第一章信息技術(shù)概述

計算機專轉(zhuǎn)本（南師大）徐建軍1第一章信息技術(shù)概述應天職業(yè)技術(shù)學院校級精品課程第一章信息技術(shù)概述1.1信息與信息技術(shù)1.2微電子技術(shù)簡介1.3通信技術(shù)入門1.4數(shù)字技術(shù)基礎31.1信息與信息技術(shù)什么是信息信息處理與信息技術(shù)信息處理系統(tǒng)4什麼是信息？(1)信息同物質(zhì)和能源一樣，是人們賴以生存與發(fā)展的重要資源。人類通過信息認識各種事物，借助信息的交流溝通人與人之間的聯(lián)系，互相協(xié)作，從而推動社會前進。信息概述5日常生活中信息的幾種解釋：語言、文字、圖畫、照片等表示的內(nèi)容（新聞、消息或知識）讀書、上課、交談等所學習和了解的知識、方法、事實和情況為了做判斷、訂計劃或求解問題等所需要的數(shù)據(jù)、資料···什麼是信息？(1)6中國大百科全書的解釋：從認識論層次來看，信息是指認識主體所感知或主體所表述的“事物運動的狀態(tài)及狀態(tài)變化的方式”信息因它所表達的內(nèi)容而有一定的價值，也因能相互交流而體現(xiàn)其作用信息有多種表現(xiàn)形式，語言、文字、聲音、圖片等都是信息的表現(xiàn)形式(載體)信息與物質(zhì)和能量同樣重要，它是人們認識世界、改造世界的一種基本資源什麼是信息？(2)7什麼是信息？(2)

可傳遞性和共享性信息必須依附于載體信息的可處理性

信息的主要特征8什么是信息處理？信息處理指的是與下列內(nèi)容相關(guān)的行為和活動：信息的收集(如信息的感知、測量、獲取、輸入等)信息的加工(如信息的分類、計算、分析、轉(zhuǎn)換等)信息的存儲(如書寫、攝影、錄音、錄像等)信息的傳遞(如郵寄、電報、電話等)信息的施用(如控制、顯示等)9人工進行信息處理的過程人工信息處理的不足：

算不快記不住傳不遠看（聽）不清事物客體信息獲取(感覺器官)信息加工與存儲(大腦)信息傳遞(神經(jīng)系統(tǒng))信息施用(效應器官)信息傳遞(神經(jīng)系統(tǒng))信息技術(shù)（IT）手/腳/身眼/耳/鼻/舌/身10信息技術(shù)信息技術(shù)：用來擴展人的信息器官功能、協(xié)助人們進行信息處理的一類技術(shù)。人的信息器官及功能：感覺器官（眼耳鼻舌身）——獲取信息神經(jīng)網(wǎng)絡——傳遞信息

思維器官（大腦）——處理信息并再生信息效應器官（手腳）——施用信息11基本信息技術(shù)感知與識別技術(shù)——擴展感覺器官功能,提高人們的感知范圍、感知精度和靈敏度通信技術(shù)與存儲技術(shù)——擴展神經(jīng)網(wǎng)絡功能,消除人們交流信息的空間和時間障礙計算處理技術(shù)——擴展思維器官功能,增強人們的信息加工處理能力控制與顯示技術(shù)——擴展效應器官功能，增強人們的信息控制能力12信息技術(shù)的發(fā)展歷史◎語言的形成和使用

◎文字的創(chuàng)造

◎印刷技術(shù)的發(fā)明

◎望遠鏡、顯微鏡

◎電報和電話通信

◎廣播、電視

◎雷達、衛(wèi)星（遙感感測）

◎計算機、機器人

◎因特網(wǎng)（Internet）

···

13現(xiàn)代信息技術(shù)3大特征：采用電子技術(shù)（包括激光技術(shù)）進行信息的收集、傳遞、加工、存儲、顯示與控制以數(shù)字技術(shù)（計算機）為基礎以軟件為核心領(lǐng)域:微電子、通信、廣播、計算機、遙感遙測、自動控制、機器人等14什么是信息處理系統(tǒng)？用于輔助人們進行信息獲取、傳遞、存儲、加工處理、控制及顯示的綜合使用各種信息技術(shù)的系統(tǒng)，可以通稱為信息處理系統(tǒng)通信/存儲信息加工通信/存儲控制與顯示感測與識別信息處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸入