信息科学与电子工程专业英语_全文译文.doc

1、Unit 1 电子学：模拟和数字Unit 1-1第一部分：理想运算放大器和实际限制为了讨论运算放大器的理想参数,我们必须首先定义一些指标项,然后对这些指标项讲述我们所认为的理想值。第一眼看运算放大器的性能指标表，感觉好像列出了大量的数值，有些是陌生的单位，有些是相关的，经常使那些对运放不熟悉的人感到迷惑。对于这种情况我们的方法是花上必要的时间有系统的按照列出的次序阅读并理解每一个定义。如果没有对每一项性能指标有一个真正的评价，设计人员必将失败。目标是能够依据公布的数据设计电路，并确认构建的样机将具有预计的功能.对于线性电路而言，它们与现在的复杂逻辑电路结构相比看起来较为简单，（因而在设计中)太

2、容易忽视具体的性能参数了,而这些参数可极大地削弱预期性能。现在让我们来看一个简单但很引人注意的例子。考虑对于一个在50kHz频率上电压增益为10的放大器驱动10kW负载时的要求。选择一个普通的带有内部频率补偿的低价运放,它在闭环增益为10时具有所要求的带宽，并且看起来满足了价格要求。器件连接后，发现有正确地增益。但是它只能产生几伏的电压变化范围，然而数据却清楚地显示输出应该能驱动达到电源电压范围以内2到3伏.设计人员忽视了最大输出电压变化范围是受频率严格限制的，而且最大低频输出变化范围大约在10 kHz受到限制。当然,事实上这个信息也在数据表上，但是它的实用性并没有受到重视。这种问题经常发生在

3、那些缺乏经验的设计人员身上。所以这个例子的寓意十分明显：在开始设计之前总要花上必要的时间来描写全部的工作要求。关注性能指标的详情总是有益的。建议下面列出的具体的性能指标应该考虑：1. 在温度，时间和供给电压下的闭环增益的精确性和稳定性2。 电源要求，电源和负载阻抗，功率消耗3. 输入误差电压和偏置电流，输入输出电阻,随着时间和温度的漂移4。 频率响应，相位偏移，输出变化范围，瞬态响应，电压转换速率,频率稳定性，电容性负载驱动，过载恢复5. 线性，失真和噪声6。 输入，输出或电源保护要求，输入电压范围,共模抑制7. 外部补偿调整要求不是所有的指标项都是有关的，但要记住最初就考虑它们会更好，而不要

4、被迫返工.所有参数可以大范围变化不要忽略这样一个事实。有多少次是在用典型值设计好电路后发现（该电路)只是因为使用的器件不典型而不能工作？这就提出一个棘手的问题：在设计中何时应该使用典型值，何时应该使用最不利值?这是经验丰富的设计人员也必须进行的判断。显然，如果某些性能要求是强制性的，则一定要用最不利情况下的数值。然而在许多情况下某一规定性能是否可以取得将在易实现性，重要性，经济性之间取得折中。不超指标设计或超安全标准设计最后，我们将受制于价格因素，因为杀鸡用牛刀实在是没有意义的。简单极为重要,因为用较少元器件实现(的电路)总是更便宜也更可靠。作为最不利情况设计的例子,考虑一个低增益直流传感器放

5、大器，要求将电压源输出的10mV信号放大，产生1V的输出，在070°C范围内达到±1的精度。注意，性能要求是±1的精度.这就是指输出必须在070°C温度范围内控制在1 V ±10 mV的限度内。第一步,当然是考虑前面的列表，并决定其中哪些参数是有关的.对这样（非常有限）的参数,两项最重要的指标是电压偏移和对于温度的增益稳定性.我们假设所有的起始误差可以忽略不计（这在实际中是几乎不可能的)。经验丰富的设计人员会知道大多数运放具有极大的开环增益，经常远大于10000.闭环增益±1%的变化意味着环路增益（将在下面说明）的变化在闭环增益为10

6、0时应该小于±100。很明显这将十分容易实现，设计人员会立刻知道计算中他可以使用开环增益的典型值。但是，补偿电压偏移却有所不同。许多运放技术指标仅仅给出补偿电压偏移的典型值，这很可能会在5mV/°C的数量级，而未给出任何器件可以达到的最大值30mV/°C。如果我们碰巧使用的是一个有最不利偏移的器件，那么放大器随温度而产生的误差可为2。1 mV,占所有误差源所产生的总的允许误差的相当大一部分。这就是我们可以肯定可使用开环增益典型值的情况，不过最大漂移很可能导致相当大的误差。在仔细的设计中这种判定是必要的，而且理解厂商的数据要更加仔细。这种考虑必须推广到前面列出的所有

7、详细资料，除了最不利值通常是不会注明的。经常发现（技术规格表上)给出的值并非是经过100测试的。例如,采用统计测试可以保证90的器件的性能在给定范围之内。对于某些用户可能很不方便，他们依赖于技术指标所给出的性能,而随后发现却有“另外"10 的器件被用在了他们的电路中。Unit 12第二部分：数据寄存器和计数器数据寄存器数据寄存器是寄存器中最简单的类型，它可以用来暂时存放数据的一个“字”。其最简单的形式是由共用一个时钟的一组N 个D触发器组成。N比特数据字中的所有位数通过N条数据总线连接数据寄存器。图1.1显示了一个由四个D触发器实现的四位数据寄存器。由于所有触发器同时改变状态，所以这

