1、Unit 3-3第三部分：微波 微波是波長比頻率為特赫茲（THz）的波更長，但比無線電波短的電磁波。微波的波長范圍大約在30厘米（頻率= 1 GHz ）到1毫米（ 300 GHz）之間。這個波長范圍已經使人對命名習慣提出了問題，因為微波使人聯想到微米波長。然而，遠紅外光，赫特輻射，微波，超高頻無線電波之間的界限相當隨意的，在不同的學科領域有不同的用法。電磁理論的同一個方程組應用于所有頻率。當信號的波長和設備的尺寸大致相同時，儀器和技術可被描述為“微波”，因此集總元件電路理論不再準確。微波這個術語一般是指“頻率為300 MHz和300GHz之間的交流電信號” 。但是，IEC標準60050和IEE

2、E標準100都定義“微波”頻率從1 GHz（ 30厘米波長）開始。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋于1864年根據他的方程組預言了電磁波存在，而微波只是電磁波頻譜中的一部分。 1888年，亨利希·赫茲構建了在UHF頻段產生和檢測微波的裝置，首次證明了電磁波的存在。1894 J. C. Bose公開展示了用毫米波長對鐘進行的無線電控制，并引導了微波傳播的研究。微波范圍包括超高頻（UHF）（0.3-3 GHz），甚高頻（SHF）（3-30GHz）以及極高頻(EHF）（30-300 GHz）信號。地球大氣對高于300 GHz的電磁輻射的吸收是如此之大，以至于變得實際上是不透明，

3、直到所謂的紅外線和可見光窗口的頻率范圍，大氣又變得透明。器件基于電子管的器件是在受控制電場和磁場影響的真空內由電子的沖擊運動而工作的，包括磁控管，速調管，行波管和振動陀螺儀。這些器件工作在密度調制模式而不是電流調制方式。這意味著它們是基于真空管發出的電子簇工作的，而不是用連續的電子流。用途微波爐是通過穿過食物的微波輻射工作的，通常頻率是在2450 MHz（波長12.24厘米）。食物中的水、脂肪和糖分子在稱為電介電加熱的過程吸收微波波束的能量。許多分子（如那些水）是電偶極子，這意味著它們一端帶正電，另一端帶負電，因此它們力圖與微波波束所引起的交變電場保持一致而發生旋轉。旋轉分子撞擊其它分子使他們

4、運動，這種分子運動產生熱量。微波加熱對液態水是最有效的，其次為脂肪和糖類（分子偶極矩較少）以及冷凍水（分子不能自由轉動）。微波加熱有時被錯誤地解釋為水分子的旋轉共振，而這種共振只能發生在數十千兆赫的高頻。此外，大型工業/商業微波爐在900兆赫的范圍內工作，也能很好地加熱水和食物。一個常見的誤解是，微波爐從“從里面到外面” 徹底地烹調食物的。實際上與其它加熱方法類似，微波被食物外層吸收。微波中的射線處理水粒子來烹調食物。實際上它是由運動引起的摩擦產生熱來加熱食物。這種誤解源自微波在許多普通食物的表面穿透干燥的非導電物質，因此比起其它方法來能在更深層堆積初始熱量。使用微波爐，初始熱沉積的深度可達幾

5、個公分以上，這取決于水分含量的多少，而焙烤是依賴紅外輻射或烤箱內的熱對流，它們在食物表面存儲的熱量很淺。微波滲透的深度是依賴于食物的成分和頻率，較低頻率的微波穿透力更強。微波無線電用于廣播和電信傳輸，這是因為其波長短，與波長較長（低頻）時相比，方向性天線體積更小也更實用。比起其它無線電頻譜，微波頻譜有更寬的頻帶可以利用；頻率低于300兆赫時可用帶寬小于300兆赫，而在300兆赫以上可用頻帶達到幾個GHz。典型地，微波用于電視新聞，它利用一輛特殊裝備的車輛將信號從一個偏僻地點發送到電視臺。在光纖傳輸出現之前，大部分的長途電話都是通過各站點，像AT&T公司的通信設備，之間微波點對點的連接來

6、傳送。從20世紀50年代開始，人們用頻分復用在每一個微波無線電信道中傳送多達5400路電話，將10路無線電信道組合起來送到一個天線，發送到70公里以外的下一個中繼站。雷達也是用微波來檢測遠距離物體的范圍，速度和其它特征的。無線局域網協議，如藍牙和IEEE 802.11規范，在2.4 GHz ISM頻段上也使用的微波，盡管802.11a 在5 GHz范圍使用ISM頻段和UNII 頻率。在3.5 4.0 GHz范圍內我們可以發現許多國家（但不包括美國）的經授權許可的遠距離無線互聯網接入業務。 城域網：城域網協議，如WiMAX （微波接入的全球互通）是基于IEEE 802.16規范。IEEE 802

7、.16規范設計工作在2至11千兆赫。商業實現是在2.5千兆赫，3.5千兆赫和5.8千兆赫。廣域移動寬帶無線接入： 基于IEEE 802.20或ATIS/ANSI HC-SDMA（如 iBurst ) 標準規范的MBWA協議設計工作在1.6和2.3 GHz之間，提供移動性和樓宇內部穿透性，類似于移動電話但頻譜效率更高。 有線電視和同軸電纜上的互聯網接入以及廣播電視使用一些低頻微波。一些移動電話網絡，像GSM，也使用較低的微波頻率。許多半導體處理工藝用微波來產生等離子體，用于反應離子蝕刻和等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）。微波可用于長距離傳輸電能（微波輸能），二戰后就研究了可能性。美國航空航

8、天局在20世紀70年代和80年代初期研究利用太陽能發電衛星系統SPS的可能性，這種系統裝有大型太陽能陣列，通過微波向地球表面發送能量。邁澤是和激光相似的設備，除了前者是工作在微波頻率。大部分射電天文學都是使用微波。微波頻率波段 微波頻譜通常定義為頻率范圍大約從1GHz到1000GHz的電磁能量，但較早的使用還包括較低的頻率。常用的是在1到40GHz范圍，由大不列顛無線電學會定義的微波頻率波段如表3.1。 Unit 5-1第一部分：多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址多址方案用于使許多用戶同時使用同一個固定帶寬的無線電頻譜。在任何無線電系統中分配的帶寬總是有限的。移動電話系統的典型總帶寬是50

