电子信息专业导论课件

电子信息技技术阿麦奇.南朗斯基.孔哲修Abmaighy电子信息技术电子信息技术发展史信息技术（IT）以为微电子和光电技术为基础，以计算机和通信技术为支撑，以信息处理为主题的技术系统的总称，是一们综合性的技术。信息处理技术指信息科学的原理与方法，有效地实现信息的获取、存储、传递、处理等技术。包括传感技术、通信技术、计算技术和控制技术等。处理环节、信息采集技术、信息传递技术和信息处理技术。信息技术可以是：机械的、激光的、电子的、生物的。电子技术、传感技术、信息处理技术、通信技术、自动控制技术和控制技术。电子信息技术发展史：摩擦起电机再到感应器电机，1660年马德堡的盖利克库伦扭秤，1780意大利伽伐尼电流（神经上的生物电），1745年荷兰穆申布鲁克发明保存静电的莱顿瓶，18世纪意大利伏打发明伏打电池（化学电池），1820安培发现电流，1831年法拉第电磁感应，1825年德国欧姆的欧姆定理，麦克斯韦方程组

电磁波的发现，1873年赫兹实验。第一次以电磁波传递信息是1896意大利马可尼，1901年发送到美国。1897年英国汤姆孙发现电子，1904年英国弗莱明发明电子管，1906美国德福累斯特发明真空三极管，1947年美国三位科学家巴丁、肖克莱、布拉顿发明晶体管转换电阻，1956年德国德马提出集成电路思想，1961年半导体问世（硅、锗）美得州仪器公司的基尔比生产出第一块集成电路，并1961年大量生产大量生产集成电路。通信技术发展我国早期：原始社会狩猎呐喊、狼烟、信鸽、驿站。近代：模拟到数字，系统到网络，窄带的宽带，人工到智能。1837年莫尔斯发明了有线电报，称为莫尔斯电报。1876年英国的贝尔发明了有线电话。1895年马可尼发明了无线电报机。1906年加拿大科学家费森登是最早研究无线电广播的先驱者之一。1925年18岁的英国青年贝尔德发明了机械式扫描电视-----电视机诞生。1935年英国广播公司生产出电子扫描式电视机而取代机械式扫描电视机。现代通信技术实际上是通信系统和通信网络的技术，其中通信技术是指一切技术设备和传输媒介，通信网是指许多通信系统组成的多点互通设施。现代通信设备有数字通信技术、程控交换技术、信息传输技术、通信网络技术、数据通信与数据网、ISDN与ATM技术、宽带IP技术、接入网与接入技术等。数字通信：传输数字信号的技术（最主要通信技术基础广泛用于现代通信网各种通信系统）。程控交换技术：专用于电子计算机据需要把预先编好的程序存入计算机后完成通信的各种交换。信息传输技术：光纤技术、数字微波通信、卫星通信、移动通信及图像通信。通信网分为：电话网、支撑网和智能网。自动控制技术理论的发展萌芽：经典自动控制理论指南针或司南车----水运仪象台起步：瓦特蒸汽机----离心调速器发展：系统----反馈----反馈控制方法。相应数学有高阶微分方程、线性系统（或非线性系统）、复变函数、根轨迹分析法、传递函数等。194/8年美国数学家维纳提出控制论。现代控制理论的形成和发展1956年苏联数学家庞特里亚金д.C提出极大值原理，童年美国数学家贝尔曼创态规划魏书灾难文问题。1959年美数学家卡尔曼R.E---卡尔曼录波器，1960年又提出能控制、能观测性结构概念、状态空间法、二次型性能指标的线性系统状态反馈律。条件：现代数学（泛函分析和现代代数）和数字计算机，大系统理论（对象具有规模庞大、结构复杂功能综合、目标多样、因素众多，是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统如：电力系统、城市交通、数字通信网、柔性制造系统、生态系统、水源系统、社会系统等）、智能控制理论（以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等科学为基础，有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论有，自适应控制、自组织控制、自学习控制技术）、复杂系统理论等。传感器技术人获取外界信息途径（视觉、嗅觉、听觉、味觉、触觉）分别对应机械设备获取外界信息方式（光传感器、温度传感器或气体传感器、声音传感器、味传感器、温度传感器或压力传感器）。