通信工程设计导论

2019/8/61通信工程设计导论主讲：翟应斌[e-mail]2019/8/62工程系统是以工程技术为核心的一种重要的人工系统。现代工程系统是由“研究→开发→设计→制造→运行→管理”等环节组成的工程链，每个环节都存在大量的技术、经济和社会等问题。需要培养大批能综合运用现代科学理论和技术手段，懂经营、会管理，兼备人文精神和科学精神的高素质的工程技术人才。2019/8/63本课程是学习和研究一些相关的系统科学和系统工程理论，思考怎样把传统的工程专业技术与系统工程、工业工程等先进的思想相结合，而运用到工程系统的设计和实施中去。2019/8/64系统工程专业人员需要具备的综合知识体系:1、哲学原理：自然哲学、管理哲学、系统哲学2、数学基础：高等数学、概率论与数理统计、数学分析、实变与泛函3、管理科学基础：普通管理学、决策分析、运筹学、预测学、统计学原理4、系统科学基础：现代控制理论、大系统理论、复杂系统理论5、心理学基础：普通心理学、管理心理学、组织行为学2019/8/656、经济学基础：政治经济学、宏微观经济学、国民经济学、工程经济学7、计算机基础：计算机软硬件知识、管理信息系统、决策与支持系统8、其他系统研究知识：系统分析方法论、系统评价学9、相关专业知识：农业、医药、水利、运输、建筑。。。2019/8/66一、工程系统有关概念及其系统结构二、工程系统设计和实施三、工程系统的决策与管理、试验、评定技术与运行保障四、现代通信工程设计五、工程教育与工程师培养2019/8/67一、工程系统有关概念及其系统结构（一）系统与系统工程知识（二）系统工程的理论基础2019/8/68（一）系统与系统工程知识系统的概念与定义系统（System）的概念来源于人类长期的社会实践。系统的概念通常用系统的含义、系统的分类和系统的整体性质来表达，综合反映出系统的本质和规律。2019/8/69我国系统工程与系统论研究的倡导者钱学森把极其复杂的研究对象称为系统，认为系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分（要素）结合而成的具有特定功能的有机体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。2019/8/610系统是由相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的要素组成的具有整体功能和综合作为的统一体。（1）系统必须由两个或两个以上的要素组成；（2）系统各要素之间存在着相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的关系（体现在他们之间进行的物质的、能量的、信息的交换上）；（3）系统必须具有目的性和完整性2019/8/611宇宙间的各种具体系统可分为自然系统和人工系统。自然系统是天然产生和存在的各种系统，如生物（生命）系统、物理系统等等。人工系统是由人类活动创造出来的各种系统：（1）社会系统：文化、行政、教育、法律等（2）工程系统：交通、通信、计算机等等（3）概念系统：哲学体系、科学体系、经济指标体系等等2019/8/612系统的性质（1）相对性（2）相关性（3）目的性（4）进化性/创新性（5）整体性系统的现状是过去变化的终结状态，同时又是未来变化的初始状态。进化/创新是系统得以继往开来的延续关键。2019/8/613系统工程是把系统科学的知识应用于实际的技术科学，为涉及社会—科技—经济的综合系统的规划、设计、建造、实施和革新的各种工程技术提供理论和方法。系统工程方法论是系统思想的具体化，是实施系统工程的行为规范。2019/8/614工程（Engineering）是服务于某个特定目的的各项技术工作的总和，是人们根据设定的目标，应用有关的科学知识和技术手段，通过一系列有组织的活动将某些现有实体（自然的或人工的）转化为具有预期使用价值的物质产品的过程。2019/8/615项目（Project）是要在一定时间，在预算规定范围内，达到预定质量水平的一项一次性任务。