现代信息技术基础第一章

现代信息技术基础第一章第一页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.1信息与信息技术（1）什么是信息（2）信息处理与信息技术（3）信息处理系统第二页，共一百二十一页，2022年，8月28日信息是什么？(1)关于信息（information），至今并没有统一的定义日常生活中比较笼统和模糊的几种解释是：语言、文字、图画、照片等表示的内容（新闻、消息或知识）读书、上课、交谈等所学习和了解的知识、方法、事实和情况为了做判断、订计划或求解问题等所需要的数据、资料···第三页，共一百二十一页，2022年，8月28日信息是什么？(2)中国大百科全书的解释：从认识论层次来看，信息是指认识主体所感知或主体所表述的“事物运动的状态及状态变化的方式”信息因它所表达的内容而有一定的价值，也因能相互交流而体现其作用信息有多种表现形式，语言、文字、声音、图片等都是信息的表现形式(载体)信息与物质和能量同样重要，它是人们认识世界、改造世界的一种基本资源第四页，共一百二十一页，2022年，8月28日什么是信息处理？信息处理指的是与下列内容相关的行为和活动：信息的收集(如信息的感知、测量、获取、输入等)信息的加工(如信息的分类、计算、分析、转换等)信息的存储(如书写、摄影、录音、录像等)信息的传递(如邮寄、电报、电话等)信息的施用(如控制、显示等)第五页，共一百二十一页，2022年，8月28日人工进行信息处理的过程人工信息处理的不足：算不快记不住传不远

看（听）不清事物客体信息获取(感觉器官)信息加工与存储(大脑)信息传递(神经系统)信息施用(效应器官)信息传递(神经系统)信息技术（IT）手/脚/身眼/耳/鼻/舌/身第六页，共一百二十一页，2022年，8月28日什么是信息技术？信息技术（InformationTechnology，简称IT）指的是用来扩展人们信息器官功能、协助人们更有效地进行信息处理的一门技术。信息技术包括：扩展感觉器官功能的感测(获取)与识别技术扩展神经系统功能的通信技术扩展大脑功能的计算(处理)与存储技术扩展效应器官功能的控制与显示技术第七页，共一百二十一页，2022年，8月28日信息技术的发展历史◎语言的形成和使用

◎文字的创造

◎印刷技术的发明

◎望远镜、显微镜

◎电报和电话通信

◎广播、电视

◎雷达、卫星（遥感感测）

◎计算机、机器人

◎因特网（Internet）

···

第八页，共一百二十一页，2022年，8月28日现代信息技术3大特征：采用电子技术（包括激光技术）以数字技术（计算机）为基础以软件为核心内容：计算机、微电子、通信、广播、遥感遥测、自动控制、机器人等第九页，共一百二十一页，2022年，8月28日什么是信息处理系统？用于辅助人们进行信息获取、传递、存储、加工处理、控制及显示的综合使用各种信息技术的系统，可以通称为信息处理系统信息处理系统的结构：通信/存储信息加工通信/存储控制与显示感测与识别第十页，共一百二十一页，2022年，8月28日信息处理系统举例雷达：以感测与识别为主要目的电视/广播：以单向、点到多点的信息传递为主要目的电话：以双向、点到点的信息交互为主要目的银行：以处理金融信息为目的图书馆：以信息收藏和检索为主要目的因特网：跨越全球的多功能信息处理系统第十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.2微电子技术简介（1）微电子技术与集成电路（2）集成电路的制造（3）集成电路的发展趋势（4）IC卡第十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日(1)微电子技术与集成电路

微电子技术是信息技术领域中的关键技术，是发展电子信息产业和各项高技术的基础微电子技术的核心是集成电路技术第十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日电子电路中元器件的发展演变晶体管(1948)中/小规模集成电路(1950’s)

微电子技术是以集成电路为核心的电子技术，它是在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起来的。大规模/超大规模集成电路(1970’s)电子管(1904)第十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日什么是集成电路？集成电路

(IntegratedCircuit，简称IC)： 以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所构成的一个微型化的电路或系统集成电路的优点：体积小、重量轻功耗小、成本低速度快、可靠性高超大规模集成电路小规模集成电路第十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日集成电路的分类按用途分：通用集成电路专用集成电路（ASIC）按电路的功能分：数字集成电路模拟集成电路按晶体管结构、电路和工艺分：双极型（Bipolar）电路金属氧化物半导体(MOS)电路······按集成度(芯片中包含的元器件数目)分：集成电路规模元器件数目小规模集成电路（SSI）＜100中规模集成电路（MSI）100~3000大规模集成电路（LSI）3000~10万超大规模集成电路（VLSI）10万~100万极大规模集成电路（ULSI）＞100万第十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日附：常见集成电路产品的类型第十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日(2)集成电路的制造(选学)