传感器定义指人体五官的工程模拟物，狭义非信息---电信号的传感装置。手工化----人与简单工具、机械化---动力与机械、自动化----自动测量与控制、信息化----智能机械或装置。传感器分类按基本效应分☞物理型、化学型、生物型；传感机理☞结构型（机械式、感应式、电参量式）、物性型（压电、热电、光电、生物、化学）、能量转换型（自源型、外源性）；作用原理☞应变式、电容式、压电式、热电式；功能性质☞固态（半导体、半导质、电介质）、光纤、膜、超导；输入量☞位移、压力、温度、流量、气体；输出量☞模拟式、数字式等。传感器的基本特征有静态性、灵敏度、重复性、稳定性。应用：力传感器、磁电传感器（话筒和智能验钞机）、温度传感器（电饭煲）、光传感器（光警报警器）、红外线传感器（测量体温和测温仪）、生物传感器（SBA-70)。传感器的发展趋势：发现新效应、开发新材料、新功能和多功能，集成化、微型化、数字化、智能化、网络化、研究生物器官、开发仿生器官。场效应管2个PN结半导体三端器件，利用改变电场来控制半导体载流子运动，具有双极性场效应管体积小、质量轻、长寿命的优点，并有输入阻抗高、动态范围大、热稳定性能好、投辐射能力强、制造工艺简单等优点。其有栅极G、源极S、漏极D三个工作电极。分为结型场效应管、绝缘栅形场效应管等，两者有N沟道和P沟道两种导电结构。结构场效应管的结构有N沟道JFET和P沟道JFET两类。绝缘栅型场效应管（MOS管）应用于大规模和超大规模集成电路中，有N沟道增强型管、N沟道型耗尽管、P沟道型增强型管、P沟道耗尽型管四类。数字电路技术（数字系统域逻辑电路）用电子技术实现的、具有数字逻辑信号处理的电子电路。其行为特征实现逻辑模型的基础和约束条件。功能是组合逻辑电路和时序逻辑电路，集成元器件数字电路、集成数字电路，集成程度有SSS、MSI、LSI、VLSI，电路器件双极型（晶体三极管型）电路、单极性（场效应管）电路。数字电路系统集成有与门电路、或门电路、非门电路，应用组合逻辑电路、触发器和时序逻辑电路；两者指用数字逻辑电路器件所实现的逻辑表达式或真值表，有电路输出与电路原来所处状态无关特点和数据开关、逻辑代表式组合逻辑编辑器、逻辑函数发生器等基本电路模块。后者是指用数字逻辑器件实现的逻辑状态方程，有电路中存在反馈、电路输出与当前输入和电路原来状态有关的特点。基本单位触发器，常用的时序电路有寄存器、移位寄存器、计算器、序列信号发生器等。集成电路技术于1958年第一块集成器件问世开始的，它是一种微型电子器件或部件。最具有代表性的电路芯片有微控制芯片MCU、可编逻辑器件PLD、数字处理器DSP、大规模存储芯片，他们是数字系统的基础。分类从功能结构上有模拟集成电路、数字集成电路、数字模拟混合集成电路，工艺上有半导体集成电路、膜集成电路，而应用上则有标准通用和专用型之分。集成电路设计要求有功能正确、电学性能经过优化、芯片面积小和成本低、设计的可靠性、在制造后能够全面和快速地进行测试等。设计流程（具有条理性、层次性、可靠性的设计方法)，其过程有系统描述→功能设计→逻辑设计→电路设计→版图设计→设计验证→模拟和仿真→制造→封装和测试等流程。集成电路芯片制造工艺有氧化工艺、掺杂工艺、光刻工艺、刻蚀工艺等，SiO2膜的设计过程消洗表层→图用光刻胶→烘干→曝光→显影→坚膜→腐蚀→去胶微电子系统的设计（微处理器的设计）设计方法分类全定制设计方法、半定制设计方法、可编程逻辑器件（PLD）法、硅编译法、混合模式设计方法。门陈列（母片）是在硅片上以矩阵的方式排列逻辑门电路并预先制定集成电路的半成品，已有CMOS、nMOS、TTL和BiCMOS等不同工艺，有点是设计自动化程度高、设计周期短、设计成本低，缺点是布图密度低、品种有限。可编程阵列逻辑（PAI)、通用阵列逻辑（GAL)、现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）等是泛指面向专门用途或特定用户而专门设计的集成电路片上系统（SOC)设计。信号分析及处理技术信号分为自然和物理的信号和人工产生信号，前者包括语音、图像、地震信号等，后者有雷达信号、通信信号、医用超声波信号、机械探伤信号。