无线传感器网络传感器网络的通信与组网技术
无线传感器网络的组网技术详解
无线传感器网络的组网技术详解无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统。
这些节点能够感知环境中的各种物理量，并将采集到的数据通过网络传输到目标位置。
无线传感器网络在农业、环境监测、智能交通等领域具有广泛的应用前景。
而组网技术是无线传感器网络中至关重要的一环，它决定着网络的可靠性、稳定性和性能。
一、无线传感器网络的组网模式无线传感器网络的组网模式有两种：平面型组网和立体型组网。
1. 平面型组网平面型组网是指节点在平面上均匀分布的组网模式。
节点之间的通信距离较近，通信路径较短，能够有效降低传输延迟和能量消耗。
平面型组网适用于需要对平面区域进行全面监测的场景，如土壤湿度监测、温度监测等。
2. 立体型组网立体型组网是指节点在三维空间中分布的组网模式。
节点之间的通信距离相对较远，通信路径较长，需要更强的通信能力和能量支持。
立体型组网适用于需要对三维空间进行全面监测的场景，如建筑结构监测、地震预警等。
二、无线传感器网络的组网拓扑结构无线传感器网络的组网拓扑结构有多种，常见的有星型结构、树型结构和网状结构。
1. 星型结构星型结构是指所有节点都直接连接到一个中心节点的组网模式。
中心节点负责数据的汇聚和转发，具有较高的通信能力。
星型结构简单、稳定，适用于小规模的传感器网络。
2. 树型结构树型结构是指节点之间通过父子关系构成的层级结构。
树型结构中每个节点只与其父节点和子节点直接通信，数据通过树形结构传输。
树型结构适用于大规模的传感器网络，能够有效减少通信开销。
3. 网状结构网状结构是指节点之间通过多跳通信形成的网状网络。
每个节点都可以与其他节点直接通信，数据通过多跳传输。
网状结构具有较高的灵活性和容错性，适用于复杂环境下的传感器网络。
三、无线传感器网络的组网协议无线传感器网络的组网协议有多种，常见的有LEACH协议、TEEN协议和PEGASIS协议。
无线传感器网络-传感器网络的通信与组网技术
什么是天线
把从导线上传下来的电信号做为无线电
波发射到空间…... 收集无线电波并产生电信号
Blah bl ah blah bl ah
电磁波的辐射
导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射， 辐射的能力与导线的长短和形状有关. 当导线的长度增
大到可与波长相比拟时，能形成较强的辐射。
天线的方向性
无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率
（v=fλ），则它能轻易地通过障碍物，但电波能量随着与
信号源距离r的增大而急剧减小，大致为1/r3。如果采用 高频传输，则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。 无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰。 另外，由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相 互串扰也是需要关注的问题，所以每个国家和地区都有关 于无线频率管制方面的使用授权规定。
空间波 再入大气层 时的通信; 波导通信
二、调制、解调技术
消息 变 信号 换 发送系统 器 调制
信道
信号 变 消息 换 接收系统 器 解调
在通信系统中调制与解调是一种基本的技术。
调制是指用一个信号去控制另一个信号的某一个
参量的过程。
被控制的信号称为载波 ( Carrier Wave )。
概念简介
第三章
传感器网络的通信与组网技术
通常传感器节点的通信覆盖范围只 有几十米到几百米，人们要考虑如何在 有限的通信能力条件下，完成探测数据 的传输。无线通信是传感器网络的关键
技术之一。
无线传感器网络物理层对 节点能耗的影响
传感器节点的大部分能量消耗在无线通信模块 。
通信单元在不同工 作状态下的功耗
20 15 功耗(mW) 10 5 0
调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什 么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。 根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调制分为模拟调制 和数字调制。 模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控 制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。 数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控
无线传感器网络中的节点组网与协同技术研究
无线传感器网络中的节点组网与协同技术研究无线传感器网络是一种由大量微型节点组成的自组织网络，节点之间能够通过无线通信方式进行信息传输和处理。
随着技术不断进步，无线传感器网络的应用范围越来越广泛，如智能家居、环境监测和物联网等。
而在无线传感器网络中，节点组网和协同技术的研究是至关重要的。
节点组网是指建立无线传感器网络的过程，它决定了整个网络的拓扑结构和通信方式。
目前常用的节点组网方法有集中式组网和分散式组网两种。
集中式组网是指通过一个集中的节点来控制整个网络的连接和通信，这种方法在节点数量较少的情况下适用，但是对于大规模的无线传感器网络而言，这种方法的效率和可靠性都会受到很大的限制。
因此分散式组网成为了更加重要的一种节点组网方式。
分散式组网是指在整个无线传感器网络中，每个节点都可以根据一定的规则和算法自主地选择与其相邻的节点进行通信和建立连接。