集成电路的制造工序繁多，从原料熔炼开始到最终产品包装大约需要400多道工序，工艺复杂且技术难度非常高，有一系列的关键技术。许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成。目前兴建一个有两条生产线能加工8英寸晶圆的集成电路工厂需投资人民币10亿元以上。第十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日集成电路的制造流程硅抛光片单晶硅锭单晶硅锭经切割、研磨和抛光后制成镜面一样光滑的圆形薄片，称为“硅抛光片”晶圆硅平面工艺硅平面工艺包括氧化、光刻、掺杂和互连等工序，最终在硅片上制成包含多层电路及电子元件的集成电路。通常每一硅抛光片上可制作成百上千个独立的集成电路，这种整整齐齐排满了集成电路的硅片称作“晶圆”芯片检测、分类集成电路封装对晶圆上的每个电路进行检测，然后将晶圆切开成小片，把合格的电路分类，再封装成一个个独立的集成电路成品测试成品进行成品测试，按其性能参数分为不同等级，贴上规格型号及出厂日期等标签，成品即可出厂第十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日集成电路的封装

集成电路封装目的：电功能、散热功能、机械与化学保护功能常见的封装方式：单列直插式（SIP）双列直插式（DIP）阵列式（PGA）塑料有引线芯片载体（PLCC）扁平贴片式(PQFP)

球栅阵列封装(BGA)

小外形封装（SOP）

第二十页，共一百二十一页，2022年，8月28日FC-PGA2封装方式（Pentium4处理器）集成电路插座集成电路的封装形式第二十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日(3)集成电路的发展趋势

集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。晶体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就越快，相同面积的晶片可容纳的晶体管数目就越多。所以从集成电路问世以来，人们就一直在缩小晶体管、电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。第二十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日IC集成度提高的规律Moore定律：单块集成电路的集成度平均每18个月翻一番(GordonE.Moore,1965年)19701975198019851990199520001,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,0004004800880808086802868038680486PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4晶体管数例：Intel微处理器集成度的发展安腾Itanium2（2002） 221M晶体管安腾双核Itanium2Dual-Core（2006） 1.7B晶体管第二十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日集成电路技术的发展趋势19992001200420082014工艺(μm)0.180.130.090.060.014晶体管(M)23.847.61355393500时钟频率(GHz)1.21.62.02.65510面积(mm2)340340390468901连线层数678910晶圆直径(英寸)1212141618引脚数目7009573350功耗（w）90130183第二十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日进一步提高集成度的问题与出路问题：线宽进一步缩小后，晶体管线条小到纳米级时，其电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作出路：在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应，人们正在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器件，使能开发出新的纳米芯片和量子计算机同时，正在研究将光作为信息的载体，发展光子学，研制集成光路，或把电子与光子并用，实现光电子集成第二十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日(4)IC卡简介几乎每个人每天都与IC卡打交道，例如我们的身份证、手机SIM卡、交通卡、饭卡等等，什么是IC卡？它有哪些类型和用途？工作原理大致是怎样的？下面是简单介绍。第二十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日什么是IC卡？IC卡(chipcard、smartcard)，又称为集成电路卡，它是把集成电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、处理和传递数据的载体特点：存储信息量大保密性能强可以防止伪造和窃用抗干扰能力强可靠性高应用举例：作为电子证件，记录持卡人的信息，用作身份识别（如身份证、考勤卡、医疗卡、住房卡等）作为电子钱包（如电话卡、公交卡、加油卡等）第二十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日IC卡的类型(按芯片分类)存储器卡：封装的集成电路为存储器，信息可长期保存，也可通过读卡器改写。结构简单，使用方便。用于安全性要求不高的场合，如电话卡、水电费卡、公交卡、医疗卡等 （带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路）CPU卡：封装的集成电路为中央处理器（CPU）和存储器，还配有操作系统(ChipOperatingSystem)，处理能力强，保密性更好，常用作证件和信用卡使用。手机中使用的SIM卡就是一种特殊的CPU卡。第二十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日IC卡的类型(按使用方式分类)接触式IC卡(如电话IC卡)表面有方型镀金接口，共8个或6个镀金触点。使用时必须将IC卡插入读卡机，通过金属触点传输数据。用于信息量大、读写操作比较复杂的场合,但易磨损、怕脏、寿命短非接触式IC卡(射频卡、感应卡)采用电磁感应方式无线传输数据，解决了无源（卡中无电源）和免接触问题操作方便，快捷，采用全密封胶固化，防水、防污，使用寿命长用于读写信息较简单的场合，如身份验证等

