南京大学-大学计算机信息技术教程-指导书

第1章信息技术概述

1.1信息与信息技术

1.1.1知识点与学习要求

关于信息与信息处理

1.【了解】“信息”的含义、“数据”的含义、信息与数据的关系。

2.【了解】人的信息器官及其在信息处理过程中的功能。

3.【掌握】信息处理的含义。

关于信息技术

4.【掌握】信息技术的含义。

5.【了解】信息技术的基本类型。

6.【掌握】现代信息技术的特点和主要领域。

关于信息处理系统

7.【了解】信息处理系统的含义。

8.【掌握】信息处理系统的基本结构。

9.【了解】信息处理系统的分类。

1.1.2内容提要

•“信息”的含义

信息是事物运动的状态及状态变化的方式。与物质、能源类似，信息也是重要的资源。

•“数据”的含义、信息与数据的关系

数据是直接用于承载（表示）信息的载体。日常生活中人们所说的数据一般是指可比较

大小的数字。在信息处理领域中，数据的概念更为广泛和深刻。国际标准化组织（ISO）对

数据所下的定义是：“数据是对事实、概念或指令的一种特殊表达形式，这种特殊的表达形

式可以用人工的方式或自动化的装置进行通信、翻译转换或加工处理”。由于数字、文字、

图形、声音和活动图像都可以用来表达事实、概念或指令，因此它们都是数据。目前，完成

信息的通信、转换或加工处理的自动化装置主要是电子计算机，而计算机在处理信息时采用

的特殊数据表达形式是二进制编码（也就是说，数字、文字、图形、声音、活动图像等数据

只有用二进制编码表达后，才能由计算机进行加工处理），因此，数字、文字、图形、声音、

活动图像等数据的二进制编码表达形式就是计算机系统中所指的数据。

从信息表达的角度看，数据是信息的载体，信息是数据的内涵。当数据向人们传递了某

些含义时，它就变成了信息。例如，在灯泡的包装盒上出现的数据“40W”，向人们传递了

“灯泡功率”这一特定含义，这个数据就已变成了信息。

在管理与使用信息的过程中，人们感兴趣的是那些“待解释（处理）数据的含义”。因

此，信息处理的本质是数据处理，数据处理的目的是获取有用的信息。在不引起混淆的时候,

信息和数据通常并不严格加以区分。

・信息处理

信息处理是指为获取有效的信息而施加于初始信息的所有操作。包括：信息的收集、信

息的加工、信息的存储、信息的传递、信息的施用。

•信息技术及其基本范畴

信息技术是指能扩展人的信息器官功能、协助人们进行信息处理并改变事物状态的所有

技术。本书所讲的信息技术是指现代信息技术。

基本的信息技术包括感测与识别技术、通信技术、计算（处理）与存储技术、控制与显

示技术（有人称这四类技术为信息技术“四基元”）。在这四类技术中，通信技术和计算（处

理）技术在整个信息技术中处于核心地位，感测识别技术和控制显示技术则是核心部分与外

部世界的接口，决定了信息的来源和归宿。由此可见，信息技术四基元是一个完整的整体。

感测与识别技术主要解决信息的获取与识别问题。感测技术利用红外线、紫外线、次声

波、超声波、传感器等手段以及遥感、遥测等技术来获取更多的信息。识别技术则对所获取

的信息类别做出判断。感测与识别技术克服了人在感知与识别信息时具有的局限性，增强了

信息感知的范围、精度和灵敏度，是人的感觉器官功能的扩展。

通信技术主要解决信息的传递问题。通信的实质是将信息附着于一个事物（称之为载

体），并通过后者的运动将信息从空间上的一点传送到另一点。现代通信技术使用的载体是

电波或光波。通信只关心被传送信息的形式而不关心其内容和价值，着重考虑的是信息传输

的有效性、可靠性和数据的安全性。通信技术突破了人在交流信息忖所受到的空间和时间上

的限制，是人的神经网络系统功能的扩展。

存储技术主要解决大量信息长期、可靠的存储问题，是人的记忆器官（大脑）的扩展。

计算（处理）技术主要解决信息的转换和加工处理问题，即对信息去粗取精、去伪存真,

从初始信息中分析、推导、演算或抽象出可用的信息。信息处理技术包括表层信息处理技术

（如信息变换、记录、共享、检索等）和深层信息处理技术（如认知过程）。计算（处理）

技术克服了人在处理信息时具有的局限性，增强了信息加工处理和控制的能力，是人的思维

器官（大脑）功能的扩展。

控制与显示技术主要解决信息的施效问题。控制的本质是根据输入的指令信息（决策信

息）改变外部事物的运动状态和方式。控制显示技术克服了人在改变事物运动状态及再现信

息时的局限性，是人的效应器官（手、脚、嘴等）功能的扩展。

・现代信息技术的特点

现代信息技术的主要特征是：以数字技术为基础，以计算机为核心，采用电子技术（包

括激光技术）进行信息的收集、传递、加工、存储、显示与控制，涉及到通信、广播、计算

机、微电子、遥感遥测、自动控制、机器人等诸多领域。

・信息处理系统

信息处理系统是指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。“使用现代信息技术”和具有“信息处理功能”是信息处理

