信息技术导论-电子与通信

电子与通信2.1电子技术发展概况2.3通信技术的发展概况本章内容2.2电子技术基础2.4通信技术基础

了解电子技术与通信技术的发展历史

掌握单片机与嵌入式系统基本组成和主要作用理解电路、模拟电路、数字电路、集成电路、可编程逻辑器件的基本概念和主要特点教学目标理解FPGA的设计流程、方法及硬件描述语言的类型2.1电子技术发展概况2.1电子技术发展概况

第二章

电子技术发展概况1600年，英国医生吉尔伯特（W.Gilbert）首次探讨了电与磁的关系，被称为电磁学之父。1826年，德国科学家欧姆（G.S.Ohm）提出了著名的欧姆定律。1894年，意大利科学家马可尼（G.Marconi）发明了无线电通信。1900年，德国物理学家普朗克（MaxPlanck）创立了量子理论。1958年，美国德州仪器公司生产了第一块半导体集成电路。。W.GilbertG.Marconi2.2电子技术基础2.2电子技术基础

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2.2.1电路组成电路是指由电源和电子设备或电子元器件通过导线按照一定规则互连而成的具有特定功能的电流通路，如图2.1所示，电路的分析主要是依据电路模型和拓扑，运用电路定理，分析求解电路中各变量。图2.1

典型电路手机电路四人抢答器电路无线话筒电路2.2电子技术基础

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实现电能的传输和转换发电机电灯、电炉电动机…升压变压器降压变压器输电线…电源负载中间环节2.2电子技术基础

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实现信号的传递和处理放大器话筒信号源负载中间环节2.2电子技术基础

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电路的分类2314线性电路(linearcircuit)与非线性电路(nonlinear

circuit)有源电路(Activecircuit)无源电路(Passivecircuit)时不变电路(time-invariant

circuit)时变电路(time-varying

circuit)动态电路(dynamiccircuit)电阻电路(resistancecircuit)分类◆模拟电子技术主要是分析基于半导体的特性，二极管、三极管的工作原理，以及分析基于三极管构建的各类电路，如功率放大电路、运算放大电路、反馈放大电路、信号运算电路、信号产生电路、电源稳压电路的工作原理。

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2.2.2模拟电子技术2.2电子技术基础图2.2三极管结构示意图◆场效应晶体管（FieldEffectTransistor，FET）依靠一块薄层半导体受横向电场影响而改变其电阻（简称场效应），使其具有放大信号的功能。该薄层半导体的两端各接两个电极分别称为源极和漏极，控制横向电场的电极称为栅极。

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2.2.2模拟电子技术2.2电子技术基础BA根据栅极分类金属-氧化物-半导体场效应晶体管结型场效应晶体管◆计算机、单片机等处理的都是二进制数字信号，模拟信号进入计算机之前需要通过模数转换，变成二进制的数字信号，才能被CPU处理和计算。数字电路是专用于处理数字逻辑的电路，处理的是逻辑电平“0”和“1”。数字电路根据逻辑功能不同，可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。其中门电路是基本的单元。输出和输入之间具有一定逻辑关系的电路称为逻辑门电路，简称门电路。

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2.2.3数字电子技术2.2电子技术基础02030405060701与门非门或门与非门或非门与或非门异或门常见门电路

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2.2.3数字电子技术2.2电子技术基础◆组合逻辑电路用数字逻辑电路器件所实现的逻辑表达式或真值表，其特点是电路输出与电路原来所处的状态无关。主要有以上几种电路。编码器译码器数据选择器数据分配器加法器2.2电子技术基础

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2.2.3数字电子技术◆在时序电路中，电路的输出不仅取决于当时电路的输入，还与以前电路的输入和状态有关。时序电路具有记忆功能。时序电路一般需要一个外部时钟，在时钟的驱动下，改变电路的输出。时序列电路的基本单元是各类触发器，常见的时序电路有寄存器、移位寄存器、计数器、序列信号发生器等。2.2电子技术基础

