Unit3-3
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（300GHz）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300MHz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1GHz（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。1894J. 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）（0.3-3GHz），甚高频（SHF）（3-30GHz）以及极高频(EHF）（30-300GHz）信号。
地球大气对高于300GHz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
。食微波炉是通过穿过食物的微波辐射工作的，通常频率是在2450MHz（波长12.24厘米）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。
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 较低频率的微波穿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，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
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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IEEE802.11规范，在2.4GHz ISM频段上也使用的微波，尽管
802.11a在5GHz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IEEE802.16规范。IEEE
802.16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IEEE802.20或ATIS/ANSIHC-SDMA（如iBurst) 标准规范的
MBWA协议设计工作在1.6和2.3GHz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。
Unit5-1
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
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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 因而只能用于传输数字形式的数据。由于通常发能直接传送模拟信号因为它需要使用缓冲，
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，从而多个用对于GSM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。
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 发射的信号通过将接收信号与发送者用的PN码做相关而用户使用同一频带而且同时发送。
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：
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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。
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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。
Unit8-1
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 用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。
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于信息率的频率上，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
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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（至少以同步格式实现）称为时分复用。其原理是：如果要复用16个1Mbps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 ，这一复合比特实际上带有16比特织成一个持续1微秒的复合比特（即比特率为1Mbps）
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。
都涉及到将许多TDM信号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，
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，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6
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。
Unit9-1
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、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：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：DC~BW（基带）；以及fcBW，即以载波频率为中心的频带（直接调制）。
