1、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
2、是指 “ 频率为 300 MHz 和300GHz 之间的 交流电信号 ” 。 但是， IEC 标准 60050 和 IEEE 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
3、 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，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
4、 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。
5、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
6、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2 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
7、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 802.16 规范 设计 工作在 2 至 11 千兆赫。商业 实现是
8、 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
9、了可能性。美国航空航天局在 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
10、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
11、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3 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），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
12、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 2
13、5MHz 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 8 16 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（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
14、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： 4 其中 BWRF是数据扩展以后的发射带宽， BWinfo 是所发送信息
15、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）
16、 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 10 128 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
17、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。 5 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
18、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。
19、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
20、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
21、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51014Hz 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6 及常规系统中改变电磁载波所需付出的那种代价。 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
22、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
23、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（ 21015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，
24、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
25、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 /检测过程中，这一问题对于模拟通信变
26、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7 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得慢。在消费电子学中，我
27、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、通信信号处理、
28、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
29、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
30、。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 fcBW，即以载波频率为中心的频带（直接调制）。 8 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： “线性”滤波器是对输
31、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。 “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。 “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。 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。 “有限脉冲响应”（ FIR）滤波器仅使用输入信号，而“无限脉冲响应”
32、（ 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。 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
33、 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加强应用，天气预报，经
34、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。 9 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
35、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
36、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 1 分钟的音频信号需要使用 44,10016602 = 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
37、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 10 MP3 所带来的社会效应是无法被低估的。它允 许新的、未签
38、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
39、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，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
40、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，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