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2.2.4集成电路技术◆集成电路（IntegratedCircuit，IC）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。2.2电子技术基础

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单片机与嵌入式系统是为了实现控制功能而设计的一种微型计算机。它的应用首先是控制功能，即在于实现计算机控制。其实现手段采用嵌入方式，即嵌入对象环境中作为一个智能控制单元。由于被控对象种类繁多，其应用也非常广泛，如仪器仪表、工业测控、计算机与通信设备、家电与日常生活用品、无人机、雷达等。

2.2.5单片机与嵌入式系统2.2电子技术基础

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2.2.5现场可编程门阵列◆现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。2.2电子技术基础

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2.2.5现场可编程门阵列采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到适合使用的芯片。ABFPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的中试样片。C

FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。EFPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。FPGA的特点DFPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。2.2电子技术基础

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2.2.5现场可编程门阵列2.2电子技术基础

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2.2.5现场可编程门阵列◆硬件描述语言（HDL）是FPGA设计实现中重要的编程语言。其主要目的是用来编写设计文件，建立电子系统行为级的仿真模型。即利用计算机的巨大能力对用HDL建模的复杂数字逻辑进行仿真，然后再自动综合以生成符合要求且在电路结构上实现数字逻辑网表（Netlist），根据网表和某种工艺的器件自动生成具体电路。然后生成该工艺条件下这种具体电路的延时模型。仿真验证无误后，用于制造ASIC芯片或写入FPGA器件中。VHDLVerilogHDL常见的硬件描述语言2.3

通信技术的发展概况2.3通信技术的发展概况

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塞缪尔·莫尔斯SamuelFinleyBreeseMorse•1837年9月4日莫尔斯制造出第一台电报机；•1839年设计了"摩尔斯"码，开创了通信的新纪元；•1844年5月24日莫尔斯发出人类历史上的第一份电报：WhathathGodwrought?2.3通信技术的发展概况

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贝尔Bell.AlexanderGrahamBreeseMorse•1873年为波士顿大学发声生理学教授。当时电报已很发达，贝尔研究利用一条线路进行多路电报通信的实验。在实验过程中，他萌发在电报线路上通话的设想；•1876年3月10日历史上最伟大的发明之一电话诞生了，贝尔通过电话传出第一句话：沃森先生，请立刻过来，我需要帮助2.3通信技术的发展概况

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贝尔Bell.AlexanderGrahamBreeseMorse•1878年贝尔和沃森成功的在相距300公里的波士顿和纽约之间作了长途电话通话公开实验，三个月后他成立了贝尔电话公司，从此电话得到了迅速发展。2.3通信技术的发展概况

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马可尼&波波夫•1895年，意大利的马可尼(Gugliemo

Marconi)、俄国的波波夫(A.C.Πопов)同时研制成功了无线电收发信机。2.3通信技术的发展概况

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•1920年，贝亚德成功进行了电视画面的传送，被誉为电视发明人。

约翰·罗杰·贝尔德（JohnLogieBaird）2.3通信技术的发展概况

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阿帕网•1968年10月，美国国防部高级计划局和BBN公司签订合同，研制适合计算机通信的网络；•

1969年6月完成第一阶段的工作，组成了4个结点的试验性网络，称为ARPAnet。它被公认为是世界上第一个采用分组交换技术组建的网络。阿帕网

阿帕网2.3通信技术的发展概况

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无线通信商用系统•

2008年，公众无线通信进入第三代商用系统；•

2013年，公众无线通信进入第四代商用系统；•

2018年，公众无线通信进入第五代商用系统。

无线通信商用系统2.4通信技术基础2.4通信技术基础

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2.4.1通信的基本原理点对点单向通信系统的一般模型1.通信系统的一般模型2.4通信技术基础