这种方式不仅可以提高组网效率和可靠性，还可以在节点失效或意外中断的情况下，通过重新组合节点连接，保证网络的连通性和稳定性。
目前在分散式组网中，蚁群算法、遗传算法和模拟退火算法等被广泛应用于节点选择和连接优化的过程中。
除了节点组网，协同技术也是保证无线传感器网络正常运行和提高系统性能的关键。
协同技术是指在无线传感器网络中，多个节点相互合作，完成特定任务或实现特定功能的过程。
协同技术的实现需要考虑节点之间的通信、数据交换和任务分工等问题。
其中，协同通信是协同技术中最为核心的部分。
在协同通信中，节点之间的通信是基础，通信方式的不同会极大地影响协同效率和可靠性。
目前常用的通信方式有广播式通信、单播式通信和多波束通信等。
广播式通信是指将信息同时发送给周围的所有节点，这种方式可以保证信息到达率，但会增加信道干扰和能量消耗。
单播式通信是指将信息只发送给其中一个节点，这种方式可以减少信道干扰和能量消耗，但可能会带来通信链路稳定性和信息传输可靠性等方面的问题。
多波束通信是指采用多个天线向不同方向发射信息，在节点选择和数据交换等方面具有突出的性能优势。
无线传感器网络的组网技术与应用
无线传感器网络的组网技术与应用随着信息技术的不断发展，人们对于传感器网络的需求也逐渐增加。
无线传感器网络作为一种新型网络形式，得到了广泛的关注和研究。
无线传感器网络是由大量的无线传感器节点构成的系统，这些节点集合形成了一个自动化的网络，在网络中传递着各种信息，并通过各自的处理和通信能力完成各项任务。
本文将着重介绍无线传感器网络的组网技术与应用。
一、无线传感器网络的组网技术无线传感器节点是构成整个网络的基本单元。
无线传感器网络的组网技术主要是指如何将这些节点有效地组织起来，使得网络能够正常运转。
目前，无线传感器网络的组网技术主要包括三个方面：1、拓扑控制技术在无线传感器网络中，节点之间的关系是非常重要的。
在组织无线传感器节点的同时，还需要保证网络是高效的、可靠的、灵活的，并能够满足不同的应用场景需求。
此时，拓扑控制技术可以解决这些问题。
拓扑控制技术主要是指通过控制节点的连接方式，来构建一个适合应用场景的网络结构。
2、路由选择技术无线传感器网络的节点数量通常非常庞大，节点之间的连接也通常比较复杂。
在这样一个庞大且复杂的网络中，路由选择技术能够帮助节点确定下一跳节点的信息，从而实现信息的传递。
而路由选择技术的好坏，也很大程度上决定了无线传感器网络的性能。
3、定位技术由于无线传感器网络的节点数量庞大，因此在实际应用中需要对节点进行定位，以实现对网络的管理和监控。
定位技术能够帮助我们准确地识别每个节点的位置，从而使得节点之间的通信更加精准。
二、无线传感器网络的应用无线传感器网络具有非常广泛的应用领域，其中包括：1、环境监测环境监测是无线传感器网络最为广泛的应用之一。
通过无线传感器节点收集并传输环境数据，能够帮助我们实时地监控环境的变化情况。
这对于环保、气象预报、灾害预警等领域具有重要的意义。
2、智能家居智能家居是一种包含各种物联网设备的生活方式。
无线传感器网络可以将不同的智能设备连接起来，实现家居的智能化管理。
无线传感器网络简明教程
扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩 频(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)、跳频 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)、跳时(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)和宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，简称切普扩频)。
通常传感器节点的通信覆盖范围只有几十米到几百米，人们要考虑如 何在有限的通信能力条件下，完成探测数据的传输。无线通信是传感器 网络的关键技术之一。
3.1 物理层
3.1.1 物理层概述
1、物理层的基本概念
在计算机网络中物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传 输数据的比特流。国际标准化组织(International Organization for Standardization, IOS)对开放系统互联(Open System Interconnection， OSI)参考模型中物理层的定义如下：物理层为建立、维护和释放数据链路实体 之间的二进制比特传输的物理连接，提供机械的、电气的、功能的和规程性的特 性。
调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法调 制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。根据调制中采用的 基带信号的类型，可以将调制分为模拟调制和数字调制。
模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高 频载波随着模拟基带信号的变化而变化。
数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。
20世纪80年代以来，人们十分重视调制技术在无线通 信系统中的应用，以寻求频谱利用率更高、频谱特性更 好的数字调制方式。由于振幅键控信号的抗噪声性能不 够理想，因而目前在无线通信中广泛应用的调制方法是 频率键控和相位键控。
传感网的无线通信技术详解
传感网的无线通信技术详解传感网是一种由大量分布式传感器节点组成的网络，用于收集、处理和传输环境中的信息。