8、种数据寄存器称为是同步器件。图1。1 四位D寄存器移位寄存器用于计算机和许多其它类型逻辑电路的另一种普通寄存器是移位寄存器。它就是一组触发器（通常是D锁存器或RS触发器）联在一起，使其中一个触发器的输出成为下一个的输入，依此形成一串.它称为移位寄存器，因为数据在每一个时钟脉冲的作用下通过寄存器移动一位.图1。2显示了一个由D触发器实现的四位移位寄存器。图1。2 四位串行输入串行输出的移位寄存器在第一个时钟脉冲的前沿，“DATA”输入端的信号被锁存在第一个触发器中。在下一个时钟脉冲的前沿,第一个触发器的内容被存放到第二个触发器中，而出现在“DATA”输入端的信号则存放在第一个触发器中,依此类推。

9、由于每次有一位数据进入,因此被称为串行输入移位寄存器.由于仅有一个输出，每次从移位寄存器输出1比特数据,因此也称为串行输出移位寄存器.（移位寄存器根据它们的输入输出方式命名，不是串行的就是并行的）。通过预置和清除触发器输入端可以提供并行输入。触发器的并行加载可以是同步的（也就是由时钟脉冲发生)，或者异步的(不依赖于时钟脉冲）,取决于移位寄存器的设计。如图1。3从每个触发器的输出端可以获得并行输出。图1。3 四位串行输入并行输出的移位寄存器计算机与外设之间的通信一般都是串行的，而计算机内部的计算通常都是用并行逻辑电路来执行的。移位寄存器可以将信息从串行形式转换成并行形式，反之亦然。根据所要求的复

10、杂程度，可以利用许多不同种类的移位寄存器.计数器二进制数字的加权编码在某种意义上，移位寄存器可以看作是一种基于一元数字系统的计数器。可惜的是一个一元计数器在计数范围内对于每一个数字需要一个触发器。然而，一个二进制计数器只需要一个触发器就可以进行N位数据计算。一个简单的二进制加权计数器可用T触发器来构建.触发器依次相连，使一个触发器的输出作为下一个的时钟，依此类推。这样,触发器在链中的位置决定了它的权重，即对于二进制计数器而言就是它所对应的2的幂。如图1。4显示了一个由T触发器组成的三比特（模八)二进制计数器，图1.5是此电路的时序图.图1。4三比特二进制计数器图1。5三比特计数器时序图注意，一

11、组接在Q0, Q1， Q2上的灯泡将以二进制（模8）形式显示第一个脉冲以来已完成的完整时钟脉冲数。根据需要很多T触发器组合起来构成许多位数的计数器。注意在这种计数器中，每一个触发器在前一个触发器送来的脉冲下降沿改变状态。因此将略有时延，这是由一个触发器改变状态到下一个触发器改变状态之间的传播延迟造成的，即状态变化像波纹一样传过计数器，因而这些计数器被称为波纹计数器。就像波纹进位加法器一样，传播延时会对大数值计数器造成严重影响。可以通过制作或购买单片芯片计数器来实现计数器的递增计数、递减计数或者预置任何你想要的数字。一个计数器也可以构造出二-十进制、十二进制或者任何进制数的计数器。一个倒计数计数

12、器可以通过将输出连接到前一级计数器的时钟输入来实现.利用预置和清零端，通过用与门将每一个T触发器的输出与另一个逻辑电平作逻辑运算（比方说0为倒计数,1为正计数），则可构成可预置的可逆二进制计数器。图1。6显示了一个没有预置和清零功能的可逆计数器.图1.6可编程可逆计数器同步计数器以上介绍的是异步计数器，这样叫是因为他们的状态随前一级的状态变化而变化，而非同时变化.一个触发器的输出是下一个的输入,因而状态的变化以波动形式通过各个触发器，所需时间与计数器的长度成正比。可以利用JK触发器来设计同步计数器,所有触发器同时改变状态，即时钟脉冲将同时送给每一级JK触发器.这很容易做到，对于二进制计数器，只

13、要所有前面的数字都是1，任何给定的数字都会改变它的值（从1变为0，或者从0变为1）。图1。7显示了一个四位二进制同步计数器的例子。一个倒计数定时器可通过将输出端通过与门连接到J和K端实现。也可以设置预置和清零功能,像前一种一样，计数器也可以做成可编程的。图1.7四比特同步计数器同步计数器的时序图类似于异步(波纹）计数器,除了波动时间现在为零以及所有计数器的时钟同时输入之外。对于同步计数器而言，在时钟上升沿触发比在下降沿触发更为常见.Unit 2 集成电路Unit 21第一部分：集成电路数字逻辑和电子电路由称为晶体管的电子开关得到它们的（各种）功能.粗略地说,晶体管好似一种电子控制阀,由此加在阀

14、一端的能量可以使能量在另外两个连接端之间流动.通过多个晶体管的组合就可以构成数字逻辑模块，如与门和触发电路等。而晶体管是由半导体构成的。查阅大学化学书中的元素周期表，你会查到半导体是介于金属与非金属之间的一类元素。它们之所以被叫做半导体是由于它们表现出来的性质类似于金属和非金属。可使半导体像金属那样导电，或者像非金属那样绝缘.通过半导体和少量其它元素的混合可以精确地控制这些不同的电特性，这种混合技术称之为“半导体掺杂"。半导体通过掺杂可以包含更多的电子（N型）或更少的电子（P型）.常用的半导体是硅和锗，N型硅半导体掺入磷元素，而P型硅半导体掺入硼元素。不同掺杂的半导体层形成的三明治状

15、夹层结构可以构成一个晶体管，最常见的两类晶体管是双极型晶体管（BJT)和场效应晶体管（FET）,图2.1给出了它们的图示。图中给出了这些晶体管的硅结构，以及它们用于电路图中的符号.BJT是NPN晶体管，因为由NP-N掺杂硅三层构成.当小电流注入基极时，可使较大的电流从集电极流向发射极.图示的FET是N沟道的场效应型晶体管，它由两块被P型基底分离的N型组成.将电压加在绝缘的栅极上时，可使电流由漏极流向源极。它被叫做N沟道是因为栅极电压诱导基底上的N通道，使电流能在两个N区域之间流动。图2.1所示的另一个基本的半导体结构是二极管，由N型和P型硅连接而成的结组成。二极管的作用就像一个单向阀门,由于电

