信息科學(xué)與技術(shù)英語復(fù)習(xí)題翻譯

1、Unit 3-3第三部分：微波 微波是波長(zhǎng)比頻率為特赫茲（THz）的波更長(zhǎng)，但比無線電波短的電磁波。微波的波長(zhǎng)范圍大約在30厘米（頻率= 1 GHz ）到1毫米（ 300 GHz）之間。這個(gè)波長(zhǎng)范圍已經(jīng)使人對(duì)命名習(xí)慣提出了問題，因?yàn)槲⒉ㄊ谷寺?lián)想到微米波長(zhǎng)。然而，遠(yuǎn)紅外光，赫特輻射，微波，超高頻無線電波之間的界限相當(dāng)隨意的，在不同的學(xué)科領(lǐng)域有不同的用法。電磁理論的同一個(gè)方程組應(yīng)用于所有頻率。當(dāng)信號(hào)的波長(zhǎng)和設(shè)備的尺寸大致相同時(shí)，儀器和技術(shù)可被描述為“微波”，因此集總元件電路理論不再準(zhǔn)確。微波這個(gè)術(shù)語一般是指“頻率為300 MHz和300GHz之間的交流電信號(hào)” 。但是，IEC標(biāo)準(zhǔn)60050和IEE

2、E標(biāo)準(zhǔn)100都定義“微波”頻率從1 GHz（ 30厘米波長(zhǎng)）開始。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋于1864年根據(jù)他的方程組預(yù)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(gòu)建了在UHF頻段產(chǎn)生和檢測(cè)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(zhǎng)對(duì)鐘進(jìn)行的無線電控制，并引導(dǎo)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(hào)。地球大氣對(duì)高于300 GHz的電磁輻射的吸收是如此之大，以至于變得實(shí)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(chǎng)和磁場(chǎng)影響的真空內(nèi)由電子的沖擊運(yùn)動(dòng)而工作的，包括磁控管，速調(diào)管，行波管和振動(dòng)陀螺儀。這些器件工作在密度調(diào)制模式而不是電流調(diào)制方式。這意味著它們是基于真空管發(fā)出的電子簇工作的，而不是用連續(xù)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(zhǎng)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(fù)電，因此它們力圖與微波波束所引起的交變電場(chǎng)保持一致而發(fā)生旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)分子撞擊其它分子使他們

4、運(yùn)動(dòng)，這種分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量。微波加熱對(duì)液態(tài)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(zhuǎn)動(dòng)）。微波加熱有時(shí)被錯(cuò)誤地解釋為水分子的旋轉(zhuǎn)共振，而這種共振只能發(fā)生在數(shù)十千兆赫的高頻。此外，大型工業(yè)/商業(yè)微波爐在900兆赫的范圍內(nèi)工作，也能很好地加熱水和食物。一個(gè)常見的誤解是，微波爐從“從里面到外面” 徹底地烹調(diào)食物的。實(shí)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(diào)食物。實(shí)際上它是由運(yùn)動(dòng)引起的摩擦產(chǎn)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(dǎo)電物質(zhì)，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(dá)幾

5、個(gè)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(nèi)的熱對(duì)流，它們?cè)谑澄锉砻娲鎯?chǔ)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(qiáng)。微波無線電用于廣播和電信傳輸，這是因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)短，與波長(zhǎng)較長(zhǎng)（低頻）時(shí)相比，方向性天線體積更小也更實(shí)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(shí)可用帶寬小于300兆赫，而在300兆赫以上可用頻帶達(dá)到幾個(gè)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(hào)從一個(gè)偏僻地點(diǎn)發(fā)送到電視臺(tái)。在光纖傳輸出現(xiàn)之前，大部分的長(zhǎng)途電話都是通過各站點(diǎn)，像AT&T公司的通信設(shè)備，之間微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接來

6、傳送。從20世紀(jì)50年代開始，人們用頻分復(fù)用在每一個(gè)微波無線電信道中傳送多達(dá)5400路電話，將10路無線電信道組合起來送到一個(gè)天線，發(fā)送到70公里以外的下一個(gè)中繼站。雷達(dá)也是用微波來檢測(cè)遠(yuǎn)距離物體的范圍，速度和其它特征的。無線局域網(wǎng)協(xié)議，如藍(lán)牙和IEEE 802.11規(guī)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(nèi)我們可以發(fā)現(xiàn)許多國(guó)家（但不包括美國(guó)）的經(jīng)授權(quán)許可的遠(yuǎn)距離無線互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)。 城域網(wǎng)：城域網(wǎng)協(xié)議，如WiMAX （微波接入的全球互通）是基于IEEE 802.16規(guī)范。IEEE 802

7、.16規(guī)范設(shè)計(jì)工作在2至11千兆赫。商業(yè)實(shí)現(xiàn)是在2.5千兆赫，3.5千兆赫和5.8千兆赫。廣域移動(dòng)寬帶無線接入： 基于IEEE 802.20或ATIS/ANSI HC-SDMA（如 iBurst ) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的MBWA協(xié)議設(shè)計(jì)工作在1.6和2.3 GHz之間，提供移動(dòng)性和樓宇內(nèi)部穿透性，類似于移動(dòng)電話但頻譜效率更高。 有線電視和同軸電纜上的互聯(lián)網(wǎng)接入以及廣播電視使用一些低頻微波。一些移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)，像GSM，也使用較低的微波頻率。許多半導(dǎo)體處理工藝用微波來產(chǎn)生等離子體，用于反應(yīng)離子蝕刻和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）。微波可用于長(zhǎng)距離傳輸電能（微波輸能），二戰(zhàn)后就研究了可能性。美國(guó)航空航

8、天局在20世紀(jì)70年代和80年代初期研究利用太陽能發(fā)電衛(wèi)星系統(tǒng)SPS的可能性，這種系統(tǒng)裝有大型太陽能陣列，通過微波向地球表面發(fā)送能量。邁澤是和激光相似的設(shè)備，除了前者是工作在微波頻率。大部分射電天文學(xué)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(xué)會(huì)定義的微波頻率波段如表3.1。 Unit 5-1第一部分：多址技術(shù)：頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址多址方案用于使許多用戶同時(shí)使用同一個(gè)固定帶寬的無線電頻譜。在任何無線電系統(tǒng)中分配的帶寬總是有限的。移動(dòng)電話系統(tǒng)的典型總帶寬是50

9、MHz，它被分成兩半用以提供系統(tǒng)的前向和反向連接。任何無線網(wǎng)絡(luò)為了提高用戶容量都需要共享頻譜。頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）是無線系統(tǒng)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(kuò)展和混合技術(shù)，例如正交頻分復(fù)用（OFDM），以及混合時(shí)分和頻分多址系統(tǒng)。不過要了解任何擴(kuò)展技術(shù)首先要求對(duì)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(gè)較窄的頻帶。每一用戶被分配一個(gè)獨(dú)特的頻帶用于發(fā)送和接收。在一次通話中其他用戶不能使用同一頻帶。每個(gè)用戶分配到一個(gè)由基站到移動(dòng)電話的前向信道以及一個(gè)返回基站的反向信道，每個(gè)信道都是一個(gè)單向連接。在每個(gè)信道中傳輸