传感器节点通常由传感器、处理器和通信模块组成，可以感知和监测环境中的各种参数，如温度、湿度、光照强度等。
无线通信技术在传感网中起着至关重要的作用，它使得传感器节点能够实现互相之间的通信和与基站的连接。
一、无线通信技术的选择在传感网中，选择适合的无线通信技术是至关重要的。
无线通信技术应具备以下特点：低功耗、低成本、低复杂度、大容量、高可靠性和适应性。
目前常用的无线通信技术包括蓝牙、ZigBee、Wi-Fi和LoRa等。
蓝牙是一种短距离无线通信技术，适用于小范围的数据传输。
它具有低功耗、成本低、易于部署的特点，但传输距离较短，适用于局域网内的传感网。
ZigBee是一种低功耗、低速率的无线通信技术，适用于大规模的传感网。
它具有自组织、自修复的特点，能够实现传感器节点之间的无线通信和与基站的连接。
Wi-Fi是一种高速率的无线通信技术，适用于大规模的传感网。
它具有较高的传输速率和较大的容量，但功耗较高，适合于电力供应充足的环境。
LoRa是一种低功耗、远距离的无线通信技术，适用于广域的传感网。
它具有长距离传输和低功耗的特点，适合于无线传感器节点分布范围较广的场景。
二、无线传感器网络的组网方式无线传感器网络可以采用星型、网状和混合型等组网方式。
星型组网方式是指所有传感器节点都与一个基站直接连接，数据通过基站进行收集和处理。
网状组网方式是指传感器节点之间通过多跳的方式进行通信，数据可以在传感器节点之间进行传输。
混合型组网方式是指既有星型连接，又有传感器节点之间的多跳通信。
星型组网方式适用于传感器节点分布范围较小、节点数量较少的场景。
它具有简单、易于管理的特点，但在节点数量较多时，基站可能成为瓶颈。
网状组网方式适用于传感器节点分布范围较大、节点数量较多的场景。
它具有较好的扩展性和容错性，但节点之间的多跳通信会增加能耗和延迟。
无线传感器网络的自组网技术研究
无线传感器网络的自组网技术研究随着科技的发展，无线传感器网络已经开始成为现实生活中广泛应用的技术之一。
其中自组网技术则是无线传感器网络中的一个非常重要的部分。
自组网技术可以让无线传感器网络具有更高的灵活性和可靠性，从而能够更好地满足现实生活中的各种应用需求。
在本文中，我们将对无线传感器网络的自组网技术进行深入研究。
一、无线传感器网络的概念和应用无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的网络，这些节点通过无线信号进行通信。
这些传感器节点可以感知和采集物理环境中的各种信息，例如温度、湿度、压力等，然后将这些信息传递到网络中枢节点进行处理和分析。
无线传感器网络可以应用于许多领域，例如农业、医疗、环境监测、智能交通等。
无线传感器网络具有成本低、易于部署、实时性好等优点，因此在实际应用中得到了广泛的应用。
二、传感器节点的组成传感器节点是无线传感器网络的最基本组成单位，由以下几部分组成：1.传感器：负责感知和采集物理环境中的信息；2.处理器：对采集的信息进行处理和分析；3.通信模块：负责与网络中的其他节点进行通信；4.电源模块：为传感器节点提供电力。
三、无线传感器网络的特点无线传感器网络与传统的计算机网络不同，具有以下特点：1.节点资源受限：传感器节点由于资源有限，因此在设计网络时需要考虑如何节约资源；2.自组织能力：传感器节点需要具备自组织能力，根据网络中的拓扑结构进行自我组织和优化；3.低功耗：传感器节点需要具备低功耗的特点，以保证长期运行时间；4.应用特定：无线传感器网络需要根据特定的应用场景进行设计与构建，以满足应用的需求。
四、自组网技术的概念和意义无线传感器网络中的自组网技术是指根据网络拓扑结构进行自我组织和优化的一种技术。
自组网技术可以让无线传感器网络具有更高的灵活性和可靠性，从而能够更好地满足现实生活中的各种应用需求。
自组网技术具有以下几个方面的意义：1.降低网络管理成本：无线传感器网络采用自组网技术后，节点可以自行调整网络拓扑结构，从而使网络管理成本大大降低；2.提高网络的稳定性和可靠性：自组网技术可以使无线传感器网络更加稳定和可靠，从而避免单点故障和数据丢失的情况出现；3.提高网络的灵活性和适应性：无线传感器网络的自组网技术可以根据不同的应用场景和需求进行自我组织和优化，从而使网络更具灵活性和适应性。
无线传感器网络复习(1_3章)
题型：共计38～39题，计算题较少，原理题很多（1）选择题15’（2）填空题10’（3）名词解释3’x5（4）作图题10’x1（5）问答题20’x1（根据原理应用自主进行选择作答）第1章1.P3图1.1 无线网络的分类2.无线传感器的定义P3无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域感知对象的监测信息，并报告给用户。
无线传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户；无线传感器网络的基本功能：协作式的感知、采集、处理和发布感知信息。
图1.2 现代信息技术与无线传感器网络之间的关系无线传感器网络三个功能：数据采集、处理和传输；对应的现代信息科技的三大基础技术：传感器技术、计算机技术和通信技术；对应的构成了信息系统的“感管”、“大脑”和“神经”。
4.P5 P6★图1.3 无线传感器网络的宏观架构传感器网络网关原理是什么？无线传感器通常包括传感器节点（sensor node），汇聚节点（sink node）和管理节点（manager node）。
汇聚节点有时也称网关节点、信宿节点。
传感器节点见后2要点介绍。
Sink node：网关节点通过无线方式接收各传感器节点的数据并以互联网、移动通信网等有线的或无线的方式将数据传送给最终用户计算机。
网关汇聚节点只需要具有处理器模块和射频模块、通过无线方式接收探测终端发送来的数据信息，再传输给有线网络的PC或服务器。
