CPS通信物理系统关键技术综述
计算机科学与技术学院
计算机通信
（小论文）
学号：S314067015
专业：计算机技术
学生姓名：李文才
任课教师：王巍副教授
2015年5月
CPS通信物理系统关键技术综述
朱会然
哈尔滨工程大学
摘要：CPS通信物理系统是多维异构的计算单元和物理对象在网络环境中高度集成交互的新型智能复杂系统，具有实时、鲁棒、自治、高效和高性能等特点。本文首先介绍了CPS的概念和特征，综述CPS的当
前发展状况与应用前景；其次，对CPS的系统构成进行了简要分析，讨论了CPS与相关技术的区别与联系；最后，对CPS技术发展所面临的主要挑战及可能的研究方向进行了总结与展望。
关键词：CPS通信物理系统实时高性能嵌入式系统网络控制
1 引言
嵌入式技术、计算机技术和网络技术的发展，为人类的生活带来了极大便利。但随着硬件产品性能和数据处理能力的不断提升，网络通信技术的飞速发展，计算机系统的信息化与智能化，人们对于各种工程系统和计算设备的需求已不仅仅局限于系统功能的扩充，而是更关注系统资源的合理有效分配和系统性能效能的优化，以及服务个性化与用户满意度的提升。在这种需求的引导下，CPS通信物理系统作为一种新型智能系统应运而生，并引起了各国政府、学术界和商业界的高度重视。
CPS可以理解为基于嵌入式设备的高效能网络化智能信息系统，它通过一系列计算单元和物理对象在网络环境下的高度集成与交互来提高系统在信息处理、实时通信、远程精准控制以及组件自主协调等方面的能力，是时空多维异构的混杂自治系统错误！未找到引用源。。CPS在功能上主要考虑性能优化，是集计算、通信与控制技术错误！未找到引用源。于一体的智能技术，具有实时、安全、可靠、高性能等特点。相较于现有的实时嵌入式系统和网络控制系统，CPS 关注资源的合理整合利用与调度优化，能实现对大规模复杂系统和广域环境的实时感知与动态监控，并提供相应的网络信息服务，且更为灵活、智能、高效。
2 CPS通信物理系统的国内外研究现状
自2005年提出至今错误！未找到引用源。，CPS的发展得到了许多国家政府的大力支持和资助，已成为学术界、科技界争相研究的重要方向，获得了国内外计算机、通信、控制，以及生物、交通、军事、基础设施建设等多个领域研究单位与学者的关注和重视，具有很高的科研意义。同时，它也成为了各
行业优先发展的产业领域，具有广阔的应用前景和商业价值。
在美国，近年举办了多次CPS相关的国际性会议和研讨活动，就CPS的基础理论、CPS的应用、CPS的性能以及CPS的安全性等问题展开了较为深入的讨论，引发了人们对CPS的研究。同时，CPS连续多年均被美国国家自然科学基金会列为科研热点和重点，进一步促进了CPS 及其相关技术的开发和应用。
在欧洲，CPS研究还处在理论创新的尝试阶段。许多学者对于CPS的构架与建模新方法展开了讨论和研究。Rammig提出了将生物系统理论和智能计算方法与CPS技术相结合的思想，实现了系统计算性能的优化错误！未找到引用源。。此外，欧盟在智能电子系统以及多元件的复杂系统集成上做了很多工作，于2008年启动了ARTEMIS(Advanced researchand technology for embedded intelligence and sys-tems)等项目，将CPS作为智能系统的一个重要发展方向。
中国于2008年在北京召开的IEEE嵌入式研讨会上，将CPS通信物理系统的研究列为今后技术发展的一大重点。2009年举办的一系列网络控制技术和网络信息技术论坛以及计算机大会中，也高度关注了CPS技术在工业等领域的发展状况。2010年，国家863计划信息技术领域办公室和专家组在上海举办了“信息- 物理融合系统(CPS)发展战略论坛”，对这项技术给予了高度关注。
国内学者也已经进行了一些相当有意义的CPS前沿技术研究，并取得了一些研究基础。计算机领域的学者结合物联网和云计算等技术，针对CPS的普适化网络环境开展了一些探索性研究，武汉大学信息资源研究中心提出了结合云计算和下一代互联网的理念，进行CPS语义中间件的设计，研究CPS网络互联和自主交互等技术。Xia等错误！未找到引用源。则从系统自动化控制的角度出发，提出了“面向复杂通信物理系统的实用型高可信无线通信协议”，基于结点间反馈控制技术开展了医疗应用中传感器任务调度和控制的研究。此外，清华大学、华东师范大学、天津大学、同济大学等多所研究机构也开展了CPS技术的相关研究。香港和台湾各大学也于近年举办了多次有关CPS的研讨会，并成立了名为UCCPS (User-centric cyber-physical systems workshop)的CPS亚洲论坛。
3 CPS的系统构成
系统结构的优劣将从根本上影响系统的最终性能和所能满足的功能需求，更不用说系统的平台兼容性和灵活性等问题，因此，CPS组件抽象与架构建立是实现整体研究的基础，具有非常重要的地位。本文将依据国内外现有研究，从CPS 的抽象结构、运行方式、物理构成和实现架构这4个方面，对CPS的架构进行分
析和讨论。
3.1 CPS的抽象结构
简单地说, CPS中的Cyber和Physical可以视为两个具有节点交互的网络：Physical层包含了多个相互联系的物理实体，Cyber层由众多的智能监控节点(包含了人、服务器、信息站点或者各种移动设备等)和它们之间的通讯联系构成错误！未找到引用源。。在Physical层和Cyber层相互作用下，系统通过计算、通信和控制3C技术实现信息的交互和决策，如图1所示。
图 1 CPS的抽象结构成错误！未找到引用源。
3.2 CPS的运行方式
Bestavros等提出了CPS系统运行方式的抽象结构错误！未找到引用源。，如图2所示。物理层的实体通过对环境的感知，对相应的信息进行处理，并在进行处理的同时将信息经网络发送到信息层，信息层组件在获取感知信息后，针对物理环境和网络中用户需求的改变，自动调整内部关联与模型，将指令通过人机界面或者执行器和驱动设备传送给物理层各组件。物理实体接受指令，并通过实体间的自主协调，执行系统所要求的操作。这种运行方式较为直观地体现了通过Cyber-Physical交互，将物理世界和虚拟世界互联的思想，不足之处在于没有突出物理组件所具有的自主协调、自主验证和自主决策能力，也没有充分考虑人在系统中的地位和作用。
图2 CPS的运行方式错误！未找到引用源。
3.3 CPS的物理构成
在CPS的物理构成上，Al-Hammouri等错误！未找到引用源。提出了CPS 结构的一般性描述(图3)，并说明了基于此结构的CPS的特点。
图3 CPS的物理构成错误！未找到引用源。
CPS与传统的计算机控制系统和无线传感网络在物理构成上存在较大的不同。首先，CPS的网络环境是异构的，能同时涵盖不同属性的网络，并且信息通信范围不受限制；其次，CPS传感网络中不单包含传感器节点,还包含了执行器驱动器节点,以及一部分同时具有传感与执行能力的节点。在CPS 环境中，控制者可以代表具有自主协调和计算能力的控制器设备，也可以指人和其他生命体。此外，控制者、传感器和执行器位于同一层面与物理世界交互，指出CPS 是包含了人和生物等生命体在内的与物理环境直接交互的反馈系统。
3.4 CPS的实现架构
基于CPS的物理实现，Tan等错误！未找到引用源。在ACMSIGBEDReview 上提出了一种基于可信的CPS原型架构，研究了基于下一代网络技术和Web service的全局标识时间、事件/信息驱动、发布/订购机制、语义控制规则和量化机制等技术，如图4所示。