系统中的关键点。组成现代信息处理系统的核心装置主要是计算机。关于信息处理系统的结

构及信息处理的过程，可参见《大学计算机信息技术教程》图1-2,并可从不同角度对信

息处理系统作分类讨论和研究。

1.1.3例题分析

1.【是非题】烽火台是一种使用光来传递信息的系统，因此，它是使用现代信息技术的

信息系统。

参考答案：N

分析：烽火台虽然通过光信号传递信息，但它离不开人的参与。信号的感知、传递、处

理和控制都是建立在人和自然的各种属性基础上的（例如，借助于光波在大气空间中的传播

特性来传递信息，借助于人眼的生理属性来感测信息，山人脑和神经系统来识别处理信息）,

人在其中起着主要的作用，因此，烽火台实质上是人工信息处理系统，而不是使用现代信息

技术的自动信息处理系统。

2.【单选题】信息是一种一。

A.物质B.能量C.资源D.知识

参考答秦：C

分析：信息不是物质，不是能量信息，也不同于知识。信息所表达的是个别的、具体的

事物的运动状态和变化方式；知识所表达的是事物运动状态的变化规律，具有普遍性和抽象

性，是对事物运动和变化规律的认识和经验的总和，知识来源于信息，对信息作必要的处理

可以达到认知的目的。

3.【多选题】信息处理是指为了更多、更有效地获取和使用信息而施加于信息的各种操

作，包括一的全过程。

A.信息收集B.信息加工和存储C.信息传输D.信息维护及使用

参考答案：ABCD

分析：参见《大学计算机信息技术教程》图1-2所示的信息系统结构。

4.【简答题】信息技术的主要类别及每一类信息技术的基本功能。

参考答案：信息技术主要包含感测与识别技术、通信技术、计算（处理）与存储技术、

控制与显示技术。这些技术的基本功能是：

感测与识别技术用于扩展人的感觉器官功能，增强信息感知的范围、精度和灵敏度。

通信与存储技术用于扩展人的神经网络系统功能，消除信息交流的空间障碍和时间障

碍。

计算（处理）与存储技术用于扩展人的大脑功能，增强信息的记忆和加工处理能力。

控制与显示技术用于扩展人的效应器官功能，增强信息的控制和表现能力。

L1.4复习自测题

1.【判断题】信息是事物运动的状态及状态变化的方式，世间一切事物都会产生信息。

2.【判断题】所有的数据都是信息。

3.【单选题】一般而言，信息处理不包含一。

A.查明信息的来源与制造者B.信息的收集和加工

C.信息的存储与传递D.信息的控制与传递

4.【填空题】通信技术主要扩展了人的的功能。

5.【多选题】现代信息技术主要包括一。

A.微电子技术B.机械技术C.通信技术D.计算机技术

6•【简答题】什么是信息处理系统？信息处理系统主要由哪些部分组成？

1.2微电子技术简介

1.2.1知识点与学习要求

关于微电子技术与集成电路

1•【了解】电子电路使用的基础元件的演变和微电子技术的含义。

2.【掌握】集成电路的含义。

关于集成电路的制造

3.【熟悉】集成电路的制造材料。

4.【熟悉】集成度的含义和集成电路的分类。

关于集成电路的发展趋势

5.【了解】集成电路的速度与晶体管尺寸及线宽的关系。

6.【熟悉】Moore定律。

7.【了解】当前晶圆尺寸和线宽工艺的水平及其发展趋势。

关于IC卡

8.【熟悉】IC卡的功能与分类。

9.【了解】接触式IC卡和非接触式IC卡的特点。

1.2.2内容提要

•微电子技术

微电子技术是实现电子电路和电子系统小型化和微型化的技术，它以集成电路为核心。

・集成电路（IntegratedCircuit,IC）

集成电路是一种具有特定功能的、经过封装的、包含了大量有源元件及无源元件的微型

化的电子电路。有源元件是指能对电路中的电流起控制作用或对电压起放大作用的元件（例

如晶体二极管、三极管)；无源元件是指对电路中的电流、电压无控制或变换作用的元件(例

如电阻、电容、电感)。

现代集成电路制造技术使用平面工艺对半导体(单晶硅)晶圆切片作加工制造，将多层

电路及晶体管、电阻、电容、电感等元器件集成制作在其中的一个个单独的集成电路小片匕

构成了一个微型化的电子电路或系统：再将这个小片封装在陶瓷或塑料外壳里，并把小片上

蚀刻出来的引线(电路的输入、输出、电源、接地端等)连到外壳引脚上，便成为可使用的

集成电路成品。我们看到的集成电路只是黑色或褐色的封装外壳。常见的封装形式有单列直

插式(SIP)、双列直插式(DIP)和阵列式(PGA)。

・集成电路的制造材料

集成电路的制造材料是具有半导体属性的材料，现代集成电路制造中通常使用的材料主

要是硅(Si),也可以是化合物半导体如神化线(GaAs)等其他材料。

・集成电路的集成度

集成电路集成度的基本含义是指单个集成电路芯片中包含的电子元件(如晶体管、电阻、

电容等)的数目。例如，Intel公司在1988年推出的Intel80486微处理器中包含的电子元件

个数约为100万，而在2000年推出的IntelPentium4微处理器中包含的电子元件个数约为

10000万(1亿)，后者的集成度比前者提高了约100倍。

・集成电路的分类

常用的集成电路分类方法是按照集成度的不同将集成电路分为五类，即小规模(SSI)、

中规模(MSI)、大规模(LSI)、超大规模(VLSI)、极大规模(ULSI)集成电路。由于一

般用户在使用集成电路芯片时并不十分在意VLSI和ULSI的区别，因此也将VLSI和ULSI

统称为VLSI。随着集成电路制造技术的进步，集成度的指标上升很快，按集成度分类的标

准也在归并和变化。此外，还有其他一些分类方法。例如，按照集成电路所用晶体管结构、

电路和工艺的不同，将集成电路分为双极型(bipolar)集成电路、金属氧化物半导体(MOS)