信号的处理实质是提取、增强、存储和传输有用信号的一种运算。基本描述方式有函数、波形、频谱。信号处理从分析方法看从信号和系统形式看时域分析法交换域分析法连续时间傅里叶变换离散时间傅里叶变换连续时间拉普拉斯变换Z变换连续时间分析离散型时间分析频谱可以表示信号的频率特征，它是具有一定规律的图标或图像，如福频谱、相位频谱。模拟信号→抽样性信号→数字信号→离散信号→模拟信号模拟信号经过数字处理过程的框图抽样A/D转换D/A转换内插信号分类有确定性信号和随机信号、连续信号和离散信号、模拟信号和数字信号、因果信号和非因果信号、一维信号和多维信号等之分。典型信号有指数信号、正弦信号、抽样信号、单位阶跃信号、单位激越信号等。系统是指若干个相互依赖的事物组成具有特定功能的整体。它和信号密切相关、可用数学方法描述系统。分类（数字模型）有即时系统（无记忆系统）、动态系统（记忆系统）、线性系统、非线性系统、时变系统（参变系统）、是时不变系统（非时变系统）、连续时间系统、离散时间系统。语音信号处理基本内容：语音信号处理基础、语音信号分析（时域、频域、倒谱域等犯方法）、语音编码、语音合成、语音识别、说话人识别等。数字图像处理（计算机图像处理）：最常用的方法有图像增强、复原、编码和压缩等。基本内容有图像采集及存储、数字信号进行处理再次进行存储，方法有图像变换、图像编码压缩、图像增强和复原、图像分割、图像描述、图像分类、图像分类（图像识别），有再现性好、处理精度高、适用面宽、灵活性高的特点，应用有航天和航空遥感方面的应用、生物医学工程及疾病诊断的应用、通信工程方面的应用、工业和工程方面的应用、军事方面和文艺方面的应用。信息传输技术通信是指将大量有用的信号高效率、无失真地进行传输，通信系统的一般模型：信源→发送设备→信道→接收设备→信宿分类有模拟信号形式和数字信号形式两种。模拟信号模型☞信源→调制器→信道→接收设备→信宿，其按调制方式分为连续调制系统（包括振幅、频率、相位等）和脉冲调制系统（包括脉冲振幅、脉冲相位、脉冲宽度）。数字通信技术（计算机网络）21世纪将向着数字化、网络化、信息化发展。三网指电信网络、广播电视网络和计算机网络。组建目标是实现资源共享和信息传递。定义是连接两台以上计算机进行通信的系统。分类：功能☞资源子网和通信子网

拓扑结构☞环形网、星形网、总线网、树形网通信介质☞双绞线网、同轴电缆网、光纤网、无线卫星网信号频带占用方式☞宽带网、窄带网规模及覆盖范围☞局域（LAN）、城域网（WAN)、广域网(MAN)

体系结构☞分层模型和OSI参考模型局域网的硬件平台组成：一个或多个服务器、多台工作战、传播媒体、网络适配器（网卡)、网间连接器（中继器、网桥、路由器、网关等设备）。网络的硬件设备主体设备：网络服务器、工作站，连接设备：中继器、网桥、路由器、交换机、网关、调制解调器、网络适配器（NIC)、集线器(Hub)。网络软件系统：网络操作系统（DOS)→网络的心脏和灵魂、网络软件、Software（软件）→操作系统（OperatingSystem）和应用系统（Application)及数据库系统(DatabaseSystem)计算机科学及技术研究领域：计算机系统结构、程序设计科学与方法、软件工程基础理论、人工智能与知识理论、网络数据库及各种计算机的辅助技术、理论计算科学、计算机科学史等。分为应用层、专业基础层、基础层。应用层→如移动计算机与全球定位、计算机自动控制、模式识别与图像处理、软件测试技术。专业基础层→为应用提供技术与环境如软件开发方法学、软件工程技术、软件开发工具与环境、计算机系统基础、计算机接口与通信、计算机网络与数据通信技术等。基础层→主要包括计算机的数学理论与逻辑理论如控制论基础、信息论基础、算法理论、可计算性理论、数字系统设计基础等。计算机系统分为计算机硬件（有运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等）和计算机软件（分为操作软件和应用软件两大部分）CPU软件系统操作系统语言编辑程序数据管理系统设备驱动程序硬件系统系统软件运算器主机外部设备控制器主板内存输入/出设备的接口电路存放在正运行的程序和数据辅存：存放暂时不处理的信息输入设备：输入信息如鼠标、键盘、扫描仪输出设备：输出信息如显示器。打印机等存储器应用软件文字表格处理软件辅助设计软件网络软件其他应用软件计算机操作系统功能处理管理器、存储器、设备、文件、接口分类：用户对话视界→命令行界面操作、图形用户界面系统