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2.4.1通信的基本原理信源：信源产生消息，把各种消息转换成原始电信号（基带信号）；发送设备：将信源产生的信号变换为适应信道传输的信号；信道：指传输信号的物理媒质；噪声源：是将信道中的干扰和噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声集中表示的理想模型；接收设备：有效地接收信道中传来的信号，完成发送设备的逆变换；信宿：信宿是信息传输的目的地。2.4通信技术基础

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2.4.1通信的基本原理2.通信系统的分类按通信业务分类：可将通信系统分为语音通信和非语音通信；按调制方式分类：可将通信系统分为基带传输系统和频带传输系统；按传输信号的特征分类：可将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统；按传送信号的复用方式分类：可分为频分复用、时分复用、码分复用和波分复用等；按传输媒质分类：可将通信系统分为有线通信系统和无线通信系统。2.4通信技术基础

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2.4.1通信的基本原理模拟通信系统的模型3.模拟通信系统调制器：实质上是信号变换设备，完成频谱搬移。通信中常用的调制器是利用信息信号控制高频振荡载波的某个参数，使该参数与信息信号的变化规律一致。解调器：调制器的逆变换，将承载于载波某个参数上的信息信号提取出来。2.4通信技术基础

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2.4.1通信的基本原理数字通信系统的模型4.数字通信系统数字通信系统指系统中传输的信号是数字信号。2.4通信技术基础

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2.4.1通信的基本原理信源编码：又称为有效性编码。其作用有两个：完成模拟信号到数字信号的变换、压缩信源中的冗余信息。信道编码：主要解决数字信号传输的抗干扰问题，又称为可靠性编码。通过插入与信息码元相关联的冗余码元，从而在接收端发现或纠正传输过程中出现的差错。数字调制：数字调制的任务是将数字基带信号经过调制变为适合于信道传输的频带信号（带通信号），其实质就是对数字信号进行频谱搬移的过程。数字解调：数字解调是数字调制的逆过程，它将频带信号还原为原始的基带信号。信道解码：信道解码是信道编码的逆过程。信源解码：信源解码是信源编码的逆过程。2.4通信技术基础

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2.4.2移动通信1.移动通信系统组成移动通信系统一般由移动终端、基站、移动业务交换中心以及与本地电话网相连接的中继线等组成。移动通信一般组成2.4通信技术基础

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2.4.2移动通信2.移动通信的种类按使用环境不同可分为陆地移动通信、海上移动通信和航空移动通信；按使用对象不同可分为公用移动通信和专用移动通信；按双工方式不同可分为频分双工和时分双工；按传输的信号形式不同可分为模拟移动通信和数字移动通信；按使用的多址方式不同可分为频分多址、时分多址和码分多址等；按组网方式不同可分为大区制和小区制移动通信。2.4通信技术基础

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2.4.2移动通信3.移动通信技术的演进第一代移动通信技术（1G）：1978年，模拟移动电话系统（AdvancedMobilePhoneSystem，AMPS）在芝加哥首次投入商用；第二代移动通信技术（2G）：全球主要有欧洲的GSM和美国的CDMA（IS-95）两种体制；第三代移动通信技术（3G）：我国于2009年颁发了3张3G牌照，分别是中国移动的TD-SCDMA、中国联通的WCDMA和中国电信的WCDMA2000。TD-SCDMA是我国自主研发的第三代移动通信标准。2.4通信技术基础

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2.4.2移动通信3.移动通信技术的演进第四代移动通信技术（4G）：2013年12月，三大运营商获颁“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务（TD-LTE）”经营牌照，开启我国4G时代；第五代移动通信技术（5G）：5G的法定名称是“IMT-2020”。2019年6月，我国正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，我国正式进入5G商用元年。2.4通信技术基础