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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”（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。
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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。
Unit10-1
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 ，用于存储幅度的比特位数（比特内存）由以下三个因素决定：每秒钟的采样次数（频率）
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44,100Hz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56kbps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
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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。一些网站如：MP3.com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，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。
Unit11-2
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10
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。
-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。
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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，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。
Unit13-2
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。
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我们称之为CIA三要素（confidentiality,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、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 这些专业人员具有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，
网络安全审核、入侵测试、数字取证调查方面的经验。
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Unit15-1
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（273C），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300,000km/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γ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。
微波区域从1毫米到1米，它包含了用于雷达以毫米到米为单位来测量较大波长区域。
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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。
二氧化碳和臭氧等大气层气体吸收的电磁波谱区域称为吸收带。吸收带能够被水蒸汽，
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 这种装置就收集和记录辐射的能量。然而大距覆盖到正在反射太阳光或放射热量的物体时，
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 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，而和白之间产生256个灰度值。
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
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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。
：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1.辐射计
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。
来照射要观察的对象或场景。它们从传感器向目标主动仪器自己提供能量（电磁辐射）
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，到达对象的距离就能被确定。
2.散射仪：散射仪是一种高频微波雷达，专门设计用来测量反向散射辐射的。海平面上在微波频谱区域对反向散射辐射的测量能够获得海平面风速和风向图。
：激光雷达利用激光发射机发射光脉冲，带有敏感检测器3.激光雷达（光检测和搜索）
的接收机来测量反向散射或反射光。到达对象的距离通过记录在发射的和反向散射的脉冲之间的时间决定，并用光速来计算传输的距离。激光雷达能测定气体中的悬浮微粒，云层和大气的其他成分的大气概图。
4.激光测高计：激光测高计利用激光雷达测量仪器平台离开表面的高度。通过独立地获取平台相对于平均地球表面的高度，就能确定地表面的地形图。
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Unit16-1
第一部分：照管好你的电脑
退到DOS系统时代，计算机相对地容易照管。那你最担心的事情不过是硬盘崩溃或文
件列表的破坏。是的，硬盘变成了碎片，不过早期硬盘很小。在那些年（1985－1991），我
拥有20兆字节的硬盘。Windows变得越来越普遍，计算机开始演化，很多事情变化很快。
计算机小了，硬盘大了，价格低了。
即使今天，计算机仍是一项重要的投资，你应该照管好这项投资。仅需要一点关心，你
就可以用很长时间。很容易去做，不需要花费很长时间。长久来看，如果你能照管好计算机，
你将会更加喜欢它。因此，让我们看看你能做哪些事情让你的计算机健康，平稳地运行。
整理碎片
无需复杂的解释－硬盘会分成碎片！安装和卸载软件担保它这样。不久会出来“关
于…”的文章，但是现在只要知道你的硬盘是注定要分成碎片的。碎片涉及到程序和数据的
路径文件，记录在硬盘上。它与你的硬盘在物理上变成碎片不同，但是如果你的硬盘变得太
碎，看起来就好像崩溃一样。
当你的硬盘变成碎片的时候，使得你的硬盘工作困难。你的计算机似乎较慢。有时似乎
是很慢。不同于其他类型的软件，处理磁盘碎片的软件数量较少。我个人选择Executive
Software公司的软件DiskeeperProfessional。连接到他们的服务网站，他们也有家庭和企业
版的。令我喜欢它的原因是，它有一次设置，终身无忧的特点。在我所有的计算机上，
Diskeeper通常每晚10点运行到次日上午4点。我喜欢它因为当我不工作的时候它可以运行，
更重要的是我知道碎片整理的完成与否。当我很忙的时候也不可能忘记。因此，无论采取什
么方式，都要使你的计算机进行碎片整理。那样会使你的计算机快速稳定地运行，也会使你
的硬盘寿命更长。
病毒保护
有很多计算机病毒在传播。也有蠕虫、特洛伊木马和炸弹。此处，我们把这一切都叫做“病
毒”。摧毁你的计算机最快的方法之一是没有病毒防护。然而一些病毒最初仅是骚扰性的，
而许多非常有破坏性。它们能破坏你的文件和数据，甚至你的硬盘。要保持你的计算机处于
最佳状态，只有运行反病毒软件并保持不断更新才是明智的。如果你有反病毒软件却不更新
它，那是毫无意义的。就像拥有人寿保险单但不付钱一样。现在有许多反病毒软件：诺顿反
病毒、F-Prot反病毒软件、Windows下的Vexira反病毒软件，McAfee病毒扫描软件。
我个人用的是McAfee病毒扫描软件，我的每个计算机都在订阅这个软件。我喜欢这个
软件，因为联网时它会时时自动更新。它比较有效，迅速，全面。无论你用哪种反病毒软件，
请记住最重要的是保持更新。
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间谍软件防护
间谍和恶意软件最近成了热门话题。人们关心的是他们的隐私和权利。间谍和恶意广告
软件都能够降低你的计算机速度，也能导致其他的问题。得到更多关于恶意广告软件的信息
就查看名为什么是恶意软件的文章。当你查看名为什么是间谍软件的文章时，可以找到更多
关于间谍软件的信息。重要的是通过运行软件将会排除这些威胁，保护你和你的计算机。仅
包括一些程序：间谍软件医生，布鲁特反病毒软件，GhostSurf软件。
我个人喜欢GhostSurf2006版，因为它能防止恶意广告软件和间谍软件，并且在网络上
保护我的隐私。无论用哪种软件，请确保更新它。
注册清除和修复
Windows注册包括你计算机上的每一件事的总和。不幸的是，它有时也包括在你计算机
里用过而没有被清除的东西。这些垃圾增大了注册的容量使其运行很慢。就像碎片硬盘一样。
因此，为了使你的计算机处于最佳状态，我建议用程序清除注册。仅有几个软件可以应用，
包括：注册机、注册急救、Windows注册修复SE、注册修复、混合程序。
现在有几种比较好的程序可以执行多种功能，使你的计算机稳定地运行。这些软件能清
除注册，移动垃圾文件，改变Windows搜索和运行的路径及其他功能。我最喜欢的几个包
括：TuneUp系统优化软件、高级系统优化、系统修理工。
我用的是最近发布的2006版TuneUp系统优化软件，它能够清除垃圾文件，清除记录，
分析启动项以及做其它更多的事。
结论
你的计算机是你应该照管的一项投资。如果你好好照管它，它将会对你帮助很大，寿命更长。
通过整理硬件驱动，病毒和间谍软件防护，清除注册，移除垃圾文件，你能够使你的计算机
以它本来的速度运行。
Unit17-2
第二部分：局域网
局域网的需求
局域网的广泛应用背后的驱动力可能是计算机硬件价格惊人的不断下降，
再加上计算机硬件能力的增强。计算机系统的价格一年一年地大幅下降，而性
能和容量大幅上升。这一不断前进的科技革命已经能开发具有惊人复杂性和功
能的应用。例如，需要当今基于微处理器系统的强大功能的桌面应用包括以下
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几种：
图像处理
语音识别
视频会议
多媒体制作
文件的声音和视频注解
现在工作站系统支持极为复杂的工程和科学应用，也支持仿真系统，并将工作组原则用
于图像和视频应用中。此外，商业事务正在依赖于愈来愈强大的服务器来进行交易和数据库
处理，并支持已经取代了以往大型中央计算机的大规模客户/服务器网络。
以上所有因素导致功能增强的系统数量的增加，这些系统都在单个工作点：如办公大楼、
工厂、操作中心等等。同时，完全需要互相连接这些系统以共享和交换系统间的数据以及共
享昂贵资源。
共享数据的需求是（系统）互联非常强烈的原因。计算机资源的个人用户并非孤立操作。