图4 CPS的实现架构错误！未找到引用源。
该结构的特点在于从系统构建和实现的角度，较为全面地说明了CPS在设计和具体运行实现时,所可能涉及的关键技术。主要包括：1) CPS中的传感器和执行器节点是在现有传感器节点中融入了控制和计算能力的新型节点；2)“下一代网络”是实现CPS实时通信和信息交互的重要节点和环境；3)CPS中的信息流包含语义事件信息和普通数据信息，因此,信息层对应的系统CPU内核应具有语义识别和控制能力,以便提高系统的实时感知能力；4)“人”是CPS系统反馈结构中的一个组件；5)信息安全和可靠数据服务是CPS的关键问题。基于该架构的CPS系统在原型设计中若能添加对系统性能的量化和验证模块，比如哪些模块能够保证系统的实时性和高性能,或者会影响这些性能,则这个框架会更加完善。
4 CPS的相关技术
依据CPS的概念及特性描述,可以认为CPS技术结合了计算机系统、嵌入式系统、工业控制系统、无线传感网络、物联网、网络控制系统和混杂系统等技术的特点,但又和这些系统有着本质不同。为了更好地实现CPS的抽象与建模、研究系统设计与仿真实现的方法、构建CPS 的验证体系,需要充分认识、利用并改
进现有的相关技术。
4.1 CPS与计算机系统
CPS也必须具备计算机系统中的软硬件组件与功能,比如具有中央处理机、存储器和外部设备,以及操作系统、语言处理系统、数据处理系统和人机交互系统等。但在各个组件的具体设计与实现上,将会有很大的不同。这主要在于现有计算机系统的主要目的是为了高效存储、转换和处理数据。而CPS的最终目的是实现计算过程和物理过程的实时有效交互。因此,在传统计算机系统中不非常重要的实时性、安全性、可靠性、防御性、保密性以及自适应等特性,却是CPS关注的重点。此外,计算机系统中的网格技术、云计算、并行计算等技术,在一定程度上也满足CPS分布式分散控制和高效计算的特性。可以考虑将这些技术与CPS
相结合,并针对不同的系统需求与问题,进行自适应的改进和优化。
4.2 CPS与嵌入式系统
在技术构成上,虽然嵌入式系统是依照软硬件协同理念进行开发和设计的，但CPS中计算单元和物理对象的结合与传统的软硬件协同技术不同。CPS要求硬件中一定要包含Cyber组件。软硬件协同的目的是为了提供一个稳定的集成环境,以便通过在物理设备中嵌入一定的计算设备和相应的软件来增强嵌入式系统的功能。而CPS 中的Cyber-Physical集成是为了使系统更好地适应周围不确定的、动态发展和变化的环境,更注重计算资源与物理资源的深层耦合、协调同步,以及资源的有效利用等问题。
4.3 CPS与工业控制系统
CPS 是一个具有控制属性的网络,但它又有别于现有的工业控制系统。现有控制系统基本是封闭的系统,即便其中一些工控应用网络也具有联网和通信的功能,但其工控网络内部总线大都使用的是工业控制总线,网络内部各个独立的子系统或者设备难以通过开放总线或者互联网进行互联,通信的功能也比较弱。而CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上,这是因为CPS是涉及人和生物等感知因素的智能控制系统,它强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS具有对网络中设备远程协控的能力,并且CPS在被控对象的种类和数量、特别是在网络规模上都将远远超过现有的工控网络。文献[9]对CPS技术和工业控制系统的异同,以及CPS技术在现有工业系统中的发展趋势进行了较为详细的探讨。
4.4 CPS与无线传感网络
无线传感器网络主要由部署在监测区域内大量的微型传感器节点构成,是通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络技术的发展将有助于CPS的实现,现有无线网络环境的构建将为CPS的发展提供很好的平台。但WSN 技术有一定的局限性。主要在于这些节点在被投放到监测地点后,在空间上基本是静态配置的,技术专有化程度高,适用性不广,而且其中的具体连接方式不明朗,属于一种开环的监控模式。此外,大多数传感器网络面临节点数量受限等问题错误！未找到引用源。：1)由于过多的节点和通讯线路会使网络变得十分复杂而无法正常工作；2)因为传感器节点的价格目前并不低廉,但电池寿命在最好的情况下也只能维持几个月。
4.5 CPS与物联网
物联网的概念近年来在我国得到了高度重视和快速发展。然而物联网并不是信息物理融合系统，物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种“物物相连的”网络错误！未找到引用源。。
4.6 CPS与网络控制系统
网络控制系统是通过串行通信网络形成的闭环反馈控制系统,它与CPS的问题领域具有一定的相似性,但在技术实现上的要求更高,主要体现在系统的实时自治控制上。网络控制系统在远程控制中主要面临网络诱导时延、单包/多包传输、数据包丢失、节点的驱动方式、静态/动态的网络调度、通讯约束、空采样、抖动和时序错乱等多个问题。为了更好地避免这些问题,提高系统的实时性, CPS 设备主要采用分散式布控,在各节点自主感知控制的基础上,结合中枢连锁可调节反馈控制的控制模式来实现系统的调度与决策错误！未找到引用源。,通过赋予节点自治性,优化控制模型的精准度,实现系统的自主自适应调节,提高系统的整体响应速度和任务执行效率,实现在信息反馈到决策者的同时,利用执行器在当地实时处理和解决问题。这使得CPS具有更高的性能优势。
4.7 CPS与混杂系统
混杂系统是指连续变量和离散事件同时存在并且相互影响和相互作用的一
类动态系统。CPS属于混杂系统的研究范畴,混杂系统中的许多模型和技术都可以作为CPS研究时的借鉴,比如离散事件模型、计算智能模型、博弈法等。但CPS 也具有混杂系统所不包含的新特征,比如信息层的软件组件将和所涉及的实际物
理设备直接交互,而每个物理设备也都必须包含通讯与计算的能力；而且CPS中的反馈是包含了人和生物在内的“Cyber-Physical”反馈过程。人将不仅作为系统的设计者、监控者和使用者,而是变成系统的一部分。人的语言、思想、行为甚至人的生物特征等因素都将参与CPS的运行与决策。
5 CPS面临的挑战和研究方向
CPS作为一门新兴的技术,有很多难题需要解决,其研究议程将是庞大的、跨领域的,将涉及计算科学、生命科学和许多工程相关科学中的知识,比如生物学、力学、机械学和电学等。本文在对现有研究进行分析阐述的基础上,指出在当前的CPS研究中,主要面临着如何在异构环境下实现“Cyber-Physical”集成、如何实现组件动态抽象、如何实现系统的自治协调、如何提高系统的实时性、如何确保系统安全可靠,以及如何进行系统性能和系统相关模型方法验证这6大主要挑战。
6 结束语
CPS是一个崭新的、非常有前途的研究领域,国内外对它的研究均刚刚起步。如何在现有研究基础上,结合计算机科学、网络科学、控制科学、通信科学和生命科学、物理学、社会学等相关领域的知识和技术,完善CPS的理论,开展CPS
实时性、自治性、安全性和高效能的研究,并进一步实现CPS应用的推广,是科研工作中的一大难题,更是一大机遇。
参考文献