9、MHz，它被分成兩半用以提供系統的前向和反向連接。任何無線網絡為了提高用戶容量都需要共享頻譜。頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）是無線系統中由眾多用戶共享可用帶寬的三種主要方法。這些方法又有許多擴展和混合技術，例如正交頻分復用（OFDM），以及混合時分和頻分多址系統。不過要了解任何擴展技術首先要求對三種主要方法的理解。頻分多址在FDMA中，可用帶寬被分為許多個較窄的頻帶。每一用戶被分配一個獨特的頻帶用于發送和接收。在一次通話中其他用戶不能使用同一頻帶。每個用戶分配到一個由基站到移動電話的前向信道以及一個返回基站的反向信道，每個信道都是一個單向連接。在每個信道中傳輸

10、信號是連續的，以便進行模擬通信。FDMA信道的帶寬一般較小（30kHz），每個信道只支持一個用戶。FDMA作為大多數多信道系統的一部分用于初步分割分配到的寬頻帶。將可用帶寬分配給幾個信道的情況見圖5.1和圖5.2。時分多址TDMA將可用頻譜分成多個時隙，通過分配給每一個用戶一個時隙以便在其中發送或接收。圖5.3顯示如何以一種循環復用的方式把時隙分配給用戶，每個用戶每幀分得一個時隙。TDMA以緩沖和爆發方式發送數據。因此每個信道的發射是不連續的。待發送的輸入數據在前一幀期間被緩存，在分配給該信道的時隙中以較高速率爆發式發送出去。TDMA不能直接傳送模擬信號因為它需要使用緩沖，因而只能用于傳輸數字

11、形式的數據。由于通常發送速率很高，TDMA會受到多徑效應的影響。這導致多徑信號引起碼間干擾。TDMA一般與FDMA結合使用，將可用的全部帶寬劃分為若干信道。這是為了減少每個信道上的用戶數以便使用較低的數據速率。這有助于降低延遲擴展對傳輸的影響。圖5.4顯示TDMA結合FDMA的使用。將基于FDMA的各信道進一步用TDMA劃分，從而多個用戶可以在同一信道上發送信號。這一類傳輸技術用于大多數第二代移動通信系統。對于GSM系統，分配的全部25MHz帶寬被用FDMA分成125個信道，每一個帶寬為200kHz。這些信道又用TDMA進一步分割，每一個200kHz的信道可容納816個用戶。碼分多址CDMA是

12、一種擴頻技術，既不使用頻率信道也不使用時隙。在CDMA中，窄帶的消息（典型的是數字話音）被乘以一個寬帶的偽隨機噪聲（PN碼）信號。一個CDMA系統中的所有用戶使用同一頻帶而且同時發送。發射的信號通過將接收信號與發送者用的PN碼做相關而恢復出來。圖5.5顯示CDMA系統中頻譜的通常使用方式。CDMA技術最初是在第二次世界大戰中由軍方開發的。當時研究人員受到激勵以尋求安全和能夠在干擾中正常工作的通信方式。使CDMA有用的一些特性包括： 信號隱藏，而且不干擾現有系統 抗敵方干擾和噪聲干擾 信息安全 精確測距 多用戶接入 對多徑的適應性多年以來，擴頻技術一直被認為是只適合于軍用。但是隨著大規模集成電路

13、（LSI）和超大規模集成電路（VLSI）設計的快速發展，商用系統也開始使用了。CDMA處理增益要理解擴頻技術最重要的概念之一就是處理增益。系統處理增益是指擴頻系統通過擴頻和反擴頻的性質所表現出來的增益或信噪比的提高。系統處理增益等于使用的擴頻帶寬與數據原來的比特率之比。因此處理增益可寫為：其中BWRF是數據擴展以后的發射帶寬，BWinfo是所發送信息數據的帶寬。圖5.6給出CDMA傳輸過程。待發送的數據（a）在發送前（被）用一個PN碼調制實現擴頻。這使頻譜擴展，如（b）所示。在本例中處理增益為125因為擴頻帶寬是數據帶寬的125倍。（c）是接收信號。它包括要求的信號，附加的背景噪聲，以及其它C

14、DMA用戶或無線電信號源的干擾。接收信號通過將信號與原來用于擴頻的碼進行相乘而恢復出來。這一過程使需要的接收信號反擴頻恢復成原來的發射數據。然而，所有與所用PN碼不相關的其它信號變得更加擴展。然后（d）中的所需信號被濾波出來，而去掉擴頻干擾和噪聲信號。CDMA信號發生 CDMA通過用偽隨機序列（PN碼）調制數據信號來實現，PN碼的碼片頻率高于數據的比特率。PN序列是一系列隨機交替的1和0（稱為碼片）。數據通過與PN碼序列做模-2加法被調制。也可以通過信號相乘得到，只要數據和PN序列都用1和-1表示而不是1和0。圖5.7是一個基本的CDMA發射器。用于數據擴頻的PN碼可由兩種主要類型。短的PN碼

15、（典型長度10128碼片）可用于調制每一個數據比特。短的PN碼對每一比特數據重復使用，可實現接收機的快速和簡單的同步。圖5.8顯示一個使用10個碼片的短碼CDMA信號的產生。另外也可以使用長碼。長碼的程度通常有幾千乃至幾百萬碼片，因此不經常重復。因此他們更難以解碼，所以有益于增加安全性。CDMA前向連接編碼 CDMA系統中從基站到移動電話的前向連接可以使用稱為Walsh碼的特殊正交碼來將同一信道的多用戶分開。這些碼基于Walsh矩陣，它是由二進制元素構成的方陣，其階數是2的冪，由一個基Walsh(1)=W1=0和下式生成：其中Wn是n階Walsh矩陣。例如Walsh碼是正交的，就是說任何兩行間