接触式IC卡接触式IC卡的结构非接触式IC卡第二十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日非接触式IC卡的工作原理（选学）读卡器发出一组固定频率的无线电波(射频信号)，通过天线向外发射IC卡激活后，通过辐射电磁信号将卡内数据发射出去(或接收读卡器送来的数据)当IC卡处在读卡器有效范围(一般为5~10cm)内时，卡内的一个LC串联谐振电路(谐振频率相同的)便产生电磁共振，使电容充电，从而为卡内其它电路提供2V的工作电压读卡器收到数据后，通过接口将IC卡数据传送给PC，PC将判断该卡的合法性，作出相应处理第三十页，共一百二十一页，2022年，8月28日非接触式IC卡在身份证中的使用第二代身份证使用非接触式CPU卡，可实现“电子防伪”和“数字管理”两大功能：电子防伪措施：个人数据和人脸图像经过加密后存储在芯片中，需要时可通过非接触式读卡器读出进行验证。需要时还可以将人体生物特征如指纹等保存在芯片中，以进一步提高防伪性能数字管理功能：存储器能储存多达几兆字节的信息，采用分区存储，按不同安全等级授权读写采用数据库和网络技术，实现全国联网快速查询和身份识别，将使二代证在公共安全、社会管理、电子政务、电子商务等方面发挥重要作用第三十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.3通信技术入门1.3.1通信的基本原理1.3.2模拟通信与数字通信1.3.3光纤通信和无线通信1.3.4移动通信第三十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.3.1通信的基本原理（1）通信系统的基本模型（2）调制与解调（3）多路复用技术第三十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日什么是通信(communication)？广而言之，通信就是信息的(远距离)传递与交流现代通信——使用电波或光波传递信息的技术，也称为电信（telecommunication），如电报、电话、传真、电子邮件、BBS、QQ等通信的发展历史：1836年，英国建成第一条电报线路(Morse电报)1876年，美国人研制成可供实用的电话20世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信1918年出现收音机和无线电广播1938年第一个电视台开始播出1940’s出现彩色电视1960’s出现计算机网络第三十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日对通信系统的一般要求远距离：传输距离要远低成本：传输成本要低高速度：从发生到接收延迟时间要短可靠：传输的信息不能有错误方便：任何时间和地点都能通信安全：传输的信息要保密，不能泄漏第三十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日通信系统的模型通信的三要素：信道信源(宿)信宿(源)信号信号举例:信道的任务是迅速、可靠而准确地将信号从信源传输到信宿被传输的信息都必须以某种电(或光)信号的形式才能进行传输发送信息的设备接收信息的设备有线电话移动电话计算机通信信源/信宿电话座机手机计算机信号话音经电话机转换成为变化的电流信号话音经电话机转换成为压缩编码后的数字信号编码、打包后的数字信号信道电话线和中继器等传输设备无线电波、基站等双绞线、集线器、路由器、光纤等第三十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日模拟信号与数字信号通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号(或光信号)才能进行传输t数字信号信号强度模拟信号信号强度t电信号(或光信号)有两种形式：模拟信号形式:通过连续变化的物理量（如信号的幅度）来表示信息，例如人们打电话或者播音员播音时声音经话筒(麦克风)转换得到的电信号；数字信号形式:使用有限个状态(一般是2个状态)来表示（编码）信息，例如电报机、传真机和计算机发出的信号都是数字信号第三十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日模拟信号如何传输？近距离传输：直接传输(如：MP3播放器－>耳机；计算机输出信号－>投影仪)远距离传输：通过载波来传输模拟信号(如：广播电台－>收音机)什么是载波？研究发现，高频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他信号传送得更远。因此若把高频振荡的正弦波信号作为携带信息的载波，把模拟信号放在(调制在)载波上传输，则可比直接传输远得多第三十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日模拟信号如何进行载波传输？

——

三种调制方法调制后的载波信号传输信号调制器载波信号调制后的载波信号传输信号解调器载波信号调制信号(连续信号)调幅(AM)调频(FM)调相(PM)载波信号(高频正弦波)实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”：第三十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日数字信号如何传输？近距离传输方法——基带传输近距离传输时：不加处理直接进行（如：USB连接）较长距离传输：需作码型转换（如：以太网中传输数字信号）二进位信号的不归零制(NRZ)编码001101双绞线计算机计算机NRZ码曼彻斯特编码码型变换器码型变换器曼彻斯特编码NRZ码（网卡）（网卡）含有直流成分，不便于同步，不适合直接传输平均直流电平为0，电平的变化可作为同步信号二进位信号的曼彻斯特编码电平从低到高表示0,从高到低表示1远距离传输方法——通过载波来传输数字信号(频带传输)第四十页，共一百二十一页，2022年，8月28日数字信号的三种调制方法(ASK)幅移键控(FSK)频移键控00110100010

调制信号

(两个状态)(PSK)相移键控载波信号(高频正弦波)数字调制、解调器：调制后的载波信号传输信号解调器载波信号调制后的载波信号传输信号调制器载波信号第四十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日小结1:远距离通信必须使用MODEM

通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调器，它们通常做在一起，称为调制解调器(MODEM)信道信源(宿)信宿(源)调制后的载波

信号调制后的载波

信号调制(解调)器(调制)解调器载波载波信源信号通过调制器调整载波的某个参数(幅度、频率或相位)到达目的地后，使用解调器把载波所携带的信号检测出来，恢复为原始信号的形式经过调制后的载波信号，携带着被传输的信号在信道中进行长距离传输第四十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日怎样实现低成本传输？分析：通信系统中，传输线路的建设和维护成本占整个系统成本的相当大的份额一条传输线路（铜线、光纤、无线电波）的容量通常远超过传输1路用户信号所需的能力采用的技术——多路复用技术(Multiplexing)多路信号使用同一条传输线同时进行传输方法：频分多路复用（FDM）时分多路复用（TDM）波分多路复用（WDM）第四十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)

思想：将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波上，通过频分多路复用器(MUX)将它们复合成为一个信号，然后在同一传输线路上进行传输。抵达接收端之后，借助分路器(DEMUX)把不同频率的载波分离出来，送到不同的接收设备工作原理：DEMUXMUX