1 Lee E. Computing Foundations and Practice for Cyber-Physical Systems: a Preliminary Report, Technical Report UCB/EECS-2007-72, University of California, USA, 2007
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通信系统建模与仿真课程设计
通信系统建模与仿真课程设计2011 级通信工程专业1113071 班级 题目基于SIMULINK的基带传输系统的仿真姓名学号 指导教师胡娟 2014年6月27日
1任务书 试建立一个基带传输模型，采用曼彻斯特码作为基带信号，发送滤波器为平方根升余弦滤波器，滚降系数为0.5，信道为加性高斯信道，接收滤波器与发送滤波器相匹配。发送数据率为1000bps，要求观察接收信号眼图，并设计接收机采样判决部分，对比发送数据与恢复数据波形，并统计误码率。另外，对发送信号和接收信号的功率谱进行估计。假设接收定时恢复是理想的。 2基带系统的理论分析 1.基带系统传输模型和工作原理 数字基带传输系统的基本组成框图如图1 所示，它通常由脉冲形成器、发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器与码元再生器组成。系统工作过程及各部分作用如下。 g T(t) n 定时信号 图 1 ：数字基带传输系统方框图 发送滤波器进一步将输入的矩形脉冲序列变换成适合信道传输的波形g T(t)。这是因为矩形波含有丰富的高频成分，若直接送入信道传输，容易产生失真。 基带传输系统的信道通常采用电缆、架空明线等。信道既传送信号，同时又因存在噪声n(t)和频率特性不理想而对数字信号造成损害，使得接收端得到的波形g R(t)与发送的波形g T(t)具有较大差异。 接收滤波器是收端为了减小信道特性不理想和噪声对信号传输的影响而设置的。其主要作用是滤除带外噪声并对已接收的波形均衡，以便抽样判决器正确判决。 抽样判决器首先对接收滤波器输出的信号y(t)在规定的时刻（由定时脉冲cp控制）进行抽样，获得抽样信号{r n}，然后对抽样值进行判决，以确定各码元是“1”码还是“0”码。 2.基带系统设计中的码间干扰和噪声干扰以及解决方案
通信系统仿真经典.doc
题目基于SIMULINK的通信系统仿真 摘要 在模拟通信系统中，由模拟信源产生的携带信息的消息经过传感器转换成电信号，模拟基带信号在经过调制将低通频谱搬移到载波频率上适应信道，最终解调还原成电信号；在数字传输系统中，数字信号对高频载波进行调制，变为频带信号，通过信道传输，在接收端解调后恢复成数字信号。本文应用了幅度调制以及键控法产生调制与解调信号。 本论文中主要通过对SIMULINK工具箱的学习和使用，利用其丰富的模板以及本科对通信原理知识的掌握，完成了AM、DSB、SSB、2ASK、2FSK、2PSK三种模拟信号和三种数字信号的调制与解调，以及用SIMULINK进行设计和仿真。首先我进行了两种通信系统的建模以及不同信号系统的原理研究，然后将学习总结出的相应理论与SIMULINK中丰富的模块相结合实现仿真系统的建模,并且调整参数直到仿真波形输出，观察效果，最终对设计结论进行总结。 关键词通信系统调制 SIMULINK
目录 1. 前言 (1) 1.1选题的意义和目的 (1) 1.2通信系统及其仿真技术 (2) 3. 现代通信系统的介绍 (7) 3.1通信系统的一般模型 (7) 3.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型 (7) 3.2.1 模拟通信系统模型 (7) 3.2.2 数字通信系统模型 (8) 3.3模拟通信和数字通信的区别和优缺点 (9) 4. 通信系统的仿真原理及框图 (12) 4.1模拟通信系统的仿真原理 (12) 4.1.1 DSB信号的调制解调原理 (12) 4.2数字通信系统的仿真原理 (16) 4.2.1 ASK信号的调制解调原理 (16) 5. 通信系统仿真结果及分析 (21) 5.1模拟通信系统结果分析 (21) 5.1.1 DSB模拟通信系统 (21) 5.2仿真结果框图 (24) 5.2.1 DSB模拟系统仿真结果 (24) 5.3数字通信系统结果分析 (28) 5.3.1 ASK数字通信系统 (28) 5.4仿真结果框图 (35) 5.4.1 ASK数字系统仿真结果 (35)
数字通信系统的模型
数字通信系统的模型 ? 数字通信系统的分类 ?数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。 1. 数字频带传输通信系统 数字通信的基本特征是，它的消息或信号具有“离散”或“数字”的特性，从而使数字通信具有许多特殊的问题。例如前边提到的第二种变换，在模拟通信中强调变换的线性特性，即强调已调参量与代表消息的基带信号之间的比例特性；而在数字通信中，则强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系。 另外，数字通信中还存在以下突出问题：第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的。这是通过所谓的差错控制编码来实现的。于是，就需要在发送端增加一个编码器，而在接收端相应需要一个解码器。第二，当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行人为“扰乱”（加密），此时在收端就必须进行解密。第三，由于数字通信传输的是一个接一个按一定节拍传送的数字信号，因而接收端必须有一个与发端相同的节拍，否则，就会因收发步调不一致而造成混乱。另外，为了表述消息内容，基带信号都是按消息特征进行编组的，于是，在收发之间一组组的编码的规律也必须一致，否则接收时消息的真正内容将无法恢复。在数字通信中，称节拍一致为“位同步”或“码元同步”，而称编组一致为“群同步”或“帧同步”，故数字通信中还必须有“同步”这个重要问题。 综上所述，点对点的数字通信系统模型一般可用图1-3 所示。
需要说明的是，图中调制器/ 解调器、加密器/ 解密器、编码器/ 译码器等环节，在具体通信系统中是否全部采用，这要取决于具体设计条件和要求。但在一个系统中，如果发端有调制/ 加密/ 编码，则收端必须有解调/ 解密/ 译码。通常把有调制器/ 解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统。 2. 数字基带传输通信系统 与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/ 解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统，如图1-4 所示。 图中基带信号形成器可能包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译码器、解密器等。 3. 模拟信号数字化传输通信系统 上面论述的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带信号，实际上，在日常生活中大部分信号（如语音信号）为连续变化的模拟信号。那么要实现模拟信号在数字系统中的传输，则必须在发端将模拟信号数字化，即进行A/D 转换；在接收端需进行相反的转换，即D/A 转换。实现模拟信号数字化传输的系统如图1-5 所示。