16、的點積都是0。這是因為任何兩行之間都有一半的比特相同，另一半不同。Walsh矩陣的每一行都可用作CDMA系統中一個用戶的PN碼。這一處理過程使每一用戶的信號與所有其它用戶的信號正交，因而相互之間沒有干擾。不過為了使Walsh碼能起作用，所有用戶的碼片都必須同步。如果一個用戶使用的Walsh碼在時間上相對于其它所有Walsh碼偏移了超過約十分之一的碼片周期，就失去了正交性，導致用戶間干擾。對于前向連接所有用戶的信號源自基站，因此它們很容易同步。CDMA反向連接編碼反向連接不同于前向連接，因為從各用戶發出的信號并不像前向連接那樣由同一個源產生。由于傳播延遲和同步誤差，不同用戶發射的信號在不同時刻到

17、達。由于用戶之間不可避免的定時偏差，Walsh碼幾乎沒用，因為它們之間不再正交。由于這一原因，用不相關而又不正交的偽隨機序列作為各用戶的PN碼。由于調制方法的不同，前向和反向連接的容量是不同的。反向連接是非正交的，導致用戶間的嚴重干擾。由于這一原因，反向信道限制了系統的容量。Unit 8-1第一部分：電磁頻譜仔細研究表8.1中的頻率表可以看到各種用于信息傳輸的光學技術的潛力。人們所感興趣的“現代”常規通信系統的信息傳播速率通常相應于電話系統中的音頻、商用廣播系統中的無線電頻率、或是最先進的視頻節目分配系統中的數字電視數據率。這些數據率通常低于幾個吉赫茲（GHz）。如果傳輸這樣的信息不是將它加載

18、到光纖上，而是加載在略高于最大速率的射頻載波上，則此射頻載波就會是厘米波或是波長更長一些的波。用光載波則有很大的優越性。一個明顯的優點就是光纖的低損耗和方向性。載波的數據率顯然必須高于信息速率。通信系統的一個基本原則是頻率愈高，技術就愈復雜。處理微波就比處理無線電波更困難。隨著波長減小到接近于電路元件的尺寸，電路單元就不再是集總的，導線可起到反射元件以及（或）天線的作用，集總單元則成為電磁諧振器。這通常意味著當發送的信息較多時，代價也較高，因此在較高的信息率要求較高的頻率這層意義上，要考慮傳輸信息的每個bps的成本問題。于是，觀察上述頻率表得到的第一個結論就是，對于頻率為數百特赫茲（THz）的

19、光載波而言，信息的帶寬在某種意義上是免費的。就是說與大多數器件相比，光的波長是如此之小，以至于所用技術與電和微波有根本的不同。一旦我們具備了這樣的技術，則無論信息率有多高，再也沒有必要改變載波了，因為載波頻率高于任何現實信息率所能達到的程度。不過帶寬也不是完全免費的，因為編碼器和解碼器必須工作在相應于信息率的頻率上，而系統其余部分大都只需要處理載波和調制。如果一個元件可以工作在5´1014Hz的頻率上，在這個頻率信息偏移千分之一（相應于500吉赫茲的信息率）對器件的性能將沒有什么影響。因此，只要系統已經建立起來，大體上就可以隨意升級系統而不會涉及常規系統中改變電磁載波所需付出的那種代

20、價。光波的寬頻帶一個結果就是光載波可以同時攜帶許多不同電話信號和電視節目等。通常實現這種同時傳輸多路信息的過程（至少以同步格式實現）稱為時分復用。其原理是：如果要復用16個1 Mbps的不同信道，可將每一比特所占時間除以16，然后將16個數據比特交織成一個持續1微秒的復合比特（即比特率為1 Mbps），這一復合比特實際上帶有16比特的信息。電話通信所用的數據率是64kbps，光載波數百個Tbps帶寬使實現TDM有了極大的可能。當然，TDM并不是人們可以使用的唯一復用方案。可以設想將相隔幾個吉赫茲的若干子載波加載到光載波上。其中每一個載波又可以信息頻率被調制，然后在輸出端按其不同的載波波長重新分

21、離。根據實現方法，這種方案稱為波分復用（WDM）或子載波調制。現在有許多隨著不斷增大的信息流量而擴大鏈路吞吐量的方案，都涉及到將許多TDM信號與WDM載波結合的技術。實際上，WDM密度所受到的限制并不是帶寬而是功率。就是說，每個信道要求有一定的功率。于是信道愈多所需功率也愈大。在達到一定的功率時光纖的非線性變得重要起來，這種非線性往往使信號混合在一起。目前正在進行大量的研究，努力尋求對這種非線性的均衡處理。光載波極高的載波頻率也有缺點，當它通過光速與光的波長相聯系時尤其如此。光波的周期不到2毫微微秒（2´10-15秒）。這意味著對相位的控制要達到毫微微秒級以下的時間間隔。雖然這種技術

22、正在出現，但它們十分復雜，比處理微波或射頻的波形復雜得多。因為這樣，相干光的接收至今仍然是一項實驗室技術。隨著信噪比的提高，看來稀土金屬摻雜光纖放大器的發展使通信系統中不再需要用相干技術。光波的周期短還意味著半微米左右的短波長。光波波長之小使發射和接收模塊得以小型化，這就使光通信系統的尺寸、重量以至價格與相應的微波、無線電波通信系統相比都大為降低。在微波情況下，開放的微波信道排列的密度愈高，竄音就愈嚴重。另一方面，無論將光纖包裝得多緊密，只要包層設計得當基本上就不會有竄音。這導致光纖可用作空分復用（SDM）極佳媒體這樣的優良性質，就是說，可將多個傳輸不同信息流的信道緊密地封裝在一起。 雖然相干

