信息科学与技术英语复习题翻译

1、Unit 3-3第三部分：微波 微波是波长比频率为特赫兹（THz）的波更长，但比无线电波短的电磁波。微波的波长范围大约在30厘米（频率= 1 GHz ）到1毫米（ 300 GHz）之间。这个波长范围已经使人对命名习惯提出了问题，因为微波使人联想到微米波长。然而，远红外光，赫特辐射，微波，超高频无线电波之间的界限相当随意的，在不同的学科领域有不同的用法。电磁理论的同一个方程组应用于所有频率。当信号的波长和设备的尺寸大致相同时，仪器和技术可被描述为“微波”，因此集总元件电路理论不再准确。微波这个术语一般是指“频率为300 MHz和300GHz之间的交流电信号” 。但是，IEC标准60050和IEE

2、E标准100都定义“微波”频率从1 GHz（ 30厘米波长）开始。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于1864年根据他的方程组预言了电磁波存在，而微波只是电磁波频谱中的一部分。 1888年，亨利希·赫兹构建了在UHF频段产生和检测微波的装置，首次证明了电磁波的存在。1894 J. C. Bose公开展示了用毫米波长对钟进行的无线电控制，并引导了微波传播的研究。微波范围包括超高频（UHF）（0.3-3 GHz），甚高频（SHF）（3-30GHz）以及极高频(EHF）（30-300 GHz）信号。地球大气对高于300 GHz的电磁辐射的吸收是如此之大，以至于变得实际上是不透明，

3、直到所谓的红外线和可见光窗口的频率范围，大气又变得透明。器件基于电子管的器件是在受控制电场和磁场影响的真空内由电子的冲击运动而工作的，包括磁控管，速调管，行波管和振动陀螺仪。这些器件工作在密度调制模式而不是电流调制方式。这意味着它们是基于真空管发出的电子簇工作的，而不是用连续的电子流。用途微波炉是通过穿过食物的微波辐射工作的，通常频率是在2450 MHz（波长12.24厘米）。食物中的水、脂肪和糖分子在称为电介电加热的过程吸收微波波束的能量。许多分子（如那些水）是电偶极子，这意味着它们一端带正电，另一端带负电，因此它们力图与微波波束所引起的交变电场保持一致而发生旋转。旋转分子撞击其它分子使他们

4、运动，这种分子运动产生热量。微波加热对液态水是最有效的，其次为脂肪和糖类（分子偶极矩较少）以及冷冻水（分子不能自由转动）。微波加热有时被错误地解释为水分子的旋转共振，而这种共振只能发生在数十千兆赫的高频。此外，大型工业/商业微波炉在900兆赫的范围内工作，也能很好地加热水和食物。一个常见的误解是，微波炉从“从里面到外面” 彻底地烹调食物的。实际上与其它加热方法类似，微波被食物外层吸收。微波中的射线处理水粒子来烹调食物。实际上它是由运动引起的摩擦产生热来加热食物。这种误解源自微波在许多普通食物的表面穿透干燥的非导电物质，因此比起其它方法来能在更深层堆积初始热量。使用微波炉，初始热沉积的深度可达几

5、个公分以上，这取决于水分含量的多少，而焙烤是依赖红外辐射或烤箱内的热对流，它们在食物表面存储的热量很浅。微波渗透的深度是依赖于食物的成分和频率，较低频率的微波穿透力更强。微波无线电用于广播和电信传输，这是因为其波长短，与波长较长（低频）时相比，方向性天线体积更小也更实用。比起其它无线电频谱，微波频谱有更宽的频带可以利用；频率低于300兆赫时可用带宽小于300兆赫，而在300兆赫以上可用频带达到几个GHz。典型地，微波用于电视新闻，它利用一辆特殊装备的车辆将信号从一个偏僻地点发送到电视台。在光纤传输出现之前，大部分的长途电话都是通过各站点，像AT&T公司的通信设备，之间微波点对点的连接来