共享的传输信道载波频率f1调制调制载波频率fn载波频率f1解调解调载波频率fnf将不同频率的载波信号合成在一起使用一组滤波器分解出不同频率的载波信号第四十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日频分多路复用举例1广播电台节目的发送与接收频分多路复用分路器(带通滤波器)信号发射信号接收常见广播电台使用的载波频率中波900KHz(南京经济台)■

中波1008KHz(南京新闻台)短波15.28MHz(英国BBC)■

短波15.29MHz(VOA美国之音)调频104.3MHz(南京体育台)■

调频105.8MHz(南京音乐台)第四十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日频分多路复用举例2电视节目的发送与接收频道载波频率(MHz)频道载波频率(MHz)频道载波频率(MHz)187.755123.259230.25295.756206.2510238.253103.757214.2511246.254115.258222.2512254.25多路复用器解调器在天空中传输的电磁波器电视信号发射器电视信号接收器电视节目调制器载波1电视图像及其伴音调制器载波2电视图像及其伴音调制器载波n电视图像及其伴音电视调谐器(分路器)第四十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing,TDM)

思想：各通信终端（计算机、电话）以规定的顺序和时间轮流使用同一传输线路进行数据传输工作原理：HFGEDCBA传输线路时间片GC终端1终端2终端3终端4HDFBEA多路复用器43214321数据tMultiplexer多路分路器终端甲终端乙终端丙终端丁EAFBGCHDDemultiplexer第四十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日同步和异步时分多路复用ABCD待发数据t1t2t3A1B1C2B2周期1周期2异步TDM节省带宽A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步TDM

浪费

异步TDM的条件：发送信息中必须包含接收设备的地址！第四十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日小结2:多路复用可以降低通信成本通信系统的原理示意图复用（分路）信道信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器复用（分路）信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器······多路复用技术使得成千上万路通信可以在同一条传输线上同时进行，大大节省了通信成本频分多路、时分多路和波分多路等技术可以同时使用，以提高复用效率第四十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.3.2模拟通信与数字通信（1）模拟通信（2）数字通信（3）数字通信系统第五十页，共一百二十一页，2022年，8月28日模拟通信信源产生的模拟信号直接进行传输或者通过对载波调制后进行传输的通信技术称为模拟通信技术

应用：(传统的)有线载波电话无线电广播电视（卫星电视、数字有线电视除外）优点：历史长，技术成熟，结构简单，成本低缺点：在信号的调制和传输过程中易受噪声干扰，传输质量不够稳定趋势：已经越来越多地被数字通信所取代第五十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日模拟通信技术应用举例（1）传统的有线载波电话使用对称电缆或同轴电缆，前者每一对线可传输60路电话，后者可提供成千上万个话路多路复用(分路)器

传输线路

(中继线和长途线)MODEM载波1MODEM载波2MODEM载波n多路复用(分路)器MODEM载波1MODEM载波2MODEM载波n本地交换机长途交换机本地交换机中继线用户线中继线长途线长途交换机用户线电子开关2x2交换机原理第五十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日模拟通信技术应用举例（2）电话拨号上网:利用模拟传输技术传输数字信号第五十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日模拟通信技术应用举例（2）家庭计算机用户通过电话拨号接入计算机网络调制解调器把计算机送出的数字信号,采用数字调制(频移键控或相移键控)的方法,调制成为适合于在用户电话线上传输的音频模拟信号因特网服务提供商把接收到的模拟信号，通过解调器恢复成数字信号送给计算机目前电话上网的最高传输速率：56KbpsMODEM本地电话网MODEM计算机网络模拟通信技术计算机数字信号因特网服务提供商(ISP)家庭用户数字信号音频模拟信号在本地电话网中，采用模拟传输技术进行传输第五十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日什么是数字通信？将信源产生的模拟信号转换为数字信号（或信源直接产生数字信号）之后，直接进行传输或通过用数字信号对载波进行数字调制来传输信息的技术称为数字通信数字通信技术的优点：抗干扰能力强，差错可控制，无噪声积累，传输质量高灵活性好，能适应多种应用需求，声音、图像、数据均可传输传输的数字信号可以直接由计算机进行存储、管理和处理数字信号的加密比模拟信号容易，所以通信的安全性高数字电路容易用超大规模集成电路实现，有利于通信设备的小型化、微型化，也降低了功耗第五十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日数字通信采用的技术数字调制/解调技术调幅；调频；调相多路复用技术时分多路；频分多路；波分多路交换技术电路交换；分组交换模-数和数-模转换技术；数字编码和数据压缩技术第五十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日数字通信技术应用举例（1）当今长途电话系统的中继通信PCM编码器PCM解码器PCM编码器PCM解码器多路复用器分路器光纤传输线路(中继线和长途线)（本地电话局）（本地电话局）