集成电路和双极金属氧化物半导体(bi-MOS)集成电路等儿类；按照信号及其处理方式的

不同，将集成电路分为数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路三类；按照用途不

同将集成电路分为通用集成电路和专用集成电路两类。

•集成电路的工作速度

集成电路的工作速度取决于芯片中组成逻辑门电路的晶体管的尺寸。晶体管尺寸越小，

其极限工作频率越高，逻辑门电路的开关速度就越快，集成电路的工作速度也就越快。从另

一个角度来看，芯片中晶体管的尺寸越小，线路就越细，相同面积的芯片中可容纳的晶体管

等电子元件的数量就越多(集成度越高)，功能就越强，工作速度也就越快。

•Moore定律

摩尔(GE.Moore)在1965年预测：单块集成电路的集成度平均每18-24个月翻一

番。其后30多年来，x86系列微处理器集成度的发展大体上是符合这个预测的，业界称其

为Moore定律。实质上，Moore定律是对•段时期内集成电路制造技术发展的预测。

•IC卡

IC卡是集成电路卡的简称，国外称其为chipcard或smartcardoIC卡是指把集成电路

芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储、处理和传递数据的载体。

IC卡一般都具有存储数据的功能，有的IC卡还带有加密逻辑电路，还有的IC卡更带

有中央处理器(CPU),配有操作系统，具有存储程序和数据、处理数据的功能。

IC卡按使用方式不同分为接触式IC卡(如移动电话SIM卡)和非接触式IC卡(如南

京公共交通使用的射频计费卡)。

123例题分析

1.【判断题】集成电路根据它所包含的晶体管数目可以分为小规模、中规模、大规模、

超大规模和极大规模集成电路，现在PC机中使用的微处理器属于大规模集成电路。

参考答案：N

分析：PC机中使用的微处理器包含运算器、控制器、寄存器和控制电路等，结构很复

杂，集成度很高，属于超大规模或极大规模集成电路。

2.【单选题】下列关于集成电路(1C)的说法中错误的是一。

A.集成电路是现代信息产业的基础

B.制造集成电路的材料只能是硅(Si)

C.集成电路的特点是体积小、重量轻、可靠性高

D.集成电路的工作速度与组成逻辑门电路的晶体管的尺寸密切相关

参考答案：B

分析：现代集成电路通常是在硅(Si)衬底上制作而成的，但硅(Si)并不是惟一可用

的半导体材料，现在也可以用一些化合物半导体(如碎化像GaAs)作为半导体材料。随着

材料科学的发展，还会有新的半导体材料出现。

3.【填空题】超大规模集成电路的英文缩写是一。

参考答案：VLSI

分析：集成度在10万〜100万个电子元件的集成电路常称为"VeryLargeScaleIntegrated

Circuit,,,英文缩写为VLSI,即超大规模集成电路；集成度在100万个电子元件以上的集

成

电路称为极大规模集成电路，英文缩写为ULSI。VLSI和ULSI,统称为VLSI。

4.【多选题】以下所列集成电路中，属于数字集成电路的是一。

A.中央处理器B.RAM存储器C.信号放大器

D.I/O控制器E.功率放大器

参考答案：ABD

分析：信号放大器和功率放大器两者的输入和输出都是模拟电信号，前者用于放大信号

的电压幅度，后者用于放大信号的功率，它们均属于模拟集成电路而非数字集成电路。

5.【简答题】Moore定律的含义。

参考答案：Moore定律预测：单块集成电路的集成度每18〜24个月翻一番。

分析：Moore定律的基本含义是对集成电路的集成度增长的预测。由于集成电路的集成

度与其工作速度有着十分密切的关系，因此，Moore定律的另一层含义便是对集成电路的工

作速度提高的预测。

1.2.4复习自测题

1.【判断题】计算机中使用的集成电路绝大部分是模拟集成电路。

2.【判断题】集成电路的工作速度与芯片的尺寸有关。芯片越大，其工作速度就越快。

3.【单选题】目前市场上出售的PC计算机的CPU采用的集成电路属于一。

A.SSIB.VLSIC.LSID.MSI

4.【填空题】除了一些化合物半导体外，现代集成电路使用的半导体材料通常是一。

5.【填空题】Moore定律指出，单块集成电路的平均每18~24个月翻一番。

6.【多选题】对集成电路的分类，所基于的分类依据可有一。

A.按集成度B.按电压值C.按晶体管结构与工艺D.按用途E.按大小

7.【简答题】集成度的含义。

1.3通信技术入门

1.3.1知识点与学习要求

关于通信

1.【掌握】通信与现代通信技术的概念。

2.【了解】通信的发展历史。

3.【掌握】通信系统模型。

4.【了解】模拟信号与数字信号的含义。

关于模拟传输技术

5.【了解】模拟传输技术的含义与主要传输过程。

6.【了解】信号的调制与解调。

7.【了解】模拟信号调制的三种方法（调幅、调频、调相）。

8.【了解】多路复用技术的含义。

9.【熟悉】频分多路复用的基本原理

10.【了解】模拟传输技术的主要优点和缺点。

关于数字传输技术

11.【熟悉】数字传输技术的含义及其主要优点。

12.【熟悉】基带传输的含义。

13.【了解】频带传输技术的含义及数字调制的三种方法。

14.【熟悉】时分多路复用的基本原理。

15.【了解】数字传输技术在电话通信中的应用。

16.【了解】卫星通信、电视转播、数字电视等应用频带传输技术的大致过程。

17.【熟悉】信道的带宽、信道的数据传输速率及其计量单位。

关于传输介质

18.【了解】双绞线、同轴电缆的种类、特性与应用。

19.【了解】光纤的传输原理与特性。

20.【了解】光纤通信的基本原理与特点。

21.[了解】波分多路复用的基本原理。

22.【了解】中波、短波、超短波和微波的特点。

23.【了解】微波通信的三种方式。

24.【了解】卫星通信系统的基本原理。

关于移动通信

25.【熟悉】蜂窝移动通信系统的组成及各部分的功能。

26.【了解】第3代个人移动通信系统的主要目标。

1.3.2内容提要

•通信

通信是从一地向另一地传递和交换信息。通信至少需要由三个要素组成，即信息的发送

者（信源）、信息的接收者（信宿）以及信息的传输媒介（信道）。

・现代通信技术

现代通信技术是指使用电波或光波通过特定传输媒体完成信息传递的技术。

•通信系统

通信的基本任务是传递信息。实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为

通信系统。因而，一个实际可用的通信系统的主要组成部分包括实现“信源”与'‘信宿”功

能的“终端设备”及实现“信道”功能的“传输介质”、“中继器”和“交换设备”。

・模拟信号与数字信号

通信系统中的信号是指由信源发送通过信道传输给信宿用于承载信息的电信号或光信

号。信号分为“模拟信号”和“数字信号”两类。模拟信号的某一参量（如幅值）是连续变

化的，其状态是不可数的，如语音信号是模拟信号；数字信号的信号参量是不连续变化的，

只能取有限个值（如幅值只有有限个状态），如计算机输出的信号是数字信号。“模拟信号”