6、传送。从20世纪50年代开始，人们用频分复用在每一个微波无线电信道中传送多达5400路电话，将10路无线电信道组合起来送到一个天线，发送到70公里以外的下一个中继站。雷达也是用微波来检测远距离物体的范围，速度和其它特征的。无线局域网协议，如蓝牙和IEEE 802.11规范，在2.4 GHz ISM频段上也使用的微波，尽管802.11a 在5 GHz范围使用ISM频段和UNII 频率。在3.5 4.0 GHz范围内我们可以发现许多国家（但不包括美国）的经授权许可的远距离无线互联网接入业务。 城域网：城域网协议，如WiMAX （微波接入的全球互通）是基于IEEE 802.16规范。IEEE 802

7、.16规范设计工作在2至11千兆赫。商业实现是在2.5千兆赫，3.5千兆赫和5.8千兆赫。广域移动宽带无线接入： 基于IEEE 802.20或ATIS/ANSI HC-SDMA（如 iBurst ) 标准规范的MBWA协议设计工作在1.6和2.3 GHz之间，提供移动性和楼宇内部穿透性，类似于移动电话但频谱效率更高。 有线电视和同轴电缆上的互联网接入以及广播电视使用一些低频微波。一些移动电话网络，像GSM，也使用较低的微波频率。许多半导体处理工艺用微波来产生等离子体，用于反应离子蚀刻和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）。微波可用于长距离传输电能（微波输能），二战后就研究了可能性。美国航空航

8、天局在20世纪70年代和80年代初期研究利用太阳能发电卫星系统SPS的可能性，这种系统装有大型太阳能阵列，通过微波向地球表面发送能量。迈泽是和激光相似的设备，除了前者是工作在微波频率。大部分射电天文学都是使用微波。微波频率波段 微波频谱通常定义为频率范围大约从1GHz到1000GHz的电磁能量，但较早的使用还包括较低的频率。常用的是在1到40GHz范围，由大不列颠无线电学会定义的微波频率波段如表3.1。 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50

9、MHz，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

10、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），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

11、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

12、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（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

13、（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C

14、DMA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

15、（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

16、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。Walsh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

17、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 8-1第一部分：电磁频谱仔细研究表8.1中的频率表可以看到各种用于信息传输的光学技术的潜力。人们所感兴趣的“现代”常规通信系统的信息传播速率通常相应于电话系统中的音频、商用广播系统中的无线电频率、或是最先进的视频节目分配系统中的数字电视数据率。这些数据率通常低于几个吉赫兹（GHz）。如果传输这样的信息不是将它加载

18、到光纤上，而是加载在略高于最大速率的射频载波上，则此射频载波就会是厘米波或是波长更长一些的波。用光载波则有很大的优越性。一个明显的优点就是光纤的低损耗和方向性。载波的数据率显然必须高于信息速率。通信系统的一个基本原则是频率愈高，技术就愈复杂。处理微波就比处理无线电波更困难。随着波长减小到接近于电路元件的尺寸，电路单元就不再是集总的，导线可起到反射元件以及（或）天线的作用，集总单元则成为电磁谐振器。这通常意味着当发送的信息较多时，代价也较高，因此在较高的信息率要求较高的频率这层意义上，要考虑传输信息的每个bps的成本问题。于是，观察上述频率表得到的第一个结论就是，对于频率为数百特赫兹（THz）的

19、光载波而言，信息的带宽在某种意义上是免费的。就是说与大多数器件相比，光的波长是如此之小，以至于所用技术与电和微波有根本的不同。一旦我们具备了这样的技术，则无论信息率有多高，再也没有必要改变载波了，因为载波频率高于任何现实信息率所能达到的程度。不过带宽也不是完全免费的，因为编码器和解码器必须工作在相应于信息率的频率上，而系统其余部分大都只需要处理载波和调制。如果一个元件可以工作在5´1014Hz的频率上，在这个频率信息偏移千分之一（相应于500吉赫兹的信息率）对器件的性能将没有什么影响。因此，只要系统已经建立起来，大体上就可以随意升级系统而不会涉及常规系统中改变电磁载波所需付出的那种代