通信系统模型
通信系统模型 信源 信号源函数 Signal Sources randerr - Generate bit error patterns. randint - Generate matrix of uniformly distributed random integers. randsrc - Generate random matrix using prescribed alphabet. seqgen.pn - Generate pseudorandom noise sequences (See also: SEQGEN objects). wgn - Generate white Gaussian noise. 以randsrc (1,10,[0 1;0.5 0.5])为例 产生1*10的0、1矩阵，0、1出现的概率均为0.5； 此外Matlab产生随机数： rand rand(n)：生成0到1之间的n阶随机数方阵 rand(m,n)：生成0到1之间的m×n的随机数矩阵 randn randn（）命令是产生白噪声的，白噪声应该是0均值，方差为1的一组数； 同rand有randn(n)，randn(m,n) rand是0-1的均匀分布，randn是均值为0方差为1的正态分布 randint randint(m,n,[1 N])：生成m×n的在1到N之间的随机整数矩阵，其效果与randint(m,n,N+1)相同。 Matlab随机数生成函数：
betarnd 贝塔分布的随机数生成器 binornd 二项分布的随机数生成器 chi2rnd 卡方分布的随机数生成器 exprnd 指数分布的随机数生成器 frnd f分布的随机数生成器 gamrnd 伽玛分布的随机数生成器 geornd 几何分布的随机数生成器 hygernd 超几何分布的随机数生成器lognrnd 对数正态分布的随机数生成器nbinrnd 负二项分布的随机数生成器ncfrnd 非中心f分布的随机数生成器nctrnd 非中心t分布的随机数生成器 ncx2rnd 非中心卡方分布的随机数生成器normrnd 正态（高斯）分布的随机数生成器poissrnd 泊松分布的随机数生成器 raylrnd 瑞利分布的随机数生成器 trnd 学生氏t分布的随机数生成器unidrnd 离散均匀分布的随机数生成器unifrnd 连续均匀分布的随机数生成器weibrnd 威布尔分布的随机数生成器 Matlab取整： (1)fix(x) : 截尾取整. >> fix( [3.12 -3.12]) ans = 3 -3 (2)floor(x):不超过x 的最大整数.(高斯取整) >> floor( [3.12 -3.12]) ans = 3 -4 (3)ceil(x) : 大于x 的最小整数 >> ceil( [3.12 -3.12]) ans = 4 -3 (4) round (x) :四舍五入取整 >> round(3.12 -3.12) ans = >> round([3.12 -3.12]) ans = 3 -3
高速铁路通信系统方案研究综述
高速铁路通信系统方案研究综述 发表时间：2019-08-02T11:02:22.610Z 来源：《基层建设》2019年第15期作者：刘全 [导读] 摘要：国际高速铁路移动通信技术发展早效率高，而我国的高速铁路移动通信技术虽然起步较晚，但也有大面积的运用，在这方面投入的研究精力逐渐增加，取得了不错的成效。 中铁十局集团电务工程有限公司山东济南 250000 摘要：国际高速铁路移动通信技术发展早效率高，而我国的高速铁路移动通信技术虽然起步较晚，但也有大面积的运用，在这方面投入的研究精力逐渐增加，取得了不错的成效。未来高速铁路移动通信技术将要从那些方面发展，了解这些问题有助于我们更加切实有效地发展相关技术，也能为实践运用提供更多的帮助。 关键词：高速铁路；通信系统 引言：我国在高铁的硬件建设方面虽然领先全球，但对于高速铁路移动通信技术的掌握还不够成熟，因此，我国应具有一定的前瞻性，尽快研发更安全可靠、传输性能更优质的专用移动通信技术。为此，在接下来的文章中，将围绕高速铁路通信系统方案方面进行详细分析，希望能给相关人士提供重要的参考价值。 1.国内高速铁路移动通信技术 我国在高速铁路移动通信技术发展的早起，也采用了GSM-R技术，其中较为具有代表性的是青藏线路和大秦线路，在这之后我国经济持续发展，相关技术也逐渐运用到了更多的线路，例如京沪、沪宁、沪杭等。GSM-R技术是一种较为成熟的技术，在应用方面具有较高的效率，但是无可避免的是，随着时间的推移，更多更高的要求被提出，GSM-R技术已经逐渐无法满足当下高速铁路通信技术发展的要求了。在此之外，出于实际情况的考虑，也有不同的线路采用了其他技术。比如在朔黄线路上，采用了LTE-R技术，而在台湾台北到高雄的线路则是采用了WiMax系统来进行通信系统网络的建设，随着时间的发展，这一线路逐渐不符合当下时代发展的要求，台湾方面正在进行有关新系统取代旧系统的研究。 2.高速铁路移动通信技术的发展 2.1基于5G的高速铁路移动通信技术 1）基于5G的高速铁路无线信道建模。以现在的技术水平来看，高速铁路在运行环境方面，对散射环境的要求并不复杂，并且多径数量也很少，LOS（服务水平）特征性较明显。显著地LOS特征就意味着更小的多径时延扩展或者更宽的想干宽带，也就是说通信环境将更优质。当然，移动速度过快将极大地增强多普勒频移的情况，但LOS依然可以显著降低这一现象。2）基于分布式网络和云的架构。当前网络基站的实际资源使用率非常低，基站的位置决定了资源的使用状况，在高速铁路的环境中会产生相当显著的潮汐效应。而为了保证铁路在运行状态下的安全性，只能采取较大时间间隔发车的方法，如此一来，在同时段内，同一线路上运行的列车数量就会非常少，浪费资源。采用云无线接入网络架构就能有效解决这一难题，它的主要思想是集中基站间共用的资源到某一基带处理池中，然后集中控制这些资源。3）控制面和用户面分离。如图所示，一般情况下，服务基站和接入用户之间会存在两个平面的连接，也就是控制面和用户面，在这之中，控制面是承载用户与接入网的控制指令的，而用户面则是处理业务数据传输功能的。当控制面的覆盖范围能够满足移动范围时，用户整体的移动性就都得到了保障。所以，在此结构中，用户的控制面会被保留于低频频段，因为次频段具备优质的传输性能，并且覆盖的范围也非常广泛。可是如果要考虑成本问题，这一频段也可以采取利用LTE-R遗留频段的方法已达到目的，但同时真正的用户面就应被搬离出去。应将数据的承载者放置在高频段处，以此扩大系统的容量。 4）频谱融合的异构网技术。就目前来看，可以采用增强频谱效率或扩大系统带宽的方式来提升系统所需的容量，当然，在这两种方法当中，采用扩大系统带宽的方法当然是最简单有效的。当然，合理利用非许可证频段是5G高速铁路移动通信增加带宽并提升系统容量的主要方法。此技术可能会遇到一些比较严重的挑战，例如协调方案受到干扰等，为妥善处理这一问题，建议分为两步进行，第一步，进行信道质量检测，检测应在接收端完成；第二步，对信道进行筛选，选择出满足最低要求的信道[1]。5）多天线及分布式天线技术。