和“数字信号”的典型波形示意图参见《大学计算机信息技术教程》图1-7,

•基带信号

信源发出的原始电信号称为基带信号，基带的含义是指信号的频谱从0Hz附近开始。

有模拟基带信号和数字基带信号两类，如语音信号（300〜3400Hz）、图像信号（0〜6MHz）、

计算机通信时输出的信号。

・调制与解调

调制在通信上应用己久。由于某些原因，基带信号往往不适合于远距离传输（例如，基

带信号中的低频分量不宜通过无线信道远距离传输、数字基带信号不宜通过有线信道远距离

传输）。因此，现代通信系统常常在发送端用以一定频率变化的正弦波信号作为载波信号来

运载基带信号，具体来说就是使载波信号的一个（或几个）参量随着基带信号的改变而变化,

从而把基带信号变换为其频带适合在信道中传输的（频带）信号，这个过程称为调制。

正弦波信号的三个参数是频率、幅度和相位，因此调制也分为频率调制、幅度调制和相

位调制等三种基本方式，简称调频、调幅和调相。经过调制以后的信号称为一调信号，已调

信号携带了信息，适合在信道中传输，其频谱处于一个带状区间且中心频率远离0Hz。解

调则相反，是（在已调信号传送到信宿位置后）从已调制的正弦波中检出原来的控制波（基

带信号）。调频广播、调幅广播就是调制应用的典型例子。在远距离计算机通信中，仍是用

一定频率的正弦波作载波，但控制信号多为数字信号。

调制只是改变了信息的表示方式，并没有改变信息的内容。

狭义地，在计算机广域网这样的数字传输系统中，从入出信号的形式来看，调制往往表

现为将数字信号转换为模拟信号的过程；解调则是将模拟信号还原为数字信号的过程。

・调制解调器

完成调制使用的设备是调制器，完成解调使用的设备是解调器。由于通信是双向的，因

此，通常把调制器与解调器做在一起，合称调制解调器（MODEM）。MODEM-词是由

MOdulator（调制器）和DEModulator（解调器）两个词复合而成的。

可按传输速度、调制方式对调制解调器分类。此外，调制解调器还可分为同步和异步、

公共电话网和专用线路、内置和外挂、单工和双工与半双工、长距离和短距离等。国际电报

电话咨询委员会（CCITT）对调制解调器制定了一系列的建议标准，对制造与使用提出了统

一的规范要求，如规定选用波特的值应为600的整数倍等。

第一台便携式调制解调器是1967年上市的，1980年研制出采用QAM调制技术的智能

型调制解调器。早期用得较多的是电话MODEM,随着计算机网络技术的发展和上网接入

需求的快速增长，ADSLMODEM.CableMODEM等也越来越多地被使用。现在，低速的

调制解调器已做成芯片，把调制、解调、控制、滤波、锁相等电路都集成在一块芯片上。各

种新型的调制解调器，如无线调制解调器、多载频调制解调器等都已出现。许多调制解调器

内有微处理器，具有自动拨号、自动应答、自动纠错、自动降速、自诊断等功能，高速调制

解调器还加有纠错功能和数据压缩功能。有关几种典型的MODEM的介绍，读者可参考本

书4.4的内容。

•数字通信及其主要特点

数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，系统涉及的主要技术问题有信源

编码与解码、信道编码与解码、数字调制与解调、数字复接、同步以及加密等.数字通信是

当代通信技术的主流，它比模拟通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求。

数字通信的显著特点是抗干扰能力强。由于信号在传输过程中必然会受到噪声干扰，以

致波形会发生畸变。在数字通信系统中，信号只有代表0和1的两个状态，因此接收端只需

判别信号中界限分明（波形差异比较大）的两种状态，只要干扰噪声的大小不足以影响0、

1两个状态的正确判定，就能正确接收信号。而在模拟通信系统中，信号是用连续变化的物

理量来表示的，若在传输过程中掺入了噪声，要求接收端消除噪声、高保真地重现信号波形

将有很高的难度。

此外，数字通信易于控制差错、易于与计算机等各种数字终端接口、易于集成化、易于

加密处理、且保密强度高。实际匕数字通信的许多优点都是以比模拟通信占据更宽的系统

频带为代价而换取的。

•信道

信道是指以传输媒质为基础的信号传输通道。实际的物理信道由传输介质（空间、电缆、

光纤等）和相关的中间通信设备组成。狭义的信道仅指信号的传输媒质；广义的信道则不仅

包含传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置。

按照传输介质的特性可将狭义信道分为有线信道和无线信道。以电缆、光纤等有形线缆

作为传输介质的信道是有线信道；以空间作为传输介质的信道是无线信道（包括地波传播、

短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电信道等）。通

信效果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。引入广义信道的目的，主要是从研

究信息传输的角度出发，使通信系统的一些基本问题的研究比较方便。

・信道的数据传输速率与计量单位

信道的数据传输速率是指信道每秒钟能有效传输的代表0或1的信号个数。数据传输速

率的计量单位有b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s。每种计量单位的含义将在本书1.4节中“比