他们需要与其他用户交换信息，在准备文件或进行分析时访问多来源数据，与工作组其他成
员共享与项目有关的信息。
对昂贵资源共享的需求是网络发展的另一大驱动力。处理器硬件的价格比海量存储设备、
视频设备、打印机、以及其他外围设备成本的下降速度要快得多。结果是需要在大量用户间
共享昂贵仪器来证明设备的成本（是合理的）。这种共享需要工作在连接用户和资源的局域
网上的某种客户/服务器结构。
局域网的应用
局域网的应用种类非常广泛。为了对局域网所要满足的需求种类做进一步深入研究，以
下部分讨论了这些网络的几个最重要的普通应用范围。
个人计算机的局域网
通常的局域网结构是支持个人计算机的。由于这种系统的价格较低，机构中个别经理人
员常为本部门的应用如电子表格和项目管理工具、访问互联网而独立购买个人计算机。
但是一些部门级的处理器不能够满足机构的所有需求；（我们）仍旧需要中央处理设备。
比如经济预测模型一些程序规模太大以至于无法在一台小型计算机上运行。公司范围的数据
文件，例如清算帐目和职工工资册，都需要一个中央控制但又可以被大量用户访问的设备。
此外，还有些其他种类的文件，虽然是专用的，但必须被大量用户共享。而且有充足理由将
各个智能工作站不仅与中央设备相联，还要彼此相联。一个项目或团队的成员需要共享工作
和信息。因此，满足以上要求的最有效的方法就是建立一个网络。
部门局域网的所有用户可以共享像磁盘或激光打印机这些昂贵的资源。此外，这一网络
（指部门局域网）可以连入更大的公司网络设备。例如，公司可能拥有一个大楼局域网和一
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个广域的专用网络。通信服务器可以控制（用户）访问这些资源。
支持个人计算机和工作站的局域网在各种机构中已经普及。即使是那些仍旧严重依赖主机的站点也已经将许多处理负荷转移给个人计算机网络。采用个人计算机方法的最好实例可能是实现客户端/服务器的应用。
个人计算机网络的一个关键要求是低成本。尤其是链接网络的成本必须大大低于链接设备的成本。因此，对于普通的个人计算机，链接成本在几百美金是合理的。对于成本更高、性能更好的工作站，较高的链接成本是可接受的。无论如何，这意味着网络的数据传输速率可能受限。总之，数据传输速率越高，成本就越高。
后端网络和存储区域网
后端网络是用来连接像主机、超级计算机和大型存储设备这类大型系统的。这里，它的关键要求是大块数据在小范围内有限数量设备间的传输。可靠性高通常也是需求之一。以下是（后端网络的）一些典型特征：
高数据传输速率。为了满足大容量的需求，每秒100Mb或以上的数据传输速率是必须的。
高速接口。在大型主机系统和大容量存储设备间的数据传输操作是通常通过高 速并行输入/输出接口实现的，而不是通过传输速率较慢的通信接口传输的。因 此，站点和网络间的物理连接必须是高速率的。
分布式接入。要使大量设备以高效和可靠的接入来共享媒体，需要某种分布式
媒体访问控制技术。
有限的距离。在机房或少量相邻房间之间通常使用后端网络。
有限数量的设备。计算机房中昂贵的主机和大容量存储设备的数量一般以几十 台计。
后端网络通常被使用在需要大量数据处理预算的大型公司或研究机构。由于涉及的规模，工作效率的微小差别意味着百万美元的差异。
考虑使用专用主机的站点。这意味着相当大的一种或一系列应用。随着站点负荷的上升，现在的主机可能被性能更高的主机所取代，可能是一个多处理器系统。对于某些站点，单系 设备性能的发展速度会被需求的增长速度所超越。统的替代可能无法跟上(负荷上升的脚步)。
设备最终会需要多台独立的计算机。这些再次成为使设备相互连接的强烈原因。系统中断的代价是昂贵的，所以应该具有方便而快捷地将应用转移到备份系统的能力。它必须可能在不降低运行系统（的前提下）测试新的程序和应用。大型的块存储文件必须可以被不止一台机器访问。负载水平应该可能使利用率最大，性能最优。
显然，后端网络的某些关键要求与个人计算机网络的刚好相反。需要高传输速率来跟上通常涉及到大块数据传输的工作。实现高速度的设备是昂贵的。幸亏考虑到联在上面的设备更要贵得多，这种价格还是合理的。
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与后端网络相关的另一个概念是存储区域网络（SAN）。存储区域网络是处理存储需求
的独立网络。存储区域网络解决特定服务器的存储任务，并创建一个共享存储设备跨接高速
网络。整套网络化存储设备可以包括硬盘、磁盘库、和CD阵列。大多数存储区域网络采用
光纤信道。有许多服务器也可能是主机的大型局域网设施中，每台主机和服务器都有各自的
专用存储设备。如果客户端需要接入特定的存储设备，它必须通过控制这台设备的服务器。
在存储区域网中，存储设备和网络间没有服务站点，存储设备和服务器直接链接网络。存储
区域网的安装提高了客户存储的访问效率，也实现了存储端与存储端之间的直接通信来实现
备份和复制功能。
高速办公网络
传统上，办公室环境包括从低速到中速数据转输需求的各种设备。然而，由于传统局域
网的有限速度（最高传输速率为每秒10兆）不够了，办公室环境中的新应用已经开发。桌
面计算机的图像处理器使网络数据流史无前例地增加。这类应用的实例包括传真机、文件图
像处理器以及个人计算机和工作站的图形程序。考虑典型的一页（文档）上每英寸200个图
像单元或像素，（即黑白的点）的分辨率（足够但不是高分辨率的），它产生3,740,000比特
的数据，即8.8英寸乘以11英寸乘以每平方英寸40,000像素。即使采用压缩技术，这类（图
像处理）仍产生极大的负荷。此外，磁盘技术和价格性能比也已经发展了，十亿字节的桌面
计算机存储容量是典型的。这些新的需求提出了对高速局域网的要求，相比于后端系统，这
种局域网能支持数量更大、地域分布更广的办公系统。
骨干局域网
分布式处理应用和个人计算机的愈来愈多带来了对局域网的灵活策略的要求。对
整个公司范围内数据通信的支持要求具有这样的网络服务，它能够跨越所涉及
的距离，并能将一座大楼（或一群楼宇）内的设备相联。虽然假设有可能开发
单个局域网来互连所有数据处理设备，但在大多数的方案中这大概不是实际的
选择。单个局域网策略有以下几点不足：
可靠性。单个局域网中，一个服务中断，即使是短时的，都可能导致用户的严
