信息包的英文翻译英语怎么说

信息与通信工程专业英语课文

翻译

2

第一课现代数字设计及数字信号处理

课文A:数字信号处理简介

1.什么是数字信号处理？

数字信号处理，或DSP，如其名称所示，是采用数字方式对信号进行处理。

在这种情况下一个信号可以代表各种不同的东西。从历史的角度来讲，信号处

理起源于电子工程，信号在这里意味着在电缆或电话线或者也有可能是在无线

电波中传输的电子信号。然而，更通用地说，一个信号是一个可代表任何东西

--从股票价格到来自于远程传感卫星的数据的信息流。术语“digital”来源于

“digit”，意思是数字（代可以用你的手指计数），因此“digital”的字面意

思是“数字的，用数字表示的”，其法语是“numerique”。一个数字信号由一

串数字流组成，通常（但并非一定）是二进制形式。对数字信号的处理通过数

字运算来完成。

数字信号处理是一个非常有用的技术，将会形成21世纪的新的科学技术。

数字信号处理已在通信、医学图像、雷达和声纳、高保真音乐产生、石油开采

等很广泛的领域内引起了革命性的变革。这些领域中的每一个都使得DSP技术

得到深入发展，有该领域自己的算法、数学基础，以及特殊的技术。DSP发展的

广度和深度的结合使得任何个人都不可能掌握已发展出的所有的DSP技术。DSP

教育包括两个任务：学习应用数字信号处理的通用原则及学习你所感兴趣的特

定领域的数字信号处理技术。

2.模拟和数字信号

在很多情况下，所感兴趣的信号的初始形式是模拟电压或电流，例如由麦

克风或其它转换器产生的信号。在有些情况下，例如从一个CD播放机的可读系

统中输出的信号，信号本身就是数字的。在应用DSP技术之前，一个模拟信号

必须转换成数字信号。例如，一个模拟电压信号，可被一个称为模数转换器或

ADC的电路变换成数字信号。该转换器产生一系列二进制数字作为数字输出，其

值代表每个采样时刻的输入模数转换设备的电压值。

3.信号处理

通常信号需要以各种方式处理。例如，来自于传感器的信号可能被一些没

用的电子“噪声”污染。测心电图时放在病人胸部的电极能测量到当心脏及其

它肌肉活动时微小的电压变化。信号也常会被来自于电源的电磁干扰所影响。

采用滤波电路处理信号至少可以去掉不需要的信号部分。如今，对信号滤波以

增加信号的质量或抽取重要信息的任务越来越多地由DSP技术完成而不是采用

模拟电路完成。

的发展和应用

数字信号处理的发展起源于60年代大型数字计算机进行数字处理的应用，

如使用快速傅立叶变换（FFT）可以快速计算信号的频谱。这些技术在当时并没

有被广泛应用，因为通常只有在大学或者其它的科研机构才有合适的计算机。

由于当时计算机很贵，DSP仅仅局限于少量的非常重要的应用。先驱们的探

索工作主要集中在4个关键领域：雷达和声纳，用于保卫国家安全；石油开采，

可以赚大量的钱；空间探索，其中的数据是不能重复产生的；及医学图像，可

以救治生命。

20世纪80年代到90年代个人电脑的普及使得DSP产生了很多新的应用。

3

4

影响的领域

1）电信

DSP在很多领域对电信工业具有革命性的影响：信号音调的产生和检测、频

带搬移、滤波以去除电源噪声等。这里将要讨论来自电话网的三个特例：复用、

压缩及回声控制。

(1)复用

世界上大约有10亿部电话。只要按下很少的一些按钮，交换网允许其中的

一部与任何别的电话在几秒之内连接。这项工作的复杂性是人脑所不能想象的。

直到20世纪60年代，两个电话之间的连接还需要将模拟话音信号通过机械开

关及放大器进行传送。一个连接需要一对线。相比较而言，DSP将音频信号转换

成一串数字信号流。由于比特流可以很容易地被混放在一起并且事后可以分开，

因此，许多路话音可以在一条信道上传输。该技术称为复用。

(2)压缩

当以8000个采样值/秒的速度对一个话音信号进行数字化时，大多数的数

字信息是冗余的。也就是说，由一个采样携带的信息与其相邻采样在很大程度

上是重复的。很多DSP算法用于将数字化的语音转换成需要较少的bits/sec的

数据流，这称为数据压缩算法。对应的解压缩算法用于将信息恢复成其原始形

式。这些算法根据压缩比及最后的话音质量来区分优劣。通常来说，这些算法

可以使数据率从64kb/sec减少到32kb/s而不会导致话音质量的损失。

(3)回声控制

回声是长距离电话连接中的一个严重的问题。当你对一个电话讲话时，一

个代表你声音的信号会被传输到所连接的接收端，而其中的一部分会以回声的

形式返回。如果连接只有几百米，收到回音的时间间隔仅有几毫秒。人的耳朵

习惯于收到这么短时间延迟的回声，连接听起来相当正常。当距离增大时，回

声会变得非常惹人注意并且让人无法忍受。洲际通信的回声间隔可达几百毫秒，

这是相当让人讨厌的。业精于勤荒于嬉翻译 数字信号处理技术通过测量返回信号，并产生一个相应