16、流只能从P流向N。可以构建一些特殊二极管，在加电压时可以发光，这些器件非常合适地被叫做发光二极管或LED。这种小灯泡数以百万计地被制造出来，有各种各样的应用，从电话机到交通灯.半导体材料上制作晶体管或二极管所形成的小芯片用塑料封装以防损伤和被外界污染.在这封装里一些短线连接半导体夹层和从封装内伸出的插脚以便与（使用该晶体管的）电路其余部分连接。一旦你有了一些分立的晶体管，直接用电线将这些器件连线在一起就可以构建数字逻辑（电路）.电路会工作，但任何实质性的数字逻辑(电路）都将十分庞大,因为要在各种逻辑门中每实现一种都需要多个晶体管。1947年，John Bardeen、Walter Bratta

17、in和and William Shockley发明晶体管的时候。将多个晶体管组装在一个电路上的唯一方法就是购买多个分离的晶体管，将它们连在一起。1959年，Jack Kilby 和 Robert Noyce各自独立地发明了一种将多个晶体管做在同一片半导体材料上的方法。这个发明就是集成电路，或IC，是我们现代电脑化世界的基础。集成电路之所以被这样命名，是因为它将多个晶体管和二极管集成到同一块小的半导体芯片上.IC包含按照形成电路所要求的拓扑结构连在一起的许多小元件，而无需再将分立元件的导线焊接起来。去除了塑料或陶瓷封装后,一个典型的集成电路就是每一边2mm至15mm的方形或矩形硅片。根据制造集成

18、电路的技术水平的不同，在这种小片上可能有几十个到几百万个晶体管,电子器件这种令人惊异的密度表明那些晶体管以及连接它们线是极其微小的。集成电路的尺寸是以微米为单位测量的，1微米是1米的百万分之一.作为参照，一根人的头发其直径大约为100微米。一些现代集成电路包含的元件和连线，是以小到0.1微米的增量来测量的。每年研究人员和工程师都在寻找新的方法来不断减小这些元件的大小,以便在同样面积的硅片上集成更多的晶体管，如图2.2所示.在集成电路的设计和制造过程中,常用两种主要晶体管技术是：双极和金属氧化物半导体（MOS）。双极工艺生产出来的是BJT(双极型晶体管），而MOS工艺生产出来的是FET（场效应晶

19、体管）.在20世纪80年代以前更常用的集成电路是双极逻辑，但是此后MOS技术在数字逻辑集成电路中占据了大多数。N沟道FET是采用NMOS工艺生产的，而P沟道FET是采用PMOS工艺生产的。到了20世纪80年代，互补MOS即CMOS成为占主导地位的加工技术，并且延续至今.CMOS集成电路包含了NMOS和PMOS两种晶体管。Unit 3 电磁场，天线和微波Unit 3-1第一部分：电磁场电磁场是由带电物体产生的物理场。它会影响场附近的带电物体的行为。电磁场在空间无限延伸，描述电磁相互作用.它是自然界中四个基本作用力之一(其余为万有引力，弱相互作用，强相互作用）.电磁场可以看成是电场和磁场的结合。电

20、场是由静止电荷产生的，磁场由运动电荷（电流)产生;这两种（电荷)通常被描述为电磁场的源.电荷和电流与电磁场相互作用的方式由麦克斯韦方程组和洛伦兹力定律所描述。从经典的角度,电磁场可认为使平滑、连续的场,以波动方式传播；而从量子力学的角度，场可看作是由光子组成的。电磁场的结构电磁场可用两种截然不同的观点来看.连续结构：经典地，电场和磁场被认为是由带电物体的平滑运动产生的。例如,振荡电荷产生电场和磁场，可看成光滑的、连续的波动方式。这时，能量可以看成是在任意两个位置之间通过电磁场连续地传递。例如，在无线电发射机中的金属原子（看来是）连续地传递能量.这个观点在一定程度上（低频辐射）是有用的，但是高频

21、时就有问题(如紫外灾难）。由此产生了另一种观点。离散结构：电磁场可以一种比较“粗略”的方式来考虑。实验表明：电磁场的能量传递可以更好地描述为用固定频率的光子来传递。普朗克的关系式将光子的能量E及其频率n 通过下式联系起来E = h n ，其中h是为纪念马克斯普朗克而命名的普朗克常量。n 是光子的频率.例如在光电效应中,即因电磁辐射而从金属表面发射电子的现象,我们发现增加入射辐射的强度并无影响,只有辐射频率与发射的电子有关。已经证明电磁场的量子描述是非常成功的，引出了量子电动力学。量子电动力学是一种描述电磁辐射与带电物体之间相互作用的量子场理论.电磁场的动力学过去，认为带电物体会产生与它们电荷性

22、质有关的两种场.相对于测量电荷性质的观察者,电荷静止时产生电场，电荷运动(产生电流）时产生磁场（和电场）。随着时间的推移，人们认识到电场和磁场是电磁场这一整体的两个部分。一旦给定的电荷分布产生了电磁场，那么在电磁场中的其它带电物体就会受到一个力的作用（就像行星受到太阳重力场的力一样).如果这些电荷和电流的大小与产生上述电磁场的源是可比的，那么将产生一个新的净电磁场。这样，电磁场可以认为是一个动力学实体,它促使其它电荷和电流运动，同时又受它们影响。这些相互作用可由麦克斯韦方程和洛伦兹力定律来描述.Unit 4-1第一部分：远程通信远程通信是远距离通信的信号传输，在现代，通常这个过程需要电子发射机