20、价。光波的宽频带一个结果就是光载波可以同时携带许多不同电话信号和电视节目等。通常实现这种同时传输多路信息的过程（至少以同步格式实现）称为时分复用。其原理是：如果要复用16个1 Mbps的不同信道，可将每一比特所占时间除以16，然后将16个数据比特交织成一个持续1微秒的复合比特（即比特率为1 Mbps），这一复合比特实际上带有16比特的信息。电话通信所用的数据率是64kbps，光载波数百个Tbps带宽使实现TDM有了极大的可能。当然，TDM并不是人们可以使用的唯一复用方案。可以设想将相隔几个吉赫兹的若干子载波加载到光载波上。其中每一个载波又可以信息频率被调制，然后在输出端按其不同的载波波长重新分

21、离。根据实现方法，这种方案称为波分复用（WDM）或子载波调制。现在有许多随着不断增大的信息流量而扩大链路吞吐量的方案，都涉及到将许多TDM信号与WDM载波结合的技术。实际上，WDM密度所受到的限制并不是带宽而是功率。就是说，每个信道要求有一定的功率。于是信道愈多所需功率也愈大。在达到一定的功率时光纤的非线性变得重要起来，这种非线性往往使信号混合在一起。目前正在进行大量的研究，努力寻求对这种非线性的均衡处理。光载波极高的载波频率也有缺点，当它通过光速与光的波长相联系时尤其如此。光波的周期不到2毫微微秒（2´10-15秒）。这意味着对相位的控制要达到毫微微秒级以下的时间间隔。虽然这种技术

22、正在出现，但它们十分复杂，比处理微波或射频的波形复杂得多。因为这样，相干光的接收至今仍然是一项实验室技术。随着信噪比的提高，看来稀土金属掺杂光纤放大器的发展使通信系统中不再需要用相干技术。光波的周期短还意味着半微米左右的短波长。光波波长之小使发射和接收模块得以小型化，这就使光通信系统的尺寸、重量以至价格与相应的微波、无线电波通信系统相比都大为降低。在微波情况下，开放的微波信道排列的密度愈高，窜音就愈严重。另一方面，无论将光纤包装得多紧密，只要包层设计得当基本上就不会有窜音。这导致光纤可用作空分复用（SDM）极佳媒体这样的优良性质，就是说，可将多个传输不同信息流的信道紧密地封装在一起。 虽然相干

23、光通信系统的所有优点还有待于落实在具体成果中，光辐射的另一性质却使目前的光通信系统不利于应用。这里，重要的性质是光子能量的属性。如表8.1所示，光子能量大约在2eV到4eV之间。看起来这是效率方面的一个优点。不过，具有这样的光子能量需要付出高昂的代价。因为单个光子是可检测到的，发射/接收过程必然具有颗粒性。如所周知，即使在一场稳定的降雨中，雨滴落地的概率（作为时间的函数）服从Poisson分布，这意味着有成串的雨滴。一滴雨更会在前一滴落下之后立即落下。雨滴是缺乏耐心的，不会等待。几乎以同样的方式，即使在恒定偏置电流条件下激光也发出光子束。这就产生一种噪声，通常称为散粒噪声或量子噪声。在发射/检

24、测过程中，这一问题对于模拟通信变得相当严重，尽管在数字通信中要轻微得多。由于单个光子是可测量的，光量子检测器能在室温下工作。因此如果散粒噪声受到限制，光的直接检测会十分灵敏。另外，直接检测与强度调制方案完全兼容，在这些方案中光源实质上只是简单地接通和断开。这种调制方案最容易实现。光的波长很小，可以使用小型的光源和检测器以及微米级的波导，于是用直接检测方案可实现在许多领域具有竞争力的小巧的宽带系统，这些领域中特别引人注目的是当前电信传输中的应用，尽管无数其他应用也在不断涌现出来。如前所述，（线路）成本并非电信系统中真正重要的考虑因素，通信设备的成本主要受到其他因素的制约，因此这些应用比预料的出现