的相反信号以抵消这些令人讨厌的回声来处理这类问题。同样的技术还用于令

使用话筒的人能边听边说而不会觉得有回音。这也可用于通过产生数字相反噪

音来减少环境噪音。

2）语音处理

人类的两个最基本的感观是视觉和听觉。相应地，许多DSP是与图像及声音

处理有关的。人们可以听到音乐和话音。DSP在这两个领域都曾带来革命

性的变化。

（1）音乐

从音乐家的麦克风到高保真音响之间的距离是相当长的。用数字信号代表数

据是很重要的，目的是防止模拟话音存储及处理中常有的话音衰退现象。

这与任何一个人将磁带的声音质量与CD的声音质量进行对比的结果是一

样的。一个典型的场景是，一段音乐在录音棚中是通过不同的声道进行

录制的。有些情况下，这甚至包括分别录制各个乐器及歌唱者的声音。

这样做的目的是给声音工程师以极大的灵活性去制作最后的产品。将单

独声道的音乐合成为最终音乐的过程被称为合成。DSP在音乐合成中可以

提供多种重要功能，包括:滤波、信号附加及截断、信号编辑等。

5

在音乐合成中DSP最有趣的一个应用是人工回放。如果各个信道仅仅是简单

地叠加在一起，最后听到的音乐是脆弱无力的，就如同音乐家在门外演

奏一样。这就是为什么听众被音乐的回声或回音深深影响着，而这些常

在演播室中被最小化了。DSP使得人工回声在混合过程中被加到音乐中以

仿真不同的听觉环境。具有几百毫秒的延迟的回声会让人觉得像是大教

堂一样的环境，而加上10-20毫秒延迟的回声可以产生更加现代的听觉

感受。

（2）话音产生

话音产生和识别用于人和机器之间的通信。不是用手和眼睛，而是用嘴和耳

朵。当你的手和眼睛需要做别的如开车，进行外科手术或对敌人开枪等

事情时，这项技术将给你带来极大的方便。有两种计算机产生话音的方

式：数字录音或声道仿真。

（3）语音识别

对人类声音的自动识别要比话音产生难得多。数字信号处理通常通

过两步解决话音识别的问题：特征抽取及特征匹配。来自于音频信号的

每个单词都被隔离开并与先前所输的单词相比较以确认与那个最接近。

通常，这种系统仅限于很少的几百个单词；仅能接受在单词间具有明显

停顿的话音；对每个说话的人都需要重新学习。

6.图像处理

图像是具有特殊特点的信号。首先，是在空间对参数的测量，而大多数信号

是在时间上对参数的测量。其次，图像包含了大量的信息。例如，存储

一秒钟的电视图像需要10M的空间。这要比同样长度的话音信号大1000

倍。第三，最后对于图像质量的判断常通过人类的主观评估而非客观标

准来判断。这些特殊的特点使得图像处理成为DSP中非常独特的一个子

集。

第二课嵌入式系统及应用

课文A：嵌入式系统的特点

什么是嵌入式系统？

嵌入式系统是计算机工程的一个全新分支。它是对传统不可用户编程的专用

计算机设备的一种发展，仅应用于某一专用领域（例如医疗设备），将计算机

技术与机械工程设计结合了起来。

嵌入式系统是一个有专用用途的计算机，嵌入在设备的内部。例如，微波炉

中就含有一个嵌入式系统，它接收来自面板的输入，进而控制液晶显示器进行

显示，控制加热元件的开关以煮熟食物。嵌入式系统通常采用微控制器，这种

微控制器是一个单一器件，但具有电脑的许多功能。摩托罗拉公司和英特尔公

司生产的微控制器最受专业人士欢迎。

嵌入式系统的市场正在逐步扩大，因为工程师们认识到许多其他工程项目也

可受益于嵌入式系统技术。现在，到处都有嵌入式系统的身影，从食品加工到

汽车生产以及更多的领域。生活在计算机时代意味着，在这十年内，在任何情

况下，我们都将很难再找到一个机械设备没有或多或少以某种形式涉及到嵌入

式系统。

嵌入式系统分不同的级别。电脑玩具和厨房用具只是嵌入式系统的非常简单

6

的表现形式。许多更复杂的医疗设备具有更强大的功能，实际上其受益于使用

了不止一个嵌入式系统。虽然这意味着我们在日常生活中随手拿来用的一些设

备通常会变得更便捷、更好用，但这也意味着这些嵌入式设备的维修将会是更

困难、更昂贵的。但同时这还意味着我们的许多时间被嵌入式设备解放出来，

我们有更多的时间做我们所喜欢做的。例如，我们都使用带有嵌入式系统的洗

衣机。我们买的汽车也越来越多的拥有嵌入式系统。

甚至是我们使用的制造工具也和嵌入式系统息息相关。显而易见，非常多的

公司致力于嵌入式系统的开发，或独立进行，或按需要联合机械制造厂家共同

开发。越来越多的工程公司申请使用嵌入式技术，从能设想到的所有方向来升

级自己的产品。

如果没有嵌入式系统……

你走进你的车并用钥匙发动。你需要用到贮物箱的一个3.5英寸软盘，把它

插到仪表盘上的插槽里，拍打方向盘，直到操作系统很快在液晶仪表板显示出

来。用中心控制台的光标键选择电子点火程序，然后转动钥匙启动发动机。在

上班路上你想听一些音乐，那你就往播放机里输入CD程序，等待表明播放器的

数字信号处理器已经准备就绪的绿灯闪烁，然后放入你的音乐CD。

拥有嵌入式系统......