23、发射电磁波，但是在早期远程通信包括使用烟火信号,鼓或旗语或日光仪。今天，远程通信很普遍的，助推这一过程的设备如电视，无线电和电话在世界的许多地区都已很普遍.还有连接这些设备的许多网络，包括计算机网络，公共电话网,无线电网和电视网络。互联网上的计算机通信是众多通信的一个例子。通信系统通常由通信工程师设计。在这个领域中早期的发明家有Alexander Graham Bell， Guglielmo Marconi 和John Logie Baird。通信在当今的世界经济发展中起着举足轻重的作用，通信产业的税收在世界总产值的比例已接近百分之三。基本要素每个通信系统包括三个基本要素：采集信息并能将其转换

24、为信号的发射机，传输信号的传输媒介,接收信号并能将其还原为有用信息的接收机.考虑一个无线电广播的例子。广播塔是发射机，收音机是接收机，传输媒介是自由空间。通常通信系统都是双向的,一个设备既做发射机又做接收机,即收发器。例如，移动手机就是一个收发器.电话线上的通信称为点对点通信，因为只在一个发射机和一个接收机之间。通过无线电广播的通信称为广播（一对多）通信,因为通信是在一个大功率的发射机和许多接收机之间。模拟或数字信号可以是模拟的,也可以是数字的。在模拟信号中，信号根据信息而连续变化。在数字信号信息被编码为一组离散值（如，1和0）.在传输过程中，模拟信号中的信息会因噪声而退化。相反,只要噪声不超

25、过一定的阈值，数字信号中的信息是不会丢失的。这是数字信号相对于模拟信号一个关键的优点.网络网络是由一个相互通信的发射机、接收机或收发机的集合。数字网络由一个或多个路由器组成，路由器正确地将数据发送给用户。模拟网路由一个或多个交换器组成，交换器在两个或多个用户间建立连接。这两种网络都需要中继器，用于远距离传输时的放大或重建信号。（中继器）用来抗击衰减，再现噪声中难以分辨的信号。信道信道在传输媒介中分隔区域，以用于使传输媒介传送多个信息流。例如，一个广播站可以工作在96 MHz，而另一个广播站可以工作在94.5 MHz.这时,传输媒介被频率分隔，每个信道接收一个单独的广播频率。另一种方法是给每个信

26、道分配重复的时间段，在这种时间段中进行广播，称为时分多路技术，有时用于数字通信中.调制传输信息的信号的形成称为调制。调制可将数字信息表示为模拟波形，称为键控法，键控法有几种技术，包括相移键控,频移键控和振幅键控。例如,蓝牙就是通过相移键控在不同设备之间交换信息的。调制也可用来以更高的频率传送模拟信号的信息。这一点非常有用，因为低频的模拟信号不能在自由空间中有效地传输。所以,低频模拟信号中的信息在发送之前必须叠加在高频载波上。这种调制也有几种不同的方法，最基本的两种是幅度调制和频率调制。例如，电台主持人的声音就是通过频率调制加载在96 MHz 的载波中发送的（收音机的96 FM台可以收到这个声音

27、）。Unit 4-2第二部分：数据传输数据传输就是将信息从一个地方传送到另一个地方。在历史上人们依靠信使，篝火连或日光仪传送信息，后来用铜线传送莫尔斯电码。在近代的计算机时期，数据传输是运用许多技术将比特流或字节流从一个位置传送到另一个位置，这些技术如铜线，光纤，激光或者红外光。实际的应用包括数据在不同存储设备之间的传输及网络连接，网络连接实现数据在网络服务商和用户浏览器之间的传送.与数据传输有关的一个概念是数据传输协议，使得传输的数据清晰可懂。目前协议都支持基于分组的网络通信。数据传输类型串行传送：在一根线路上一位一位地传送比特。尽管一次只传送一个比特,仍可实现很高的传输速率。这种方式可用于

28、较远距离传输，因为一个校验数字或奇偶校验位很容易在数据线上传输。并行传送：多条线路同时传送多个比特。由于传送一个字节（8个比特)而不是1个比特，所以比串行传输快得多。这种传输方式适用于计算机内部，比如内部总线，有时也用于外部例如对打印机这样的外设。然而这种传输模式只适用于近距离传输。在远距离传输时，由于多条线路之间的干扰比一条线路中干扰更严重，信号会恶化而无法读出。异步和同步数据传输异步传输使用开始位和结束位来表示传送的开始和结束。这就意味着一个8个比特的ASCII字符实际上要用10个比特来传输，比如,A “0100 0001"，传送时变为“1 0100 0001 0”。传输开始和结

29、束时附加的1（或 0，根据奇偶校验位）告诉接收机字符来了，以及字符结束了.当数据是间歇地发送而不是连续流时，使用这种传输方式。在之前的例子中开始位和结束位以黑体标注。开始位和结束位必须是相反的.这样接收机就能辨别发送的第二组信息.同步传输不使用起始和结束位,而是用插入各数据单元中的时钟信号使接收端和发送端传输速度同步。在两个节点之间可以发送一个连续的数据流.由于没有起始和结束位，传输速率较快，尽管会出现更多差错。差错的产生是因为时钟最后会失去同步，由发送/接受协议所规定的时间关系会在接收时发生错误,一些字节因丢失比特而被破坏。解决这个问题的办法包括时钟的再同步,以及使用校验位以确保正确解释字节