25、得慢。在消费电子学中，我们不必操心通路的权利或安装问题。现在用光技术将相距几米的个人计算机连接起来是如此昂贵，使得光纤还未能进入消费市场。但是在这种情况下连接的高昂成本并不是根本性的问题，而是一个历史阶段性的问题。目前在毫米级纤芯塑料方面的发展就是一个采用比玻璃光纤便宜得多的技术的实例。光纤连接的元件成本和封装成本正在下降，新的应用也正在出现。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。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、

26、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

27、：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

28、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

29、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

30、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

31、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

32、，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 10-1第一部分：MP3 随着互联网时代的到来，希望通过电话线传输越来越多的信息。音频信息是一种愈来愈多被下载的（多媒体）形式，无论是乐队的唱片选曲，无线电节目，还是视频伴音。因为电话线的带

33、宽有限，所以需要对信息（包括音频）进行压缩。用于CD和数字电视中存储数字音频的传统方法是每秒抽取并记录一定次数的声音幅度值。幅度值的精度是由用于存储幅度的比特位数决定的。所以，音频信号消耗的带宽（或者内存）由以下三个因素决定：每秒钟的采样次数（频率），用于存储幅度的比特位数（比特深度）以及信号的长度（时间）。当这三个参数已知时，很容易的计算出所用内存： 内存频率´比特深度´时间此外，如果信号是立体声的，内存就乘以二，因为立体声实际上用了两个信号。 这个等式能用来说明为什么在互联网上传输高品质音频信号时需要压缩。CD音频采用44,100 Hz采样率的16比特立体声。这就意味着

34、1分钟的音频信号需要使用44,100´16´60´2 = 84,672,000比特，或略超过10兆字节。一个标准的56 kbps的调制解调器需要84,672,000/57344 = 1477秒，或大约25分钟。等待1分钟的音频要25分钟这么长的时间，因此必须有另一个选择，这个选择就是MPEG 音频第3层，或MP3。编解码器人的耳朵仅能听到有限的频率范围，因此编解码可去除这个范围之外的所有声音。因为这些声音是不可能被人听到的。对声音应用一种心理声学模型。在播放音调高的声音时，要提高使低频声能被听到的临界分贝数（分贝阈值）。心理声学模型能去除所有通过这种方式“隐藏”的

35、声音。下一步就是联合立体声。人脑无法估计低频声音的方向，所以这个阈值之下的声音都用单声道编码。如果信号某些部分仍然高于所需的比特率，这些部分的音质就会下降。最后，应用哈夫曼编码，该编码将所有比特码字根据其出现的频率换成独特的变长比特码。例如：最常出现的比特模式编码成“01”，而次常出现的编码成“010”，下一个被编码成“011”，依此类推。社会和经济效应MP3所带来的社会效应是无法被低估的。它允许新的、未签约的乐队在互联网上发布免费音乐。具有非主流口味（喜好）的人获取实验性或不同寻常的音乐比以往容易得多，主流唱片店一般不经销这些流派的音乐。便携式硬件MP3播放器现在售价很低，而且还在降低。一些

36、网站如：MP发布着众多未签约乐队的免费MP3。另外一些网站销售未签约乐队的专辑，用一些专辑上的免费MP3音乐让消费者在购买之前进行试听。为了提升专辑，一些主流艺术家也会在网上发布一些免费MP3。然而，不幸的是，这种革命存在它的阴暗面。非法网站发行从已成名艺术家的唱片中非法窃取的音乐，这些艺术家因而失去版税。MP3对经济的影响与其社会效应是紧密相关。主要的唱片公司差不多因为这可能产生的社会影响而惊恐万状。它们拒绝销售MP3专辑，除非艺术家有足够的影响。他们急欲建立一种“安全”音乐格式标准，使之不能用于一台以上的机器（仅能在一台机器上播放）。微软最近进行了这样的尝试，但失败了。它们的格式WMT4，