23、光通信系統的所有優點還有待于落實在具體成果中，光輻射的另一性質卻使目前的光通信系統不利于應用。這里，重要的性質是光子能量的屬性。如表8.1所示，光子能量大約在2eV到4eV之間。看起來這是效率方面的一個優點。不過，具有這樣的光子能量需要付出高昂的代價。因為單個光子是可檢測到的，發射/接收過程必然具有顆粒性。如所周知，即使在一場穩定的降雨中，雨滴落地的概率（作為時間的函數）服從Poisson分布，這意味著有成串的雨滴。一滴雨更會在前一滴落下之后立即落下。雨滴是缺乏耐心的，不會等待。幾乎以同樣的方式，即使在恒定偏置電流條件下激光也發出光子束。這就產生一種噪聲，通常稱為散粒噪聲或量子噪聲。在發射/檢

24、測過程中，這一問題對于模擬通信變得相當嚴重，盡管在數字通信中要輕微得多。由于單個光子是可測量的，光量子檢測器能在室溫下工作。因此如果散粒噪聲受到限制，光的直接檢測會十分靈敏。另外，直接檢測與強度調制方案完全兼容，在這些方案中光源實質上只是簡單地接通和斷開。這種調制方案最容易實現。光的波長很小，可以使用小型的光源和檢測器以及微米級的波導，于是用直接檢測方案可實現在許多領域具有競爭力的小巧的寬帶系統，這些領域中特別引人注目的是當前電信傳輸中的應用，盡管無數其他應用也在不斷涌現出來。如前所述，（線路）成本并非電信系統中真正重要的考慮因素，通信設備的成本主要受到其他因素的制約，因此這些應用比預料的出現

25、得慢。在消費電子學中，我們不必操心通路的權利或安裝問題。現在用光技術將相距幾米的個人計算機連接起來是如此昂貴，使得光纖還未能進入消費市場。但是在這種情況下連接的高昂成本并不是根本性的問題，而是一個歷史階段性的問題。目前在毫米級纖芯塑料方面的發展就是一個采用比玻璃光纖便宜得多的技術的實例。光纖連接的元件成本和封裝成本正在下降，新的應用也正在出現。Unit 9-1第一部分：數字信號處理數字信號處理（DSP）是研究數字表示的信號以及這些信號的處理方法。數字信號處理和模擬信號處理是信號處理的子領域。數字信號處理包括音頻及語音信號處理、聲納和雷達信號處理、傳感器陣列處理、譜估計、統計信號處理、圖像處理、

26、通信信號處理、生物醫學信號處理等子領域。數字信號處理的目標通常是測量連續的真實世界的模擬信號或對其濾波，因此，第一步常常是使用模數轉換器將信號從模擬形式轉換成數字形式。通常，要求的輸出信號為另一個模擬輸出信號，這就需要數模轉換器。數字信號處理的算法有時通過使用專用計算機來實現，它們（專用計算機）利用被稱為數字信號處理器的專用微處理器（簡稱DSP）。這些數字信號處理器實時處理信號，通常是針對具體目的而設計的專用集成電路（ASIC）。當靈活性和快速開發比大批量生產的成本更重要時，DSP算法也可以用現場可編程門陣列來實現。數字信號處理域在數字信號處理中，工程師通常在下面幾個域的一個域中來研究數字信號

27、：時域（一維信號），空域（多維信號），頻域，自相關域以及小波域。他們按照某些依據來猜測（或試驗不同的可能性）那一個域能夠最好地表示信號的本質特性來選擇在其中進行信號處理的域。從測量設備得到的樣本序列產生（信號的）時域或空域表示，而離散Fourier變換則產生頻域表示即頻譜。自相關定義為信號與其自身經過時間或空間間隔變化后的互相關。信號采樣隨著計算機應用的增長，數字信號處理的使用和需求日益增多。為了能夠在計算機上使用模擬信號，必須使用模數轉換器（ADC）對其進行數字化。采樣通常分兩步實現：離散化和量化。在離散化階段，信號空間被分割為相等的區間，用相應區間的代表性信號值代替信號本身。在量化階段，用

28、有限集中的值來近似代表性的信號值。為了能夠正確地重建被采樣的模擬信號，必須滿足奈奎斯特-香農采樣定理。定理規定：采樣頻率必須大于兩倍的信號帶寬。實際應用中，采樣頻率通常遠大于信號帶寬的兩倍。最常用的帶寬是：DCBW（基帶）；以及fc±BW，即以載波頻率為中心的頻帶（直接調制）。數模轉換器（DAC）用來將數字信號轉換回模擬信號。數字計算機的使用是數字控制系統的關鍵因素。時域和空域時域和空域中最普通的處理方法是用一種叫做濾波的方法增強輸入信號。濾波通常由在輸入或輸出信號當前樣本周圍的許多樣本的某種變換組成。有很多表示濾波器特性的方法，例如：l “線性”濾波器是對輸入樣本的線性變換；其他的

29、濾波器為非線性的。線性濾波器滿足疊加條件，就是說，如果輸入是不同信號的加權線性組合，輸出就是（各信號）相應輸出的同樣加權線性組合。l “因果”濾波器僅使用以前的輸入或輸出樣本，而“非因果”濾波使用將來的輸入樣本。通常“非因果”濾波器可以加延遲使其成為“因果”濾波器。l “時不變”濾波器對時間具有不變的性質，諸如自適應濾波器等其它濾波器隨時間而改變。l 有些濾波器是“穩定的”，其它的是“不穩定的”。穩定的濾波器產生的輸出信號隨時間收斂于一個不變的值，或在有限的時間間隔內保持有界。不穩定濾波器的輸出是發散的。l “有限脈沖響應”（FIR）濾波器僅使用輸入信號，而“無限脈沖響應”（IIR）濾波器同時

30、使用輸入信號和以前的輸出信號樣本。FIR濾波器總是穩定的，而IIR濾波器可能是不穩定的。l 多數的濾波器可以通過傳輸函數在Z域（頻域的擴展集）中描述。濾波器也可以用差分方程或一組零極點表示，對于FIR濾波器還可以用沖擊響應或階躍響應表示。對于任何給定輸入，FIR濾波器的輸出可以通過輸入信號和沖擊響應的卷積來計算。濾波器還可以用結構圖來表示，它能用來推導樣本處理算法，以便使用硬件指令實現濾波器。頻域信號常常通過Fourier變換從時域或空域變換到頻域。Fourier變換將信號信息變換成每個頻率的幅度和相位成分。Fourier變換常常被變換成功率譜，它是每個頻率分量平方的幅度。用頻域對信號進行分析