10、信號(hào)是連續(xù)的，以便進(jìn)行模擬通信。FDMA信道的帶寬一般較小（30kHz），每個(gè)信道只支持一個(gè)用戶。FDMA作為大多數(shù)多信道系統(tǒng)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(gè)信道的情況見圖5.1和圖5.2。時(shí)分多址TDMA將可用頻譜分成多個(gè)時(shí)隙，通過分配給每一個(gè)用戶一個(gè)時(shí)隙以便在其中發(fā)送或接收。圖5.3顯示如何以一種循環(huán)復(fù)用的方式把時(shí)隙分配給用戶，每個(gè)用戶每幀分得一個(gè)時(shí)隙。TDMA以緩沖和爆發(fā)方式發(fā)送數(shù)據(jù)。因此每個(gè)信道的發(fā)射是不連續(xù)的。待發(fā)送的輸入數(shù)據(jù)在前一幀期間被緩存，在分配給該信道的時(shí)隙中以較高速率爆發(fā)式發(fā)送出去。TDMA不能直接傳送模擬信號(hào)因?yàn)樗枰褂镁彌_，因而只能用于傳輸數(shù)字

11、形式的數(shù)據(jù)。由于通常發(fā)送速率很高，TDMA會(huì)受到多徑效應(yīng)的影響。這導(dǎo)致多徑信號(hào)引起碼間干擾。TDMA一般與FDMA結(jié)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(gè)信道上的用戶數(shù)以便使用較低的數(shù)據(jù)速率。這有助于降低延遲擴(kuò)展對(duì)傳輸?shù)挠绊?。圖5.4顯示TDMA結(jié)合FDMA的使用。將基于FDMA的各信道進(jìn)一步用TDMA劃分，從而多個(gè)用戶可以在同一信道上發(fā)送信號(hào)。這一類傳輸技術(shù)用于大多數(shù)第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)。對(duì)于GSM系統(tǒng)，分配的全部25MHz帶寬被用FDMA分成125個(gè)信道，每一個(gè)帶寬為200kHz。這些信道又用TDMA進(jìn)一步分割，每一個(gè)200kHz的信道可容納816個(gè)用戶。碼分多址CDMA是

12、一種擴(kuò)頻技術(shù)，既不使用頻率信道也不使用時(shí)隙。在CDMA中，窄帶的消息（典型的是數(shù)字話音）被乘以一個(gè)寬帶的偽隨機(jī)噪聲（PN碼）信號(hào)。一個(gè)CDMA系統(tǒng)中的所有用戶使用同一頻帶而且同時(shí)發(fā)送。發(fā)射的信號(hào)通過將接收信號(hào)與發(fā)送者用的PN碼做相關(guān)而恢復(fù)出來。圖5.5顯示CDMA系統(tǒng)中頻譜的通常使用方式。CDMA技術(shù)最初是在第二次世界大戰(zhàn)中由軍方開發(fā)的。當(dāng)時(shí)研究人員受到激勵(lì)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(hào)隱藏，而且不干擾現(xiàn)有系統(tǒng) 抗敵方干擾和噪聲干擾 信息安全 精確測(cè)距 多用戶接入 對(duì)多徑的適應(yīng)性多年以來，擴(kuò)頻技術(shù)一直被認(rèn)為是只適合于軍用。但是隨著大規(guī)模集成電路

13、（LSI）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）設(shè)計(jì)的快速發(fā)展，商用系統(tǒng)也開始使用了。CDMA處理增益要理解擴(kuò)頻技術(shù)最重要的概念之一就是處理增益。系統(tǒng)處理增益是指擴(kuò)頻系統(tǒng)通過擴(kuò)頻和反擴(kuò)頻的性質(zhì)所表現(xiàn)出來的增益或信噪比的提高。系統(tǒng)處理增益等于使用的擴(kuò)頻帶寬與數(shù)據(jù)原來的比特率之比。因此處理增益可寫為：其中BWRF是數(shù)據(jù)擴(kuò)展以后的發(fā)射帶寬，BWinfo是所發(fā)送信息數(shù)據(jù)的帶寬。圖5.6給出CDMA傳輸過程。待發(fā)送的數(shù)據(jù)（a）在發(fā)送前（被）用一個(gè)PN碼調(diào)制實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。這使頻譜擴(kuò)展，如（b）所示。在本例中處理增益為125因?yàn)閿U(kuò)頻帶寬是數(shù)據(jù)帶寬的125倍。（c）是接收信號(hào)。它包括要求的信號(hào)，附加的背景噪聲，以及其它C

14、DMA用戶或無線電信號(hào)源的干擾。接收信號(hào)通過將信號(hào)與原來用于擴(kuò)頻的碼進(jìn)行相乘而恢復(fù)出來。這一過程使需要的接收信號(hào)反擴(kuò)頻恢復(fù)成原來的發(fā)射數(shù)據(jù)。然而，所有與所用PN碼不相關(guān)的其它信號(hào)變得更加擴(kuò)展。然后（d）中的所需信號(hào)被濾波出來，而去掉擴(kuò)頻干擾和噪聲信號(hào)。CDMA信號(hào)發(fā)生 CDMA通過用偽隨機(jī)序列（PN碼）調(diào)制數(shù)據(jù)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，PN碼的碼片頻率高于數(shù)據(jù)的比特率。PN序列是一系列隨機(jī)交替的1和0（稱為碼片）。數(shù)據(jù)通過與PN碼序列做模-2加法被調(diào)制。也可以通過信號(hào)相乘得到，只要數(shù)據(jù)和PN序列都用1和-1表示而不是1和0。圖5.7是一個(gè)基本的CDMA發(fā)射器。用于數(shù)據(jù)擴(kuò)頻的PN碼可由兩種主要類型。短的PN碼

15、（典型長(zhǎng)度10128碼片）可用于調(diào)制每一個(gè)數(shù)據(jù)比特。短的PN碼對(duì)每一比特?cái)?shù)據(jù)重復(fù)使用，可實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的快速和簡(jiǎn)單的同步。圖5.8顯示一個(gè)使用10個(gè)碼片的短碼CDMA信號(hào)的產(chǎn)生。另外也可以使用長(zhǎng)碼。長(zhǎng)碼的程度通常有幾千乃至幾百萬碼片，因此不經(jīng)常重復(fù)。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(tǒng)中從基站到移動(dòng)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(jìn)制元素構(gòu)成的方陣，其階數(shù)是2的冪，由一個(gè)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(diǎn)積都是0。這是因?yàn)槿魏蝺尚兄g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(tǒng)中一個(gè)用戶的PN碼。這一處理過程使每一用戶的信號(hào)與所有其它用戶的信號(hào)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(gè)用戶使用的Walsh碼在時(shí)間上相對(duì)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(dǎo)致用戶間干擾。對(duì)于前向連接所有用戶的信號(hào)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?yàn)閺母饔脩舭l(fā)出的信號(hào)并不像前向連接那樣由同一個(gè)源產(chǎn)生。由于傳播延遲和同步誤差，不同用戶發(fā)射的信號(hào)在不同時(shí)刻到