30、和正确接收.协议和握手协议：协议是两台设备之间为传输数据而达成一致的格式，比如，计算机和打印机之间.设备之间的所有通信都需要设备达成一致的数据格式.定义格式的一组规则称为协议。协议规定如下内容： 使用的差错检测类型，如果有的话。如校验数字（使用什么类型/规则)。 数据压缩的方法，如果有的话。如Zip压缩文件,如果文件很大，想要在因特网、局域网和广域网上传输。 发送设备如何表示已完成一个消息的发送，例如在通信端口可用一根空闲的导线，对于串行传输用开始和结束字来表示。 接收设备如何标志其已接收信息。 传输速率(波特率或比特率）。 是同步传送还是异步传送。另外，协议还可以包括从传送错误中进行检测和恢

31、复的复杂的技术,以及数据的编解码技术.握手是两个设备开始建立通信的过程,例如沿控制总线送给处理器的某个ASCII字符或是中断信号/请求总线信号。当一个设备向另一个设备发送信息时握手便开始了,表明要建立一个通信信道。然后这两个设备来回发送信息，最终达成一个通信协议.握手必须在数据传输之前建立，因为它允许协议达成一致。Unit 5 多址技术Unit 5-1第一部分：多址技术：频分多址、时分多址、码分多址多址方案用于使许多用户同时使用同一个固定带宽的无线电频谱。在任何无线电系统中分配的带宽总是有限的.移动电话系统的典型总带宽是50MHz，它被分成两半用以提供系统的前向和反向连接。任何无线网络为了提高

32、用户容量都需要共享频谱。频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址(CDMA）是无线系统中由众多用户共享可用带宽的三种主要方法。这些方法又有许多扩展和混合技术，例如正交频分复用（OFDM），以及混合时分和频分多址系统。不过要了解任何扩展技术首先要求对三种主要方法的理解。频分多址在FDMA中，可用带宽被分为许多个较窄的频带。每一用户被分配一个独特的频带用于发送和接收.在一次通话中其他用户不能使用同一频带。每个用户分配到一个由基站到移动电话的前向信道以及一个返回基站的反向信道，每个信道都是一个单向连接。在每个信道中传输信号是连续的，以便进行模拟通信.FDMA信道的带宽一般较小（30kHz

33、），每个信道只支持一个用户.FDMA作为大多数多信道系统的一部分用于初步分割分配到的宽频带。将可用带宽分配给几个信道的情况见图5.1和图5。2.时分多址TDMA将可用频谱分成多个时隙，通过分配给每一个用户一个时隙以便在其中发送或接收。图5.3显示如何以一种循环复用的方式把时隙分配给用户，每个用户每帧分得一个时隙。TDMA以缓冲和爆发方式发送数据。因此每个信道的发射是不连续的。待发送的输入数据在前一帧期间被缓存，在分配给该信道的时隙中以较高速率爆发式发送出去。TDMA不能直接传送模拟信号因为它需要使用缓冲，因而只能用于传输数字形式的数据。由于通常发送速率很高，TDMA会受到多径效应的影响。这导致

34、多径信号引起码间干扰。TDMA一般与FDMA结合使用,将可用的全部带宽划分为若干信道.这是为了减少每个信道上的用户数以便使用较低的数据速率.这有助于降低延迟扩展对传输的影响。图5.4显示TDMA结合FDMA的使用.将基于FDMA的各信道进一步用TDMA划分，从而多个用户可以在同一信道上发送信号。这一类传输技术用于大多数第二代移动通信系统.对于GSM系统，分配的全部25MHz带宽被用FDMA分成125个信道，每一个带宽为200kHz。这些信道又用TDMA进一步分割，每一个200kHz的信道可容纳816个用户。码分多址CDMA是一种扩频技术，既不使用频率信道也不使用时隙.在CDMA中,窄带的消息（

35、典型的是数字话音）被乘以一个宽带的伪随机噪声（PN码）信号。一个CDMA系统中的所有用户使用同一频带而且同时发送.发射的信号通过将接收信号与发送者用的PN码做相关而恢复出来。图5.5显示CDMA系统中频谱的通常使用方式.CDMA技术最初是在第二次世界大战中由军方开发的。当时研究人员受到激励以寻求安全和能够在干扰中正常工作的通信方式.使CDMA有用的一些特性包括： 信号隐藏，而且不干扰现有系统 抗敌方干扰和噪声干扰 信息安全 精确测距 多用户接入 对多径的适应性多年以来，扩频技术一直被认为是只适合于军用。但是随着大规模集成电路(LSI）和超大规模集成电路（VLSI）设计的快速发展，商用系统也开始

36、使用了。CDMA处理增益要理解扩频技术最重要的概念之一就是处理增益。系统处理增益是指扩频系统通过扩频和反扩频的性质所表现出来的增益或信噪比的提高。系统处理增益等于使用的扩频带宽与数据原来的比特率之比。因此处理增益可写为:其中BWRF是数据扩展以后的发射带宽,BWinfo是所发送信息数据的带宽。图5。6给出CDMA传输过程。待发送的数据（a）在发送前（被）用一个PN码调制实现扩频。这使频谱扩展，如（b）所示.在本例中处理增益为125因为扩频带宽是数据带宽的125倍。（c）是接收信号.它包括要求的信号，附加的背景噪声,以及其它CDMA用户或无线电信号源的干扰。接收信号通过将信号与原来用于扩频的码进

37、行相乘而恢复出来。这一过程使需要的接收信号反扩频恢复成原来的发射数据.然而，所有与所用PN码不相关的其它信号变得更加扩展。然后(d）中的所需信号被滤波出来，而去掉扩频干扰和噪声信号。CDMA信号发生 CDMA通过用伪随机序列(PN码）调制数据信号来实现,PN码的码片频率高于数据的比特率.PN序列是一系列随机交替的1和0（称为码片）。数据通过与PN码序列做模-2加法被调制。也可以通过信号相乘得到，只要数据和PN序列都用1和-1表示而不是1和0。图5.7是一个基本的CDMA发射器。用于数据扩频的PN码可由两种主要类型。短的PN码(典型长度10128码片）可用于调制每一个数据比特。短的PN码对每一比