31、的最一般的目的是分析信號的特性。工程師可以研究頻譜來得到輸入信號中有哪些頻率信息，而哪些頻率是沒有的。有一些常用的頻域變換。例如倒譜用Fourier變換將信號轉換到頻域，取對數，然后再作第二次Fourier變換。這就強調了幅度較小的頻率成分同時保持了頻率分量的數量級。應用數字信號處理的主要應用是音頻信號處理，音頻壓縮，數字圖像處理，視頻壓縮，語音處理，語音識別，數字通信，雷達，聲納，地震學和生物醫學。具體的例子有數字移動電話的語音壓縮和傳輸，高保真音樂的空間匹配均衡和語音加強應用，天氣預報，經濟測報，地震數據處理，工業過程的分析控制，電影中的計算機動畫制作，醫學成像如計算機斷層掃描和磁共振成像

32、，圖像處理，高保真揚聲器分頻和均衡，以及電吉他擴音器所使用的音效。實現數字信號處理通常使用專用的微處理器來實現，如MC56000和TMS320。它們通常使用定點算法處理數據，盡管也有一些使用浮點算法，運算能力更強大。比較高速的應用可選用FPGA來實現。從2007年開始，已經開始出現DSP的多核實現。對于使用量大的高速應用，可以專門設計ASIC。對于低速應用，速度較慢的傳統處理器如微控制器就能處理。Unit 10-1第一部分：MP3 隨著互聯網時代的到來，希望通過電話線傳輸越來越多的信息。音頻信息是一種愈來愈多被下載的（多媒體）形式，無論是樂隊的唱片選曲，無線電節目，還是視頻伴音。因為電話線的帶

33、寬有限，所以需要對信息（包括音頻）進行壓縮。用于CD和數字電視中存儲數字音頻的傳統方法是每秒抽取并記錄一定次數的聲音幅度值。幅度值的精度是由用于存儲幅度的比特位數決定的。所以，音頻信號消耗的帶寬（或者內存）由以下三個因素決定：每秒鐘的采樣次數（頻率），用于存儲幅度的比特位數（比特深度）以及信號的長度（時間）。當這三個參數已知時，很容易的計算出所用內存： 內存頻率´比特深度´時間此外，如果信號是立體聲的，內存就乘以二，因為立體聲實際上用了兩個信號。 這個等式能用來說明為什么在互聯網上傳輸高品質音頻信號時需要壓縮。CD音頻采用44,100 Hz采樣率的16比特立體聲。這就意味著

34、1分鐘的音頻信號需要使用44,100´16´60´2 = 84,672,000比特，或略超過10兆字節。一個標準的56 kbps的調制解調器需要84,672,000/57344 = 1477秒，或大約25分鐘。等待1分鐘的音頻要25分鐘這么長的時間，因此必須有另一個選擇，這個選擇就是MPEG 音頻第3層，或MP3。編解碼器人的耳朵僅能聽到有限的頻率范圍，因此編解碼可去除這個范圍之外的所有聲音。因為這些聲音是不可能被人聽到的。對聲音應用一種心理聲學模型。在播放音調高的聲音時，要提高使低頻聲能被聽到的臨界分貝數（分貝閾值）。心理聲學模型能去除所有通過這種方式“隱藏”的

35、聲音。下一步就是聯合立體聲。人腦無法估計低頻聲音的方向，所以這個閾值之下的聲音都用單聲道編碼。如果信號某些部分仍然高于所需的比特率，這些部分的音質就會下降。最后，應用哈夫曼編碼，該編碼將所有比特碼字根據其出現的頻率換成獨特的變長比特碼。例如：最常出現的比特模式編碼成“01”，而次常出現的編碼成“010”，下一個被編碼成“011”，依此類推。社會和經濟效應MP3所帶來的社會效應是無法被低估的。它允許新的、未簽約的樂隊在互聯網上發布免費音樂。具有非主流口味（喜好）的人獲取實驗性或不同尋常的音樂比以往容易得多，主流唱片店一般不經銷這些流派的音樂。便攜式硬件MP3播放器現在售價很低，而且還在降低。一些

36、網站如：MP發布著眾多未簽約樂隊的免費MP3。另外一些網站銷售未簽約樂隊的專輯，用一些專輯上的免費MP3音樂讓消費者在購買之前進行試聽。為了提升專輯，一些主流藝術家也會在網上發布一些免費MP3。然而，不幸的是，這種革命存在它的陰暗面。非法網站發行從已成名藝術家的唱片中非法竊取的音樂，這些藝術家因而失去版稅。MP3對經濟的影響與其社會效應是緊密相關。主要的唱片公司差不多因為這可能產生的社會影響而驚恐萬狀。它們拒絕銷售MP3專輯，除非藝術家有足夠的影響。他們急欲建立一種“安全”音樂格式標準，使之不能用于一臺以上的機器（僅能在一臺機器上播放）。微軟最近進行了這樣的嘗試，但失敗了。它們的格式WMT4，

37、在發布之后不到24小時就被破解了。實際上，用于破解WMT4的相同技術可以用于破解任何音樂格式，無論這種格式有多么安全。人們相信，MP3可能是傳統唱片公司的末日。然而，大多數人預見到，唱片公司意識到它們無法打贏這場特殊的戰爭，它們也開始發布MP3專輯。實際上，在這個時代，MP3在安全性上大概并不比CD差很多。結論總之，MP3能以高因子對數字音頻進行壓縮，這使得在互聯網上發布音頻很理想。它對一些未簽約的以及實驗性的樂隊相當流行，還有一些提倡這種技術的已成名藝術家。盡管唱片公司拒絕對其進行支持，但是它們也沒辦法阻止這個潮流。它們發現它們自己完全處于丹麥克努特大帝的處境，盡管從長遠來說，這種狀況必然會