17、達(dá)。由于用戶之間不可避免的定時(shí)偏差，Walsh碼幾乎沒用，因?yàn)樗鼈冎g不再正交。由于這一原因，用不相關(guān)而又不正交的偽隨機(jī)序列作為各用戶的PN碼。由于調(diào)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(dǎo)致用戶間的嚴(yán)重干擾。由于這一原因，反向信道限制了系統(tǒng)的容量。Unit 8-1第一部分：電磁頻譜仔細(xì)研究表8.1中的頻率表可以看到各種用于信息傳輸?shù)墓鈱W(xué)技術(shù)的潛力。人們所感興趣的“現(xiàn)代”常規(guī)通信系統(tǒng)的信息傳播速率通常相應(yīng)于電話系統(tǒng)中的音頻、商用廣播系統(tǒng)中的無線電頻率、或是最先進(jìn)的視頻節(jié)目分配系統(tǒng)中的數(shù)字電視數(shù)據(jù)率。這些數(shù)據(jù)率通常低于幾個(gè)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(huì)是厘米波或是波長(zhǎng)更長(zhǎng)一些的波。用光載波則有很大的優(yōu)越性。一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)就是光纖的低損耗和方向性。載波的數(shù)據(jù)率顯然必須高于信息速率。通信系統(tǒng)的一個(gè)基本原則是頻率愈高，技術(shù)就愈復(fù)雜。處理微波就比處理無線電波更困難。隨著波長(zhǎng)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(dǎo)線可起到反射元件以及（或）天線的作用，集總單元?jiǎng)t成為電磁諧振器。這通常意味著當(dāng)發(fā)送的信息較多時(shí)，代價(jià)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(gè)bps的成本問題。于是，觀察上述頻率表得到的第一個(gè)結(jié)論就是，對(duì)于頻率為數(shù)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(fèi)的。就是說與大多數(shù)器件相比，光的波長(zhǎng)是如此之小，以至于所用技術(shù)與電和微波有根本的不同。一旦我們具備了這樣的技術(shù)，則無論信息率有多高，再也沒有必要改變載波了，因?yàn)檩d波頻率高于任何現(xiàn)實(shí)信息率所能達(dá)到的程度。不過帶寬也不是完全免費(fèi)的，因?yàn)榫幋a器和解碼器必須工作在相應(yīng)于信息率的頻率上，而系統(tǒng)其余部分大都只需要處理載波和調(diào)制。如果一個(gè)元件可以工作在5´1014Hz的頻率上，在這個(gè)頻率信息偏移千分之一（相應(yīng)于500吉赫茲的信息率）對(duì)器件的性能將沒有什么影響。因此，只要系統(tǒng)已經(jīng)建立起來，大體上就可以隨意升級(jí)系統(tǒng)而不會(huì)涉及常規(guī)系統(tǒng)中改變電磁載波所需付出的那種代

20、價(jià)。光波的寬頻帶一個(gè)結(jié)果就是光載波可以同時(shí)攜帶許多不同電話信號(hào)和電視節(jié)目等。通常實(shí)現(xiàn)這種同時(shí)傳輸多路信息的過程（至少以同步格式實(shí)現(xiàn)）稱為時(shí)分復(fù)用。其原理是：如果要復(fù)用16個(gè)1 Mbps的不同信道，可將每一比特所占時(shí)間除以16，然后將16個(gè)數(shù)據(jù)比特交織成一個(gè)持續(xù)1微秒的復(fù)合比特（即比特率為1 Mbps），這一復(fù)合比特實(shí)際上帶有16比特的信息。電話通信所用的數(shù)據(jù)率是64kbps，光載波數(shù)百個(gè)Tbps帶寬使實(shí)現(xiàn)TDM有了極大的可能。當(dāng)然，TDM并不是人們可以使用的唯一復(fù)用方案?？梢栽O(shè)想將相隔幾個(gè)吉赫茲的若干子載波加載到光載波上。其中每一個(gè)載波又可以信息頻率被調(diào)制，然后在輸出端按其不同的載波波長(zhǎng)重新分

21、離。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法，這種方案稱為波分復(fù)用（WDM）或子載波調(diào)制?，F(xiàn)在有許多隨著不斷增大的信息流量而擴(kuò)大鏈路吞吐量的方案，都涉及到將許多TDM信號(hào)與WDM載波結(jié)合的技術(shù)。實(shí)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(gè)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(dá)到一定的功率時(shí)光纖的非線性變得重要起來，這種非線性往往使信號(hào)混合在一起。目前正在進(jìn)行大量的研究，努力尋求對(duì)這種非線性的均衡處理。光載波極高的載波頻率也有缺點(diǎn)，當(dāng)它通過光速與光的波長(zhǎng)相聯(lián)系時(shí)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(duì)相位的控制要達(dá)到毫微微秒級(jí)以下的時(shí)間間隔。雖然這種技術(shù)

22、正在出現(xiàn)，但它們十分復(fù)雜，比處理微波或射頻的波形復(fù)雜得多。因?yàn)檫@樣，相干光的接收至今仍然是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)。隨著信噪比的提高，看來稀土金屬摻雜光纖放大器的發(fā)展使通信系統(tǒng)中不再需要用相干技術(shù)。光波的周期短還意味著半微米左右的短波長(zhǎng)。光波波長(zhǎng)之小使發(fā)射和接收模塊得以小型化，這就使光通信系統(tǒng)的尺寸、重量以至價(jià)格與相應(yīng)的微波、無線電波通信系統(tǒng)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(yán)重。另一方面，無論將光纖包裝得多緊密，只要包層設(shè)計(jì)得當(dāng)基本上就不會(huì)有竄音。這導(dǎo)致光纖可用作空分復(fù)用（SDM）極佳媒體這樣的優(yōu)良性質(zhì)，就是說，可將多個(gè)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(tǒng)的所有優(yōu)點(diǎn)還有待于落實(shí)在具體成果中，光輻射的另一性質(zhì)卻使目前的光通信系統(tǒng)不利于應(yīng)用。這里，重要的性質(zhì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。不過，具有這樣的光子能量需要付出高昂的代價(jià)。因?yàn)閱蝹€(gè)光子是可檢測(cè)到的，發(fā)射/接收過程必然具有顆粒性。如所周知，即使在一場(chǎng)穩(wěn)定的降雨中，雨滴落地的概率（作為時(shí)間的函數(shù)）服從Poisson分布，這意味著有成串的雨滴。一滴雨更會(huì)在前一滴落下之后立即落下。雨滴是缺乏耐心的，不會(huì)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(fā)出光子束。這就產(chǎn)生一種噪聲，通常稱為散粒噪聲或量子噪聲。在發(fā)射/檢