重破坏。
| | 容量。单个局域网可能随着接入网络的设备的数量而饱和。 |
成本。对于互连和通信的不同需求，单个局域网技术不是最佳的。大量低价微 |
机的出现使得可以低价提供这些设备的网络支持。支持低价连接的局域网将不适合
满足所有需求。
一个更具吸引力的选择是在楼宇或部门中采用更低成本、更低容量的局域网，并以高容
量的局域网互相连接这些网络。后者（这种高容量的局域网）被称为骨干局域网。
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工厂局域网
工厂环境正渐渐被自动化设备所主宰：包括可编程控制器、自动化材料处理设备、考勤系统、机器视觉设备和各种形式的机器人。为了管理生产或制造过程，必须将这些设备联在一起。确实是这样，这些设备的性质本身就是能够提供这种互联。微处理器设备有从车间现场收集信息并接受指令的潜能。恰当地使用信息和指令有可能改善生产过程并提供精确的机器控制。
工厂越自动化，通信的需求就越大。只有将所有的设备互联，提供协同工作的机制，才能使自动化工厂运作。实现互联的方法是工厂局域网。工厂局域网的关键特性包括如下几点：
容量高。
能处理各种数据通信。
地域范围大。
可靠性高。
能够指定和控制传输时延。
总之，工厂局域网是瞄准机会的市场需求，是比典型办公室环境更灵活可靠的局域网。
总结
正如我们看到的，局域网用于支持各种需求和大范围的应用。然而，用于不同目的的基本技术是相同的。共同技术和标准的使用已促进了局域网大范围普遍的激增。
Unit19-1
第一部分：什么是人工智能
人工智能，简称AI，是一项包含了计算机技术，生理学和哲学的综合技术。AI是一个宽泛的课题，由从机器视觉到专家系统的多个不同领域组成。AI所包含的这些领域的共同点在于它所创造的机器能够“思考”。
为了分辨计算机是否会“思考”，我们有必要定义一下什么是智能。智能在多大程度上包含譬如解决复杂问题、进行概括和建立关系这样的能力？包括感知和理解能力吗？在学习，语言和感官知觉领域的研究帮助科学家们制造智能机器。专家们所面临的最大的挑战之一就是如何制造出一个能够模仿人类大脑行为模式的机器，而人类的大脑由上亿个神经细胞组成，被认为是世界上最复杂的东西。或许度量机器智能最好的方法就是由英国计算机科学家AlanTuring提出的测试。他说，当一台计算机可以骗过人，相信它是一个人而不是机器时便可称 22
得上是智能的。
人工智能由一群专注的研究人员推动着，已由最初的研究走过了很长的一条路。AI的起源在电子学之前，可以追溯到Boole和其他一些哲学家和数学家们，他们根据那些已成为AI逻辑基础的原则建立起了最初的理论。随着1943年计算机的发明，AI开始吸引研究人员的注意。这项技术终于可用于模拟智能行为了，或者看起来是这样。在这之后的40年中，虽然面临过许多困难和阻碍，AI已由最初只有十几位研究人员参与发展到现在有几千名工程师和专家们共同致力于研究；从最初的只能下西洋跳棋的程序发展到今天已设计出可以诊
断疾病的系统。
AI技术始终站在计算机科学的前沿。先进的计算机语言，以及计算机接口和文字处理
软件都要归功于人工智能的研究。AI研究引出的理论和认识将为未来的计算机科技发展指明方向。虽然现在所制造出的AI产品仅仅只能反应不久的将来研发出的产品的一小部分功能，但是它们迈出了走向未来人工智能的一步。随着人们的不断探索和追求，人工智能已经
影响，也将继续影响我们的工作、教育和生活。
有计划地使用AI
我们研究AI应用已有多年，了解了所有的术语和相关的情况。但是我们真正应该知道的是如何着手使用一些AI技术。我们怎样作为个体来使用这些技术呢？
首先，我们必须对面临的变化有所准备。我们的保守往往成为进步的挡路石。AI跨出了对社会非常有用的一步。具有人工智能的机器可以完成需要遵循详细指示和灵活思维警觉的
工作。具有学习能力的人工智能可以胜任那些工作，但只有人们准备改变他们的保守观念使
之成为可能才行。这让我们想起很久以前人们就接受了轮子这项伟大的发明，而并没有认为
它是从文化遗产和传统中带走了什么。
第二，我们必须对AI的能力有所了解。越多地使用机器，需要我们的工作量就越少，随即人类所要承受的伤害和压力也越小。人类是通过尝试来学习的物种，我们必须给AI一个机会来证明AI是对我们的祝福而不是抑制。
最后，我们必须对AI技术有最坏的打算。像AI这样如此具有革命性的技术肯定有许多瓶颈需要攻克。总是有那样一种担忧，以为要是人工智能是建立在学习基础上的，那么机器
会不会在得知富有和成功是好事后，去发动战争反对经济强国和著名人物呢？一个新系统有
那么多情况可能出错，所以我们必须尽可能为这种新技术做好准备。
而且，即使我们对机器存在畏惧，它们的能力却是无限的。不管我们教AI什么，在未来机器将会提示它是否给出肯定的结果。AI就像孩子一样，需要被教育成体贴的，彬彬有礼的，聪明的孩子。他们应该学会聪明地做重大的决定。作为公民，我们应当保证AI的程序员们都正确地工作着，一切都走在正轨上，这样未来才不会发生意外。
专家系统的范围
专家系统能够像一个专业人才一样工作。而且计算机系统可以很快地训练，实际上没有
操作费用，不会忘记学习过的东西，不会打电话请病假，退休或是要休假。除此之外，智能
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计算机还可以处理大量的信息，而人类不能。
但是这些系统可以多大程度上替代人类专家呢？或者，它们可以完全替代人类？例如有
人曾经把智能计算机看成是人对核武器进行控制的替身，说是计算机对于威胁可做出比人更
快的反应。我们不能忽视拥有一个计算机专家所带来的好处。比如，预报天气借助于许多可
变的参数，计算机专家能够更准确地集中他所有的知识。尽管如此，计算机却无法借助人类
专家所拥有的预感，预感往往能帮助我们预测结果。
总之，在天气预报或查找软件bug的情况下，专家系统有时比人类更加准确。但是在其他领
域，比如医学，虽然计算机对医生的诊断是有用的，但是人类医生仍是不可替代的。可见，
在某些范围内专家系统有能力帮助人类，在某些情况下甚至能代替人类，谨慎地使用计算机
专家将使人类受益。
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