37、在发布之后不到24小时就被破解了。实际上，用于破解WMT4的相同技术可以用于破解任何音乐格式，无论这种格式有多么安全。人们相信，MP3可能是传统唱片公司的末日。然而，大多数人预见到，唱片公司意识到它们无法打赢这场特殊的战争，它们也开始发布MP3专辑。实际上，在这个时代，MP3在安全性上大概并不比CD差很多。结论总之，MP3能以高因子对数字音频进行压缩，这使得在互联网上发布音频很理想。它对一些未签约的以及实验性的乐队相当流行，还有一些提倡这种技术的已成名艺术家。尽管唱片公司拒绝对其进行支持，但是它们也没办法阻止这个潮流。它们发现它们自己完全处于丹麦克努特大帝的处境，尽管从长远来说，这种状况必然会

38、改变。MP3文件格式是一种效率极高的压缩标准，它已经赢得（告别）了WMT4和其他对手发起的挑战。由于其非常宽松的许可条款，MP3似乎不大可能丧失它的流行性。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

39、，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

40、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合起来。这就提供了独特的混合，因为可用严格数学方法描述图像和图像处理又不失图像的直观性。图像处理可以定义为：图像中信息的处理和分析。当然这个定义是非常宽泛的，包括自然的和人为的处理，从一副眼镜的使用到哈勃望远镜传输的图像的自动分析。我们可以发现身边图像处理的简单方式，包括：- 使用眼镜或隐形眼镜- 亮度，对比度等，电视或监视器的控制- 用相机拍摄和冲洗照片- 大自然的例子：水面上景色的反射，水雾中景色的失真，等等。高级图像处理的应用例子包括：- 司法科学：视频监控摄像机图像的增强，图像中的脸，指纹，DNA码等的自动识别和分类。-

41、工业：检验生产部件，应用于CAD /CAM。- 信息处理： 手写和印刷文本（经常被称为OCR;光学字符识别）的识别，印刷图像的扫描和分类。在医学中，使用病人的一幅或多幅医学图像，可以发现图像处理的许多应用，例如：- 可视化。 例如：在我们制作一个三维物体的三维可视化之前，我们首先需要从二维图像中提取物体的信息。- 计算机辅助诊断。 如：现在通常为超过一定年龄的女性定期拍乳房X光片，以发现早期的乳房癌。实践中图像数量如此巨大，因而用自动计算机图像处理来完成部分筛选工作十分有益。- 图像分割即将图像分割为有意义的结构。例如：将脑图像分割为这些结构：脑白质、脑灰质、脑脊髓液、骨质、脂肪、皮肤等。从改

42、善可视化到肿瘤生长的监测，在许多工作中分割是有用的。- 图像配准，即同一病人两幅或更多图像的严格对准。若要将这些图像中包含的信息结合起来形成一幅有意义的新图像，这种对准是十分必要的。 图像处理应用可以有很多目的。大多数时候，目的是在一个或几个这些类别中： - 图像增强，例如，减少噪声或图像锐化。- 模式识别，例如，图像中某种形状或纹理的自动检测。- 将数据量减少为更容易处置或解释的信息，例如将图像减小为一幅较简单的图像、一组对象或特征、或者一组测量结果。- 图像合成，如由二维照片重建三维场景。- 图像拼接。当从同一个场景获取两种不同形态（类型）的图像时，将它们拼接起来涉及配准，其后是数据减少和

43、图像合成。 - 数据压缩。为了缩小包含图像的计算机文件的大小，以及加快网络中图像传输的速度，数据压缩常常是必需的。我们关心的只是数字图像处理，而不是模拟处理，理由是，模拟处理需要专用的硬件，这使得建立一个特殊的图像处理应用成为一项艰巨的任务。此外，在许多图像处理领域中模拟硬件的使用正在迅速地成为过去，因为它常常能被更具灵活性的数字硬件（计算机）所取代。 但究竟什么是数字图像呢？数字图像获取与处理的示意图如图11.2所示。顶部有某个成像设备，如摄像机，医疗扫描仪，或其它任何可将物理现实的量度转换为电信号的设备。成像设备产生一个连续的电信号。因为这种模拟信号不能直接用计算机处理，信号通过数字化仪转