汇聚节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它既可以是一个具有足够能量供给和更多存资源与计算能力的增强型传感器节点，也可以是一个带有无线通信接口的特殊网关设备。
汇聚节点连接传感器网络和外部网络。
通过协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信，把收集到的数据信息转发到外部网络上，同时发布管理节点提交的任务。
5.传感器网络节点的组成P5图1.4 传感器网络节点的功能模块组成传感器网络节点由哪些模块组成？－－－作图、简答传感器模块负责探测目标的物理特征和现象，计算机模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发布和接受，电源模块负责节点供电，节点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。
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特性。
从定义可以看出，物理层的特点是负责在物理连接上传输二进制比特 流，并提供为建立、维护和释放物理连接所需要的机械、电气、功能和规
程的特性。
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1、物理层的基本概念 物理层的主要功能如下：
① 为数据终端设备(Data Terminal Equipment， DTE)提供传送数据的通路。
② 传输数据。
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2、无线通信物理层的主要技术
无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率，则它能轻易 地通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离r的增大而急剧减小，大 致为1/r3。如果采用高频传输，则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡 的影响。无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰。 另外，由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相互串扰也是需 要关注的问题，所以每个国家和地区都有关于无线频率管制方面的使 用授权规定。
理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线。
④规程特性。它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程， 包括各信号线的工作规则和时序。
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2、无线通信物理层的主要技术
无线通信物理层的主要技术包括介质的选择、频段的选择、调制 技术和扩频技术。
(1)介质和频段选择
无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介 质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波分
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2、无线通信物理层的主要技术 (2)调制技术
载波信号
(高频正弦波)
调制信号 (两个状态) 幅移键控 (ASK) 频移键控 (FSK) 相移键控 (PSK)
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1线通信物理层的主要技术 (2)调制技术 20世纪80年代以来，人们十分重视调制技术在无线通信 系统中的应用，以寻求频谱利用率更高、频谱特性更好的数 字调制方式。由于振幅键控信号的抗噪声性能不够理想，因
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2、无线通信物理层的主要技术 (3)扩频技术
扩频通信与一般无线通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频
调制，而在接收端增加了扩频解调。
扩频技术的优点包括：易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率; 抗干扰性强，误码率低;隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小; 可以实现码分多址; 抗多径干扰; 能精确地定时和测距; 适合数字话音 和数据传输，以及开展多种通信业务; 安装简便，易于维护。
3.1 物理层
3.1.1 物理层概述 1、物理层的基本概念
在计算机网络中物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介
质上传输数据的比特流。国际标准化组织(IOS)对开放系统互联(OSI)参考
模型中物理层的定义如下：物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间 的二进制比特传输的物理连接，提供机械的、电气的、功能的和规程性的
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2、无线通信物理层的主要技术 (2)调制技术