38、改變。MP3文件格式是一種效率極高的壓縮標準，它已經贏得（告別）了WMT4和其他對手發起的挑戰。由于其非常寬松的許可條款，MP3似乎不大可能喪失它的流行性。Unit 11-2第二部分：數字圖像定義和應用圖像無處不在，這毫不足怪，因為我們人類依賴于圖像，我們用眼睛的感知超過所有其它的感知刺激。我們吸收的幾乎所有的信息都是圖像的形式，不論是看一張照片，看電視，欣賞一幅畫，或是讀書，這一切都利用了圖像。圖像對于我們是如此自然，因而總是盡力將幾乎任何信息都轉換為圖像。例如電視天氣預報用圖像表示某一地區的溫度分布，以不同顏色代表不同的溫度，醫學掃描裝置可將人的新陳代謝活動顯示成圖像，用亮點表示強的活動性

39、，等等。此外，我們的視覺通常是我們感官中最有效的：舉例來說，考慮一個電腦鍵盤。每個鍵的功能都用了一個小圖像（一個字符）表示。我們也可以通過一個特定的凹凸紋理來識別每個按鍵，但它的效率遠不及前者。我們甚至可以嘗試給每一個按鍵一個特定氣味，但很容易想象在打字時我們的麻煩。我們也擅長于許多圖像處理任務。舉例來說，我們眼睛的聚焦：當我們看東西時，我們的眼睛傳遞給大腦的第一個圖像可能是未聚焦的，然后大腦試圖通過調節眼睛晶狀體糾正這一點，一個新的圖像就會從眼睛發送到大腦，等等。這種反饋過程是如此之快，甚至我們沒有意識到這一點。另一個例子是立體視覺：我們的眼睛將兩幅二維圖像傳到大腦，而大腦能在瞬息之間將它們

40、合成為一幅三維圖像。圖像處理技術將人類使用圖像的自然方式和數學結合起來。這就提供了獨特的混合，因為可用嚴格數學方法描述圖像和圖像處理又不失圖像的直觀性。圖像處理可以定義為：圖像中信息的處理和分析。當然這個定義是非常寬泛的，包括自然的和人為的處理，從一副眼鏡的使用到哈勃望遠鏡傳輸的圖像的自動分析。我們可以發現身邊圖像處理的簡單方式，包括：- 使用眼鏡或隱形眼鏡- 亮度，對比度等，電視或監視器的控制- 用相機拍攝和沖洗照片- 大自然的例子：水面上景色的反射，水霧中景色的失真，等等。高級圖像處理的應用例子包括：- 司法科學：視頻監控攝像機圖像的增強，圖像中的臉，指紋，DNA碼等的自動識別和分類。-

41、工業：檢驗生產部件，應用于CAD /CAM。- 信息處理： 手寫和印刷文本（經常被稱為OCR;光學字符識別）的識別，印刷圖像的掃描和分類。在醫學中，使用病人的一幅或多幅醫學圖像，可以發現圖像處理的許多應用，例如：- 可視化。 例如：在我們制作一個三維物體的三維可視化之前，我們首先需要從二維圖像中提取物體的信息。- 計算機輔助診斷。 如：現在通常為超過一定年齡的女性定期拍乳房X光片，以發現早期的乳房癌。實踐中圖像數量如此巨大，因而用自動計算機圖像處理來完成部分篩選工作十分有益。- 圖像分割即將圖像分割為有意義的結構。例如：將腦圖像分割為這些結構：腦白質、腦灰質、腦脊髓液、骨質、脂肪、皮膚等。從改

42、善可視化到腫瘤生長的監測，在許多工作中分割是有用的。- 圖像配準，即同一病人兩幅或更多圖像的嚴格對準。若要將這些圖像中包含的信息結合起來形成一幅有意義的新圖像，這種對準是十分必要的。 圖像處理應用可以有很多目的。大多數時候，目的是在一個或幾個這些類別中： - 圖像增強，例如，減少噪聲或圖像銳化。- 模式識別，例如，圖像中某種形狀或紋理的自動檢測。- 將數據量減少為更容易處置或解釋的信息，例如將圖像減小為一幅較簡單的圖像、一組對象或特征、或者一組測量結果。- 圖像合成，如由二維照片重建三維場景。- 圖像拼接。當從同一個場景獲取兩種不同形態（類型）的圖像時，將它們拼接起來涉及配準，其后是數據減少和

43、圖像合成。 - 數據壓縮。為了縮小包含圖像的計算機文件的大小，以及加快網絡中圖像傳輸的速度，數據壓縮常常是必需的。我們關心的只是數字圖像處理，而不是模擬處理，理由是，模擬處理需要專用的硬件，這使得建立一個特殊的圖像處理應用成為一項艱巨的任務。此外，在許多圖像處理領域中模擬硬件的使用正在迅速地成為過去，因為它常常能被更具靈活性的數字硬件（計算機）所取代。 但究竟什么是數字圖像呢？數字圖像獲取與處理的示意圖如圖11.2所示。頂部有某個成像設備，如攝像機，醫療掃描儀，或其它任何可將物理現實的量度轉換為電信號的設備。成像設備產生一個連續的電信號。因為這種模擬信號不能直接用計算機處理，信號通過數字化儀轉

44、換為離散形式。最后產生的圖像便可直接用于數字圖像處理應用。數字化儀完成兩個任務：采樣和量化（見圖11.3）。在采樣過程中，圖像中連續信號的值在特定位置被采樣。在量化過程中，真實值被離散化為數字數值。量化后的圖像我們稱為數字圖像。這樣就回答了本節開頭的問題：數字圖像只不過是一個數值的矩陣。每個矩陣元素，即已量化樣本，被稱為圖像元素或像素。對于三維圖像則稱為體積元素或體素。 我們可以用兩個坐標(x; y)表示圖像中每個像素的位置。按照慣例，(0; 0)像素，即原點，是在圖像的左上角，X軸是從左向右，Y軸自上而下（見圖11.4 ）。這可能要用一點功夫去習慣它，因為它不同于常規的二元函數的數學表示法，