（用户线）（用户线）数字传输技术模拟传输技术模拟传输技术模拟声音信号在需要进行远距离传输之前，先使用PCM编码器变换为数字信号形式（此过程称为“数字化”）接收方所在地区的交换局使用解码器把数字信号还原成模拟声音信号后，由用户线传输至接听方的电话机数字信号经调制和复用后，通过光纤传输到接收方所在地区的交换局，再经解调和分路处理，恢复为数字信号第五十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日补充：PCM编码PCM（脉冲编码调制）原理：将模拟信号按时间间隔T取样，再把取样得到的每一个样本用二进制整数表示At0510123456789101112T样本取样周期样本量化值PCM码样本量化值PCM码300112810003101010491001560110640100740100830011930011104010011401001260110PCM编码的结果，就是将模拟信号转换成为一组数字信号第五十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日数字通信技术应用举例（2）卫星电视数字传输：用数字传输技术传输模拟信号数字传输技术数字调制数字解调编码器解码器在空中传输的电磁波器电视信号发射器电视信号接收器载波载波电视图像及其伴音电视机数字信号经调制和复用后由天线发送至卫星，再由卫星进行转发，被卫星地面接收站所接收电视台的节目在发送到卫星去传输之前，先要把图像和伴音信号进行数字化，还要进行数据压缩地面站对接收到的信号进行解调、解码后恢复为模拟信号，再经由有线电视电缆送到用户电视机上播放第五十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日小结：数字通信系统的模型发送端接收端信源信道编码调制与复用信道压缩编码解调与分路信宿解密信道解码解压缩加密编码噪声信源编码信源解码为了进行可靠的传输为了高效率地进行远程传输第六十页，共一百二十一页，2022年，8月28日数字通信系统的主要性能指标数据传输速率(简称数据速率,datarate)指实际进行数据传输时单位时间内传送的二进位数目计量单位：“位/秒”(bps)、“千位/秒”(kbps)、“兆位/秒”(Mbps)或“千兆位/秒”(Gbps)等信道带宽(也称为信道容量,bandwidth)一个信道允许的最大数据传输速率信道带宽与采用的传输介质、传输距离、多路复用方法、调制解调方法等密切相关误码率(errorrate)指数据传输中规定时间内出错数据占被传输数据总数的比例端－端延迟(end-enddelay)指数据从信源传送到信宿所花费的时间。第六十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.3.3光纤通信与无线通信（1）传输介质的类型与特点（2）光纤通信（3）无线通信第六十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日传输介质的类型与特点介质类型特点应用金属导体双绞线成本低，易受外部高频电磁波干扰，误码率较高；传输距离有限固定电话本地回路、计算机局域网同轴电缆传输特性和屏蔽特性良好，可作为传输干线长距离传输载波信号，但成本较高固定电话中继线路、有线电视接入光导纤维光缆传输损耗小，通讯距离长，容量大，屏蔽特性非常好，不易被窃听，重量轻，便于运输和铺设。缺点是精确连接两根光纤很困难电话、电视等通信系统的远程干线，计算机网络的干线无线电波微波红外线激光建设费用低，抗灾能力强，容量大，无线接入使得通信更加方便.但易被窃听、易受干扰广播，电视，移动通信系统，计算机无线局域网第六十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日双绞线和同轴电缆原理：利用电流(电压)传输信息双绞线分类3类线(10Mb/s)；5类线(100Mb/s)；6类线(200Mb/s)无屏蔽双绞线(UTP)；屏蔽双绞线(STP)同轴电缆内层导线金属屏蔽外绝缘层绝缘体同轴电缆分类基带同轴电缆（50Ω）传输数字信号宽带同轴电缆（75Ω）传输模拟信号信号线地线套管无屏蔽双绞线第六十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日光纤与光缆多根光纤保护层防止光泄漏的吸收外壳起保护作用的防护层外绝缘层光线光波在光纤中的传播光导纤维（光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去）

纤芯

包层保护层光波光缆光纤保护层第六十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日光纤通信原理电信号驱动电路光源中继器输出电路电信号发送单元(电/光转换)传输单元接收单元(光/电转换)光调制器光纤光纤放大电路光检测器光纤主要用于传输数字信号，0信号或1信号直接对光进行调制(即控制激光的通或断——幅移键控ASK)光波的频率为1014～1015Hz，目前一束光每秒能携带2.5G或10G的二进位信号，通过波分多路复用（WDM）技术还可达到更大的通信容量在发送端，由需要传输的数字信号（电信号）去驱动一个光源（半导体激光器或发光二极管），并对发出的光信号进行调制在接收端，信号经放大后由光检测器（半导体光电管）进行检测、解调，转换成电信号之后输出调制后的光信号通过光纤进行传输，为了补偿光纤线路的损耗，消除信号失真和噪声干扰，每隔一定的距离要接入中继器第六十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日波分多路复用(WaveDivisionMultiplexing,WDM)

为提高传输效率，1根光纤中可以同时传输几种不同波长的光波，每种光波各自传输自己所携带的信息，速率可达到40G-100Gbit/s原理：光纤发送端有N个发送单元，它们各自发出不同波长的光波通过复用器（称为合波器）合并起来，进入同一根光纤进行传输接收端用分路器(称为分波器)将不同波长的光分开，分别送到各自的光电检测器恢复出原始信号示意图复合光第六十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日光纤通信的发展与应用从上世纪80年代起，世界各国开始大规模铺设光纤通信线路，光纤传输网已经成为几乎所有现代通信的基础平台高速光纤数字传输线路采用统一的国际标准，称为同步数字系列(SDH)，又称为同步光纤网(SONET)，它既是电话和有线电视的骨干传输网，又是计算机网络的骨干网