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2.4.2移动通信4.5G移动通信技术全频谱接入：5G采用低频和高频混合组网的方式，低频采用6GHz以下频段，用于连续广覆盖，是5G核心频段；高频采用6~100GHz频谱，用于满足高速率、大容量业务需求。新空口技术：为支持各种业务的应用场景，新型多载波技术受到关注。超密集组网：超密集组网主要应用于体育馆、交通枢纽、展会、密集街区等，通过数量众多的小基站形成分布更密集的无线基础网络。2.4通信技术基础

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2.4.2移动通信4.5G移动通信技术MassiveMIMO技术：指在基站覆盖区域内配置大规模天线阵，并集中放置，同时服务于分布在基站覆盖区内的多个用户。网络灵活切片技术：面向租户，满足差异化SLA（ServiceLevel

Agreement，服务水平协议），可独立生命周期管理的虚拟化网络。毫米波技术：毫米波是指频率在30GHz～300GHz的无线电波。2.4通信技术基础

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2.4.3光纤通信1.光纤通信原理光纤通信的原理是在发送端首先要把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。2.4通信技术基础

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2.4.3光纤通信2.光纤的结构光纤一般分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层。光纤的导光特性是基于光射线在纤芯和包层界面上的全反射，使光线限制在纤芯中传输。光纤结构示意图2.4通信技术基础

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2.4.3光纤通信3.光纤的分类按照纤芯和包层材料的不同，光纤可分为石英光纤和塑料光纤；按照光纤折射率分布特点的不同，光纤可分为阶跃光纤和渐变光纤；按照纤芯内光波模式的不同，光纤可分为多模光纤和单模光纤。4.光纤通信系统的基本构成光纤通信系统的主要组成部分包括光纤、光发送器、光接收器、光中继器和适当的接口设备等。2.4通信技术基础

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2.4.3光纤通信5.光纤通信的优点频带极宽，通信容量大；损耗低，中继距离长；抗电磁干扰能力强；无串音干扰，保密性好；光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设；光纤的原材料资源丰富，成本低；温度稳定性好、寿命长。2.4通信技术基础

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2.4.3光纤通信6.光纤通信新技术波分复用技术：在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。WDM技术的使用可使光纤传输容量大幅度提高。光纤接入技术：随着技术的更新换代，光纤到户的成本大大降低，光纤到户也普遍实施，为用户提供全光速极高速率的用户体验。全光网络：全光网络以光节点代替电节点，节点之间全光化，信息始终以光的形式进行传输与交换，交换机对用户信息的处理不再按比特进行，而是根据其波长来决定路由。2.4通信技术基础

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2.4.4卫星通信卫星通信系统由一颗通信卫星和多个地面通信站组成的。地面通信站通过卫星接收或发送数据，实现数据的传递，同时地面站接入地面网络中，实现数据的转发与交换。卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在两个或多个地面之间进行的通信过程或方式，工作在微波频段。卫星通信系统示意图2.4通信技术基础

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2.4.4卫星通信卫星通信系统主要组成地球站：用于与卫星进行数据传输，同时负责将数据接入其他网络。通信卫星：主要用于中继，转发地球站或卫星终端发来的数据。跟踪遥测及指令系统：主要任务是对卫星上的运行数据及指标进行跟踪测量，控制其准确进入轨道，并对卫星在轨道上的位置及姿态进行监控。监控管理系统：不直接用于通信，而是在通信业务开通前和开通后对卫星通信的性能参数进行监测和管理。2.4通信技术基础

第二章

2.4.4卫星通信卫星通信的主要特点：通信距离远，且费用与通信距离无关；覆盖面积大，可进行多址通信；通信频带宽，传输容量大；通信质量好，通信线路稳定；通信电路灵活，机动性好。

根据其轨道高度，可分为同步轨道卫星（36000km）、高轨卫星（20000km以上）、中轨卫星（5000~20000km）、低轨卫星（5000km以内）。2.4通信技术基础

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2.4.5交换技术与网络1.交换的基本概念输入端有n条线路，输出端有m条线路，通过交换网把输入的任一线路与输出端任意线路