你不需要传统的用户界面来决定运行哪些程序，汽车电子点火装置会随着车

钥匙做出响应c她上瘾黑暗森林 。

你不需要加载程序进你的设备，那些需要帮助运转工作的应该已经被加载完

成了（尽管一些新型的移动电话可以下载其他的程序）

你不必浪费时间等待O/S的加载-如果需要加载，那么它也不会因为绑

定而使加载缓慢。

你不需要从一个缓慢的磁盘驱动器来加载程序或数据–绝大部分需要的

信息都在FastROM里。

嵌入式系统大致可定义为“一种不一定是计算机，但包含一个处理器的系

统”。但是不要只集中一个定义上，去思考绝大部分嵌入式系统的这些共同特

点，至少从某种程度上看，那是十分有益的。

1）嵌入式系统，往往在价格和尺寸上差异较大。

许多嵌入式系统，如PDA或手机，都是高容量，低成本和低利润的。这需要

用到尽可能便宜的部件，而这通常意味着简单的处理器和小内存（RAM和NVRAM

/flash）的使用。这将导致嵌入式系统软件牺牲可维护性（如可移植性、透明

度、模块化）来换取性能的最优化（如一个小的引导镜像区、一块小RAM空间、

小周期循环需求）。日益增加的前期软件开发成本和定期保养费用摊销在大批

量销售上，并被日新月异的较便宜组件构成的硬件优化，节省了成本。

许多其它的嵌入式系统价格方面虽然不是主要考虑的因素，但要考虑到外形

的限制或重量等因素，需要用最小的器件来满足要求。需要再提的是，这些性

能的优化是以牺牲系统的可维护性为代价的。

除了在可移植性、透明度、模块化方面权衡外，嵌入式系统还需要使用一种

低层次的语言的优化，这种语言不是C语言，也不是从一个UML模型自动生成

的C语言代码。（比如说用汇编语言而不用C语言昆山人才网 ，或者是用C语言而不是从

UML模型自动生成的代码）但是，这种手工调整通常只适用于在“90/10”准则

确定下的小部分软件，这是主要的性能瓶颈。

2）嵌入式系统通常有电源的限制。

7

许多嵌入式系统的运行依靠电池，无论是持续供电还是在紧急情况下。因此，

功耗性能在复杂性和可维护性的成本方面是被许多嵌入式系统青睐的。（许多

嵌入式系统的低功耗性能往往是牺牲了复杂性和可维护性为代价的）

3）嵌入式系统往往是实时的。

从本质上看，大多数嵌入式系统在往数据流的反应（对流向和通过系统的数

据实时做出反应的）方向建设。实时限制又偏向可维护性方面的性能方向(使得

系统偏向于性能表现而不是可维护性方面)（尤其是循环使用）。嵌入式系统一

般包括硬件实时约束和软件实时约束。硬件实时约束要求事件在给定的时间内

得到处理；软件实时约束用于限制事件平均响应时间。

实时操作系统使用先发制人的优先（优先级式）调度，以确保达到实时要求，

但需要仔细考虑到执行上下文（线程）来划分的处理，设置执行上下文的相对

优先次序，并在上下文中管理控制/数据流之间。（执行文本的划分，执行文本

的优先级设置以及执行文本之间的数据流管理和控制。）

4）嵌入式系统经常使用自定义硬件。

嵌入式系统，往往由现成处理器和现成的外围设备相结合而成。即使组件可

能是标准的，但是自定义混合和匹配需要硬件和软件的高度凝聚–大多数嵌入

式系统的软件都是设备驱动程序的操作系统软件（操作系统和设备驱动程序通

常会占嵌入式系统软件非常大的比例）。虽然这种低层次的软件经常是可购买，

受许可，或者可免费使用的，但是嵌入式系统中的很大一部分操作系统是内部

自定义开发的，要么是精确匹配使用中的硬件系统，要么是在自定义配置中粘

合现成的软件。

通常，嵌入式系统的功能是分布在多个同类处理器和/或一个分层次的主/

从处理器。这就需要在处理器的处理任务分配以及处理器之间的程度、方式和

沟通时间上多加考虑。

此外，许多嵌入式系统利用专门的可编程器件或特定用途集成电路技术，因此

需要低层次的软件与自定义硬件进行交互。

5）嵌入式系统主要会从视图中隐藏（通常是不可视的或对用户透明的）

从本质上看，嵌入式系统通常与他们的“用户”有一个有限的界面（实际用

户或另一个超级系统的组件）。因此，大多数这种系统的开发是为了满足在建

筑规格和高层次的设计开发的各种软件功能规格发展的需要，而不是适应用户

的需求。

6）嵌入式系统通常具有单片功能。

大多数嵌入式系统是为了一个初始（主要）目的而建的。它们可以被分解成

几个部分，并且这些组成部分很可能可以有低跨凝聚力和交叉耦合。也就是说，

每个部分都可以成为一个单独的目的（独立服务于不同的目的），而且组件之

间的相互作用可能只限于少数明确界定的问题。然而，除非大部分或整体都正

常工作，否则整个系统将无法运作。一个系统需要所有组件运作正常来使得整

个系统实现有用的功能性，这就是“单片系统”。这作为部件功能作用的一个

功能在系统功能的非线性方面与其他种类的软件相反，那些系统可能当软件完

成50%的时候系统能够实现50%或更多的功能。

例如，建立一个太空探测器进行空间旅行或去其他行星将它们的信息发送回

来。尽管有许多低级别的空间探测器组件用于定位，登陆，自展传感和太阳能

电池板以及通信。每个低层次的响应（功能）都是涵盖范围广泛而功能（整体

功能实现）不可缺少的组成部分。如果有任何一个重要组件缺失，即使所有其

8

他的组件都完全正常工作，空间探测器还是会出故障。

手机是另外一个例子，手机的所有子功能，如用户界面，蜂窝基站的选择，

声码器，通信协议等都是实现用户和特定的远程节点间的双向音频信息传递这

一整体目标实现（双向音频信息的涵盖范围广泛的目标转移中都是）的十分重

要的方面。

这与其他软件制度不同，如Web服务或桌面工具里，这种低层次的响应，可能

更独立的服务总系统的功能，而不是作为一个单片整体不可缺少的部分。

虽然一个嵌入式系统的软件组件组合成一个单片功能体，那些组件本身往往

差别很大。嵌入式系统经常联合起软件组件进行信号处理、运行低级别的设备