特的传输速率计量单位”中详细介绍。

・信道带宽

信号自身的所有频率分量中最高频率与最低频率的差值被称为信号带宽（即信号的频带

宽度）。物理信道在不失真条件下所能通过的信号最高频率与最低频率的差值被称为信道带

宽（即信道上所能通过的信号的频带宽度）。信号带宽若在信道带宽以内，则信号在信道传

输的过程中是无衰减的；若超出信道带宽，则信号在传输过程中有衰减。从保持信号质量的

角度考虑，信号频带越宽，则包含的信号频率越丰富，信号质量就越好。因此，用来传输宽

频带信号的信道的频带宽度也自然是越宽越好。

•通信方式

在有些通信系统中，信源兼为信宿，通信双方都要有发送设备和接收设备，并且发送和

接收需要各自的信道；如果共用•个信道，就必须用频率或时间分割的方法来共享信道，这

就引出了通信方式与信道共享问题。

按照信息传送的方向与时间关系，两点之间的通信可有单工、半双工、全双工三种方式。

单工通信是指信息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道；广播、遥控、无线寻

呼等就是单工通信的实例。半双工通信是指通信双方都能收发信息，但只占用一个信道，因

此不能同时迸行收和发的工作方式；出租车公司等公众服务部门使用的对讲机、收发报机等

是半双工通信的实例。全双工通信是指通信双方可同时收发信息的工作方式，实现全双工通

信的信道一般应是双向的；电话、计算机网内的高速数据通信就是全双工通信的实例。

按照被传送数字信号的排列方式，数字通信方式可有并行传输方式和串行传输方式。并

行传输是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输,并

行传输速度快，节省传输时间，但需要多个传输信道，设备复杂，成本高，一般仅用于计算

机和其他高速数字设备的近距离通信；串行传输是使代表信息的数字符号以串行方式一个接

一个地在一条信道上传输，一般的远距离数字通信都采用这种方式。

♦信道多路复用技术

信道复用技术是指在一条传输线路（或空间）中同时传输多路模拟信号或数字信号的技

术。复用技术包括频分复用（FDM,Frequency-divisionMultiplexing）、时分复用（TDM,

Time-divisionMultiplexing）＞码分复用（CDM）和波分复用（WDM）。

频分多路复用（FMD）是基于两个或多个具有不同频率的信号可以在单一介质上同时

连续传输而互不影响的原理，从而达到在一个物理信道中同时传输多路信号的技术。在实际

的通信系统中，物理信道的频带宽度往往比一路信号的带宽要宽得多。例如，当采用窄带调

频方式调制话音信号时，己调信号的带宽大约只有20kHz左右，若在一个10MHz带宽的

超短波信道中只传输一路这样的信号，很显然，信道的利用率非常低。采用频分复用技术时,

物理信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段（也称为“子信道”），用于传输若干路经过

调制的具有不同载波频率的已调信号（每路信号占用其中一个频段），在接收端采用适当的

能按频率区分选择信号的滤波器（带通滤波器），将占用不同频段又混合在一个信道中传输

的多路信号分开，并从每路信号中恢复出所传输的原始信号。频分复用技术提高了信道的频

谱利用率，实现了在一个物理信道中同时传输多路信号的要求。传统的模拟通信大都采用频

分复用技术。

时分多路复用（TDM）是利用各信号的抽样值在时间上相互不重叠来达到在同一信道

中传输多路信号的另一种技术。《犬学计算机信息技术教程》图皿0演示了以时间片轮转

的方式实现时分多路复用的原理。图中4路信号按事先规定的顺序分别占用一个时间片被发

送（不同信号占据不同的时间区间）。在信道中，4路信号“连接”成一个“信号流”传送

到接收方，接收方再按同一个顺序策略从“信号流”中切分出原来的4路信号。随着数字通

信的发展，时分多路复用通信系统的应用越来越广泛。

频分复用技术用在光纤通信中就称为波分复用。码分复用是用正交的脉冲序列分别携带

不同信号，主要用于空间通信的扩频通信，移动通信系统中已使用码分复用技术，即码分多

址（CDMA）技术。

・有线通信系统与无线通信系统

以标准电话线、双绞线、同轴电缆、光纤等有形线缆为传输介质，以能在这些线路中传

输的电信号、光信号为信息载体的通信系统是有线通信系统。以空间为传输介质，以能在空

间自由传播的无线电波、光波和红外线等电磁波为信息载体的通信系统是无线通信系统。

・光纤通信

光纤通信是以光导纤维（简称光纤）作为传输媒质、以光波为信息载体的通信方式。光

纤通信具有容量大、频带宽、传输损耗小、抗电磁干扰能力强、通信质量高等优点，比使用

同轴电缆成本低，且可节约有色金属和能源。自1977年世界上第•个光纤通信系统投入运

营以来，光纤通信发展迅速，已成为各种通信干线的主要传输手段。

光纤通信一般采用波分多路复用技术。为了实现超大容量光传输，可以采用密集波分复

用（DWDM）技术对单波长光通信系统的速率扩容，目前已经成功地完成了Tb/s级的传

输实验。光传送网可以处理高速率的光信号，摆脱电子瓶颈，实现灵活、动态的光层联网，

透明地支持各种格式的信号以及实现快速网络恢复，是通信网未来的发展方向。

・卫星通信系统

卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，它能够将地球上某一个地面

站发射来的无线电信号转发到另一个地面站，从而实现两个或多个地域之间的通信，是微波

接力通信技术与空间技术相结合的产物。卫星通信系统山通信卫星、地球站、上行信道及下

行信道组成。通信设备集中于地球站和通信卫星中。

根据通信卫星与地面之间的位置关系，可以分为静止的通信卫星（即同步通信卫星）和

移动的通信卫星。若卫星的运行轨道在赤道平面上，离地面高度为35780km,则绕地球运

行一周的时间恰为24小时，与地球自转同步，它的运动相对于地球上的观察者是静止的，

因此称其为静止卫星或同步卫星。采用三个相差120。的同步通信卫星就可以覆盖地球上绝