24、測(cè)過程中，這一問題對(duì)于模擬通信變得相當(dāng)嚴(yán)重，盡管在數(shù)字通信中要輕微得多。由于單個(gè)光子是可測(cè)量的，光量子檢測(cè)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(cè)會(huì)十分靈敏。另外，直接檢測(cè)與強(qiáng)度調(diào)制方案完全兼容，在這些方案中光源實(shí)質(zhì)上只是簡(jiǎn)單地接通和斷開。這種調(diào)制方案最容易實(shí)現(xiàn)。光的波長(zhǎng)很小，可以使用小型的光源和檢測(cè)器以及微米級(jí)的波導(dǎo)，于是用直接檢測(cè)方案可實(shí)現(xiàn)在許多領(lǐng)域具有競(jìng)爭(zhēng)力的小巧的寬帶系統(tǒng)，這些領(lǐng)域中特別引人注目的是當(dāng)前電信傳輸中的應(yīng)用，盡管無數(shù)其他應(yīng)用也在不斷涌現(xiàn)出來。如前所述，（線路）成本并非電信系統(tǒng)中真正重要的考慮因素，通信設(shè)備的成本主要受到其他因素的制約，因此這些應(yīng)用比預(yù)料的出現(xiàn)

25、得慢。在消費(fèi)電子學(xué)中，我們不必操心通路的權(quán)利或安裝問題?，F(xiàn)在用光技術(shù)將相距幾米的個(gè)人計(jì)算機(jī)連接起來是如此昂貴，使得光纖還未能進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)。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(gè)歷史階段性的問題。目前在毫米級(jí)纖芯塑料方面的發(fā)展就是一個(gè)采用比玻璃光纖便宜得多的技術(shù)的實(shí)例。光纖連接的元件成本和封裝成本正在下降，新的應(yīng)用也正在出現(xiàn)。Unit 9-1第一部分：數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理（DSP）是研究數(shù)字表示的信號(hào)以及這些信號(hào)的處理方法。數(shù)字信號(hào)處理和模擬信號(hào)處理是信號(hào)處理的子領(lǐng)域。數(shù)字信號(hào)處理包括音頻及語音信號(hào)處理、聲納和雷達(dá)信號(hào)處理、傳感器陣列處理、譜估計(jì)、統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理、圖像處理、

26、通信信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理等子領(lǐng)域。數(shù)字信號(hào)處理的目標(biāo)通常是測(cè)量連續(xù)的真實(shí)世界的模擬信號(hào)或?qū)ζ錇V波，因此，第一步常常是使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)從模擬形式轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。通常，要求的輸出信號(hào)為另一個(gè)模擬輸出信號(hào)，這就需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器。數(shù)字信號(hào)處理的算法有時(shí)通過使用專用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，它們（專用計(jì)算機(jī)）利用被稱為數(shù)字信號(hào)處理器的專用微處理器（簡(jiǎn)稱DSP）。這些數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)時(shí)處理信號(hào)，通常是針對(duì)具體目的而設(shè)計(jì)的專用集成電路（ASIC）。當(dāng)靈活性和快速開發(fā)比大批量生產(chǎn)的成本更重要時(shí)，DSP算法也可以用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)處理域在數(shù)字信號(hào)處理中，工程師通常在下面幾個(gè)域的一個(gè)域中來研究數(shù)字信號(hào)

27、：時(shí)域（一維信號(hào)），空域（多維信號(hào)），頻域，自相關(guān)域以及小波域。他們按照某些依據(jù)來猜測(cè)（或試驗(yàn)不同的可能性）那一個(gè)域能夠最好地表示信號(hào)的本質(zhì)特性來選擇在其中進(jìn)行信號(hào)處理的域。從測(cè)量設(shè)備得到的樣本序列產(chǎn)生（信號(hào)的）時(shí)域或空域表示，而離散Fourier變換則產(chǎn)生頻域表示即頻譜。自相關(guān)定義為信號(hào)與其自身經(jīng)過時(shí)間或空間間隔變化后的互相關(guān)。信號(hào)采樣隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的增長(zhǎng)，數(shù)字信號(hào)處理的使用和需求日益增多。為了能夠在計(jì)算機(jī)上使用模擬信號(hào)，必須使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化。采樣通常分兩步實(shí)現(xiàn)：離散化和量化。在離散化階段，信號(hào)空間被分割為相等的區(qū)間，用相應(yīng)區(qū)間的代表性信號(hào)值代替信號(hào)本身。在量化階段，用

28、有限集中的值來近似代表性的信號(hào)值。為了能夠正確地重建被采樣的模擬信號(hào)，必須滿足奈奎斯特-香農(nóng)采樣定理。定理規(guī)定：采樣頻率必須大于兩倍的信號(hào)帶寬。實(shí)際應(yīng)用中，采樣頻率通常遠(yuǎn)大于信號(hào)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(diào)制）。數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）用來將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)。數(shù)字計(jì)算機(jī)的使用是數(shù)字控制系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。時(shí)域和空域時(shí)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(qiáng)輸入信號(hào)。濾波通常由在輸入或輸出信號(hào)當(dāng)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(duì)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(hào)的加權(quán)線性組合，輸出就是（各信號(hào)）相應(yīng)輸出的同樣加權(quán)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?！胺且蚬睘V波器可以加延遲使其成為“因果”濾波器。l “時(shí)不變”濾波器對(duì)時(shí)間具有不變的性質(zhì)，諸如自適應(yīng)濾波器等其它濾波器隨時(shí)間而改變。l 有些濾波器是“穩(wěn)定的”，其它的是“不穩(wěn)定的”。穩(wěn)定的濾波器產(chǎn)生的輸出信號(hào)隨時(shí)間收斂于一個(gè)不變的值，或在有限的時(shí)間間隔內(nèi)保持有界。不穩(wěn)定濾波器的輸出是發(fā)散的。l “有限脈沖響應(yīng)”（FIR）濾波器僅使用輸入信號(hào)，而“無限脈沖響應(yīng)”（IIR）濾波器同時(shí)

30、使用輸入信號(hào)和以前的輸出信號(hào)樣本。FIR濾波器總是穩(wěn)定的，而IIR濾波器可能是不穩(wěn)定的。l 多數(shù)的濾波器可以通過傳輸函數(shù)在Z域（頻域的擴(kuò)展集）中描述。濾波器也可以用差分方程或一組零極點(diǎn)表示，對(duì)于FIR濾波器還可以用沖擊響應(yīng)或階躍響應(yīng)表示。對(duì)于任何給定輸入，F(xiàn)IR濾波器的輸出可以通過輸入信號(hào)和沖擊響應(yīng)的卷積來計(jì)算。濾波器還可以用結(jié)構(gòu)圖來表示，它能用來推導(dǎo)樣本處理算法，以便使用硬件指令實(shí)現(xiàn)濾波器。頻域信號(hào)常常通過Fourier變換從時(shí)域或空域變換到頻域。Fourier變換將信號(hào)信息變換成每個(gè)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(gè)頻率分量平方的幅度。用頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析

31、的最一般的目的是分析信號(hào)的特性。工程師可以研究頻譜來得到輸入信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，取對(duì)數(shù)，然后再作第二次Fourier變換。這就強(qiáng)調(diào)了幅度較小的頻率成分同時(shí)保持了頻率分量的數(shù)量級(jí)。應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理的主要應(yīng)用是音頻信號(hào)處理，音頻壓縮，數(shù)字圖像處理，視頻壓縮，語音處理，語音識(shí)別，數(shù)字通信，雷達(dá)，聲納，地震學(xué)和生物醫(yī)學(xué)。具體的例子有數(shù)字移動(dòng)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(qiáng)應(yīng)用，天氣預(yù)報(bào)，經(jīng)濟(jì)測(cè)報(bào)，地震數(shù)據(jù)處理，工業(yè)過程的分析控制，電影中的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作，醫(yī)學(xué)成像如計(jì)算機(jī)斷層掃描和磁共振成像