驱动程序、实现I/O通信协议、引导和控制，以及建立用户接口等活动。这

些专门的组件都需要一个不同的开发技能器。

7）嵌入式系统往往是有限的开发工具。

（和一些有着一整套辅助开发工具的软件制度不同）虽然有一些软件制度有

一大堆工具来协助软件开发，但是嵌入式系统软件的发展更有限（开发具有更

多的局限性），而且经常只使用基本的编译工具。这一部分是由于嵌入式系统

通常使用自定义硬件，这可能没有工具支持，且嵌入式系统往往是实时的而且

性能受限制，难以在调试器的控制下冻结整个执行链，也难以在嵌入目标和一

个基于主机工作的工具之间进行控制和数据的转换，以及捕捉广泛的执行跟踪

数据的记录。

由于适用于嵌入式系统软件开发的商业工具选择很有限，许多嵌入式系统项

目建设自己的工具，用于调试和测试，至少是增加与内部工具的商业工具（或

者至少会在商业工具的基础上改变其内部结构以满足自己的要求）。

8）嵌入式系统通常有严格的强度（可靠性、稳定性、鲁棒性）要求。

嵌入式系统通常用在恶劣的环境中和关键任务里使用，或用于医疗用途。因

此，嵌入式系统在可靠性上的要求，正确处理异常的能力，平均无故障工作时

间上严格程度远甚于许多其他类型的软件。这些又转化到严格的开发流程和测

试要求。反过来说，这也大大增加了发行一个软件版本所需的开销。

有些类型的嵌入式系统受到一些监管要求的影响，而这些要求旨在通过强制

软件开发过程来降低故障率，或者至少指明哪些文件必须附有嵌入式系统产品。

此外，个别嵌入式系统很难甚至不可能升级固件，因此这种系统初始上市的

时候必须要有正确的设计。

9）嵌入式系统往往寿命很长。

嵌入式系统通常可使用多年。通常情况下，嵌入式系统的支持时间远远超过

了原来的软件开发人员流失率。这使得它具有完善的理由来阐述嵌入式系统软

件，（这使得保存完善的关于解释嵌入式系统软件的记录变得至关重要，特别

是因为源代码本身可能由于性能权衡使自身文件的质量受到影响。

第三课虚拟仪器

课文A：关于虚拟仪器

美国国家仪器有限公司（NI）在虚拟仪器领域已处于世界领先地位，仅去

年就销售了600多万台新测量仪器。工程师使用虚拟仪器的时间已经超过25年，

他们将灵活的软件和PC技术应用于测试、控制和设计领域，从而使精确的模拟

和数字测量从直流发展到2.7GHz的交流。这篇文章很好地介绍了虚拟仪器，并

9

为后续研究提供资料。

什么是虚拟仪器？

通过虚拟仪器，基于用户需求的软件定义了通用测量和控制硬件功能。虚

拟仪器将主流商业技术，比如PC机，与灵活的软件和多种测量控制硬件相结合，

使得工程师和科学家能根据用户的确切应用需求组成用户自定义系统（见图1）。

虚拟仪器能使工程师和科学家减少开发时间，设计更优质的产品，并降低产品

的设计成本。

NI公司在25年前引进了虚拟仪器，改变了工程师和科学家们测量以及实现

周围世界自动化的方式。2004年，NI公司在90个国家售出了600多万虚拟仪

器信道。目前，虚拟仪器已经被广泛认可，在世界工业领域，从汽车到消费者

电子仪器，再到石油和汽油已有数千个应用领域。

为什么我们需要虚拟仪器？

虚拟仪器之所以必要，是因为它提供了与今天的理念、产品要求相适应的

快速检测仪器和过程的设计、开发和交付。只有采用虚拟仪器，工程师和科学

家们才能适应不断变化的需求，组成由用户定义的设备。

为了满足唯有明月寄相思的上一句 不断增长的需求，更快地创新理念和交付产品，科学家和工程师

们求助于先进的电子设备、处理器和软件。想想大多数现代手机都包含上一代

的最新特征，包括录音、电话薄和文本消息功能。新一代的版本则包含了相机、

MP3播放器、蓝牙网络和英特网浏览功能。

由于软件在这些设备中起到了越来越重要的作用，使得先进电子设备功能

不断增加成为可能。工程师和科学家不用改变硬件就能在设备中增加新功能，

因此无需进行大成本的硬件重开发便可改进理念和产品，并延长了产品寿命和

使用，缩短了产品交付时间。工程师和科学家们可通过软件改进设备功能，而

不用为具体的工作进一步开发专门的电子设备。

然而，功能的增加也带来了价格的提高。功能升级可能会引入了不可预见

的交互和错误。设备级的软件能快速开发、扩展系统功能，而设计与测试设备

必须为这些功能提供验证工具。

满足上述需要的唯一方法是仍采用以软件为中心的测试和控制系统。虚拟

仪器使用高效的软件、模块化的I/O和商业平台，所以对保持与新概念和产品

开发速度同步有独特的定位。NI公司开发的软件平台LabVIEW是最初的虚拟仪

器图形化开发环境，它使用标志或者图标加速开发，该软件形象地反映了功能，

可以通过快速调用图块实现功能强化。

其次，虚拟仪器单元是模块化的I/O，设计成能以任何顺序和数量快速地进

行合并来确保虚拟仪器能够监视控制开发中的任何问题。工程师和科学家使用

优秀的软件来驱动模块化I/O，能在并行操作中快速存取功能块。

再者，使用商业平台的虚拟仪器单元通常能加强精确同步，保证虚拟仪器

利用最近的计算机能力和数据传输技术。这些因素使得虚拟仪器成为一种影响

处理器、总线等产业技术投资力度的长线技术。

总之，技术创新要求软件加速新概念和产品的开发，同时需要仪器快速适

应新功能。由于虚拟仪器使用了有关软件、模块化I/O和商业平台，使得它具

有与目前的概念和产品研发保持同步的独一无二的性能。

模

10

为什么虚拟仪器如此成功？

虚拟仪器为建立测量和自动化系统提供了一个新模型，因此被广泛采用。

成功的关键包括个人电脑的快速发展；激增的低成本、高性能数据转换器（半

导体）的开发以及系统设计软件的出现。这些因素使得虚拟仪器系统可以具有

非常广泛的用户基础。

特别地，PC机的性能在过去的20年间提高了10000x以上（见图2）。虚拟

仪器利用PC性能的提高来进行分析测量，并解决了新一代PC处理器、硬驱动、

显示和I/O总线应用时出现的新问题。基于电脑的虚拟仪器能够被成功采纳就