大部分地域的通信（两极盲区除外）。同步通信卫星属于高轨道卫星。移动的通信卫星包含

中轨道通信卫星和低轨道通信卫星，中轨道卫星距地面5000〜20000km,运行周期4〜12

小日时，低轨道卫星距地面500〜5000km,运行周期2〜4小时；中、低轨道卫星的轨道到

地面的距离比同步卫星短得多，因此传输损耗低，传播时延大大缩短，有利于手持通信终端

和话音通信；但是，中、低轨道卫星运行时，相对于地球上的观察者不再是静止的（大致是

向前移动的），为了保证在地球上任〜点均可以实现24小时不间断的通信，必须精心配置多

条轨道及多颗具有强大处理能力的通信卫星，配置卫星的个数与轨道高度有关，轨道越低，

所需的通信卫星就越多。例如，Motorola公司开发的“钺星”系统就配置了66颗低轨道卫

星组网，覆盖全球，可为个人用户提供全球的移动通信服务。

由于卫星工作时处于外太空，在卫星与地面站之间传递信息的电磁波（媒质）必须能穿

过电离层，所以在卫星通信中一般使用具有很好穿透能力的微波频段（常用300MHz〜30

GHz）的频率作为工作频率。目前主要使用的工作频段有：C频段（4/8GHz）、Ku频段（12

/14GHz）、Ka频段（20/30GHz）。一般上行传输使用高频率，下行传输使用较低频率。

例如，我国卫星电视广播使用的C频段的频率范围为3.7GHz-4.2GHz,Ku频段的频率范

围为11.7GHz〜12.2GHz,Ka频段的频率范围为17.7GHz〜21.7GHz。

卫星通信的特点是：通信距离远、覆盖地域广、不受地理条件限制、通信容量大、可靠

性高。卫星通信将采用速度快、频带宽、保密性强的激光通信，向更高频段、更大容量的方

向发展。

•蜂窝移动通信系统

移动通信系统是实现处于移动状态的对象之间通信的系统,较大规模的移动通信系统」

般都包括移动台、基站和移动电话交换中心。移动通信系统家族中最常见的是蜂窝移动通信

系统。第1代蜂窝移动通信系统采用模拟技术，使用频段为800MHz〜900MHz。第2代蜂

窝移动通信系统采用窄带时分多址和窄带码分多址数字接入技术，使用频段为900MHz和

1800MHz.已形成的国家和地区标准有欧洲的GSM系统、美国的IS-95系统、日本的JDC

系统。目前，我国主要采用的是欧洲的GSM系统。手机是最有代表性的数字蜂窝移动通信

系统中的移动台，也被称为移动电话。

数字蜂窝移动通信系统将通信区域划分为若干个相距一定距离的小区（cell）,每个小区

中都建有若干个基站，用户的移动电话可以从一个小区移动到另•个小区，从一个城市漫游

到另一个城市，还可以漫游到移动通信系统覆盖的另一个国家或地区，依靠移动电话对基站

的跟踪，从而实现了与同一移动通信服务系统中的其他移动电话不间断的通信。移动电话可

通过移动电话交换中心进入公共电话网，从而实现移动电话与固定电话、移动电话与另一个

移动通信服务系统中移动电话之间的通信。

随着移动通信用户数量的大幅增长，第2代移动通信系统的弱点也显现出来，主要涉及

全球漫游、系统容量、频谱资源、支持宽带业务等问题。针对这些问题，在各国科学技术人

员研究的基础上，国际电联（ITU）提出了第3代移动通信系统，命名为IMT-2000。IMT

-2000包括地面系统和卫星系统，移动台既可以连接到地面网络，也可以连接到卫星网络。

第3代移动通信系统的目标和要求是：统一频段，统一标准，达到全球无缝隙覆盖，提供多

媒体业务，传输速率最高应达到2Mb/s,其中车载为144kb/s、步行为384kb/s、室内

为2Mb/s；频谱利用率高，服务质量优，保密性能好；易于笈展，终端价格低。目前已有

多个第3代移动通信系统的标准，我国提出的TD-SCDMA标准也是其中之一。

1.3.3例题分析

1.【判断题】在通信系统中，信道的带宽就是信道的容量。

参考答案：N

分析：在模拟传输系统中，信道的带宽指的是通信线路允许通过的信号频带范围（即所

能通过的信号最高频率与最低频率的差值），带宽的单位是Hz、kHz、MHz等。

信道的容量则是指通信线路在传输数字信号时的最高数据传输速率，单位是b/s、kb

/S、Mb/s、Gb/s等。当通信线路用来传送数字信号时，数据传输速率是一个重要指标。

在谈到数字通信系统时，人们习惯上用“带宽”代表信道的最高数据传输速率。因此，只有

在数字通信系统中，信道的带宽才等同于信道的容量。

2.【判断题】信息在光纤中传输时，每隔一定距离需要加入中继器，将信号放大后再继

续传输。

参考答案：Y

分析：信息以光信号形式在光纤中传输时，需要补偿线路的损耗，还要消除信号的失真

和噪声干扰，因而每隔一定距离要加入中继器，将信号放大后再继续传输。

3.【单选题】下面关于个人移动通信的叙述中，错误的是—o

A.第1代个人移动通信采用的是模拟通信技术

B.目前广泛使用的GSM手机采用了数字通信技术，属于第2代移动通信系统

C.移动通信系统中，移动电话交换中心直接接收手机（移动台）的无线信号，并负

责向手机发送信号

D.第3代移动通信系统将实现高质量的多媒体通信，包括话音通信、数据通信和高

分辨率的图像通信等

参考答案：C

分析：移动通信系统由移动台、基站、移动电话交换中心等组成。手机（移动台）发出

的无线信号，由基站直接接收后，转发给移动电话交换中心，基站并负责将移动电话交换中

心发来的信号转发给所覆盖的特定区域内的手机（移动台）。移动电话交换中心与手机（移

动台）之间一般不直接收发无线信号。

4.【单选题】数据通信中数据传输速率是最重要的性能指标之一，它指单位时间内传送

的二进位数目，计量单位Gb/s的正确含义是—o

A.每秒兆位B.每秒千兆位C.每秒百兆位D.每秒百万位

参考答案：B

分析：数据传输速率的基本计量单位是b/s,此外还有kb/s（每秒千位）、Mb/s（每

秒兆位）、Gb/s（每秒千兆位），lGb/s=1000Mb/s=1000000kb/s-1000000000b/s。

5.【单选题】计算机网络中采用的最基本的多路复用技术是复用技术。

A.时分B.频分C.码分D.波分

参考答案：A

分析：计算机网络中通过通信线路传输的是数字基带信号，即以两种不同电平表示“1”