32、，圖像處理，高保真揚(yáng)聲器分頻和均衡，以及電吉他擴(kuò)音器所使用的音效。實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理通常使用專用的微處理器來實(shí)現(xiàn)，如MC56000和TMS320。它們通常使用定點(diǎn)算法處理數(shù)據(jù)，盡管也有一些使用浮點(diǎn)算法，運(yùn)算能力更強(qiáng)大。比較高速的應(yīng)用可選用FPGA來實(shí)現(xiàn)。從2007年開始，已經(jīng)開始出現(xiàn)DSP的多核實(shí)現(xiàn)。對(duì)于使用量大的高速應(yīng)用，可以專門設(shè)計(jì)ASIC。對(duì)于低速應(yīng)用，速度較慢的傳統(tǒng)處理器如微控制器就能處理。Unit 10-1第一部分：MP3 隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(duì)的唱片選曲，無線電節(jié)目，還是視頻伴音。因?yàn)殡娫捑€的帶

33、寬有限，所以需要對(duì)信息（包括音頻）進(jìn)行壓縮。用于CD和數(shù)字電視中存儲(chǔ)數(shù)字音頻的傳統(tǒng)方法是每秒抽取并記錄一定次數(shù)的聲音幅度值。幅度值的精度是由用于存儲(chǔ)幅度的比特位數(shù)決定的。所以，音頻信號(hào)消耗的帶寬（或者內(nèi)存）由以下三個(gè)因素決定：每秒鐘的采樣次數(shù)（頻率），用于存儲(chǔ)幅度的比特位數(shù)（比特深度）以及信號(hào)的長(zhǎng)度（時(shí)間）。當(dāng)這三個(gè)參數(shù)已知時(shí)，很容易的計(jì)算出所用內(nèi)存： 內(nèi)存頻率´比特深度´時(shí)間此外，如果信號(hào)是立體聲的，內(nèi)存就乘以二，因?yàn)榱Ⅲw聲實(shí)際上用了兩個(gè)信號(hào)。 這個(gè)等式能用來說明為什么在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸高品質(zhì)音頻信號(hào)時(shí)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(hào)需要使用44,100´16´60´2 = 84,672,000比特，或略超過10兆字節(jié)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的56 kbps的調(diào)制解調(diào)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(zhǎng)的時(shí)間，因此必須有另一個(gè)選擇，這個(gè)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(gè)范圍之外的所有聲音。因?yàn)檫@些聲音是不可能被人聽到的。對(duì)聲音應(yīng)用一種心理聲學(xué)模型。在播放音調(diào)高的聲音時(shí)，要提高使低頻聲能被聽到的臨界分貝數(shù)（分貝閾值）。心理聲學(xué)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(lián)合立體聲。人腦無法估計(jì)低頻聲音的方向，所以這個(gè)閾值之下的聲音都用單聲道編碼。如果信號(hào)某些部分仍然高于所需的比特率，這些部分的音質(zhì)就會(huì)下降。最后，應(yīng)用哈夫曼編碼，該編碼將所有比特碼字根據(jù)其出現(xiàn)的頻率換成獨(dú)特的變長(zhǎng)比特碼。例如：最常出現(xiàn)的比特模式編碼成“01”，而次常出現(xiàn)的編碼成“010”，下一個(gè)被編碼成“011”，依此類推。社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)MP3所帶來的社會(huì)效應(yīng)是無法被低估的。它允許新的、未簽約的樂隊(duì)在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布免費(fèi)音樂。具有非主流口味（喜好）的人獲取實(shí)驗(yàn)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(jīng)銷這些流派的音樂。便攜式硬件MP3播放器現(xiàn)在售價(jià)很低，而且還在降低。一些

36、網(wǎng)站如：MP發(fā)布著眾多未簽約樂隊(duì)的免費(fèi)MP3。另外一些網(wǎng)站銷售未簽約樂隊(duì)的專輯，用一些專輯上的免費(fèi)MP3音樂讓消費(fèi)者在購(gòu)買之前進(jìn)行試聽。為了提升專輯，一些主流藝術(shù)家也會(huì)在網(wǎng)上發(fā)布一些免費(fèi)MP3。然而，不幸的是，這種革命存在它的陰暗面。非法網(wǎng)站發(fā)行從已成名藝術(shù)家的唱片中非法竊取的音樂，這些藝術(shù)家因而失去版稅。MP3對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響與其社會(huì)效應(yīng)是緊密相關(guān)。主要的唱片公司差不多因?yàn)檫@可能產(chǎn)生的社會(huì)影響而驚恐萬狀。它們拒絕銷售MP3專輯，除非藝術(shù)家有足夠的影響。他們急欲建立一種“安全”音樂格式標(biāo)準(zhǔn)，使之不能用于一臺(tái)以上的機(jī)器（僅能在一臺(tái)機(jī)器上播放）。微軟最近進(jìn)行了這樣的嘗試，但失敗了。它們的格式WMT4，

37、在發(fā)布之后不到24小時(shí)就被破解了。實(shí)際上，用于破解WMT4的相同技術(shù)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(tǒng)唱片公司的末日。然而，大多數(shù)人預(yù)見到，唱片公司意識(shí)到它們無法打贏這場(chǎng)特殊的戰(zhàn)爭(zhēng)，它們也開始發(fā)布MP3專輯。實(shí)際上，在這個(gè)時(shí)代，MP3在安全性上大概并不比CD差很多。結(jié)論總之，MP3能以高因子對(duì)數(shù)字音頻進(jìn)行壓縮，這使得在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布音頻很理想。它對(duì)一些未簽約的以及實(shí)驗(yàn)性的樂隊(duì)相當(dāng)流行，還有一些提倡這種技術(shù)的已成名藝術(shù)家。盡管唱片公司拒絕對(duì)其進(jìn)行支持，但是它們也沒辦法阻止這個(gè)潮流。它們發(fā)現(xiàn)它們自己完全處于丹麥克努特大帝的處境，盡管從長(zhǎng)遠(yuǎn)來說，這種狀況必然會(huì)

