发展（9）：21世纪电信网的发展趋势 无线通信热点之四：扩频技术,扩频多址技术的缺点：非正交性 ( Non-orthogonality) 优点：坚韧性 (Robustness) 坚韧性体现在：抗多径 抗干扰 蜂窝分割的频率再用 扇区分割的频率再用 前沿技术：时空联合处理、智能天线、多用户检测,发展（10）：21世纪电信网的发展趋势 无线通信热点之五：软件无线电,当前无线系统在硬件及软件上存在的问题： 多种标准、多种制式、多种协议、多种方案 困难: 互连互通难 设备更新难 研制开发难 能否搞成一个通用的无线系统： 硬件是公用的，除了天线和 RF 前端外，其它都是 DSP 所有无线通信过程都用软件实现，而软件环境是开放的 无线协议都遵循一个公共的 Wireless OSI 分层结构,软件无线电的关键技术 多频段天线及 RF前端技术 直接式数字上、下变频技术 高速 DSP 技术 标准化无线协议及协议转换技术 软件无线电的应用前景 多模手机 通用无线平台 通用抗干扰军用电台,发展（11）：21世纪电信网的发展趋势 无线通信热点之六：第三代移动通信（1）,第一代 模拟话音 NMT，AMPS，TACS 第二代 数字话音低速数据（小于64Kbps) GSM,PDC，IS-95，IS-136（D-AMPS） 第三代 多媒体业务（小于2Mbps） 第二代业务 UMTS / IMT-2000, IMT2000简介 1985年国际电联就开始研究FPLMTS， 1996年正式更名为IMT2000 国际移动通信系统，工作频段2000MHz， 使用日期2000年 IMT2000特点 全球性 综合性 兼容性 灵活性,发展（12）：21世纪电信网的发展趋势 无线通信热点之六：第三代移动通信（2）,RTT标准的主要建议 WCDMA 欧洲把二个标准溶合成TDD /FDD，得到日本、美国、韩 国支持，将会成为主流 cdma2000 美国提出，和IS-95兼容 TD-SCDMA 中国提出,几点看法 关于市场定向 电话？多媒体？视频业务？Internet ？ 关于体制标准 全球一个标准？还是一个标准族？ 关于上下兼容 要和第二代兼容。 关于知识产权 各国都希望国际标准中涉及的技术必须是开放的。,网络技术,光 网 络 发 展 趋 势,网络的宽带化、业务的综合化 “三网合一” 电 信 网：+ 公用网、连接范围广 - 需宽带接入网、具有综合业务能力 的宽带交换机制、保证网络互通性 有线电视网：+ 宽带 - 树状拓扑结构、提供交换业务 计 算 机 网：+ 综合业务能力 - 宽带化、交换方式,第一年,第二年,第三年,第四年,第五年,光带宽9 个月,几种关键技术的发展速度,存储器12 个月,摩尔定律18 个月,性能价格比翻番速度,近几年：,网络业务量变化的战略趋势,根据初步分析,今后5到10年中国网上的数据 业务量将可能会超过话音业务量。 IP业务将最终成为主导的联网协议。 传统电话网将不可避免要过渡到分组交换为 基础的融合的下一代网，下一代网将最终支 持包括话音在内的所有业务。,How Much is 10 Gb/s,1. ASCII Character (8 bit) 109 Char./s (1000 books) 2. Voice Channel (64Kb/s) 155,000 Channels 3. HDTV (600Mb/s) 16 Channels Compressed (20Mb/s) 500 Channels 4. HIPPI (800Mb/s) 12 Channels 5. Gigabit Ethernet (1Gb/s) 8 Channels,Optical Network Evolution,传统的电信网、计算机网和有线电视网正在趋于相互渗透和相互融合。 没有一个网络能满足所有的用途。因此，在单一的硬件技术基础上不可能建立一种通用网络。,“三网合一”与信息化, “三网合一”将电信网有线电视机，计算机网三个相互分割的网互连互通，组成一个平台，在上面传输语音，数据和视频图象等。“三网合一”后应是B-ISDN，即“宽带综合业务数字网”，实质是以IP为基础在同一网中处理传输存储多种多媒体信息。对于一个企业可以把电话、数据、有限电视、电视台监控系统、电视会议等各独立网纳入一个网中，统一管理，节省建网费用和运行维护费用，易于管理维护。“三网合一” 将以全新的方式给工作和生活带来方便，同时也带来可观的商业利益。,“三网合一”与信息化,* 数字技术 其迅速发展和全面采用使电话数据和图象信号都可以通过统一的编码进行传输和交换。所有业务在网络中都将成为统一的0和1比特流，没有任何区别。 光纤通信技术 其为综合传送各种业务信息提供了必要的带宽和传输质量。四通八达，无所不及的光纤传输网是三网业务的理想平台。光通信的发展也使传输成本大幅度下降，使通信成本成为最终与传输距离几乎无关的事。 软件技术 其使得三大网及其终端都能通过软件变成最终支持各种用户所需的特性、功能和业务。现在通信设备已成为高度智能和软件化的产品，无论交换还是传输，软件量已超过硬件。 TCP-IP协议 统一的TCP-IP协议的普遍采用，使得各种以IP为基础的业务都能在不同的网上实现互通。TCP-IP是三大网都能接受的通信协议，从技术上为“三网合一”奠定了最坚实的基础。