目前比较可行的方案为：大幅度增添车载台的天线阵列组数量，然后合并信号，此后再将不同组别天线阵列的权重进行适当调整，通过这种方法可以将不同天线阵列之间的关联性作改变。经过这些调整之后，LOS就能在高速铁路的环境下显著提升其系统容量。当前，高速铁路移动通信所要面对的最严重的问题就在于越区切换，如果进行频繁的越区切换不利于列车运行安全，因此，应采取分布式天线的技术，以尽可能减少切换次数。6）多普勒效应及快速切换技术。在高速铁路运行时，频繁切换是引起失误的主要原因，为此，高速铁路的移动通信系统应该采用中断时长短的快速切换技术，此外，群切换也会存在一定问题，而这一技术应能够一并解决。以当下的情况来看，最好采用基于双播的切换方案。 2.2综合业务接入系统和承载平台 通信系统承载平台最主要的数字传输体制就是SDH体制，这种体制的使用适用于多种业务开展，例如ATM取款机、IP等业务的连接和处理;MSTP系统的特点就是对信息的接入和综合处理功能非常好，可将多种业务的信息网络集成一个网络设备，例如对公务电话、调度集中等业务数据的处理，可以把区间接入系统中的信息数据传动到目的车站。高速铁路业务信息不仅容量非常大，而且种类繁多，所以根据使用需要对承载平台的设计进行有效的更改，将承载平台的主要结构分为多业务传输系统和接入网系统。多业务传输系统主要任务是解决车站对业务通道的需求，并且为下一层的通道提供有效的保护;而接入网系统主要解决多种业务通道对信息采集点中对信息的接受和传输。MSTP的使用能为高铁客户提供相对的宽带业务，但是想使用语音业务就需要光节点对语音数据进行介入。高速铁路的传输系统不仅要为列车提供业务接口，还要为旅客的服务系统提供接口，把旅客的相关的服务业务储存到传输系统，根据采集的信息接入传输设备，构成传输
通信系统建模与仿真
《电子信息系统仿真》课程设计 级电子信息工程专业班级 题目FM调制解调系统设计与仿真 姓名学号 指导教师胡娟 二О一年月日
内容摘要 频率调制(FM)通常应用通信系统中。FM广泛应用于高保真音乐广播、电视伴音信号的传输、卫星通信和蜂窝电话系统等。 FM调制解调系统设计是对模拟通信系统主要原理和技术进行研究，理解FM系统调制解调的基本过程和相关知识，利用MATLAB集成环境下的M文件，编写程序来实现FM调制与解调过程，并分别绘制出基带信号，载波信号，已调信号的时域波形；再进一步分别绘制出对已调信号叠加噪声后信号，非相干解调后信号和解调基带信号的时域波形；最后绘出FM基带信号通过上述信道和调制和解调系统后的误码率与信噪比的关系，并通过与理论结果波形对比来分析该仿真调制与解调系统的正确性及噪声对信号解调的影响。在课程设计中，系统开发平台为Windows XP，使用工具软件为 7.0。在该平台运行程序完成了对FM调制和解调以及对叠加噪声后解调结果的观察。通过该课程设计，达到了实现FM信号通过噪声信道，调制和解调系统的仿真目的。了解FM调制解调系统的优点和缺点，对以后实际需要有很好的理论基础。 关键词 FM；解调；调制；M ATL AB仿真；抗噪性
一、M ATLAB软件简介 MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。其特点是： (1) 可扩展性：Matlab最重要的特点是易于扩展，它允许用户自行建立指定功能的M文件。对于一个从事特定领域的工程师来说，不仅可利用Matlab所提供的函数及基本工具箱函数，还可方便地构造出专用的函数。从而大大扩展了其应用范围。当前支持Matlab的商用Toolbox(工具箱)有数百种之多。而由个人开发的Toolbox则不可计数。 (2) 易学易用性：Matlab不需要用户有高深的数学知识和程序设计能力，不需要用户深刻了解算法及编程技巧。 (3) 高效性：Matlab语句功能十分强大，一条语句可完成十分复杂的任务。如fft语句可完成对指定数据的快速傅里叶变换，这相当于上百条C语言语句的功能。它大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率。据MathWorks公司声称，Matlab软件中所包含的Matlab 源代码相当于70万行C代码。
流媒体隐蔽通信系统模型及性能优化.清华大学
流媒体隐蔽通信系统模型及性能优化 肖博 黄永峰 （清华大学电子工程系，北京，100084） 摘要：基于流媒体的隐蔽通信是信息隐藏领域一个重要研究方向。论文针对流媒体载体类型的多样性造成隐藏过程的不一致等问题，提出了一种流媒体隐蔽通信系统的三层模型，该模型将流媒体的隐蔽通信过程划分为适配与执行、传输管理和隐蔽应用三个层次，定义了各层的功能、服务和接口原语等规则。针对隐蔽通信系统中的主要参数建立了数学模型，得到了隐蔽信道有效利用率的表达式，利用求偏导数方法计算出给定条件下系统参数的最佳值。该模型已经在VoIP隐蔽通信系统中得到实现。实验和测试表明：分层模型很好地解决了不同载体下流媒体隐蔽通信隐藏过程的一致性问题，模型的理论计算值对实际系统的优化设计具有直接指导意义。 关键词：流媒体;信息隐藏;分层模型;性能优化 中图分类号：TN915.04 文献标识码：？ Modeling and Optimizing of Information Hiding Communication System over Streaming Media Xiao Bo Huang Yongfeng (Dept. of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084) Abstract: Information hiding communication (IHC) over streaming media is an important branch of information hiding (IH). Towards the problem of inconsistent hiding process caused by the diversity of streaming media data format, the paper proposed a three-layer system model, which divided the IHC process into adaption & execution, transmission management and IH application. The functionality, service and interface of each layer were defined. Analytical model for primary parameters was then established, obtaining the presentation of effective IH channel usage. Optimal system parameter was calculated using partial derivative method. The system model has been implemented on V oIP platform. Experiments and tests show that the layered model successfully solved the inconsistent problem due to different carriers for IHC. Theoretical value of optimal parameter serves the function of guiding the design of practical system. Key words: streaming media; information hiding; layered model; performance optimizing 0 引言 随着互联网飞速发展，信息传输的安全问题日益突出。