38、改變。MP3文件格式是一種效率極高的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它已經(jīng)贏得（告別）了WMT4和其他對(duì)手發(fā)起的挑戰(zhàn)。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(shù)字圖像定義和應(yīng)用圖像無處不在，這毫不足怪，因?yàn)槲覀內(nèi)祟愐蕾囉趫D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(duì)于我們是如此自然，因而總是盡力將幾乎任何信息都轉(zhuǎn)換為圖像。例如電視天氣預(yù)報(bào)用圖像表示某一地區(qū)的溫度分布，以不同顏色代表不同的溫度，醫(yī)學(xué)掃描裝置可將人的新陳代謝活動(dòng)顯示成圖像，用亮點(diǎn)表示強(qiáng)的活動(dòng)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(gè)電腦鍵盤。每個(gè)鍵的功能都用了一個(gè)小圖像（一個(gè)字符）表示。我們也可以通過一個(gè)特定的凹凸紋理來識(shí)別每個(gè)按鍵，但它的效率遠(yuǎn)不及前者。我們甚至可以嘗試給每一個(gè)按鍵一個(gè)特定氣味，但很容易想象在打字時(shí)我們的麻煩。我們也擅長(zhǎng)于許多圖像處理任務(wù)。舉例來說，我們眼睛的聚焦：當(dāng)我們看東西時(shí)，我們的眼睛傳遞給大腦的第一個(gè)圖像可能是未聚焦的，然后大腦試圖通過調(diào)節(jié)眼睛晶狀體糾正這一點(diǎn)，一個(gè)新的圖像就會(huì)從眼睛發(fā)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(shí)到這一點(diǎn)。另一個(gè)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(shù)將人類使用圖像的自然方式和數(shù)學(xué)結(jié)合起來。這就提供了獨(dú)特的混合，因?yàn)榭捎脟?yán)格數(shù)學(xué)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(dāng)然這個(gè)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(yuǎn)鏡傳輸?shù)膱D像的自動(dòng)分析。我們可以發(fā)現(xiàn)身邊圖像處理的簡(jiǎn)單方式，包括：- 使用眼鏡或隱形眼鏡- 亮度，對(duì)比度等，電視或監(jiān)視器的控制- 用相機(jī)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(jí)圖像處理的應(yīng)用例子包括：- 司法科學(xué)：視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)圖像的增強(qiáng)，圖像中的臉，指紋，DNA碼等的自動(dòng)識(shí)別和分類。-

41、工業(yè)：檢驗(yàn)生產(chǎn)部件，應(yīng)用于CAD /CAM。- 信息處理： 手寫和印刷文本（經(jīng)常被稱為OCR;光學(xué)字符識(shí)別）的識(shí)別，印刷圖像的掃描和分類。在醫(yī)學(xué)中，使用病人的一幅或多幅醫(yī)學(xué)圖像，可以發(fā)現(xiàn)圖像處理的許多應(yīng)用，例如：- 可視化。 例如：在我們制作一個(gè)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(jì)算機(jī)輔助診斷。 如：現(xiàn)在通常為超過一定年齡的女性定期拍乳房X光片，以發(fā)現(xiàn)早期的乳房癌。實(shí)踐中圖像數(shù)量如此巨大，因而用自動(dòng)計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)。例如：將腦圖像分割為這些結(jié)構(gòu)：腦白質(zhì)、腦灰質(zhì)、腦脊髓液、骨質(zhì)、脂肪、皮膚等。從改

42、善可視化到腫瘤生長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)，在許多工作中分割是有用的。- 圖像配準(zhǔn)，即同一病人兩幅或更多圖像的嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。若要將這些圖像中包含的信息結(jié)合起來形成一幅有意義的新圖像，這種對(duì)準(zhǔn)是十分必要的。 圖像處理應(yīng)用可以有很多目的。大多數(shù)時(shí)候，目的是在一個(gè)或幾個(gè)這些類別中： - 圖像增強(qiáng)，例如，減少噪聲或圖像銳化。- 模式識(shí)別，例如，圖像中某種形狀或紋理的自動(dòng)檢測(cè)。- 將數(shù)據(jù)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(jiǎn)單的圖像、一組對(duì)象或特征、或者一組測(cè)量結(jié)果。- 圖像合成，如由二維照片重建三維場(chǎng)景。- 圖像拼接。當(dāng)從同一個(gè)場(chǎng)景獲取兩種不同形態(tài)（類型）的圖像時(shí)，將它們拼接起來涉及配準(zhǔn)，其后是數(shù)據(jù)減少和

43、圖像合成。 - 數(shù)據(jù)壓縮。為了縮小包含圖像的計(jì)算機(jī)文件的大小，以及加快網(wǎng)絡(luò)中圖像傳輸?shù)乃俣?，?shù)據(jù)壓縮常常是必需的。我們關(guān)心的只是數(shù)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(gè)特殊的圖像處理應(yīng)用成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。此外，在許多圖像處理領(lǐng)域中模擬硬件的使用正在迅速地成為過去，因?yàn)樗３Ｄ鼙桓哽`活性的數(shù)字硬件（計(jì)算機(jī)）所取代。 但究竟什么是數(shù)字圖像呢？數(shù)字圖像獲取與處理的示意圖如圖11.2所示。頂部有某個(gè)成像設(shè)備，如攝像機(jī)，醫(yī)療掃描儀，或其它任何可將物理現(xiàn)實(shí)的量度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備。成像設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的電信號(hào)。因?yàn)檫@種模擬信號(hào)不能直接用計(jì)算機(jī)處理，信號(hào)通過數(shù)字化儀轉(zhuǎn)

44、換為離散形式。最后產(chǎn)生的圖像便可直接用于數(shù)字圖像處理應(yīng)用。數(shù)字化儀完成兩個(gè)任務(wù)：采樣和量化（見圖11.3）。在采樣過程中，圖像中連續(xù)信號(hào)的值在特定位置被采樣。在量化過程中，真實(shí)值被離散化為數(shù)字?jǐn)?shù)值。量化后的圖像我們稱為數(shù)字圖像。這樣就回答了本節(jié)開頭的問題：數(shù)字圖像只不過是一個(gè)數(shù)值的矩陣。每個(gè)矩陣元素，即已量化樣本，被稱為圖像元素或像素。對(duì)于三維圖像則稱為體積元素或體素。 我們可以用兩個(gè)坐標(biāo)(x; y)表示圖像中每個(gè)像素的位置。按照慣例，(0; 0)像素，即原點(diǎn)，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(diǎn)功夫去習(xí)慣它，因?yàn)樗煌诔Ｒ?guī)的二元函數(shù)的數(shù)學(xué)表示法，

45、也不同于常規(guī)的矩陣坐標(biāo)。如果一幅數(shù)字圖像僅僅是一個(gè)數(shù)值矩陣，有人可能會(huì)說：數(shù)字圖像處理只不過是一種對(duì)矩陣進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)學(xué)算法的集合。幸運(yùn)的是，現(xiàn)實(shí)情況遠(yuǎn)非所說的那么枯燥乏味，因?yàn)樵趯?shí)際中，我們很少使用圖11.3所示的矩陣表示，而是對(duì)圖11.3的中間圖像進(jìn)行處理，實(shí)際上是同一幅圖像，但將光強(qiáng)度賦予每一個(gè)數(shù)，對(duì)人而言它通常更有意義。你會(huì)發(fā)現(xiàn)圖像處理算法將被描述為數(shù)學(xué)算子作用于像素值或像素矩陣，這些算法的運(yùn)算結(jié)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(gè)關(guān)鍵概念構(gòu)成：機(jī)密性、完整性、可用性。我們稱之為CIA三要素（confident