,“三网合一”的技术基础,Integrated OXC/OADM Node,Protection-switching,Optical Add-drop,FCC_Agilent_8,清 华,基金委,北航,北邮,2.5Gb/s,Internet 2,中科院,北 大,网络拓扑结构,42.5Gb/s,42.5Gb/s,410Gb/s + 42.5Gb/s,OADM and OXC for CAINONET,EE,信号与信息处理 遥感信号接收与图象分析处理、计算语音压缩编码、语音识别与合成、 图象压缩编码、人工神经网络与混沌技术机视觉、图形、文字及符号识别技术、 图形与成象技术、并行信号处理，声学信号处理，超声波与雷达信息处理等,EE,电路与系统专业 电路与集成系统的设计方法学与设计自动化 通信与高速实时信号处理中的集成电路技术 信号处理技术与信号处理器的结构。,语音处理,音频编码发展简史,1) 语音 (Telephone Speech)：主要应用于数字电话 波形编码 PCM原理（37年，法Alec Reeres） 电子管PCM（46年，Bell实验室） 晶体管PCM（62年，市话扩容，64kb/s） 单片IC PCM（70年代，微波、卫星、光纤） 增量编码原理（46年，法De Loraine） 自适应增量 CVSD（60年代末，军用，32、16kb/s） Continuously Variable Slope Delta Modulator 连续变化斜率增量调制器 其他编码（70年代，ADPCM、SubBand、ATC、APC等）, 在1664KB/S上得到较好的话音质量 话音质量好，但编码速率高,1) 语音 (Telephone Speech)：主要应用于数字电话 参数编码 通道声码器（39年，Dudly，二次大战保密电话） LPC声码器（67年，Atal、Schroeder） 同态声码器（69年，Oppenheim） 共振峰声码器（71年，Rabiner、Schafer、Elanagan） MBE声码器（88年，Griffin、Lim） 波形插值（91年，W.B. Kleijn）,音频编码发展简史,编码速率低 (2.4kb/s、1.2kb/s、600800b/s 等), 但自然度差,1) 语音 (Telephone Speech)：主要应用于数字电话 混合编码 利用LP, VQ、A-B-S、感觉加权、后滤波等技术 多脉冲激励线性预测（MPELP 1982 Atal、Remde） 规则脉冲激励线性预测（RPELP 1985 Deprettere、Kroon） 码本激励线性预测（CELP 1985 Manfred、Schroeder、Atal）,音频编码发展简史, 416kb/s高质量 话音质量高、编码速率低，但算法复杂,2) 宽带语音（Wideband Speech）：主要应用于会议电视，相当于调幅广播的质量,音频编码发展简史,3) 音频(Audio)：主要应用于娱乐与鉴赏，对于重建信号的音质有很高的要求，目前采用比特率较高的波形编码技术进行压缩。 u 1982年激光唱盘 (CD: Compact Disk)上市。 u 1987数字音频磁带录音 (DAT: Digital Audio Tape) 问世 u DAB (Digital Audio Broadcasting) 源于欧洲。 MUSICAM：Masking Pattern Adapted Universal Subband Integrated Coding and Multiplexing F ISO/IEC 11172-3 Coding of Moving Pictures and Associated Audio for Digital Storage Media at up to about 1.5 Mbit/s-Part 3 Audio. (Layer 1（384bps/2ch）, Layer 2（256）, Layer 3（192）), MPEG 1, Part 3. 1991 F ISO/IEC 13818-3 Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio - Part 3 Audio. (Layer 1, Layer 2, Layer 3), MPEG 2, Part 3. 1993 F AC2（91），AC3（95） ：美国 Dolby公司的Digital Audio，5.1，384bps Compression Standard, Audio Coding from 32 bps-640 bps,模式识别,字符识别和语音识别都可以归结到人体生物信息的识别中，还有签字识别，指纹识别，掌纹识别，眼睛虹膜识别等等。人体生物信息 识别在安全保卫，金融认证等方面有前景。 还有一个热门是人机交互（Human Computer Interaction, HCI）。它包括传统的字符识别，语音识别，还有唇读（Lip Reading），手势识别（Gesture）, 情感识别（emotion recognition）等。通过识别人的各种信息，无非是让计算机更好的理解人的所思所想，提供更加友善的人机交互手段。,EE,微电子学与固体电子学 大规模和超大规模集成电路 各种半导体器件、微电子机械系统 亚微米和深亚微米集成电路工艺 集成电路的计算机辅助设计和制造 集成电路测试方法学。,EE,物理电子学 光物理与器件、半导体集成光电子学、导波光学、非线性光学、光纤传输、光纤网络、光纤传感 平面显示技术、电子离子光学、真空技术与物理、表面(界面)分析技术 纳米电子学，量子电子学。,光电子学是汇集光子学、电子学、光子技术与电子技术的一门学科,光 电 子 学（技术）,光子学研究光子作为信息、能量载体的一门科学 光子技术相干光的产生 激光原理 相干光的控制（调制、偏转），变换（频率） 光电子技术 相干光的检测及应用,光电检测,应用光电子技术,电子学； 电子技术,几点启示: 任何一项发明都是继前人研