和“0”的信号，适合于数字基带信号传输的多路复用技术是时分复用技术。参见本节内容

提要中的信道多路复用技术。

6.【多选题】在通信系统中，以下设备一是终端设备。

A.电话机B.电视机C.移动通信基站D.中继器E.上网的计算机

参考答案：ABE

分析：通信系统中的终端设备指的是发送信息的设备（信源）或接收信息的设备（信宿）。

“电话机"和''上网的计算机”既可以发送信息也可以接收信息，“电视机”能单向接收信

息，因此，电话机、电视机和上网的计算机都属于终端设备。移动通信基站在移动通信系统

中负责收发手机（移动终端）的信息，是在移动电话交换中心与手机之间交换信息的桥梁；

中继器负责从前段线路接收信号，放大、去噪后向后段线路转发出去，因此移动通信基站和

中继器都不是终端设备。

7.【填空题】卫星通信是当前远距离无线通信的一种手段，它利用作为中继站

来转发无线电信号，实现在两个或多个地球站之间的通信。

参考答案：人造地球卫星

分析：参见《大学计算机信息技术教程》。一个地球站将信号发送给人造地球卫星，安

装在卫星上的中继器对接收到的信号放大变频后，再转发给其他地球站，从而实现了两个或

多个地球站之间的通信。

8.【填空题】在计算机网络中传输二进位信息时，传输速率的度量单位是每秒多少比特。

某校校园网的主干网传输速率是每秒10000000000比特，它可以简写为Gb/So

参考答案：10

分析：在度量传输速率时，不同度量单位之间的进率是1000,因而：

10000000000b/s=10000000kb/s=I0000Mb/s=10Gb/s

卫。3。4复习自测题

1.【判断题】CDMA是个人移动电话系统中采用的一种信道复用技术的简称。

2.【判断题】在蜂窝移动通信系统中，每个移动台始终只能与一个固定的基站通过无线

电传输信息。

3.【单选题】通信的任务就是传递信息，因而通信至少需由三个要素组成。―不

是三要素之一。

A.信号B.信源C.信宿D.信道

4.【单选题】传输模拟信号的有线电视系统，所采用的信道复用技术一般是多

路复用。

A.时分B.频分C.码分D.波分

5.【单选题】微波接力通信是地面无线通信的主要手段，为获得大容量传输的效果，往

往采用技术。

A.码分多址B.时分多路复用C.波分多路复用D.模拟调频传输

6.【单选题】微波信号需要中继才能实现远距离传输，以下方式中不能用于微波中继的

是。

A.地面中继站B.卫星中继站C.大气电离层反射D.大气对流层反射

7.【单选题】卫星通信是向空间的扩展。

A.中波通信B.短波通信C.微波通信D.红外线通信

8.【填空题】在通信系统中，为了用信源信号调整载波信号（正弦波）的幅度、频率或

相位参数，使之既携带信息，又能够远距离传输，应使用的设备是一。

9.【填空题】已知标准电话线在不失真情况下能传送的信号频率范围为300Hz〜3400

Hz,则其带宽为Hzo

10.【填空题】通信卫星是围绕地球运转的，从地面上看，正在运行的同步轨道卫星是

的。

11.【填空题】蜂窝移动通信系统由移动台、基站和一组成。

12.【多选题】在通信系统中，以下设备是终端设备。

A.传真机B.家庭计算机C.调制解调器D.数字电视机E.手机

13.【多选题】用于无线通信的传输介质有—o

A.短波BJ散波C.紫外线D.红外线E.X射线F.激光

14.【多选题】信道容量是数字传输系统的主要性能参数之一，它与以下因素中的

有关。

A.传输介质B.信号的调制解调方法C.信道复用技术D.交换器的性能

15.【简答题】简述卫星通信的基本原理。

1.4数字技术基础

1.4.1知识点与学习要求

关于比特

1.【掌握】比特的含义与特点。

2.【掌握】比特的逻辑运算。

3.【了解】比特的存储。

4.【掌握】存储器容量的计量单位及其含义。

5.【掌握】比特传输速率的计量单位及其含义。

6.【熟悉】用比特表示信息的优点。

关于二进制数与八进制数、十进制数、十六进制数

7.【掌握】二进制数的表示及其含义。

8.【掌握】数的二进制表示及与十进制表示的相互转换。

9.【掌握】二进制数的加减运算。

10.【掌握】数的八进制、十六进制表示及与二进制表示的相互转换。

关于整数的编码表示

11.【掌握】整数的编码方法、编码长度与可表示数值范围的关系。

12.【了解】补码表示的特点。

关于实数的编码表示

13.【熟悉】实数的浮点表示法。

14.【了解】浮点表示法中尾数位数与可表示数值精度的关系。

1.4.2内容提要

•比特(bit)

比特指的是在二进制数中的某一位上出现的数字。一个比特简记为b,只有“0”和“1”

两种取值。表示一个比特只需要两个不同的稳定状态(例如：在电路中可以用高、低两种电

平分别表示1和0)。用若干个比特的组合可以表示整数和实数、文字、图像、声音及运动

图像。数字技术就是研究如何用比特来表示、处理、存储和传输信息的技术。使用数字技术

处理信息的系统是数字系统。比特是数字系统中进行信息处理的最小单位，数字化技术的内

涵是全面采用数字技术实现各种信息系统。

•比特的存储、字节的概念及存储容量的计量单位(B,KB,MB,GB,TB)

在计算机的存储器中存储比特时，以字节(byte)为基本单位。一个字节包含8个比特。

字节是计算机中存储器存储容量的基本计量率位，简记为B。此外，还使用K、M、G、T

与B的组合作为存储容量的计量单位。其换算规则是：

1KB=1024B=210B,1MB=1024KB=220B

1GB=1O24MB=230B,lTB=1024GB=240B

显然，以210为进阶。

在计算机的中央处理器中对比特做运算时，以字(word)为基本单位。一个字由2、4、

8个(或更多个)字节组成。

•比特的传输速率计量单位(b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s,Tb/s)