SDH的速率等级：SDH模块（欧/亚）SONET模块（北美）速率（Mbps）话路数目STM-0OC-1;STS-151.840810STM-1OC-3;STS-3155.5202430STM-4OC-12;STS-12622.0809720STM-16OC-48;STS-482488.32038880STM-64OC-192,STS-19210.7Gbit/s155520第六十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日无线通信原理：模拟信号或数字信号使用电磁波调制后进行传输1041051061071081091010101110121013101410151016Hz双绞线同轴电缆AM广播FM广播和TV卫星地面微波光纤紫外线红外线可见光微波无线电波超短波中波短波电磁波的种类与频率范围

无线电波: 104

～1011(Hz)

中波： 0.3～3(MHz)

短波： 3～30(MHz)

超短波： 30～300(MHz)

微波： 0.3～300(GHz)

红外线： 1011

～1014(Hz)

可见光： 1014(Hz)

紫外线： 1014

～1016(Hz)

无线广播电视、通信通信第六十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日微波通信微波：300MHz～300GHz范围内的电磁波，波长为1m～1mm特点：直线传播，不能沿地球表面传播（无绕射性），需要每隔几十公里设立一个中继站容量大、可靠性高建设费用低抗灾能力强应用：长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视（HDTV）等第七十页，共一百二十一页，2022年，8月28日卫星通信卫星通信:中继站在人造地球卫星上的一种微波通信优点：通信距离远、频带宽、容量大、抗干扰强、通信稳定缺点：造价高、技术复杂、有较大延时、同步轨道卫星数目仅180颗通信卫星地面站1地面站2地球卫星卫星卫星地球35800公里赤道上方高度为35800公里的地方为地球同步轨道，卫星的运行周期与地球自转一圈的周期相同，在地面上看这种卫星好似静止不动。一颗同步轨道卫星覆盖约120°，3颗同步定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部面积，进行二十四小时的全天候通信第七十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.3.4移动通信（1）什么是移动通信（2）移动通信原理（3）第2代和第3代移动通信第七十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日什么是移动通信？处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等优点：克服通信终端位置对用户的限制，快速和及时地传递信息基站移动台（手机）移动电话交换中心公用电话网第七十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日蜂窝移动通信原理每10km～20km的区域称为单元（形似蜂窝），单元的中央建有一个基站，该单元内所有手机都向该基站发送信号并接收基站发给的信号所有单元既相互分割，又彼此有所交叠，连成整个移动通信服务网所有基站都通过微波或电缆、光缆与移动交换中心通信手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下，通话时使用两个频率（一个上行频率，一个下行频率），同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率进行通信，相互不影响每个蜂窝单元中有200多个信道(GSM)。相邻单元不允许使用相同的频率，不相邻单元的频率允许重用移动交换中心电话交换中心第七十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日第二代移动通信系统传输的是数字化的语音/文字信号使用频段：900MHz/1800MHz我国使用的2种标准：GSM（欧洲移动通信系统，也称全球通、全数字系统)中国电信的GSM网已基本实现县以上城市的覆盖,

接入号有139～135、130采用频分多路复用技术(分为124个上下行信道)和时分多路复用(每个信道8个连接)，每个蜂窝理论上支持992个连接，实际上可有200多个CDMA(码分多址接入，CodeDivisionMultipleAccess)所有手机都占用相同带宽和频率，在整个频段上进行信号传输,但它们分别采用不同的编码原理加以区分，即CDMA给每一手机分配一个唯一的码序列（扩频码），并用它对承载信息的信号进行编码抗干扰能力强，系统容量大，接通率高，噪声小，第七十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日第三代数字移动通信系统第2代移动通信的不足：（1）数据传输速率过低（9.6kb/s或57kb/s）（2）容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求。（3）不能实现覆盖全球的无缝连接第3代移动通信技术（简称3G）的目标：（1）全球漫游（2）适应多种环境，地面移动通信与卫星移动通信相结合（3）提供高质量的话音通信、数据通信和高分辨率图像通信（4）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务技术：频谱：1885MHz~2025MHz，2110MHz~2200MHz传输速率：室内：2Mb/s，步行：384kb/s，快速移动：114kb/s标准：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA(时分-同步码分多址接入)第七十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日附：现代电话通信网络第七十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日小结什么是通信？使用电波或光波传递信息对通信系统的要求：远距离——调制解调技术(MODEM)低成本——多路复用技术(Multiplexer)+交换技术(Switch)高速度——光纤通信技术可靠——信号不失真、无差错、保证通信畅通（数字通信）方便——移动通信技术（无线、数字通信）安全——加密、身份认证（数字通信）目前许多通信系统既采用模拟通信技术，也采用数字通信技术，总的趋势是数字化、光纤化第七十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.4