45、也不同于常規的矩陣坐標。如果一幅數字圖像僅僅是一個數值矩陣，有人可能會說：數字圖像處理只不過是一種對矩陣進行運算的數學算法的集合。幸運的是，現實情況遠非所說的那么枯燥乏味，因為在實際中，我們很少使用圖11.3所示的矩陣表示，而是對圖11.3的中間圖像進行處理，實際上是同一幅圖像，但將光強度賦予每一個數，對人而言它通常更有意義。你會發現圖像處理算法將被描述為數學算子作用于像素值或像素矩陣，這些算法的運算結果也將被用圖像形式顯示出來。Unit 13-2第二部分：信息安全的基本原理20多年來，信息安全的核心原理一直由3個關鍵概念構成：機密性、完整性、可用性。我們稱之為CIA三要素（confident

46、iality, integrity and availability）。機密性通常當我們要辦駕照、租房、醫保或者申請貸款等時候，想要不暴露自己的個人信息事實上是不可能的。諸如姓名、地址、電話號碼、出生日期、社保號、婚嫁狀況、子女數量、娘家姓、收入、工作、病史等等，這些都是我們非常個人和隱私的信息，但經常我們仍需要提供這些信息來進行商業活動。我們通常信任向他們透露這類個人信息的人員、公司、機構會采取措施確保我們的信息將得到保護，不會無意或有意向未被授權者披露，同時這些信息將僅僅被有權并且真正需要得知該信息的人所分享。具有機密性的信息必須只能被授權的人訪問、使用、復制和披露，并且應當僅在需要的時候

47、進行訪問、使用、復制和披露。當被認為是具有機密性質的信息已被（或者可能已被）未受權接觸該信息的人所接觸、使用、復制、披露時，即發生了泄密。例如：當你在處理機密文件時，讓一個沒有得到授權的人從背后偷看你的屏幕，而屏幕上正顯示機密數據的時候，即發生了泄密；如果包含有100000個雇員津貼信息的筆記本電腦被從車里偷了（或者在eBay上賣了）也會造成泄密，因為這些信息到了沒有授權的人的手上。把機密信息通過電話告訴給未授權者也是泄密。所以機密性是對那些持有他人個人資料的機構維護他人隱私的一項要求。完整性在信息安全中，完整性意味著未經授權，數據不能被創建、修改、或者刪除。這也意味著存儲在數據庫系統中某一部

48、分的數據與存放在該系統另一部分（或另一系統）的其它有關數據相一致。例如：當數據服務器電源突然中斷或者執行了未經維護的不當關機，就會造成對完整性的破壞。當雇員不小心或者惡意刪除了重要數據，也是一種對完整性的破壞。當網上購物者能修改他們所購買產品的價格時，信息的完整性就被破壞了。可用性信息可用性是指當需要某一信息時，信息本身、用來處理信息的計算機、保護信息的安全控制都處于有效可用的狀態，并且功能正常。反之則是服務拒絕(DOS)。結論信息安全是一個以應有的關注和認真態度對信息和信息系統不斷進行（保護）的過程，使之不被非授權者接觸、使用、披露、破壞、修改、擾亂。信息安全這一永無止盡的過程包含不斷的訓練

49、、評估、保護、監視和檢測、對事件的響應和修復、形成文檔、檢查。1989年，卡內基梅隆大學建立了信息網絡學院，美國的第一家致力于信息網絡的研究和教育的中心。該學院與一些職業化組織在20世紀末和21世紀初對電腦安全、信息安全以及信息保障進行規范和整合。可通過自學、高等院校學習、為期僅一周的強化訓練營進入這一領域。很多學院、大學和培訓公司提供在線的培訓項目。信息安全職業對安全專業人員的需求日增，這些專業人員具有網絡安全審核、入侵測試、數字取證調查方面的經驗。Unit 15-1第一部分：遙感技術綜述在150多年前，現代遙感技術伴隨著照相機的發明應運而生。盡管一開始，很早期的照片是地面的靜態圖片，19世

50、紀40年代，為了繪制地形圖，當照相機被放在系留氣球上來拍攝照片，俯視地球表面的想法和實踐開始了。19世紀末最新的平臺也許是在歐洲作為新奇事物的著名的鴿子群。到了第一次世界大戰，安裝在飛機上的照相機能夠提供相當大表面區域的俯視圖，這在軍事偵察方面是價值無量的。從那時到20世紀60年代早期，航空照片是從垂直或傾斜角度描繪地球表面的唯一標準工具。人造衛星遙感技術可以追溯到太空時代早期，實際上，它最初是在太空飛船上使用多種傳感器對表面成像的方法。20世紀60年代，隨著太空計劃出現，環球軌道宇航員很像旅行者通過太空船的窗口進行拍照。現在“遙感”這個詞被普遍用來描述在不與目標直接接觸的情況下，對目標進行識

51、別、觀察和測量的科學技術。這一過程包含檢測和測量從遠處目標反射回來或發射出來的不同波長的輻射，由這些輻射，可按種類、物質、空間分布對目標進行識別和分類。輻射除非是絕對零度（-273°C），物體總是以一種特殊的方式反射、吸收和放射能量。這種能量，被稱為電磁輻射，它以波的形式發射，其能量能夠從一個地方傳輸到另一個地方。例如，樹，空氣，太陽，地球和所有的恒星和行星都一直反射和放射大范圍的電磁波。這些波是由億萬個振動的電子、原子、分子發出的，它們以獨特的波長組合發出和吸收電磁輻射。一個物體發射電磁波的量主要依賴于它的溫度。物體溫度越高，電子振動就越快，發射出的電磁波峰值波長就越小。電磁波譜電