44、换为离散形式。最后产生的图像便可直接用于数字图像处理应用。数字化仪完成两个任务：采样和量化（见图11.3）。在采样过程中，图像中连续信号的值在特定位置被采样。在量化过程中，真实值被离散化为数字数值。量化后的图像我们称为数字图像。这样就回答了本节开头的问题：数字图像只不过是一个数值的矩阵。每个矩阵元素，即已量化样本，被称为图像元素或像素。对于三维图像则称为体积元素或体素。 我们可以用两个坐标(x; y)表示图像中每个像素的位置。按照惯例，(0; 0)像素，即原点，是在图像的左上角，X轴是从左向右，Y轴自上而下（见图11.4 ）。这可能要用一点功夫去习惯它，因为它不同于常规的二元函数的数学表示法，

45、也不同于常规的矩阵坐标。如果一幅数字图像仅仅是一个数值矩阵，有人可能会说：数字图像处理只不过是一种对矩阵进行运算的数学算法的集合。幸运的是，现实情况远非所说的那么枯燥乏味，因为在实际中，我们很少使用图11.3所示的矩阵表示，而是对图11.3的中间图像进行处理，实际上是同一幅图像，但将光强度赋予每一个数，对人而言它通常更有意义。你会发现图像处理算法将被描述为数学算子作用于像素值或像素矩阵，这些算法的运算结果也将被用图像形式显示出来。Unit 13-2第二部分：信息安全的基本原理20多年来，信息安全的核心原理一直由3个关键概念构成：机密性、完整性、可用性。我们称之为CIA三要素（confident

46、iality, integrity and availability）。机密性通常当我们要办驾照、租房、医保或者申请贷款等时候，想要不暴露自己的个人信息事实上是不可能的。诸如姓名、地址、电话号码、出生日期、社保号、婚嫁状况、子女数量、娘家姓、收入、工作、病史等等，这些都是我们非常个人和隐私的信息，但经常我们仍需要提供这些信息来进行商业活动。我们通常信任向他们透露这类个人信息的人员、公司、机构会采取措施确保我们的信息将得到保护，不会无意或有意向未被授权者披露，同时这些信息将仅仅被有权并且真正需要得知该信息的人所分享。具有机密性的信息必须只能被授权的人访问、使用、复制和披露，并且应当仅在需要的时候

47、进行访问、使用、复制和披露。当被认为是具有机密性质的信息已被（或者可能已被）未受权接触该信息的人所接触、使用、复制、披露时，即发生了泄密。例如：当你在处理机密文件时，让一个没有得到授权的人从背后偷看你的屏幕，而屏幕上正显示机密数据的时候，即发生了泄密；如果包含有100000个雇员津贴信息的笔记本电脑被从车里偷了（或者在eBay上卖了）也会造成泄密，因为这些信息到了没有授权的人的手上。把机密信息通过电话告诉给未授权者也是泄密。所以机密性是对那些持有他人个人资料的机构维护他人隐私的一项要求。完整性在信息安全中，完整性意味着未经授权，数据不能被创建、修改、或者删除。这也意味着存储在数据库系统中某一部

48、分的数据与存放在该系统另一部分（或另一系统）的其它有关数据相一致。例如：当数据服务器电源突然中断或者执行了未经维护的不当关机，就会造成对完整性的破坏。当雇员不小心或者恶意删除了重要数据，也是一种对完整性的破坏。当网上购物者能修改他们所购买产品的价格时，信息的完整性就被破坏了。可用性信息可用性是指当需要某一信息时，信息本身、用来处理信息的计算机、保护信息的安全控制都处于有效可用的状态，并且功能正常。反之则是服务拒绝(DOS)。结论信息安全是一个以应有的关注和认真态度对信息和信息系统不断进行（保护）的过程，使之不被非授权者接触、使用、披露、破坏、修改、扰乱。信息安全这一永无止尽的过程包含不断的训练

49、、评估、保护、监视和检测、对事件的响应和修复、形成文档、检查。1989年，卡内基梅隆大学建立了信息网络学院，美国的第一家致力于信息网络的研究和教育的中心。该学院与一些职业化组织在20世纪末和21世纪初对电脑安全、信息安全以及信息保障进行规范和整合。可通过自学、高等院校学习、为期仅一周的强化训练营进入这一领域。很多学院、大学和培训公司提供在线的培训项目。信息安全职业对安全专业人员的需求日增，这些专业人员具有网络安全审核、入侵测试、数字取证调查方面的经验。Unit 15-1第一部分：遥感技术综述在150多年前，现代遥感技术伴随着照相机的发明应运而生。尽管一开始，很早期的照片是地面的静态图片，19世