得益于这些快速进步，以及在学校及早开设电脑技术课程的总体趋势。

虚拟仪器的另一个动力是高性能、低成本的模数转换器（ADC）和数模转换

器（DAC）的增多。例如无线通讯和高清视频等应用持续不断地影响着这些技术。

而传统的专利转换技术似乎前进得很慢，商用半导体技术趋于遵循摩尔氏定律，

即每18个月性能翻倍。虚拟仪器硬件使用这些广泛可行的半导体，从而递送到

高性能测量前端。

系统设计软件促进了虚拟仪器的发展，这些软件为设计特定仪器系统提供

了直观的接口。LabVIEW就是这种软件的一个例子。LabVIEW的图形开发环境提

供了灵活、有效的编程语言，同时也提供了用于测量和自动化应用的高级功能

模块和配置工具程序。

什么使得NI公司成为虚拟仪器的领导者八月十五夜月二首其二 ？

一言以蔽之，答案是软件。软件使得工程师和科学家创造用户定义的仪器

成为可能。

处于任何虚拟仪器中心位置的都是灵活的软件，NI公司发明了世界最好的

虚拟仪器软件平台之一的LabVIEW。LabVIEW对信号采集、测量分析和数据表达

来说是有力的图形开发环境，它给予编程语言灵活性，而不是传统开发工具的

复杂性。自从1986年，当时NI公司为苹果公司引入LabVIEW，很快并不断地吸

引工程师和科学家寻求高效、强健的编程语言以便在测试、控制和设计应用中

使用。LabVIEW是被数千工程师和科学家钟爱的图形开发环境（见图3）。

为满足喜爱基于文本编程的工程师，NI也提供了LabWindows/CVI，这是一

个ANSIC的应用开发环境，同时为使用进行虚拟仪器开发

提供了工具MeasurementStudio。

虽然软件是每个虚拟仪器的心脏，但是几乎每个虚拟仪器都需要对硬件进

行精确测量。虚拟仪器软件独立于所选的编程环境，所以它必须为系统测量硬

件提供出色的综合能力，包括LabVIEW在内的NI软件为来自于第三方硬件提供

商的千万传感器、相机、传动装置、传统仪器和插入式器件（USB，PCI等等）

提供开放式连接。

2004年，NI测量硬件为客户提供了超过6，000，000的虚拟仪器测量信道。

从低成本的USB数据采集，图像采集和过程控制可视系统到2.7GHz的RF测量，

再到GPIB总线通讯，NI为测量硬件和完善虚拟仪器需要的可扩展的硬件平台提

供测量硬件，并将它展示给25000多家公司。

11

为什么NI区别于其他的虚拟仪器公司？

在过去的25年里，NI公司一直是虚拟仪器的领导者。这种领先地位在持续

的革新中得以加强和巩固。

因为NI公司发明和创造了最初的虚拟仪器图形化开发环境LabVIEW，它吸

引了数千万工程师和科学家构建虚拟设备。NI通过理解客户的项目开发需求，

持续地进行重要的软件革新，包括Express技术，LabVIEW实时模块和LabVIEW

PDA模块以及SignalExpress软件。

s技术

NI公司在2003年为LabVIEW，LabWindows/CVI和MeasurementStudio创

造了Express技术，以此减少保存动力和功能时的编码复杂性。目前已有超过

50%的数据采集用户使用DAQ助手简化数据采集任务。

W实时模块和LabVIEWPDA模块

NI公司为使用LabVIEW实时模块时的确定性执行拓展了LabVIEW功能，并开

发了配套的硬件开发平台，以使嵌入式应用程序部署成为现实。LabVIEWPDA模

块将虚拟仪器和LabVIEW平台拓展到手持式设备。

alExpress软件

设计和测试工程师要求NI提供能进行交互性测量和数据分析的虚拟仪器软

件。作为回应，NI公司创造了SignalExpress，这是可进行探测性测量的拖放

式、无编程要求的理想环境。

NI公司除了提供强大的软件微分器外，还提供在虚拟仪器公司中最广和最革

新的Ｉ／Ｏ选择。为了满足工程师和科学家们不断增加的需求，NI不断延伸产

品的范围。一些NI硬件革新的最近的例子，包括USBDAQ设备，M系列DAQ设

备和NICompactRIO：

设备

在最近的调查中，70％的NI数据采集（DAQ）客户说他们不久将会购买多功

能的USBDAQ。那一月，NI推出了USB－6008，售价145美元，这是多功能DAQ

的最低价。

2.M系列DAQ设备

在2004年底，NI发行M系列DAQ产品，这帮助它确立了在插入式数据采集

中的领导地位。这些产品有很多区别于其他产品的特征，其中一小部分特征包

括第一批18位PCI设备，第一批有最大吞吐量的6个DMA信道的PCI数据采集

设备和申请专利的设备标准计划。

tRIO可重构的控制和I/O

NI最具革命性的另一些I/O产品是CompactRIO。在这些I/O平台的中心有

了FPGA芯片，工程师就能创建自定义硬件并可重复使用LabVIEWFPGA对其进

行重定义。

谁在使用NI虚拟仪器？

NI客户包括工程师，科学家和广泛的工业领域中的专业技术人员。从测试

DVD录像机到研究先进医学，他们使用NI软硬件开发用户定义的仪器，更快更

低成本地交付各种各样的产品和服务。

这是一些客户如何使用NI虚拟仪器产品的实例：

1.美联社赛车——打造F1刹车钳和制动试验测力机

在30多年时间里，美联社赛车在刹车钳、比赛离合器技术和制造方面一直

12

居于世界领先水平。美联社赛车提出的一款独特的新型测力器有显著的优势，

而使用NIDAQ设备和LabVIEW的虚拟仪器将在这个创新市场中提供必需的灵活

性。

2.利盟墨盒电试验

利盟国际的爱德科曼说：“在基于PC的模型仪器和行业标准软件辅助下，我

们继续使用现有的测试系统来满足最新的需求，这种方式所需的开发时间是最

短的。将软件升级到NI5122，NI6552和LabVIEW7Express后，产品的质量

和产量得到提高，我们用最小的研发代价提高了测试系统的性能。”