项目是有明确的目标、时间规划和预算约束的复杂的活动，是一项独特的、不是完全重复以前的活动。项目包括产品项目和工程项目。2019/8/616产品项目是指具有批量生产价值的产品工程系统，包括产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素和整个过程。产品的开发从产品决策、开发设计方法、生产制造方式到企业组织、控制生产过程和进行营销管理方法等，都从各方面影响着产品设计开发的目的、手段和思维方法。2019/8/617工程项目是指具有特定的对象，有时间和资金限制，按照一定的组织程序和经济性要求，一次性规划设计完成的复杂的系统。工程项目的对象通常由可行性研究报告、项目任务书、设计图纸、规范、实物模型等定义和说明组成。工程项目的时间限制是工程项目管理的一个重要目标，而财务和经济性问题是关系到工程项目是否立项、能否取得成功的最关键问题。2019/8/618工程项目管理的基本目标是在限定的时间内，在限定的资源条件下，以尽可能快的进度、尽可能低的费用完成项目任务。专业目标：功能、质量、生产能力等工期目标费用目标：成本或投资项目管理目标由项目任务书、技术设计和计划文件、合同文件（承包和咨询合同）具体定义。2019/8/619系统工程是组织管理技术，也是工程技术，包含有许多不同的专业门类。其中，专门针对工程系统的规划和设计这一专业的系统工程，称为工程系统工程。工程系统工程是应用于工程项目的系统工程，是组织和管理工程系统的规划、研究、设计、发展、试验、生产、使用和保障的科学方法，也是解决工程活动全过程的工程技术。2019/8/620工程项目是一个复杂的工程系统，工程系统运作是项目管理的部分内容。项目管理侧重于项目的实施与建设过程的管理、优化和控制，而工程系统工程则着眼于工程项目的技术方案构思、方案评估和设计优化等方面。工程系统工程属于工程技术范畴，并以“工程设计作为其特有的学科基础。”工程系统工程主要由系统工程过程、工程专业的综合、技术性能的规划和控制三部分组成。2019/8/621（1）系统工程过程系统工程过程是一种技术处理过程，其主要功能是以一套规范化的方法和程序从任务需求中完整地导出量化的系统技术要求，并确定能满足这些技术要求的系统最优配置。系统工程过程的主要工程活动是系统分析和综合。2019/8/622（2）工程专业的综合工程专业的综合是将与工程系统的研制有关的各个工程专业，如可靠性、维修性、安全性、人因工程、生产工程、后勤工程、价值工程等工程专业的工作协调地纳入到系统的发展过程中，以保证它们能对设计工作施加影响，并最终满足对工程系统规定的要求。综合产品研制（IntegratedProductDevelopment)IPD2019/8/623（3）技术性能的规划和控制是对系统技术性能进行管理的过程，即从提出工程系统的任务需求发展到系统投入实际运行的全过程中，对所需进行的设计、发展、试验和鉴定工作实施管理，以确保系统的技术性能达到预期目标。技术性能的规划和控制包括系统的确定和控制，以及系统技术性能的严整和管理。2019/8/624（二）系统工程的理论基础系统的应用理论信息通信（包括信息处理和信息传递）控制运筹决策2019/8/625运筹决策一、从物理到事理1、作为科学研究对象的客观世界是由物和事两方面组成。人类的知识由物之理与事之理组成。物理是物质运动之理，事理是办成办好事情之理物又常规，事又定则2、技术科学与运筹学（1）技术科学撇开人的主观活动，仅仅研究自然现象，研究物质运动和能量交换；运筹学撇开物理过程，研究人的决策方式，即人们基于一定物质条件的办事策略。2019/8/626（2）技术科学提供的是问题的答案；运筹学提供的是活动的可选优化策略（3）技术科学使用数学工具研究如场论、势论、波动方程、散度、旋度等问题；运筹学使用数学工具研究如合作、竞争、联盟、顾客、服务、库存、策略等问题2019/8/627二、运筹问题（谋定而后动）凡需要通过定性谋划和定量计算而制定出行动方案的问题，都是运筹问题。1、规划问题资源是有限的，活动是多项的。