38、特数据重复使用，可实现接收机的快速和简单的同步。图5.8显示一个使用10个码片的短码CDMA信号的产生。另外也可以使用长码。长码的程度通常有几千乃至几百万码片，因此不经常重复。因此他们更难以解码，所以有益于增加安全性。CDMA前向连接编码 CDMA系统中从基站到移动电话的前向连接可以使用称为Walsh码的特殊正交码来将同一信道的多用户分开。这些码基于Walsh矩阵,它是由二进制元素构成的方阵，其阶数是2的幂，由一个基Walsh(1）=W1=0和下式生成:其中Wn是n阶Walsh矩阵.例如Walsh码是正交的，就是说任何两行间的点积都是0。这是因为任何两行之间都有一半的比特相同,另一半不同。Wa

39、lsh矩阵的每一行都可用作CDMA系统中一个用户的PN码。这一处理过程使每一用户的信号与所有其它用户的信号正交，因而相互之间没有干扰.不过为了使Walsh码能起作用，所有用户的码片都必须同步.如果一个用户使用的Walsh码在时间上相对于其它所有Walsh码偏移了超过约十分之一的码片周期，就失去了正交性，导致用户间干扰。对于前向连接所有用户的信号源自基站，因此它们很容易同步。CDMA反向连接编码反向连接不同于前向连接,因为从各用户发出的信号并不像前向连接那样由同一个源产生.由于传播延迟和同步误差，不同用户发射的信号在不同时刻到达。由于用户之间不可避免的定时偏差，Walsh码几乎没用,因为它们之间

40、不再正交。由于这一原因，用不相关而又不正交的伪随机序列作为各用户的PN码。由于调制方法的不同，前向和反向连接的容量是不同的。反向连接是非正交的，导致用户间的严重干扰.由于这一原因，反向信道限制了系统的容量.Unit 7 卫星通信Unit 71第一部分:通信卫星的应用通信卫星（有时缩写为comsat）是为了通信而停留在太空中的人造卫星。现代通信卫星使用多种轨道，包括对地静止轨道、椭圆形轨道、低地球轨道（过极地和不过极地）。对于固定的(点对点）服务，通信卫星为海底通信光缆提供了技术补充.它们也可用于如船、车辆、飞机和手持终端的移动通信,用于电视和无线电广播,以及应用其它技术，比如电缆，是不现实或不

41、可能的地方.电话通信卫星第一次也是历史上最重要的应用是国际电话.固定电话将通话传输到地面站，在那里再发射到对地静止卫星上。接着在向下链路中是类似的路径.相反,移动电话(船和飞机上接收和发送的）必须直接连到设备上把信号上传到卫星,又能确保在有干扰时的卫星指向,如船上的电波干扰。海底通信电缆的改进导致了20世纪后期用于固定电话的卫星应用有所下降。在城市中使用的手机不使用卫星通信。相反它们接入地面上用于接收和发射的星罗棋布的基站群。卫星电视和无线电台电视成为主要市场,其对相对很少的大带宽信号同时传送给很多接收机的要求更好地匹配了对地静止通信卫星的性能。北美电视电台使用两种类型的卫星：直播卫星和固定服

42、务的卫星。直播卫星是一种通信卫星,它直接向小型DBS卫星天线发射(通常直径为18到24英寸）。直播卫星通常工作在微波Ku波段的较高部分。直播技术用于直接到家的卫星电视服务。固定业务卫星用C波段和Ku波段的较低部分。它们通常用于向电视网和加盟的地方电视台馈送或收集广播节目，也用于中小学和大学的远程教学、商业电视、视频会议和一般商用通信。固定服务卫星也可用来把国家有线电视频道分发给中央控制单元。FSS（固定业务卫星）与DBS（直播卫星）的不同之处在于固定业务卫星具有更低的射频功率输出，需要更大的碟形卫星接收天线(对于Ku波段直径为3到8英尺，对于C波段直径为12英尺以上）,收发器的射频输入和输出也

43、都采用线极化（而直播卫星采用圆极化)。固定业务卫星技术在美国从20世纪70年代后期到90年代初期，以TVRO（仅电视接收）接受器和天线的形式最初用于DTH卫星电视。1994年，当第一个美国DBS提供者（Direct TV）开始运行，一切都改变了,它夺去了FSS卫星技术在DTH节目方面的风头。但是FSS卫星在C波段和Ku波段仍然用在有线和卫星电视频道中,例如CNN频道，天气频道，HBO（家庭影院）及其它方面，分配给有线电视数据转发器和DBS提供者,提供者把这些信道再分配给他们自己的系统。免费的卫星电视频道也通常分配在FSS卫星的Ku波段。在北美的国际通信卫星美洲5号，银河10R和AMC三颗卫星在

44、他们的Ku波段收发器上提供相当多的FTA频道。美国Dish网络DBS业务也使用FSS技术,由于传输地方电视台节目需要更大的容量，传输HDTV频道节目需要更大的带宽.现在已经发射了在Ka波段具有转发器的通信卫星。NASA（国家航空航天局）近来也发射了使用Ka波段的实验卫星.北美以外的地区，尤其是欧洲，固定业务和直播卫星的定义显得有点模糊.欧洲大部分用于直播的卫星使用与北美DBS级同样级别的功率输出，却使用与FSS卫星一样的线性极化。因此，FSS和DBS这两个术语更多地在整个北美洲这样用,而在欧洲却很少。业余无线电业余无线电爱好者有权使用被设计成承载业余无线电通信流量的OSCAR卫星。大多数这样的