3.德州仪器——射频和无线元件表征

德州仪器（TI）是最重要的无线IC提供商之一，有接近40亿美元的税收。

为了使表征过程呈流线型，TI利用NITestStand和LabVIEW开发了测试、管理

和自动化软件。使用NI的产品后，TI公司在没有降低质量和资源的同时扩展了

业务。

n——机车引擎控制单元（ECU）原型

在过去的项目中，Drivven花费了至少2年的时间和50万美元在自定义硬

件上开发ECU制模系统。这个项目的设备成本（包括摩托和CompactRIO）总计

1，5000美元，开发时间大约3个月。基于FPGA的可重构硬件、CompactRIO和

LabVIEW实时模型提供了可靠性和精确的定时资源，保证系统足够健壮，能支

持在高温强震环境下作业。

课文A：数字图像处理入门

1.简介

数字图像处理技术仍是程序设计中一个极具挑战性的领域，有以下几个原

因。首先，数字图像处理在描写雨的成语 计算机发展史上出现得相对较晚，直到第一个图形

操作系统出现后，它才真正得以应用。其次，数字图像处理尤其是实时处理时

需要最细致的优化。将图像处北国风光千里冰封下一句 理与音频处理相比较是提供思路的好方法。我们

考虑按每秒30次的速度检测一副320240的32位位图上的所有像素点所必需

的内存带宽：10Mo/sec。要达到相同的质量标准，立体声音频波的实时处理需

要44100（采样每秒）2（字节每采样每信道）2（信道）=176Ko/sec，这要

比图像处理少50倍。显然，我们不能使用相同的技术来处理音频和图像。最后，

因为数字图像处理是一个二维域，所以要精心制作一个数字滤波器还是有些复

杂的。

我们将从颜色表示这一基本方法开始，探讨一些用于图像处理的现行方法。

然后是更为先进的卷积矩阵和数字滤波器。最后，我们概述图像处理的应用。

这篇文章的目的是让读者对目前的数字图像处理技术有所了解。我们既不

会深入研究理论，也不会研究编码；我们更关注的是算法本身，也就是方法。

总之，这篇文章应该仅仅用做思想源泉而不是代码之源。

13

2.一种简单的图像处理方法

2.1颜色数据：矢量表示

a.位图

在计算机内存中，位图是表示数字彩色图像最原始也是最基本的方式。位

图由一行行的像素组成，像素是“图像元素”的缩写。每个像素所呈现的颜色

都由一个特定的值来决定。由三个数字定义该值，而这些数字是将颜色分解为

三原色红、绿、蓝后得到的。任何一种人眼可见的颜色都由这三种颜色合成。

三原色由0~255之间的值来量化。例如，白色的值为R=255，G=255，B=255；黑

色可表示为（R，G，B）=（0,0,0）；粉红色：（255,0,255）。这就是说，一幅图

像是一个巨大的二维颜色阵列。而每个像素都被编码成3个字节，代表三原色。

这允许图像包含256256256=16800000个不同的颜色。这一技术就是RGB编

码，特别适用于人类视觉。有了照相机和其他的测量仪器，我们能看到数以千

计的颜色，但在这种情况下，RGB编码就显得不适用。

选择0-255作为量化范围有两个很好的理由：第一，人眼不够敏感，难以

识别超过256个亮度等级（1/256=0.39%）的颜色。也就是说，对于人类观察者

而言，采用超过256个灰度等级（黑白之间的256个灰度级）并不能提高图像

质量。因此256个灰度级足够了。第二，255这个值便于计算机存储。事实上，

作为计算机的存储单元，一个字节最多可以有256个编码值。

不同于音频信号在时间域中进行编码，图像信号的编码是在二维空间域中进

行的。原始图像数据要比音频信号时域数据更容易理解。这就是我们能对图像

进行大量填充、滤波处理而无需变换原始数据的原因，而对于音频信号来说，

这是不可能的。这一部分只需分析原始图像信号，做些简单的效果和滤波处理

而无需改变原始数据。

标准维度也叫分辨率。一个位图大约有500行，500列。这一分辨率用于模

拟式的电视机和计算机应用。你能够很容易地计算出这种尺寸的位图所需的内

存空间。我们有500500个像素，每一个像素由三个字节进行编码，构成750Ko。

同硬盘大小相比，这并不算很大，但是当你要实时处理一幅图像时，事情就显

得很困难。事实上，流畅地渲染图像需要每秒至少传输30幅图像，所需的

10Mo/sec带宽是巨大的。我们将注意到，RAM中数据访问与传输能力的限制对

图像处理影响巨大，有时它的影响甚至超过了由于CPU处理能力的限制而带来

的影响，这与我们习惯的优化思路大不相同。值得注意的是，使用JPEG2000这

样的现代压缩技术可以很容易地将图像大小缩小50倍而不会引起太严重的失

真，但这是另一课题。

b.颜色的矢量表示

正如我们所见，在位图中，颜色由3字节进行编码来代表其三原色的构成。

很明显，一个数学家会立刻将颜色定义为三维空间矢量，三维空间的每条坐标

轴代表一种基色。因此，我们可利用大部分的几何数学概念来表示颜色，例如

定量，内积，投影，循环或间距。我们将在一些滤波器中看到这个极其有趣的

想法。图1说明了这一新的解释方式：

14

2.2滤波器的应用

a.边缘检测

之前我们说过，通过计算两个颜色矢量之间的几何距离就能分辨出这两种不

同的颜色。若给定两种颜色C1=（R1，G1，B1）和C2=（R2，G2，B2），它们之

间的距离可由以下公式得到：

D（C1，C2）=

）（）（）（B2B1G2G1R2R1222

第一个滤波器：边缘检测。边缘检测的目的是确定图片中不同形状的边缘位

置，并将结果绘制成位图，例如可以在黑色背景上用白色表示边缘。这种方法

非常简单；我们依次检测图像中的每个像素，并与其右邻、底邻比较颜色。如

果其中一个结果差异很大，那么所研究的像素就是边缘的一部分，则变为白色，

反之则是黑色。我们把每个像素和它的右邻、底邻相比较是因为图像是二维的。