信息隐藏是信息安全领域中的新兴技术，正引起越来越多研究者的关注，其应用也初现端倪[1,2,3]。早几年，信息隐藏的研究主要集中在基于传统通信理论、信息论等来研究信息隐藏的理论模型[4,5]；以及采用图像[6]、音频[7]、文本[8]等静态文件为载体研究隐藏算法等。但是最近2年来，基于音、视频流媒体[9,10,11]以及网络协议[12]的信息隐藏越来越多地受到重视。基于流媒体的信息隐藏最主要特点是可以实现实时的动态隐藏。较之静态的文件载体隐藏方式，流媒体的动态隐藏具有以下优点：1）流媒体应用的普遍性，为信息隐藏提供了广泛的隐藏载体，同时也为隐蔽机密信息提供了“天然保护屏障”。2）流媒体信息隐藏的实时性是实现隐蔽实时通信的基础，可以构建全双工的实时交互的隐蔽通信系统。3）流媒体信息隐藏的动态性，能保证隐秘数据即时嵌入，即时传输，即 作者简介：肖博（1984.10），男，陕西，硕士生；黄永峰（1967.12），男，湖北，副教授，博士 基金项目：863计划，项目编号2006AA01Z444；CNGI2006应用示范项目，基于WiFi/WiMax和SIP的IPv6分布式多媒体通信系统
CTBC的数据通信系统综述
CTBC的数据通信系统综述 陈顾远 摘要：基于通信的列车控制技术CBTC在保证行车安全的前提下，可以极大地提高行车效率，满足城市轨道交通列车高密度快速运行的需要，许多新建线路采用这一技术作为控车方案。尤其是在基于无线通信CBTC技术的新建项目中，采用了不同的车地通信方案，并且在具体工程项目上还没有形成统一的方案标准，哪一种方案最优，目前还无定论。针对这一情况，首先对广泛使用的无线CBTC系统的组成以及无线通信技术进行了分析，最后描述了相关单位在规划阶段需要考虑的问题。 关键词：CBTC；数据通信系统；车地通信；无线通信 目前，我国的城市轨道交通建设呈现了迅猛发展的趋势。首先，有20多个城市正在建设或规划建设地铁等轨道交通项目，在建线路总长则超过340km，北京、上海、广州、深圳、武汉、天津、南京、重庆、长春和大连等10个城市已建成轨道交通420km。其次，各领域的高新技术层出不穷。在通信信号领域，随着计算机和通信技术在运行控制领域的应用，基于通信的列车控制系统（CBTC）因其网络化、智能化以及通信信号一体化等特点，已经得到了业界广泛的认可。 基于无线通信的列车控制系统这一思想的萌芽出现在20世纪60年代。1999年9月，IEEE将CBTC定义为：“利用高精度的列车定位，双向连续、大容量的车－地数据通信，车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统”。 1CBTC概述 城市交通通信信号系统是一种故障安全系统，能够保证行车安全，并且对提高运输效率有很大的帮助．因此被人们誉为轨道交通的神经系统。从铁路出现初期的烛光信号到现在的ATS系统指挥列车的运行．城市轨道交通系统经过了一个漫长的过程。日前我国大多数城市轨道交通系统主要采用的是TBTC系统，然而当轨道交通运输发展到高速、高密度和重载的情况时，TBTC系统的缺点就表现了出来．它需要大量的信息设备来传输信息码，而其最大的特点就是利用轨道电路的占用情况来确定列车的位置．轨道电路的工作稳定性易受环境影响、传输信息量小、难以实现车对地的信息传输，以及一个固定分区只能被一列列车占用等特点都制约着城市轨道交通的运输效率。近年来随着无线通信技术的飞速发展．基于通信的列车控制系统的移动闭塞系统克服了固定闭塞的种种缺点，并打
通信系统建模与仿真课程设计
1 任务书 试建立一个基带传输模型，采用曼彻斯特码作为基带信号， 发送滤波器为平方根升余弦滤波器，滚降系数为0.5，信道为加性高 斯信道，接收滤波器与发送滤波器相匹配。发送数据率为1000bps ， 要求观察接收信号眼图，并设计接收机采样判决部分，对比发送数据 与恢复数据波形，并统计误码率。另外，对发送信号和接收信号的功 率谱进行估计。假设接收定时恢复是理想的。 2 基带系统的理论分析 2.1基带系统传输模型及工作原理 基带系统传输模型如图1所示。 发送滤波器 传送信道 接收滤波器 {an} n(t) 图1 基带系统传输模型 1）系统总的传输特性为(w)()()()H GT w C w GR w ，n （t ）是信道中 的噪声。 2）基带系统的工作原理：信源是不经过调制解调的数字基带信号， 信源在发送端经过发送滤波器形成适合信道传输的码型，经过含有加
性噪声的有线信道后，在接收端通过接收滤波器的滤波去噪，由抽样 判决器进一步去噪恢复基带信号，从而完成基带信号的传输。 2.2 基带系统设计中的码间干扰及噪声干扰 码间干扰及噪声干扰将造成基带系统传输误码率的提升，影响基 带系统工作性能。 1）码间干扰及解决方案 a ) 码间干扰：由于基带信号受信道传输时延的影响，信号波形 将被延迟从而扩展到下一码元，形成码间干扰，造成系统误码。 b) 解决方案： ① 要求基带系统的传输函数H(ω)满足奈奎斯特第一准则： 2(),||i i H w Ts w Ts Ts ππ+ =≤∑ 不出现码间干扰的条件：当码元间隔T 的数字信号在某一理想低通 信道中传输时，若信号的传输速率位Rb=2fc （fc 为理想低通截止频 率），各码元的间隔T=1/2fc ，则此时在码元响应的最大值处将不 产生码间干扰。传输数字信号所要求的信道带宽应是该信号传输速 率的一半:BW=fc=Rb/2=1/2T ② 基带系统的系统函数H(ω)应具有升余弦滚降特性。 如图2所示:滚降系数：a=[(fc+fa)-fc]/fc
高速铁路通信系统方案研究综述
高速铁路通信系统方案研究综述 摘要：高速铁路正是基础设施建设的重中之重当前，国家大力发展高速铁路，其总里程数已经仅次于美国，位居世界第二。与普通铁路相比，高速铁路具有通行车流量大、通行车速快为主等特点，这就对高速铁路的路况通行能力和服务质量提出了极为严格的要求。高速铁路通信监控系统是现代高速铁路的有效管理手段，肩负着管理调度高速铁路的重任，在提高高速铁路安全性和运行效率方面具有重要作用。畅通无阻高速铁路通信系统作为一个多种功能兼具的智能平台，不仅能实现高速铁路上实时信息的采集，接收，发送等基本功能，而且能汇总实时信息，协助铁路管理人员科学合理的利用高速铁路资源。在我国高速铁路里程数不断刷新的大背景下，实现高速铁路沿线路况的全线通信监控，对推进高速铁路的安全运营和智能化发展具有显著意义。高速铁路通信系统作为高速铁路机电系统最基础同时也是最重要的一环，作用是非常大的，能够在很大程度上保证整个高速铁路系统的正常运行。 关键词：高速铁路；通信系统；方案研究 引言 我国城市化的推进，高速铁路得到了快速发展，针对这种情况，相关单位应做好相应的管理工作，将高速铁路的作用充分的发挥出来。结合近年的高速铁路管理情况，相关单位认为在高速铁路上设置通信监控系统能够更加有效的采集路面信息，并及时为行车人员提供有关情况，确保高速铁路能够安全、畅通的运行。 一、高速铁路通信系统的现状分析 目前，我国高速铁路主要采用的是 SDH 光纤数字传输系统，在各大高速铁路上已经都有应用，比如，京珠高速铁路、京沪高速铁路和成渝高速铁路等等。随着高速铁路渐渐发展的通信体系，其信令形式、选型的设备、制式要尽量维持相同，方便于以后的统一维护与管理，同时也为中国交通的专用通信网打下优良的基础。将各种现代通信技术的融合运用，从而来推动我国高速铁路的智能化，现代化的飞速跨越式发展。高速铁路机电项目几乎是使用光纤通信体系，为了高速铁路通信而供应的远距离传输渠道的是光纤数字传输体系，通过所构建的通信网络，就可以将所收集到的信息逐级进行传输，从而确保了信息的快速传输与信