46、iality, integrity and availability）。機(jī)密性通常當(dāng)我們要辦駕照、租房、醫(yī)?；蛘呱暾?qǐng)貸款等時(shí)候，想要不暴露自己的個(gè)人信息事實(shí)上是不可能的。諸如姓名、地址、電話號(hào)碼、出生日期、社保號(hào)、婚嫁狀況、子女?dāng)?shù)量、娘家姓、收入、工作、病史等等，這些都是我們非常個(gè)人和隱私的信息，但經(jīng)常我們?nèi)孕枰峁┻@些信息來進(jìn)行商業(yè)活動(dòng)。我們通常信任向他們透露這類個(gè)人信息的人員、公司、機(jī)構(gòu)會(huì)采取措施確保我們的信息將得到保護(hù)，不會(huì)無意或有意向未被授權(quán)者披露，同時(shí)這些信息將僅僅被有權(quán)并且真正需要得知該信息的人所分享。具有機(jī)密性的信息必須只能被授權(quán)的人訪問、使用、復(fù)制和披露，并且應(yīng)當(dāng)僅在需要的時(shí)候

47、進(jìn)行訪問、使用、復(fù)制和披露。當(dāng)被認(rèn)為是具有機(jī)密性質(zhì)的信息已被（或者可能已被）未受權(quán)接觸該信息的人所接觸、使用、復(fù)制、披露時(shí)，即發(fā)生了泄密。例如：當(dāng)你在處理機(jī)密文件時(shí)，讓一個(gè)沒有得到授權(quán)的人從背后偷看你的屏幕，而屏幕上正顯示機(jī)密數(shù)據(jù)的時(shí)候，即發(fā)生了泄密；如果包含有100000個(gè)雇員津貼信息的筆記本電腦被從車?yán)锿盗耍ɑ蛘咴趀Bay上賣了）也會(huì)造成泄密，因?yàn)檫@些信息到了沒有授權(quán)的人的手上。把機(jī)密信息通過電話告訴給未授權(quán)者也是泄密。所以機(jī)密性是對(duì)那些持有他人個(gè)人資料的機(jī)構(gòu)維護(hù)他人隱私的一項(xiàng)要求。完整性在信息安全中，完整性意味著未經(jīng)授權(quán)，數(shù)據(jù)不能被創(chuàng)建、修改、或者刪除。這也意味著存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中某一部

48、分的數(shù)據(jù)與存放在該系統(tǒng)另一部分（或另一系統(tǒng)）的其它有關(guān)數(shù)據(jù)相一致。例如：當(dāng)數(shù)據(jù)服務(wù)器電源突然中斷或者執(zhí)行了未經(jīng)維護(hù)的不當(dāng)關(guān)機(jī)，就會(huì)造成對(duì)完整性的破壞。當(dāng)雇員不小心或者惡意刪除了重要數(shù)據(jù)，也是一種對(duì)完整性的破壞。當(dāng)網(wǎng)上購(gòu)物者能修改他們所購(gòu)買產(chǎn)品的價(jià)格時(shí)，信息的完整性就被破壞了。可用性信息可用性是指當(dāng)需要某一信息時(shí)，信息本身、用來處理信息的計(jì)算機(jī)、保護(hù)信息的安全控制都處于有效可用的狀態(tài)，并且功能正常。反之則是服務(wù)拒絕(DOS)。結(jié)論信息安全是一個(gè)以應(yīng)有的關(guān)注和認(rèn)真態(tài)度對(duì)信息和信息系統(tǒng)不斷進(jìn)行（保護(hù)）的過程，使之不被非授權(quán)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(xùn)練

49、、評(píng)估、保護(hù)、監(jiān)視和檢測(cè)、對(duì)事件的響應(yīng)和修復(fù)、形成文檔、檢查。1989年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)建立了信息網(wǎng)絡(luò)學(xué)院，美國(guó)的第一家致力于信息網(wǎng)絡(luò)的研究和教育的中心。該學(xué)院與一些職業(yè)化組織在20世紀(jì)末和21世紀(jì)初對(duì)電腦安全、信息安全以及信息保障進(jìn)行規(guī)范和整合?？赏ㄟ^自學(xué)、高等院校學(xué)習(xí)、為期僅一周的強(qiáng)化訓(xùn)練營(yíng)進(jìn)入這一領(lǐng)域。很多學(xué)院、大學(xué)和培訓(xùn)公司提供在線的培訓(xùn)項(xiàng)目。信息安全職業(yè)對(duì)安全專業(yè)人員的需求日增，這些專業(yè)人員具有網(wǎng)絡(luò)安全審核、入侵測(cè)試、數(shù)字取證調(diào)查方面的經(jīng)驗(yàn)。Unit 15-1第一部分：遙感技術(shù)綜述在150多年前，現(xiàn)代遙感技術(shù)伴隨著照相機(jī)的發(fā)明應(yīng)運(yùn)而生。盡管一開始，很早期的照片是地面的靜態(tài)圖片，19世

50、紀(jì)40年代，為了繪制地形圖，當(dāng)照相機(jī)被放在系留氣球上來拍攝照片，俯視地球表面的想法和實(shí)踐開始了。19世紀(jì)末最新的平臺(tái)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(zhàn)，安裝在飛機(jī)上的照相機(jī)能夠提供相當(dāng)大表面區(qū)域的俯視圖，這在軍事偵察方面是價(jià)值無量的。從那時(shí)到20世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)工具。人造衛(wèi)星遙感技術(shù)可以追溯到太空時(shí)代早期，實(shí)際上，它最初是在太空飛船上使用多種傳感器對(duì)表面成像的方法。20世紀(jì)60年代，隨著太空計(jì)劃出現(xiàn)，環(huán)球軌道宇航員很像旅行者通過太空船的窗口進(jìn)行拍照。現(xiàn)在“遙感”這個(gè)詞被普遍用來描述在不與目標(biāo)直接接觸的情況下，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)

51、別、觀察和測(cè)量的科學(xué)技術(shù)。這一過程包含檢測(cè)和測(cè)量從遠(yuǎn)處目標(biāo)反射回來或發(fā)射出來的不同波長(zhǎng)的輻射，由這些輻射，可按種類、物質(zhì)、空間分布對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和分類。輻射除非是絕對(duì)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(fā)射，其能量能夠從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)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(gè)振動(dòng)的電子、原子、分子發(fā)出的，它們以獨(dú)特的波長(zhǎng)組合發(fā)出和吸收電磁輻射。一個(gè)物體發(fā)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(dòng)就越快，發(fā)射出的電磁波峰值波長(zhǎng)就越小。電磁波譜電