45、卫星作为太空中继器,通常被装备UHF或VHF设备并使用高度方向性天线如八木天线或抛物面天线的业余无线电接入。由于地面业余设备限制,大多数业余卫星发射到低地轨道上，并设计得只能在任何给定时刻进行有限次数的简短接触。有些卫星用AX.25或相似的协议来提供数据转发业务.卫星宽带20世纪90年代以后，卫星通信技术通过宽带数据连接被用来作为连接因特网的一种方式。这对于位于边远地区，不能接入有线宽带网络或拨号上网的用户非常有用。Unit 9 数字信号和信号处理Unit 9-1第一部分：数字信号处理数字信号处理（DSP）是研究数字表示的信号以及这些信号的处理方法。数字信号处理和模拟信号处理是信号处理的子领域

46、。数字信号处理包括音频及语音信号处理、声纳和雷达信号处理、传感器阵列处理、谱估计、统计信号处理、图像处理、通信信号处理、生物医学信号处理等子领域。数字信号处理的目标通常是测量连续的真实世界的模拟信号或对其滤波,因此，第一步常常是使用模数转换器将信号从模拟形式转换成数字形式.通常，要求的输出信号为另一个模拟输出信号，这就需要数模转换器。数字信号处理的算法有时通过使用专用计算机来实现，它们（专用计算机）利用被称为数字信号处理器的专用微处理器(简称DSP)。这些数字信号处理器实时处理信号，通常是针对具体目的而设计的专用集成电路（ASIC）。当灵活性和快速开发比大批量生产的成本更重要时，DSP算法也可

47、以用现场可编程门阵列来实现。数字信号处理域在数字信号处理中，工程师通常在下面几个域的一个域中来研究数字信号：时域（一维信号），空域（多维信号)，频域，自相关域以及小波域。他们按照某些依据来猜测(或试验不同的可能性)那一个域能够最好地表示信号的本质特性来选择在其中进行信号处理的域.从测量设备得到的样本序列产生（信号的）时域或空域表示，而离散Fourier变换则产生频域表示即频谱。自相关定义为信号与其自身经过时间或空间间隔变化后的互相关。信号采样随着计算机应用的增长，数字信号处理的使用和需求日益增多。为了能够在计算机上使用模拟信号，必须使用模数转换器（ADC)对其进行数字化。采样通常分两步实现：离

48、散化和量化。在离散化阶段，信号空间被分割为相等的区间,用相应区间的代表性信号值代替信号本身。在量化阶段，用有限集中的值来近似代表性的信号值。为了能够正确地重建被采样的模拟信号，必须满足奈奎斯特香农采样定理.定理规定：采样频率必须大于两倍的信号带宽。实际应用中，采样频率通常远大于信号带宽的两倍.最常用的带宽是：DCBW（基带)；以及fc±BW,即以载波频率为中心的频带（直接调制）。数模转换器（DAC)用来将数字信号转换回模拟信号。数字计算机的使用是数字控制系统的关键因素。时域和空域时域和空域中最普通的处理方法是用一种叫做滤波的方法增强输入信号。滤波通常由在输入或输出信号当前样本周围的许

49、多样本的某种变换组成。有很多表示滤波器特性的方法，例如:l “线性”滤波器是对输入样本的线性变换；其他的滤波器为非线性的。线性滤波器满足叠加条件,就是说，如果输入是不同信号的加权线性组合，输出就是（各信号）相应输出的同样加权线性组合。l “因果”滤波器仅使用以前的输入或输出样本，而“非因果”滤波使用将来的输入样本。通常“非因果"滤波器可以加延迟使其成为“因果”滤波器。l “时不变”滤波器对时间具有不变的性质，诸如自适应滤波器等其它滤波器随时间而改变。l 有些滤波器是“稳定的”,其它的是“不稳定的”。稳定的滤波器产生的输出信号随时间收敛于一个不变的值,或在有限的时间间隔内保持有界。不稳

50、定滤波器的输出是发散的.l “有限脉冲响应"（FIR）滤波器仅使用输入信号，而“无限脉冲响应”（IIR)滤波器同时使用输入信号和以前的输出信号样本。FIR滤波器总是稳定的,而IIR滤波器可能是不稳定的。l 多数的滤波器可以通过传输函数在Z域(频域的扩展集）中描述。滤波器也可以用差分方程或一组零极点表示，对于FIR滤波器还可以用冲击响应或阶跃响应表示。对于任何给定输入,FIR滤波器的输出可以通过输入信号和冲击响应的卷积来计算.滤波器还可以用结构图来表示，它能用来推导样本处理算法，以便使用硬件指令实现滤波器。频域信号常常通过Fourier变换从时域或空域变换到频域。Fourier变换将信

51、号信息变换成每个频率的幅度和相位成分.Fourier变换常常被变换成功率谱，它是每个频率分量平方的幅度。用频域对信号进行分析的最一般的目的是分析信号的特性。工程师可以研究频谱来得到输入信号中有哪些频率信息，而哪些频率是没有的.有一些常用的频域变换。例如倒谱用Fourier变换将信号转换到频域，取对数，然后再作第二次Fourier变换。这就强调了幅度较小的频率成分同时保持了频率分量的数量级。应用数字信号处理的主要应用是音频信号处理，音频压缩，数字图像处理，视频压缩,语音处理,语音识别，数字通信，雷达，声纳,地震学和生物医学。具体的例子有数字移动电话的语音压缩和传输,高保真音乐的空间匹配均衡和语音