CPS中的数据管理关键技术
信息物理融合系统（CPS）中的数据管理关键技术1 信息产业发展的新趋势－CPS 自二十世纪六十年代以来，电子技术，计算技术和网络技术等取得了飞速发展，特别是网络技术的革新成为了这场方兴未艾的伟大IT革命的重要动力源泉。网络的规模及其新应用领域正日益得到扩展，其最引人举目的是新网络技术和物理设备系统的结合。随着传感器、嵌入式计算设备或终端、高性能通信设备、各种消费类和工程类电子设备等物理设施的大量接入，新型计算机化和网络化的物理设备系统网络的规模得以急剧膨胀。同时，随着国家大型电力网络、航空航天交通控制网络、高速公路交通控制网络、卫生防疫应急响应网络、远程医疗与社区医保网络、海洋搜寻与救援网络等大型或者特大型网络物理设备系统的蓬勃发展，以及网络家电、汽车引擎智能网络控制系统、心房脉冲产生器、纳米级制造控制系统等小型或者微型网络物理设备系统的出现，突破了传统物理领域中的网络应用形式，使得用联网计算方式来整合物理系统和计算系统以实现物理设备的功能扩展成为物理系统发展的新趋势，并由此导致出现了新一代的并由此导致出现了新一代的工程系统：信息物理融合系统（Cyber—physical Systems，CPS）。CPS网络在工业生产与国民经济生活中的基础性、全局性作用正日益增强。 2 什么是CPS CPS，从广义上来理解，就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制物理实体。CPS的终极目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式[1]。 新的信息世界观认为现代世界是由物理世界、信息世界和人类社会所组成的三元世界。人－机－物三元世界[2]（如下图1所示）是一个多人、多机、多物组成的动态开发的网络世界。从交互的角度来看，融合了信息世界和物理世界的CPS改变了我们人和物理世界交互的方式，正如Internet改变了我们彼此之间的交互方式一样。CPS这种新方式所完成的是物理设备系统的“三化”：信息化、网络化和智能控制化。因此，从本质上来理解，CPS实际上是一个“3C”（Computation, Communication and Control）融合系统，体现了信息科学，物理科学，控制科学和系统科学的交叉与融合，它以信息处理任务为核心，计算部件完成计算功能，并通过高性能通信网络完成数据通信，通过开放的大规模循环控制实现对物理实体的监测与控制，其体现的“3C”概念模型如图2所示。从结构上来看，CPS系统需要包括这样几个部分：（1）传感器，用于感知物理世界的信息；（2）控制器/执行器，用于实施对物理实体的操作；（3）计算部件，可能是集中式的也可能式分布式的，能根据物理信息做出恰当的处理与分析，并做出控制/执行策略；（4）通信网络，用于连接以上各个单元以及相关的信息、对象、事件和人物，网络的规模式是大规模甚至于全球级的互联。从
现代通信网技术综述
课程目的
现代计算机与通信新技术讲座
北京邮电大学 计算机科学与技术学院
2006年9月
北京邮电大学 计算机科学与技术学院 通信技术中心 卞佳丽
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了解目前和未来计算机及通信领域中一些 主要新技术的基本原理,技术特点,发展 前景和应用范例. 拓展和弥补不同专业背景的学生有关计算 机及通信专业的技术知识.
课程内容(1)
现代通信网技术综述 主讲人:卞佳丽 时间:9月12日(1班),14日(2班) 网络管理的基本概念与技术发展趋势 主讲人:孟络明 时间:9月19日(1班),21日(2班) 网络安全及防火墙 主讲人:阙喜荣 时间:9月26日(1班),28日(2班) 嵌入式处理技术 主讲人:邝坚 时间:10月10日(1班),12日(2班) 多媒体通信技术 主讲人:马华东 时间:10月17日(1班),19日(2班) 北京邮电大学 计算机科学与技术学院 通信技术中心 卞佳丽
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课程内容(2)
电信网业务计量标准与问题 主讲人:魏更宇 时间: 10月24日(1班),26日(2班) 宽带接入技术 主讲人:卞佳丽 时间: 10月31日(1班),11月2日(2班) 宽带无线接入技术与无线Mesh网络 主讲人:卢美莲 时间: 11月7日(1班),9日(2班) Ad hoc and Sensor Networks 主讲人:罗红 时间: 11月14日(1班),16日(2班) 无线数据通信技术 主讲人:王文东 时间: 11月21日(1班),23日(2班) 北京邮电大学 计算机科学与技术学院 通信技术中心 卞佳丽
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课程内容(3)
智能化Web技术 主讲人:苏森 时间: 11月28日(1班),11月30日(2班) 网格技术 主讲人:徐六通 时间: 12月5日(1班),7日(2班) IMS与移动即时通信技术 主讲人:卞佳丽 时间: 12月12日(1班),14日(2班) Java2 platform技术 主讲人:卞佳丽 时间: 12月29日(1班),21日(2班) 机动
教学安排
授课: No.0~No.14周 复习考试:No.16~No.18 考试方法:开卷笔试
联系方式:E-mail: jlbian@https://www.360docs.net/doc/af7790394.html,
北京邮电大学 计算机科学与技术学院 通信技术中心 卞佳丽
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北京邮电大学 计算机科学与技术学院 通信技术中心 卞佳丽
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通信系统仿真作业(设计五-设计七)