50、纪40年代，为了绘制地形图，当照相机被放在系留气球上来拍摄照片，俯视地球表面的想法和实践开始了。19世纪末最新的平台也许是在欧洲作为新奇事物的著名的鸽子群。到了第一次世界大战，安装在飞机上的照相机能够提供相当大表面区域的俯视图，这在军事侦察方面是价值无量的。从那时到20世纪60年代早期，航空照片是从垂直或倾斜角度描绘地球表面的唯一标准工具。人造卫星遥感技术可以追溯到太空时代早期，实际上，它最初是在太空飞船上使用多种传感器对表面成像的方法。20世纪60年代，随着太空计划出现，环球轨道宇航员很像旅行者通过太空船的窗口进行拍照。现在“遥感”这个词被普遍用来描述在不与目标直接接触的情况下，对目标进行识

51、别、观察和测量的科学技术。这一过程包含检测和测量从远处目标反射回来或发射出来的不同波长的辐射，由这些辐射，可按种类、物质、空间分布对目标进行识别和分类。辐射除非是绝对零度（-273°C），物体总是以一种特殊的方式反射、吸收和放射能量。这种能量，被称为电磁辐射，它以波的形式发射，其能量能够从一个地方传输到另一个地方。例如，树，空气，太阳，地球和所有的恒星和行星都一直反射和放射大范围的电磁波。这些波是由亿万个振动的电子、原子、分子发出的，它们以独特的波长组合发出和吸收电磁辐射。一个物体发射电磁波的量主要依赖于它的温度。物体温度越高，电子振动就越快，发射出的电磁波峰值波长就越小。电磁波谱电

52、磁现象的基本单元是光子，它是某一波长的电磁波能量可能的最小量。独个光子能以波的形式运动，速度可达光速300,000 km/sec，就像波浪在海洋中传播一样。一个光子的能量决定该光的频率。光子的能量越大，该光的频率就越大，反之亦然。完整的电磁波排列组成电磁波谱。之所以称其为电磁波是因为它们包含了当带电粒子（电子）加速时产生的组合的电波和磁波。电磁波谱划分成几个区域并分别命名。在高频端是射线和x射线。在紫外线区域的电磁波的波长范围大约从1纳米到0.36微米。可以很方便地用以下两个单位度量频谱的中频段：微米，它的长度相当于一米的百万分之一，或者是纳米，它的长度相当于一米的十亿分之一。可见光区域的范围

53、从0.4微米到0.7微米。红外波段的范围为0.7微米到100微米。红外线在其较短波长上（接近0.7微米）可以用特殊的薄膜探测，而在其较长的波长上感觉是热量。以毫米到米为单位来测量较大波长区域。微波区域从1毫米到1米，它包含了用于雷达系统的所有波段，雷达系统是自己主动产生辐射，发射到感兴趣目标并从感兴趣目标反射回来。频率最低的区域，波长大于1米，称为无线电波。吸收带和大气窗口 有几种电磁辐射很容易地穿过大气层，而其他的则不能。大气层允许辐射穿越的能力随辐射波的波长或类型而变化。构成大气层的气体吸收某些特定波长的辐射而允许另一些波长的辐射通过大气层。能够被水蒸汽，二氧化碳和臭氧等大气层气体吸收的电

54、磁波谱区域称为吸收带。吸收带传输量很低，对应于特定的波长范围。对比于吸收带，有些电磁波谱的区域，大气对于特定的波长是透明的。这些波段称为大气窗口，因为它们能让辐射很容易穿过大气到达地面。大多数装在飞机或太空平台上的遥感仪器工作在一个或多个这样的“窗口”范围里，这是通过将其检测装置调谐在能穿透大气层的特定频率（波长）上而实现的。当遥感仪器的视距覆盖到正在反射太阳光或放射热量的物体时，这种装置就收集和记录辐射的能量。然而大部分的遥感系统都被设计用来收集反射能量，某些传感器，特别是那些气象卫星上的传感器，直接测量吸收现象。大气对部分中红外和所有的远红外波段的电磁波辐射几乎是不透明的。相比之下，在微波