52、加强应用，天气预报，经济测报，地震数据处理，工业过程的分析控制，电影中的计算机动画制作，医学成像如计算机断层扫描和磁共振成像，图像处理,高保真扬声器分频和均衡，以及电吉他扩音器所使用的音效。实现数字信号处理通常使用专用的微处理器来实现，如MC56000和TMS320。它们通常使用定点算法处理数据,尽管也有一些使用浮点算法，运算能力更强大。比较高速的应用可选用FPGA来实现。从2007年开始，已经开始出现DSP的多核实现。对于使用量大的高速应用,可以专门设计ASIC。对于低速应用，速度较慢的传统处理器如微控制器就能处理。Unit 11 数字图像处理Unit 11-1第一部分：二维数字图像图像是表

53、示一些物理参数空间分布的二维信号，典型的物理参数是光强，而更普通的是能量的任一种形式.例如，运动图像以及多光谱的遥感图像是三维或者是更高维的信号。现代数字技术使得处理多维信号成为可能，所使用的系统可从简单的数字电路到先进的并行计算机。这种处理的目的可以分为3类:- 图像处理:输入图像®输出图像- 图像分析：输入图像®输出测量数据- 图像理解：输入图像®输出高层次的图像描述我们将介绍的重点集中在图像处理的基本概念上。篇幅所限，我们只能对图像分析以及图像理解进行一些介绍性的说明。另外我们将限于讨论二维图像处理，尽管将要描述的大部分概念和方法很容易扩展到三维或更高的维数

54、。我们从一些基本定义开始。在“真实世界”中定义的一幅图像可以看成是两个实变量的函数，例如：以a作为在实坐标位置（x， y)处幅度（亮度）的图像a（x, y)。一幅图像可以看成是包含许多子图像，这些子图有时称之为感兴趣区域，ROI，或者仅仅是图像中的区域。这一概念表明图像通常包含许多对象，每一个对象可以是一个区域的主要部分。在一个复杂的图像处理系统中,应该能对于选择的区域进行特定的图像处理运算.于是图像的一部分可以进行抑制运动模糊的处理，而另一部分可以作改进色彩渲染的处理.一幅给定图像的幅度几乎总是要么是实数，要么是整数.后者通常是量化的结果，将一个连续的范围如0到100%转换为离散的（灰度）级

55、。然而，在某些图像形成过程中，信号可能涉及到光子计数，这意味着幅度本来是量化的。其它的图像形成过程,如磁共振成像,直接的物理测量会产生一个复数,具有实的幅度和实的相位.除非另有说明，我们认为幅度是实数或者是整数。一幅二维离散空间中的数字图像am， n是由二维连续空间中的模拟图像a(x， y)通过采样得到的.采样过程常称为数字化。对采样过程的数学表示将在稍后介绍。现在,我们来看一些和数字图像有关的基本定义。图11.1显示了数字化的效果。2维连续图像a(x， y）被划分成N行M列。一行一列的交叉点被叫做一个像素。整数坐标m, n被赋予的值是am， n，其中：m = 0, 1, 2， . , M-1

56、 ,n = 0, 1， 2， . ， N-1。实际上，大多数情况下，我们认为是射到二维传感器表面的物理信号a（x， y)实际上是许多变量的函数，包括深度、颜色、时间.除非另作说明，本文我们考虑的是2维的,单色的静止的图像情况.图11.1的图像被划分成了N = 16 行以及M = 16列。赋予每个像素的值是像素的平均亮度，其四舍五入到最近的整数。将二维信号在给定坐标位置的幅度表示成具有L个不同灰度级的整数值的过程通常称为幅度量化，或简称量化。在数字图像处理中，某些工具是非常重要的。这些包括数学工具,如：卷积、傅立叶分析以及统计描述,和处理工具,如:链式码与游程码。在这里我们介绍这些工具没有任何特

57、别的动机,在后面的章节中我们会对此予以介绍.许多图像处理应用是要产生被人观察的图像，而不是比方说为了自动的工业检验。因此,了解人类视觉系统的特征和限制是很重要的，即要了解二维信号的“接收器"。一开始就认识到以下几点是很重要的:1)人的视觉系统尚未被充分了解；2）不存在与人眼评价相当的判断图像质量的客观度量；3）不存在所谓“典型”的观察者。然而，感知心理学的研究已经对视觉系统提供了一些重要的见解。Unit 11-2第二部分：数字图像-定义和应用图像无处不在,这毫不足怪，因为我们人类依赖于图像，我们用眼睛的感知超过所有其它的感知刺激。我们吸收的几乎所有的信息都是图像的形式，不论是看一张照

58、片,看电视，欣赏一幅画，或是读书，这一切都利用了图像。图像对于我们是如此自然，因而总是尽力将几乎任何信息都转换为图像。例如电视天气预报用图像表示某一地区的温度分布,以不同颜色代表不同的温度，医学扫描装置可将人的新陈代谢活动显示成图像,用亮点表示强的活动性，等等。此外，我们的视觉通常是我们感官中最有效的:举例来说，考虑一个电脑键盘。每个键的功能都用了一个小图像（一个字符）表示。我们也可以通过一个特定的凹凸纹理来识别每个按键，但它的效率远不及前者。我们甚至可以尝试给每一个按键一个特定气味，但很容易想象在打字时我们的麻烦。我们也擅长于许多图像处理任务。举例来说,我们眼睛的聚焦：当我们看东西时,我们的眼睛传递给大脑的第一个图像可能是未聚焦的，然后大脑试图通过调节眼睛晶状体纠正这一点，一个新的图像就会从眼睛发送到大脑，等等。这种反馈过程是如此之快,甚至我们没有意识到这一点.另一个例子是立体视觉:我们的眼睛将两幅二维图像传到大脑，而大脑能在瞬息之间将它们合成为一幅三维图像。图像处理技术将人类使用图像的自然方式和数学结