数字技术基础

1.4.1比特

1.4.2比特与二进制数

1.4.3整数（定点数）的表示

1.4.4实数（浮点数）的表示

1.4.5小结第七十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.4.1信息的基本单位

——比特(bit)（1）什么是比特（2）比特的逻辑（3）比特的存储第八十页，共一百二十一页，2022年，8月28日什么是比特？比特（bit，binarydigit的缩写）中文翻译为“二进位数字”、“二进位”或简称为“位”比特只有2种取值：0，1如同DNA是人体组织的最小单位、原子是物质的最小组成单位一样，比特是组成数字信息的最小单位数值、文字、符号、图像、声音、命令······都可以使用比特来表示，其具体的表示方法就称为“编码”或“代码”第八十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日例用比特表示图像第八十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日比特在计算机中如何表示？在计算机中表示二进位的方法：电路的高电平状态或低电平状态(CPU)电容的充电状态或放电状态(RAM)两种不同的磁化状态(磁盘)光盘面上的凹凸状态(光盘)···第八十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日例1：CPU内部二进位信息的表示CPU内部通常使用高电平表示1，低电平表示00.0V0.5V2.8V3.3V010V+3v010第八十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日磁盘表面微小区域中，磁性材料粒子的两种不同的磁化状态分别表示0和1例2：磁盘存储器中比特的表示磁盘表面磁性材料粒子第八十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日例3：CD/DVD盘片上比特的表示

光盘表面的凹、凸状态用于表示和存储二进位信息CD光盘表面DVD光盘表面第八十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日比特的三种基本逻辑运算比特的取值“0”和“l”可表示两种不同的状态（例如电位的高或低、命题的真或假）比特的运算使用逻辑代数，它有3种基本逻辑运算：逻辑加（也称“或”运算，用符号“OR”、“∨”或“＋”表示）逻辑乘（也称“与”运算，用符号“AND”、“∧”或“·”表示，也可省略）取反（也称“非”运算，用符号“NOT”或上横杠“¯”表示）第八十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日逻辑运算的规则逻辑加：F=A∨BA: 0 0 1 1B:∨0

∨1

∨0

∨1F: 0 1 1 1逻辑乘：F=A·BA: 0 0 1 1B:∧0

∧1

∧0

∧1F: 0 0 0 1取反：F=NOTAA:NOT 0

NOT 1

F: 1 0两个多位的二进制信息进行逻辑运算时，按位独立进行，即每一位都不受其它位的影响：例1 A: 0110 B:∨ 1010

F: 1110例2 A: 0110 B:∧1010

F: 0010第八十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日逻辑运算是用“门”电路实现的名称运算符号定义

ABF门电路符号(国标)门电路符号(国外)与AB，A•BA∧B000010100111或A+B,A∨B000011101111非0110与非001011101110或非001010100110异或0000111011101&≥1&≥1=1AA•BA+BA•B+A•B第八十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日比特的存储（1）存储(记忆)1个比特需要使用具有两种稳定状态的元器件，例如：开关、灯泡等。在计算机的CPU中，比特使用一种称为“触发器”的双稳态电路来存储触发器有两个状态，可分别用来记忆0和1，1个触发器可存储1个比特一组（例如8个或16个）触发器可以存储1组比特，称为“寄存器”CPU中有几十个甚至上百个寄存器

﹠﹠SdRdQQ断电后信息不再保持！第九十页，共一百二十一页，2022年，8月28日比特的存储（2）计算机存储器中用电容器存储二进位信息：当电容的两极被加上电压，它就被充电，电压去掉后，充电状态仍可保持一段时间，因而1个电容可用来存储1个比特信息存储原理电容C处于充电状态时，表示1

电容C处于放电状态时，表示0存储单元字线位线C读放大器集成电路技术可以在半导体芯片上制作出以亿计的微型电容器，从而构成了可存储大量二进位信息的半导体存储器芯片断电后信息不再保持！第九十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日比特的存储（3）磁盘：利用磁介质表面区域的磁化状态来存储二进位信息光盘：通过“刻”在光盘片表面上的微小凹坑来记录二进位信息磁盘表面磁性材料粒子断电后信息可以保持！第九十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日存储容量的计量单位8个比特＝1个字节（byte，用大写B表示）计算机内存储器容量的计量单位：KB:1KB=210字节=1024B（千字节）MB:1MB=220字节=1024KB（兆字节）GB:1GB=230字节=1024MB（吉字节、千兆字节）TB:1TB=240字节=1024GB（太字节、兆兆字节）外存储器容量经常使用10的幂次来计算：1MB＝103KB

＝1000KB1GB＝106KB

＝1000000KB1TB＝109KB=1000000000KB第九十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.4.2比特与二进制数（1）不同进位制数的表示和含义（2）不同进位制数的相互转换（3）二进制数的算术运算第九十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日不同进位制数的表示和含义

“数”是一种信息，它有大小（数值），可以进行四则运算“数”有不同的表示方法。日常生活中人们使用的是十进制数，但计算机使用的是二进制数，程序员还使用八进制和十六进制数，它们怎样表示？其数值如何计算？第九十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日十进制数每一位可使用十个不同数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9）低位与高位的关系是：逢10进1各位的权值是10的整数次幂（基数是10）标志：尾部加“D”或缺省例：204.96=2×102＋0×101＋4×100＋9×10－1＋6×10－2第九十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日二进制数