在实施数字通信时，数据传输速率的基本计量单位是1b/s(每秒传输1个比特)，此

外，也使用k、M、G、T与b/s的组合作为传输速率的计量单位。其换算规则为：

1kb/s=1000b/s=103b/s,lMb/s=1000kb/s=106b/s

1Gb/s=1000Mb/s=109b/s,lTb/s=1000Gb/s=1012b/s

显然，以103为进阶。

•数的十进制表示与二进制表示的转换方法

将十进制整数转换为二进制整数的方法是：“不断地对十进制整数(或前一次除法运算

的商)除以2,取余数，将这些余数依次作为二进制整数从个位到高位的各位数字，这个转

换过程一直进行到商为0为止。”依此类推，将十进制整数转换为R进制整数的方法是：“不

断地对十进制整数(或前一次除法运算的商)除以R,取余数，将这些余数依次作为R进

制整数从个位到高位的各位数字，这个转换过程一直进行到商为0为止。”

将十进制小数转换为二进制小数的方法是：“不断地对十进制数的小数部分乘以2,取

整数，从高位向低位依次作为二进制小数的各位数字。”依此类推、将十进制小数转换为R

进制小数的方法是：“不断地对十进制数的小数部分乘以R,取整数，从高位向低位依次作

为R进制小数的各位数字。”这个转换过程的终止条件是小数部分为0或使转换过程在某一

步终止(获得近似值)。需要强凋指出，十进制小数到R进制小数的转换结果，并不总是精

确的，常常只能根据需要获得一个近似值。

将经过转换得到的二进制整数和小数拼接在一起，就得到与被转换十进制数等值的二进

制数。

将二进制(R进制)数转换为十进制数的方法是：“按被转换数的定义，写出该数数学

意义的展开式，计算展开式的值就得到转换后的十进制数。”读者可参见本节例题11。

•数的八进制、十六进制表示及与二进制表示的相互转换

参见《大学计算机信息技术教程》142节。八进制数使用0、1、2、3、4、5、6、7

共8个符号，逢8进1,高位借1在低位当作8。十六进制数使用0、1、2、3、4、5、6、7、

8、9、A、B、C、D、E、F共16个符号，逢16进1,高位借1在低位当作16。

己知23=8,因此，一个数的八进制形式向二进制形式转换的方法是：将每位八进制数

转换为3位二进制数，小数点位置保持不变。一个数的二进制形式向八进制形式转换的方法

是：以小数点为中心分别转换整数部分和小数部分，整数部分自右向左、小数部分自左向右,

将每3位二进制数转换为一个八进制数，整数部分不足3位时在高位添0补足3位，小数部

分不足3位时在低位添。补足3位。

例如：(62.35)8-(110010.011101)2

(11101.0111)2=(011101.011100)2-(35.34)8

已知24=16,因此，一个数的十六进制形式向二进制形式转换的方法是：将每位十六

进制数转换为4位二进制数，小数点位置保持不变。一个数的二进制形式向十六进制形式转

换的方法是：以小数点为中心分别转换整数部分和小数部分，整数部分自右向左、小数部分

自左向右，将每4位二进制数转换为一个十六进制数，整数部分不足4位时在高位添0补足

4位，小数部分不足4位时在低位添0补足4位。

例如:(62.35)16-(01100010.00110101)2

(110101.001101)2-(00110101.00110100)2=(35.34)16

・原码和补码

为了用计算机处理数据，需要用适合计算机数据处理的编码形式来表示数据。对于带符

号整数，必须考虑怎样在计算机内表示数的符号。原码和补码是计算机内部表示带符号整数

的两种二进制编码方法。生成…个带符号整数原码的方法是：首先根据计算机字长确定表示

该数的原码位数(字长是2“位，n-3,4,5,6,……,原码位数通常等于字长)，并根据

该整数的正负设定原码符号位的值(符号位一般设在原码的最高位，当是正数时用“0”表

示，否则用“1”表示)，其次将该整数绝对值的二进制形式自右向左填充到原码中除符号位

外的其他位，最左的填充位到符号位之间的空位填补0。例如，21的8位原码是00010101,

-21的8位原码是1001010k用“原码”表示带符号整数的优点是：与H常使用的整数表

示方法比较接近，因此实施运算的规则也相似，且便于直接读出数值的大小。但是，用“原

码”表示带符号整数有两个主要缺点：由于两个数的原码在做加法运算和减法运算时其运算

规则是不同的，因此在计算机中需要分别用两种不同的逻辑电路来完成，会增加CPU的成

本；此外，运算结果还会出现数值0有“00000000”和“10000000”两种表示,例如:

(21)原一(21)原=00010101-00010101-00000000(代表0)

(-21)原一(-21)原=10010101-10010101-10000000(代表0)

出现这种现象的原因在于两个原码做加、减法运算时，符号位不参与运算。

由于原码所存在的诸多缺陷，因此，在计算机内部通常不用原码而用补码表示带符号的

整数。生成一个带符号整数补码的方法是：正整数的补码与其原码是相同的：负整数的补码

等于它的原码在保持符号位不变的情况下，将所有数值位的每一位取反后，再在末位加“1”

所得到的结果。例如：(-21)原=10010101,将其中数值位部分每一位取反后得到1K01010,

末位加“1"后得到(-21)补-11101011。

可以证明以下补码运算规则：

(X+Y)原码=((X)补码+(Y)补码)补码

(X-Y)原码=((X)补码+(-Y)补码)补码

由此可见，采用补码表示带符号整数后，减法运算可转为加法运算，因此，在CPU中

只需要用一个加法器就可以完成加、减、乘、除四则运算。例如，用8位补码完成21-12

=9和12-21--9运算的过程如下：

已知(21)补=00010101,(-21)补=11101011,(12)补=00001100,(-12)朴=11110100.

如下所示：

(21)#+(-12)补=000101叭+11110100(符号位参与运算)

=100001001(最高位的进位丢弃)

(21-12)原码=((21)补+(-12)补)补=(00001001)补

=((9)补)补=(9)原码

(