设计五 2FSK调制解调系统 一、设计目的 1．掌握2FSK信号的调制解调原理及MATLAB编程实现方法。 2．利用Simulink设计2FSK信号的调制解调系统。 3．画出2FSK信号的时域波形和频谱图。 二、设计原理 1．2FSK信号的调制解调原理 数字移频键控是用载波的频率来传送数字消息，或者说用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符 号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现，如图5.1所示。 图5.1 2FSK信号的调制 根据以上对2FSK信号的调制原理的分析，已调信号的数字表达式可以表示为 （5.1） 其中，是单个矩形脉冲，脉宽为，且 2FSK信号的常用解调方法采用如图5.2所示的非相干检测法和相干检测法。这里的取样判决器是判定哪一个输入样值大，此时可以不专门设置门限电平。 (a) 非相干方式 (b) 相干方式 图5.2 2FSK信号的解调 2FSK调制属于非线性调制，其频谱特性的研究常用把2FSK信号看成是两个2ASK信号相叠加的方法。2FSK信号的功率谱密度为： （5.2） 传输2FSK信号所需频带约为 （5.3）
【例5-1】用MATLAB产生独立等概的二进制信源，画出2FSK信号的波形及其功率谱。 解首先产生随机的二进制数字基带信号，然后根据2FSK信号的表达式产生二进制数字调制信号，最后通过FFT变换求解调制信号的功率谱。源程序如下： A=1; % 调制信号幅度 fc=2; % 载波频率 N_sample=8; % 每码元的采样点数 N=500; % 码元数目 Ts=1; % 采样间隔 dt=Ts/fc/N_sample; % 波形采样间隔 t=0:dt:N*Ts-dt; % 定义时间序列 L=length(t); % 计算时间序列长度 % 产生二进制信源 d=sign(randn(1,N)); dd=sigexpand((d+1)/2,fc*N_sample); gt=ones(1,fc*N_sample); d_NRZ=conv(dd,gt); [f,d_NRZf]=T2F(t,d_NRZ(1:L)); % 数字基带信号的傅里叶变换 sd_2fsk=2*d_NRZ-1; % 双极性基带信号 s_2fsk=A*cos(2*pi*fc*t+2*pi*sd_2fsk(1:L).*t); % 产生2FSK信号 [f,s_2fskf]=T2F(t,s_2fsk); % 2FSK信号的傅里叶变换 figure(1) subplot(2,2,1); plot(t,d_NRZ(1:L)); axis([0,10,0,1.2]); xlabel('(a) 输入信号'); subplot(2,2,2); plot(f,10*log10(abs(d_NRZf).^2/Ts)); axis([-2,2,-40,40]); xlabel('(b) 输入信号功率谱密度'); subplot(2,2,3); plot(t,s_2fsk); axis([0,10,-1.2,1.2]); xlabel('(c) 2FSK信号'); subplot(2,2,4); plot(f,10*log10(abs(s_2fskf).^2/Ts)); axis([-fc-4,fc+4,-40,40]); xlabel('(d) 2FSK信号功率谱密度'); %--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- function [out]=sigexpand(d,M) % 将输入的序列扩展成间隔为N-1个0的序列
信息物理系统和工业4.0
德国工业4.0 平台科学顾问委员会主席、德国技术科学院院士艾纳·安德尔（本文根据演讲录音整理）信息物理系统催生工业 4.0 互联网技术发展分成几个阶段，每个阶段大概五年时间。首先是1995 ～ 2000 年。1993 年万维网诞生之后，我们通过万维网能够将文本信息进行相互连接。2000 年后，我们开始将图片、音频和影像信息直接记录入文件中，并引入互联网世界。2005 年，我们进入社交媒体时代，人与人通过互联网密切联系。2010 年，社交媒体之间开始相互连接，企业开始利用互联网开展业务工作。2015 年，我们开始进入信息物理系统（cps，对“信息物理系统”的译法存在一定争议）时代，人与人相联，企业相联，最终物理系统之间也要相联。工业4.0 是这个时期非常重要的议题，它受到物联网、服务联网、数据联网的极大的影响，是第四次工业革命的重要议题。第一次工业革命是在18 世纪末，当时引入了制造工厂，它的基础是水和蒸汽动力的使用。第二次工业革命是由大规模生产带动的，电力促成了第二次工业革命。第三次工业革命发生在20 世纪70 年代初，信息技术开始促进生产的自动化。第四次工业革命的基础将是信息物理系统。为什么称之为革命？这是因为通过引入新的技术，不管是蒸气动力、电力，还是信息技术等，都彻底地改变了我们的工作和生活，我们需要新的标准、新的资质，新的教育结构和新的企业。所以工业4.0 将是第四次工业革命，它的目标是创建新的价值链，将覆盖整个产品生命周期，技术方法则是信息物理系统。信息物理系统既在虚拟世界存在，也在现实世界存在，它包含现有的现代控制技术和嵌入式系统，是工业4.0 的主要推动力。现在的嵌入式系统必须有互联网地址，所有物理世界中的设备都能进行逻辑连接，能够相互交流通信，即系统之间能够进行通信。德国工业 4.0 的五大支柱和十七点纲要工业 4.0 的路线图是我们的发展战略，在未来的10 ～ 20 年的时间里，它将基于五大支柱。第一大支柱是“水平融合”，通过价值创造网络来实现水平融合，实现机器与机器的沟通，乃至企业之间的通讯。第二大支柱是指整个生命周期的无缝集成。企业的产品信息，在全产品生命周期流动，企业甚至能从客户处获取产品使用的信息，从而持续改进产品。第三个支柱是“垂直融合”和互联生产系统，这种方式使得企业能够使用设计信息推动制造流程，这个过程应该是无缝的信息流动。第四个支柱是新的社会基础设施，行业需要新的资格认证和新的组织方式。第五个支柱是指混合技术的持续发展。例如，工厂的有线和无线通讯，还要考虑帐户安全、隐私保护和知识保护等。参考架构也非常重要，未来的目标是建立一个分散化、以服务为导向的结构。工业4.0 平台的17 个纲要是2014 年年初由（我们）科学顾问委员会推出的，我们把17 个纲要划分为三类。第一类是以人类为中心的问题，第二类是技术问题，第三类是组织性的问题。第一类是以人类为中心的问题，包括四点纲要。第一点纲要，以人类为导向的“工作组织”方案设计，工业4.0 的发展存在越来越多的可能性，组织者面对的可能性也越来越多，针对不同年龄层工作者的机遇不断出现，希望在老龄化社会，使工业4.0 发展能更有优势。第二点纲要，工业4.0 应该被理解为社会技术系统，可以为人们提供机遇，可以扩展业务范围、资格和员工的行动范围，同时可以大大丰富知识的获取渠道。第三点纲要，就是工作设备，特别是那些有助于学习和沟通的设备，它能提升教育、学习的效率。第四点纲要，是指学习工具，它能自动为用户提供他们所需要的功能。第二类是技术问题，包含9 大纲要。第五点纲要是以技术为导向。第六点纲要，工业4.0 系统对于用户而言，要易于理解、容易操作和方便学习。工业4.0 系统提供了获取解决方案的渠道，它使我们可以综合不同的因素来构建、实施和运营工业4.0 系统。我们的新产品需要发展，才能符合新的行业规定和发展趋势。第七点纲要，企业流程和产品网络化、个性化后的复杂性。这种复杂性可以通过一些手段来管理，如三维建模、仿真分析和自我组织等，现在出现了更多的相关解决方案。现实和虚拟世界是相互交叉的，例如对现实的数字化，以及让虚拟空间服务于物理世界。第八点纲要，对资源的有效性和资源效率进行规划、实施、检测和持续自我优化。第九点纲要，是指智能产品，它