事实上，如果你想象一幅图像只有可选的红色和蓝色横向条纹，若只将某像素

点和它的右邻相比较，就不可能测得这些条纹的边缘。因此，必须对每个像素

点进行右邻、底邻的比较。

这种算法已经在不同类型的源图像中做了测试，得到了较好的结果。但频繁

的内存访问使得该算法的运算速度十分有限。两个平方根可以很容易地通过平

方比较结果去掉；然而，颜色的提取质量不容易提高。如果我们假设最长的运

算是获得像素函数和放置像素函数，得到的多项式复杂度为4*N*M，这里N代表

行值，M代表列值。在实时计算中这是不够快的。对于一个30030032

的图像，在AthlonXP1600+处理器上，每秒只能完成大约26次转换，的确很

慢。

下图是应用该算法处理一个实例图像的结果：

图2边缘检测结果

对该算法所得结果的解释是：结果的质量取决于源图像的锐度。如果源图像

的边缘锐度大，则结果很完美。但如果原始图很模糊，你就得先用锐度滤波器

处理一下，稍后我们会对此做详细介绍。另一个要说的是，你可以把每个像素

和它打动女人内心的暖心话 右侧、底部的第二个或第三个最近的像素相比较而不是最近的像素比较。

依据源图像的锐度，边缘将变得更粗且更精确。最后我们将看到另一种使用矩

阵卷积进行边缘检测的方法。

b.颜色提取

像素比较的另一个直接应用是颜色提取。我们打算将每个像素和一种给定

的颜色C1相比较而不是和它相邻的部分比较。该算法将尝试检测出图像里所有

含C1颜色的对象。例如，这一算法在机器人技术中相当有用。它能让你从图像

流中搜索出一个特定的颜色。然后，打个比方，你可以让机器人过去拿到一个

红球。我们将调用这种参考色C0=（R0，G0，B0），在图像中进行搜寻。

再一次，即使能够很容易地去掉平方根，也不能有效提高算法的运算速度。

真正降低循环速度的是NM次访问内存以获得像素，并放置像素。这决定了算

法的复杂度：2NM，N和M各自代表位图中的行值和列值。在我的计算机上

针对30030032的原始位图测得的有效速度大约是每秒40次转换。

15

c.颜色与灰度转换

对于3D彩色空间，灰度值由（1，1，1）向量来直接表示。实际上，灰色

阴影的红、绿、蓝三个分量值是相等的，因此它们的构成必须是（n，n，n），n

是0到255之间的整数（例如：（0,0,0）黑色，（32,32,32）黑灰，（128,128,128）

中灰，（192,192,192）亮灰，（255,255,255）白色等）。现在该算法的思想是找

到一种颜色在（1，1，1）向量中的重要性。我们使用标量投影达到此目的。一

种颜色向量C=（R，G，B）在向量（1,1,1）上的投影计算如下：

然而，投影值可以达到441.67，即白色（255,255,255）的标准。为防止数

值超过255，我们将投影值乘以一个因子255/441.67=1/sqrt(3)。因此，公式

可

事实上，将颜色转化为灰度值就相当于对该像素的红、绿、蓝三个分量取

平均值。你也可以将（R3）公式用于其他颜色度的转换中。例如你可以选择红

度图像，红度（C）=R，或是黄度图像，黄度（C）=（G+B）/sqrt(6)等等。

我们不可能通过优化该算法来降低算法的复杂度，但是我们可以从研究的

像素数目NM来获得计算复杂度，其中（N，M）表示位图的分辨率。它在我计

算机上执行的时间和以前的算法相同，大约每秒35次转换。

3.结论

数字图像处理并不是简单地将音频信号处理规则转换到二维空间中。图像

信号有其特有的属性，因此我们必须用特殊的方法来处理。例如，快速傅里叶

变换适用于音频处理，但对图像处理没有用。相反地，在图像处理中，能很容

易地直接设计出数字滤波器，而不需要任何信号的转换。

数字图像处理已经成为了现代信号技术的热点领域。它的应用已远远超过

简单的美学考虑，涵盖了医学影像、电视和多媒体信号、安全、便携式数字设

备、视频压缩，甚至数字电影等领域。我们已经掌握了图像处理中的一些基本

概念，但还有很多内容有待进一步挖掘。如果你刚开始研究这个课题，我希望

本文能使你对其有所了解，并赋予你继续研究下去的动力。

第六课现代通信技术

课文A:蓝牙

蓝牙无线技术是一种小范围无线通信技术，旨在保持高安全级的基础上，在

便携式设备与固定设备之间实现无线连接。蓝牙技术的关键特征是健壮、低功

耗、低成本。蓝牙规范定义了各种设备进行互连通信的统一结构。

蓝牙技术已在全世界使用，因此在世界各地，任何一台支持蓝牙功能的设备

都可以和邻近使用蓝牙的设备连接。支持蓝牙的电子设备通过小范围的对等网

络，即所谓的微微网实现无线连接与通信，在一个微微网中，每个设备能同时

与其他7个设备实现通信。当蓝牙设备进入或离开无线邻近范围时，微微网就

自动地动态建立。

基本的蓝牙无线技术具有同时进行数据和声音传输的能力。这使得用户能够

享受诸如免提语音通话、打印和传真功能、同步掌上电脑、笔记本电脑和移动

16

电话等各种创新型应用。

核心系统

蓝牙规范将蓝牙核心系统定义为一个普通的服务层协议，这个服务层覆盖了

七层协议的下四层。通用访问应用（GAP）定义了服务发现层协议（SDP）和所

需要的通用协议子集。完整的蓝牙应用需要蓝牙规范中定义的很多附加服务和

高层协议。

最低的三层有时组成一个子系统，即蓝牙控制器。这是一个常见的实施方式，

涉及在蓝牙控制器和包括逻辑信道控制和适配协议、设备层和高层（所谓蓝牙

主机）在内的其他蓝牙系统之间的标准的物理接口的通信。虽然该接口是可选

的，但结构的设计考虑了它的意义及特征。蓝牙规范通过定义对等层的协议信

息的交换，确保独立蓝牙系统之间的互通性，并通过定义蓝牙控制器和蓝牙主

机间的通用接口保证了独立蓝牙子系统的互通性。

这里列出了大量的功能块和功能块间服务及数据的路径。图表里显示的功能

块提供了大量的信息，总体上蓝牙规范除了在需要实现互通性的地方外并没有

定义具体的实现。