每一位使用两个不同数字表示（0、1），即每一位使用1个“比特”表示低位与高位的关系是：逢2进1

各位的权值是2的整数次幂（基数是2）标志：尾部加B例：101.01B=1×22＋0×21＋1×20

＋0×2－1＋1×2－2＝5.25第九十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日八进制数

每一位使用八个不同数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7）低位与高位的关系是：逢8进1

各位的权值是8的整数次幂（基数是8）标志：尾部加Q例：

365.2Q=3×82+6×81+5×80+2×8－1=245.25第九十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日十六进制数每一位使用十六个数字和符号表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F）逢16进1,基数为16各位的权值是16的整数次幂（基数是16）标志：尾部加H例：

F5.4H=15×161+5×160+4×16－1=245.25第九十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日不同进位制数的比较十进制二进制八进制十六进制零0000000壹1000111贰2001022叁3001133肆4010044伍5010155陆6011066柒7011177捌81000108玖91001119拾10101012A拾壹11101113B拾贰12110014C拾叁13110115D拾肆14111016E拾伍15111117F第一百页，共一百二十一页，2022年，8月28日不同进制数的相互转换

熟练掌握不同进制数相互之间的转换，在编写程序和设计数字逻辑电路时很有用只要学会二进制数与十进制数之间的转换，与八进制、十六进制数的转换就不在话下了第一百零一页，共一百二十一页，2022年，8月28日十进制数二进制数转换方法： 整数和小数放开转换整数部分：除以2逆序取余小数部分：乘以2顺序取整例如：29.6875

11101.1011B

注意：十进制小数（如0.63）在转换时会出现二进制无穷小数，这时只能取近似值129371421222200111余数低位高位整数部分小数部分0.6875×21.37500.75001.50001.0000×2×2×2高位低位第一百零二页，共一百二十一页，2022年，8月28日二进制数十进制数转换方法：二进制数的每一位乘以其相应的权值，然后累加即可得到它的十进制数值例：11101.1011B=1×24＋1×23＋1×22＋0×21＋1×20

＋1×2－1＋0×2－2＋1×2－3＋1×2－4

=29.6875

第一百零三页，共一百二十一页，2022年，8月28日八进制数与二进制数的互换八进制→二进制：把每个八进制数字改写成等值的3位二进制数，且保持高低位的次序不变例：2467.32Q

→010100110111.011010B二进制→八进制：整数部分从低位向高位每3位用一个等值的八进制数来替换，不足3位时在高位补0凑满3位；小数部分从高位向低位每3位用一个等值八进制数来替换，不足3位时在低位补0凑满三位例：1101001110.11001B

→001101001110.110010B

→1516.62Q

八进制数二进制数八进制数二进制数

000041001001510120106110301171111位八进制数与3位二进制数的对应关系：第一百零四页，共一百二十一页，2022年，8月28日十六进制数与二进制数的互换转换方法：与八、二进制互换的方法类似例1：35A2.CFH

→11010110100010.11001111B例2：1101001110.110011B→34E.CCH十六进制数二进制数十六进制数二进制数

0000081000

1000191001

20010A1010

30011B1011

40100C110050101D110160110E111070111F11111位十六进制数与4位二进制数的对应关系：第一百零五页，共一百二十一页，2022年，8月28日二进制数的算术运算1位二进制数的加、减法运算规则：被加数加数和进位

0000011010101101（a）加法规则被减数减数差借位

0000011110101100（b）减法规则2个多位二进制数的加、减法运算举例：01011001+0100－010010010101由低位到高位逐位进行！第一百零六页，共一百二十一页，2022年，8月28日两个1位二进制数加法的实现设被加数A，加数B，用半加器完成加法，产生和数S，进位CABSC0000011010101101

C=ABS=AB+AB=ABÅ半加器的逻辑公式为：则半加器的规则是：半加器的逻辑结构为：（和数）（进位）第一百零七页，共一百二十一页，2022年，8月28日小结：数字技术的基础——二进制二进制数的运算有2类：逻辑运算：∨，∧，NOT.按位进行，不考虑进位算术运算:+,-,x,/.从低位到高位逐位进行，需考虑低位的进位(借位)逻辑运算可以用门电路（与门、或门、非门等）实现算术运算可以表达为逻辑运算，因此二进制数的四则运算同样也可以使用门电路来实现成千上万个门电路可以制作在集成电路上，工作速度极快，因而能高速度地完成二进制数的各种运算第一百零八页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.4.3整数(定点数)的表示（1）计算机中数的类型（2）无符号整数的表示（3）带符号整数的表示第一百零九页，共一百二十一页，2022年，8月28日PC机中数的主要类型都采用二进制表示，有不同类型和不同长度不同类型和不同长度的数各有不同的用途计算机中的数整数(定点数)实数(浮点数)无符号整数带符号整数32位（单精度浮点数）64位（双精度浮点数）128位（扩充精度浮点数）8位(0～28-1)16位(0～216-1)32位(0～232-1)32位(-231～231-1)短整数64位(-263～263-1)长整数16位(-215～215-1)16位整数8位(-27～27-1)小数点固定隐含在个位数右面小数点不固定