支持用户→单用户操作系统、多用户操作系统运行任务量→单任务操作系统、多任务操作系统系统作用→批处理系统、分时处理系统、网络操作系统应用：科学计算、（数字计算）、数据处理（信息处理）、辅助技术、过程控制（实时控制）、人工智能、网络应用自动控制技术基本方法开环控制系统、闭环控制系统、混合控制系统开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统，闭环控制系统是被控对象输出会反馈回来影响控制器的输出而形成一个或多个环形的回路。设计流程建立控制目标→确定控制变量→给定各变量的控制要求→确定系统结构、选择执行机构→建立对象执行机构传感器模型→建立控制模型选择待调参数→优化系统设计分析系统性能控输入信号特征分类有定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。使用的数学方法有线性控制系统和非线性控制系统、连续控制系统和离散控制系统、单变量控制系统和多变量控制系统!研究内容数学模型，方法有时域法、频域法、根轨迹法等。自动控制理论经典控制理论现在控制理论线性采样控制Z变换法非线性状态反馈控制最优控制智能控制预测控制自适应控制大系统多层分散控制模糊控制时域法频域法根轨迹法描述函数法相平面法李雅普诺夫法波波夫法自动控制的性能分析：系统稳定性、准确性、快速性系统的动态性能指标：最大超调量、调整时间、震荡次数信息交换及网络技术基础全互连式（所有终端对接起来），交换机（Switch交换节点），用户线，多台交换机按照一定的拓扑结构相互连接组成通信网络交互网络，网中直接连接电话机或终端的交换机称为本地交换机或市话交换机。仅与各种交换机连接的交换机叫着汇接交换机。远距离时汇接交换机常称为长途交换机，其线路叫中继线。通信网是指终端→交换机，传输系统组成→用户线、中继线，结构→等级的网络结构。公用数据交换网（PSDN）分电路交换、存储交换，而后者又分报文交换方式、分组交换方式，即数据交换方式有电路交换、报文交换、分组交换三种基本方式。电路交换：三阶段呼叫建立、传送信息、呼叫拆除，适合电话交换、文件交换、高速传真，不适合突发业务和对差错数据敏感的数据业务。电路交换系统主要部分电路连接网络和控制系统。报文交换：是以报文为单位接收存储和转发信息，又称存储转发交换。报文中包含传递信息、目的地址和源地址。适用于实现不同速率、不同协议、不同代码终端间或一点对多点的存储转发交换的数据通信，不适于要求系统安全性高、网络时延小的数据通信。分组交换：同采用报文转换的存储转发机制、不同报文交换那样以报文为单位，而是报文截成短、规格化了的分组进行交换和传输报文分组中包含所分配的逻辑信道号和其他控制信息。异步传输模式：ATM交换的基本处理单位为信元，基本功能是空间交换（信元从一条传输线交换到另一条传输线上又叫路由选择）、时间交换（将信元从一个时隙转传到另一个时隙中）。ATM交换机一般由入线处理部件、出线处理部件、交换结构和连续控制单元等模块组成。光交换实现包括光电交换、光机械交换、热光交换、液晶光交换、声光交换和采用微电子机械技术的光交换。光交换技术分为光的电路交换（其分为光时分交换技术、光空分交换技术、光波交换技术、光码交换技术）和分组交换技术（光分组交换技术OPS、光空交换技术OBS、光标记分组交换技术OMPIS)通信有有线通线或无线通信两大类，其中有线通信又分有线电通信（双绞线、同轴电缆、架空明线）和光纤通信，无线通信包括短波通信、微波通信、卫星通信、散射通信、移动通信等。多路互用技术：频多路复用FOM、时分多路复用TDM、波分多路复用WDM、码分多址CDMA信源编码是通过压缩信源的冗余度（统计相关性）来实现，核心概念是进行数据压缩A/D转换→压缩编码信源压缩编码分语音信号压缩码（波形编码、参数编码、混合编码）和图像压缩编码（预测编码、变换编码、熵编码、帧间预测编码）。信道编