人们定义了设备间操作的标准交互，用于设备间操作的蓝牙设备根据蓝牙规

范交换协议信令。蓝牙核心晏子使楚教学设计 系统协议包括射频（RF）协议、链路控制（LC）协

议、连接管理(LM)协议、逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)，所有这些协议都是

由蓝牙规范定义的。此外，SDP协议是所有蓝牙应用必备的服务层协议。

蓝牙核心系统通过许多服务接入点提供服务，如图表中的椭圆所示。这些服

务由控制蓝牙核心系统的基础服务原语组成。它们可分为三种类型：其中设备

控制服务用于改善蓝牙设备的性能和模式；传输控制设备则创建、修改和释放

（信道和链路上的）承载业务；数据服务则为基于承载业务的传输提供数据。

通常认为前两者属于控制平面类，最后一项属于用户平面类。

蓝牙控制器子系统的服务接口定义为蓝牙控制器的标准组成部分。在这种配

置中，蓝牙控制器对底下的三层以及主系统中其余蓝牙应用的L2CAP层进行操

作。此标准接口称为主机到控制器的接口（HCI），它的实施与否是可选择的。

由于蓝牙架构是在独立的主机和控制器可通过HCI进行通信这一前提下定

义的，我们需要若干一般性假设。假设蓝牙控制器与主机相比只有有限的数据

缓冲能力。因此当L2CAP层向对等设备传输控制器递交L2CAPPDU（协议数据单

元）时，它能捎带简单的资源管理信息。该过程包括将L2CAPSDU（服务数据单

元）分割成更易管理的PDU,然后再将PDU分段成大小适合控制器缓冲区的起

始和延续数据包，再对控制器缓冲的使用进行管理，确保具有服务质量（QoS）

承诺的信道的可用性。

基带层提供蓝牙技术中的基本ARQ协议。L2CAP层可选择性地为L2CAPUDP

提供进一步错误检测和重传的功能。当有用户数据高检错率的需求时，推荐使

用该功能。L2CAP更深一层的可选择性功能是基于窗口的流控制，在接收设备中

它可用作缓冲区分配的管理。这些可选功能都增强了在某些特定情况下的QoS

性能。

对于将所有层都组合成一个单一系统的嵌入式蓝牙设备来说，这样的假设

是不需要的，但是，简单结构的系统以及QoS模型的定义都是在考虑这些假设

的前提下确定的，而且这样的系统更具有普遍性。

我们必须对蓝牙核心系统的执行进行自动化一致性测试。这可以通过允许测

17

试者使用RF接口和测试控制接口（TＣＩ）控制执行来实现，前者普遍用于所

有的蓝牙系统，后者只在一致性测试时需要。

测试者通过RF接口与被测实施（IUT）进行交换以确保能对远程设备发出的

请求作出正确的回应。测试者通过TCI控制IUT,以便让IUT通过RF发起交换，

从而验证交换的一致性。

对于每个架构层和协议的测试，TCI所使用的命令集（服务接口）是不同的。

HCI命令集的子集作为蓝牙控制器子系统的每一层和每一个协议的TCI服务

接口使用。L2CAP层和协议使用独立的服务接口测试。由于蓝牙核心规范中没

有定义L2CAP服务接口，该接口在TCI规范中单独定义。只有在进行一致性

测试时才要求实施L2CAP服务接口。

为什么选择蓝牙无线技术？

蓝牙无线技术是设备间进行便捷式短距离无线通信最简单的方法。它是手

机、便携式计算机、汽车、立体声耳机、MP3播放器等多种设备无线连接的全

球通用标准。正因为有了“配置文件”这一独特概念，内置蓝牙的产品不再需

要安装驱动软件。第四版的蓝牙规范已经定义了该技术，鉴于其与生俱来的优

点——小尺寸、低能耗、低价格、高安全、生命力强、操作简单、具备adhoc

网络能力等，该技术发展前景广阔。蓝牙无线技术已经成为目前市场上唯一得

到认可的主流短距离无线技术。目前每周出货量为500万件，至2005年底，全

球已安装蓝牙装置的产品超过5亿件。

全球通用

我们全球的成员公司都可免费使用蓝牙无线技术规范。许多行业的制造商都

积极将这一技术用于它们的产品中，以减少零乱电线的使用，实现无缝连接，

流传输立体声，传输数据或语音通信。蓝牙技术在2.4GHz波段上运行，这是无

需申请的工业、科技、医学（ISM）的无线波段之一。因此，使用蓝牙技术没有

任何费用。但是你必须向手机供应商注册使用GSM或者CDMA,除了使用设备的费

用之外，你无需为使用蓝牙技术支付任何费用。

设备范围

蓝牙技术的应用是史无前例的，应用领域从手机、汽车到医学设备。用户有

消费者、工业市场和企业等等。低功耗、小尺寸以及低成本的芯片解决方案使

得蓝牙技术甚至可以应用于极小的设备中。请在蓝牙产品目录和组件产品列表

中查看我们的成员提供的各类产品大全。

易于使用

蓝牙技术是一项adhoc技术，它不需要固定的基础设施，而且易于安装和

设置。建立连接时不需要电缆。新用户使用亦不费力——你只需拥有蓝牙品牌

产品，检查可用的配置文件，将其连接至使用同一配置文件的另一蓝牙设备即

可。后续的PIN码流程就如同你在ATM机器上操作一样简单。外出时，你可

以随身带上你的个人局域网(PAN)，甚至可以与其它网络连接。

全球通用的规范

18

在今天的市场上，蓝牙无线技术是支持范围最广，功能齐全且安全的无线标

准。全球通用的资格认证程序可以测试成员的产品是否符合标准。自1999年首

次发布蓝牙规范以来，已经有超过4000家公司成为蓝牙特别兴趣小组(SIG)的

成员。同时，市场上蓝牙产品的数量正在成倍增长。产品数量连续4年翻倍，

到2005年底，安装蓝牙的数量将很可能达5亿。

安全连接

从一开始，蓝牙技术的设计就考虑到安全需求。由于开放的2.4GHzISM波

段是全球通用的，因此从一开始就要保障其稳健性。在自适应跳频（AFH）下，

信号不断“跳跃”，从而抑制了其他信号的干扰。此外，蓝牙技术也有内置的安

全措施，例如128位的密码和个人识别码（PIN码）验证。当蓝牙产品进行首次

连接时，它们会用PIN码来确认身份。一旦连接上，就将一直处于安全连接状

态