调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法调制和
解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。根据调制中采用的基带信号
的类型，可以将调制分为模拟调制和数字调制。 模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载 波随着模拟基带信号的变化而变化。 数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载 波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字制 式过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。
③ 其他管理工作。
2
1、物理层的基本概念
通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：
①机械特性。它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连 接器中的引脚数量和排列情况等。 ②电气特性。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路上信号电 平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。 ③功能特性。它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物
而目前在无线通信中广泛应用的调制方法是频率键控和相位
键控。
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2、无线通信物理层的主要技术 (3)扩频技术 扩频又称为扩展频谱，扩频通信技术是一种信息传输 方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的 最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成， 用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在 接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传 信息数据。 扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种： 直接序列扩频(DSSS)、跳频(FHSS)、跳时(THSS)和宽 带线性调频扩频(SS，简称切普扩频)。
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2、无线通信物理层的主要技术 (2)调制技术
调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。通常信号源的编
码信息（即信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。 基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相对基带频
率而言频率非常高的带通信号，以便于进行信道传输。通常将带通信号
称为已调信号，而基带信号称为调制信号。
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3、无线传感器网络物理层的特点 无线传感器网络作为无线通信网络中的一种类型，因此它包 含了上述介绍的无线通信物理层技术的特点。 目前无线传感器网络的通信传输介质主要是无线电波、红外 线和光波三种类型。无线电波的通信限制较少，通常人们选择 “工业、科学和医疗”(Industrial，Scientific and Medical, ISM)频段。ISM频段的优点在于它是自由频段，无须注册，可 选频谱范围大，实现起来灵活方便。ISM频段的缺点主要是功 率受限，另外与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题。
为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中无线电波在无线
网络中使用最广泛。
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2、无线通信物理层的主要技术 无线电波是容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物，
因而被广泛地用于室内或室外的无线通信。无线电波是全
方向传播信号的，它能向任意方向发送无线信号，所以发 射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准。
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2、无线通信物理层的主要技术 (2)调制技术
根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制（AM）、频率 调制（FM）和相位调制（PM）。 当数字调制信号为二进制矩形全占空脉冲序列时，由于该序列只存在 “有电”和“无电”两种状态，因而可以采用电键控制，被称为键控信 号，所以上述数字信号的调幅、调频、调相分别又被称为幅移键控 (ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。