52、磁現象的基本單元是光子，它是某一波長的電磁波能量可能的最小量。獨個光子能以波的形式運動，速度可達光速300,000 km/sec，就像波浪在海洋中傳播一樣。一個光子的能量決定該光的頻率。光子的能量越大，該光的頻率就越大，反之亦然。完整的電磁波排列組成電磁波譜。之所以稱其為電磁波是因為它們包含了當帶電粒子（電子）加速時產生的組合的電波和磁波。電磁波譜劃分成幾個區域并分別命名。在高頻端是射線和x射線。在紫外線區域的電磁波的波長范圍大約從1納米到0.36微米。可以很方便地用以下兩個單位度量頻譜的中頻段：微米，它的長度相當于一米的百萬分之一，或者是納米，它的長度相當于一米的十億分之一。可見光區域的范圍

53、從0.4微米到0.7微米。紅外波段的范圍為0.7微米到100微米。紅外線在其較短波長上（接近0.7微米）可以用特殊的薄膜探測，而在其較長的波長上感覺是熱量。以毫米到米為單位來測量較大波長區域。微波區域從1毫米到1米，它包含了用于雷達系統的所有波段，雷達系統是自己主動產生輻射，發射到感興趣目標并從感興趣目標反射回來。頻率最低的區域，波長大于1米，稱為無線電波。吸收帶和大氣窗口 有幾種電磁輻射很容易地穿過大氣層，而其他的則不能。大氣層允許輻射穿越的能力隨輻射波的波長或類型而變化。構成大氣層的氣體吸收某些特定波長的輻射而允許另一些波長的輻射通過大氣層。能夠被水蒸汽，二氧化碳和臭氧等大氣層氣體吸收的電

54、磁波譜區域稱為吸收帶。吸收帶傳輸量很低，對應于特定的波長范圍。對比于吸收帶，有些電磁波譜的區域，大氣對于特定的波長是透明的。這些波段稱為大氣窗口，因為它們能讓輻射很容易穿過大氣到達地面。大多數裝在飛機或太空平臺上的遙感儀器工作在一個或多個這樣的“窗口”范圍里，這是通過將其檢測裝置調諧在能穿透大氣層的特定頻率（波長）上而實現的。當遙感儀器的視距覆蓋到正在反射太陽光或放射熱量的物體時，這種裝置就收集和記錄輻射的能量。然而大部分的遙感系統都被設計用來收集反射能量，某些傳感器，特別是那些氣象衛星上的傳感器，直接測量吸收現象。大氣對部分中紅外和所有的遠紅外波段的電磁波輻射幾乎是不透明的。相比之下，在微波

55、段的大部分輻射不受阻礙，因此雷達波能到達地面。像素，比特和顏色利用無線電波，從地球軌道衛星得到的數據能以一種常規的方式發送到具有適當裝備的地面基站。當接收到這些數據后，它們被轉換為能夠在電腦屏幕上顯示的數字圖像。衛星圖像由許多小方塊組成，每一個方塊擁有不同的灰度或顏色。這些方塊稱為像素，表示那部分圖像記錄的相對的反射光能量。每一個像素描述圖像上的一個正方形區域，它是傳感器分辨不同尺寸對象的能力的度量。比如，在Landsat衛星7上的增強型專題制圖儀擁有最大為15米的分辨率，因此每個像素描述的區域為15米*15米，或者225m2。較高的分辨率意味著傳感器能辨別更小的對象。通過合計一幅圖像的像素數

56、目，能夠計算某個場景的范圍。例如，如果你能計算在人造彩色圖像中的綠色的像素點數目，你就能計算整個植物帶的覆蓋范圍。太空船使用8位二進制數字，它的范圍為00000000 到 11111111（即十進制中的0到255）。用8比特的數據，我們將圖像中最暗的點賦值為0，最亮的點賦值為255。這就在黑和白之間產生256個灰度值。正是這些二進制數字使得太空船可以發回各行各列的像素，而通過電腦能明白每個像素數值。大多數遙感圖像的另外一個重要因素是顏色。雖然變化的黑白圖像具有較大的信息量，但人眼能區分的不同灰度色調局限在大約20到30級。另一方面，人眼能區分20000或更多的色彩，這使得目標物體內小的但往往是

57、重要的變化會被辨別出來。因為不同的頻帶（或波長）擁有不同的對比度，計算機能從黑白遙感數據中產生彩色圖像。計算機屏幕能使用藍光，綠光和紅光顯示三種不同的圖像。結合這三種光波長將產生我們眼睛能看見的彩色圖像。這是通過顯示黑白衛星圖像完成的，它與藍，綠，紅光的不同波段相對應來實現波段間的相對對比度。最終，當這三種顏色結合在一起，一幅彩色圖像，稱為偽彩色圖像，就產生了。遙感方法有兩種遙感儀器被動的和主動的。被動儀器檢測從觀測場景反射或發出的自然能量。被動儀器只感知被觀測對象發出的輻射或來自某個源而不是儀器的被對象反射的輻射。反射太陽光是被動儀器最常檢測的外部輻射源。科學家們常使用各種各樣的被動遙感儀器

58、。1.輻射計：一種在頻譜某些波段上定量測量電磁輻射強度的儀器。輻射計通常又按其覆蓋的頻譜范圍來區分，例如可見光、紅外、微波。2.圖像輻射計：一種具有掃描能力，能提供用以生成圖像的像素二維陣列的輻射計，稱為圖像輻射計。掃描可以機械實現或用探測器陣列電子實現。3.分光計：一種設計來檢測，測量和分析入射電磁輻射光譜成分的儀器，稱為分光計。通常，圖像分光計用光柵或棱鏡分散輻射來分辨光譜。4.分光輻射計：一種能測量在多重波長段中輻射強度的輻射計。這些頻帶經常具有高分辨率，是為特定參數的遙感而設計的，如海面溫度、云地特性、植被、大氣層的微量化學成分等。主動儀器自己提供能量（電磁輻射）來照射要觀察的對象或場景。它們從傳感器向目標對象發送一個脈沖能量然后接收被對象的反射或反向散射的輻射。科學家們使用許多不同種類的主動遙感儀器。1.雷達（無線電探測和搜索）：雷達用一個工作在射頻或微波頻率的發射機來發出電磁輻射，用一個方向性天線或接收器來測量從遠處目標反射或反向散射回來的輻射脈沖的到達時間。由于電磁波以光速傳播，到達對象的距離