55、段的大部分辐射不受阻碍，因此雷达波能到达地面。像素，比特和颜色利用无线电波，从地球轨道卫星得到的数据能以一种常规的方式发送到具有适当装备的地面基站。当接收到这些数据后，它们被转换为能够在电脑屏幕上显示的数字图像。卫星图像由许多小方块组成，每一个方块拥有不同的灰度或颜色。这些方块称为像素，表示那部分图像记录的相对的反射光能量。每一个像素描述图像上的一个正方形区域，它是传感器分辨不同尺寸对象的能力的度量。比如，在Landsat卫星7上的增强型专题制图仪拥有最大为15米的分辨率，因此每个像素描述的区域为15米*15米，或者225m2。较高的分辨率意味着传感器能辨别更小的对象。通过合计一幅图像的像素数

56、目，能够计算某个场景的范围。例如，如果你能计算在人造彩色图像中的绿色的像素点数目，你就能计算整个植物带的覆盖范围。太空船使用8位二进制数字，它的范围为00000000 到 11111111（即十进制中的0到255）。用8比特的数据，我们将图像中最暗的点赋值为0，最亮的点赋值为255。这就在黑和白之间产生256个灰度值。正是这些二进制数字使得太空船可以发回各行各列的像素，而通过电脑能明白每个像素数值。大多数遥感图像的另外一个重要因素是颜色。虽然变化的黑白图像具有较大的信息量，但人眼能区分的不同灰度色调局限在大约20到30级。另一方面，人眼能区分20000或更多的色彩，这使得目标物体内小的但往往是

57、重要的变化会被辨别出来。因为不同的频带（或波长）拥有不同的对比度，计算机能从黑白遥感数据中产生彩色图像。计算机屏幕能使用蓝光，绿光和红光显示三种不同的图像。结合这三种光波长将产生我们眼睛能看见的彩色图像。这是通过显示黑白卫星图像完成的，它与蓝，绿，红光的不同波段相对应来实现波段间的相对对比度。最终，当这三种颜色结合在一起，一幅彩色图像，称为伪彩色图像，就产生了。遥感方法有两种遥感仪器被动的和主动的。被动仪器检测从观测场景反射或发出的自然能量。被动仪器只感知被观测对象发出的辐射或来自某个源而不是仪器的被对象反射的辐射。反射太阳光是被动仪器最常检测的外部辐射源。科学家们常使用各种各样的被动遥感仪器

58、。1.辐射计：一种在频谱某些波段上定量测量电磁辐射强度的仪器。辐射计通常又按其覆盖的频谱范围来区分，例如可见光、红外、微波。2.图像辐射计：一种具有扫描能力，能提供用以生成图像的像素二维阵列的辐射计，称为图像辐射计。扫描可以机械实现或用探测器阵列电子实现。3.分光计：一种设计来检测，测量和分析入射电磁辐射光谱成分的仪器，称为分光计。通常，图像分光计用光栅或棱镜分散辐射来分辨光谱。4.分光辐射计：一种能测量在多重波长段中辐射强度的辐射计。这些频带经常具有高分辨率，是为特定参数的遥感而设计的，如海面温度、云地特性、植被、大气层的微量化学成分等。主动仪器自己提供能量（电磁辐射）来照射要观察的对象或场景。它们从传感器向目标对象发送一个脉冲能量然后接收被对象的反射或反向散射的辐射。科学家们使用许多不同种类的主动遥感仪器。1.雷达（无线电探测和搜索）：雷达用一个工作在射频或微波频率的发射机来发出电磁辐射，用一个方向性天线或接收器来测量从远处目标反射或反向散射回来的辐射脉冲的到达时间。由于电磁波以光速传播，到达对象的距离