规划问题就是解决有限资源的最优分配问题。2、排队问题3、对策问题如何在竞争中通过正确运用策略以赢得竞争。2019/8/6284、决策问题决策人如何根据自然状态发生的统计规律来选择自己的最优策略。5、库存问题库存是由需求、供应、费用和存储策略构成的系统，如何在缺货损失和存储损失中寻找最佳的存储策略。2019/8/629控制问题控制是一种有目的的活动，人类改造客观世界的实践活动的核心就是控制。广义的控制包括领导、指挥、支配、经营、管理、创作、设计、组建、制造、操纵、制裁、教育、调节、补偿、决策、优化等等。控制论研究一般控制规律，对各种系统实施控制，使系统的运行符合人们的期望。控制论既可应用于工程技术系统，也可应用于社会经济系统和生物系统。2019/8/630控制过程是一个不断获取、处理、选择、传送、利用信息的过程。维纳强调：“控制工程的问题和通信工程的问题是不能区分开来的，而且，这些问题的关键并不是围绕电工技术，而是围绕着更为基本的消息概念，而不论这消息是由电的、机械的或神经的方式传递的。”2019/8/6311、恒值控制2、程序控制3、随动控制控制任务是保证受控量按照某个只能在系统运行过程中实时测定的变化规律来变化。4、最优控制控制任务是：寻找并实现这样一个或一组控制变量，在满足系统的约束条件的情况下，保证所关心的系统性能指标或效益达到最佳值。2019/8/632闭环控制在控制器和受控对象之间，不仅存在着正向作用，而且存在着反馈作用，即系统的输出量对控制量有直接的影响，信息的传递是双向的。控制器受控对象输入量输出量控制量测量部分反馈量偏差量+-2019/8/633反馈：将检测出来的输出量回送到系统的输入端，并与输入信号比较的过程。正反馈、负反馈闭环控制的实质，就是利用负反馈的作用来减少系统的误差。反馈代表一种控制原理，一种控制技术。负反馈是系统稳定的重要机制，一个系统之所以具有受到干扰后能迅速消除偏差恢复恒定的能力，关键在于存在“负反馈调节”机制。2019/8/634敏感环节输出反馈环节决策环节放大环节受控环节执行环节输入校正环节控制系统基本结构2019/8/635信息论基础信息：由一个系统发出的信号被某个主体接收到，通过该主体的某些处理程序形成对该主体有某种意义或价值的知识。信号：是指包括光、一般电磁波、声波或其它任何物质形式的物质流，是信息的实际载体。消息：是物质流在信号和信息之间的中间形态。消息能否成为信息，取决于主体的加工效果及其对主体的意义。2019/8/636信息的属性信息是事物属性的反映，信息附着于一定的载体之上。（1）信息具有整体性；（2）信息有多种存在或存储形式；（3）信息具有可复制性；（4）信息存在变异的风险2019/8/637通信理论1、信源：信息的发送者，即通信过程中信息流通的起点。信宿：信息的接收者，即通信过程结束时信息的归宿。通信是由参与通信的诸事物和环节所构成的整体的一种运作过程。信源编码器解码器信宿信道噪声2019/8/638二、工程系统设计和实施（一）工程系统分析与方法（二）工程系统设计与运作2019/8/639（一）工程系统分析与方法工程系统的生命周期是指一个工程项目从开始筹划、立项、研究、设计、试验、生产、投入使用、维护运行，直到弃置为止的整个过程。工程系统的生命周期可以分为五个阶段，即：方案设计阶段、方案验证和初步设计阶段、工程发展阶段、生产阶段和使用阶段。2019/8/640工程系统分析工程系统分析就是通过对项目系统的情况进行全面的了解和分析，对可能采取的方案进行优选，为决策者提供可靠的依据。工程系统分析必须从工程系统的总体最优出发，采用各种分析工具和方法，对工程系统进行定性和定量的分析，主要包括工程系统的模型化、工程系统的最优化分析和工程系统的综合评价。工程系统分析有六个基本要素，即：目标、可行性方案、模型、费用、效果和评价标准。2019/8/641系统模型的基本概念1、系统模型是以某种形式对一个系统有关本质属性的描述，据以揭示系统的功能和作用。2、建立模型的目的在于解释、预测并控制被模型化的对象，便于操作、试验、模拟和