52、磁現(xiàn)象的基本單元是光子，它是某一波長(zhǎng)的電磁波能量可能的最小量。獨(dú)個(gè)光子能以波的形式運(yùn)動(dòng)，速度可達(dá)光速300,000 km/sec，就像波浪在海洋中傳播一樣。一個(gè)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?yàn)樗鼈儼水?dāng)帶電粒子（電子）加速時(shí)產(chǎn)生的組合的電波和磁波。電磁波譜劃分成幾個(gè)區(qū)域并分別命名。在高頻端是射線和x射線。在紫外線區(qū)域的電磁波的波長(zhǎng)范圍大約從1納米到0.36微米?？梢院芊奖愕赜靡韵聝蓚€(gè)單位度量頻譜的中頻段：微米，它的長(zhǎng)度相當(dāng)于一米的百萬分之一，或者是納米，它的長(zhǎng)度相當(dāng)于一米的十億分之一?？梢姽鈪^(qū)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(zhǎng)上（接近0.7微米）可以用特殊的薄膜探測(cè)，而在其較長(zhǎng)的波長(zhǎng)上感覺是熱量。以毫米到米為單位來測(cè)量較大波長(zhǎng)區(qū)域。微波區(qū)域從1毫米到1米，它包含了用于雷達(dá)系統(tǒng)的所有波段，雷達(dá)系統(tǒng)是自己主動(dòng)產(chǎn)生輻射，發(fā)射到感興趣目標(biāo)并從感興趣目標(biāo)反射回來。頻率最低的區(qū)域，波長(zhǎng)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(zhǎng)或類型而變化。構(gòu)成大氣層的氣體吸收某些特定波長(zhǎng)的輻射而允許另一些波長(zhǎng)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(qū)域稱為吸收帶。吸收帶傳輸量很低，對(duì)應(yīng)于特定的波長(zhǎng)范圍。對(duì)比于吸收帶，有些電磁波譜的區(qū)域，大氣對(duì)于特定的波長(zhǎng)是透明的。這些波段稱為大氣窗口，因?yàn)樗鼈兡茏屳椛浜苋菀状┻^大氣到達(dá)地面。大多數(shù)裝在飛機(jī)或太空平臺(tái)上的遙感儀器工作在一個(gè)或多個(gè)這樣的“窗口”范圍里，這是通過將其檢測(cè)裝置調(diào)諧在能穿透大氣層的特定頻率（波長(zhǎng)）上而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)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(shí)，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(tǒng)都被設(shè)計(jì)用來收集反射能量，某些傳感器，特別是那些氣象衛(wèi)星上的傳感器，直接測(cè)量吸收現(xiàn)象。大氣對(duì)部分中紅外和所有的遠(yuǎn)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(dá)波能到達(dá)地面。像素，比特和顏色利用無線電波，從地球軌道衛(wèi)星得到的數(shù)據(jù)能以一種常規(guī)的方式發(fā)送到具有適當(dāng)裝備的地面基站。當(dāng)接收到這些數(shù)據(jù)后，它們被轉(zhuǎn)換為能夠在電腦屏幕上顯示的數(shù)字圖像。衛(wèi)星圖像由許多小方塊組成，每一個(gè)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(duì)的反射光能量。每一個(gè)像素描述圖像上的一個(gè)正方形區(qū)域，它是傳感器分辨不同尺寸對(duì)象的能力的度量。比如，在Landsat衛(wèi)星7上的增強(qiáng)型專題制圖儀擁有最大為15米的分辨率，因此每個(gè)像素描述的區(qū)域?yàn)?5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(duì)象。通過合計(jì)一幅圖像的像素?cái)?shù)

56、目，能夠計(jì)算某個(gè)場(chǎng)景的范圍。例如，如果你能計(jì)算在人造彩色圖像中的綠色的像素點(diǎn)數(shù)目，你就能計(jì)算整個(gè)植物帶的覆蓋范圍。太空船使用8位二進(jìn)制數(shù)字，它的范圍為00000000 到 11111111（即十進(jìn)制中的0到255）。用8比特的數(shù)據(jù)，我們將圖像中最暗的點(diǎn)賦值為0，最亮的點(diǎn)賦值為255。這就在黑和白之間產(chǎn)生256個(gè)灰度值。正是這些二進(jìn)制數(shù)字使得太空船可以發(fā)回各行各列的像素，而通過電腦能明白每個(gè)像素?cái)?shù)值。大多數(shù)遙感圖像的另外一個(gè)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(qū)分的不同灰度色調(diào)局限在大約20到30級(jí)。另一方面，人眼能區(qū)分20000或更多的色彩，這使得目標(biāo)物體內(nèi)小的但往往是

57、重要的變化會(huì)被辨別出來。因?yàn)椴煌念l帶（或波長(zhǎng)）擁有不同的對(duì)比度，計(jì)算機(jī)能從黑白遙感數(shù)據(jù)中產(chǎn)生彩色圖像。計(jì)算機(jī)屏幕能使用藍(lán)光，綠光和紅光顯示三種不同的圖像。結(jié)合這三種光波長(zhǎng)將產(chǎn)生我們眼睛能看見的彩色圖像。這是通過顯示黑白衛(wèi)星圖像完成的，它與藍(lán)，綠，紅光的不同波段相對(duì)應(yīng)來實(shí)現(xiàn)波段間的相對(duì)對(duì)比度。最終，當(dāng)這三種顏色結(jié)合在一起，一幅彩色圖像，稱為偽彩色圖像，就產(chǎn)生了。遙感方法有兩種遙感儀器被動(dòng)的和主動(dòng)的。被動(dòng)儀器檢測(cè)從觀測(cè)場(chǎng)景反射或發(fā)出的自然能量。被動(dòng)儀器只感知被觀測(cè)對(duì)象發(fā)出的輻射或來自某個(gè)源而不是儀器的被對(duì)象反射的輻射。反射太陽光是被動(dòng)儀器最常檢測(cè)的外部輻射源。科學(xué)家們常使用各種各樣的被動(dòng)遙感儀器

58、。1.輻射計(jì)：一種在頻譜某些波段上定量測(cè)量電磁輻射強(qiáng)度的儀器。輻射計(jì)通常又按其覆蓋的頻譜范圍來區(qū)分，例如可見光、紅外、微波。2.圖像輻射計(jì)：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(jì)，稱為圖像輻射計(jì)。掃描可以機(jī)械實(shí)現(xiàn)或用探測(cè)器陣列電子實(shí)現(xiàn)。3.分光計(jì)：一種設(shè)計(jì)來檢測(cè)，測(cè)量和分析入射電磁輻射光譜成分的儀器，稱為分光計(jì)。通常，圖像分光計(jì)用光柵或棱鏡分散輻射來分辨光譜。4.分光輻射計(jì)：一種能測(cè)量在多重波長(zhǎng)段中輻射強(qiáng)度的輻射計(jì)。這些頻帶經(jīng)常具有高分辨率，是為特定參數(shù)的遙感而設(shè)計(jì)的，如海面溫度、云地特性、植被、大氣層的微量化學(xué)成分等。主動(dòng)儀器自己提供能量（電磁輻射）來照射要觀察的對(duì)象或場(chǎng)景。它們從傳感器向目標(biāo)對(duì)象發(fā)送一個(gè)脈沖能量然后接收被對(duì)象的反射或反向散射的輻射?？茖W(xué)家們使用許多不同種類的主動(dòng)遙感儀器。1.雷達(dá)（無線電探測(cè)和搜索）：雷達(dá)用一個(gè)工作在射頻或微波頻率的發(fā)射機(jī)來發(fā)出電磁輻射，用一個(gè)方向性天線或接收器來測(cè)量從遠(yuǎn)處目標(biāo)反射或反向散射回來的輻射脈沖的到達(dá)時(shí)間。由于電磁波以光速傳播，到達(dá)對(duì)象的距離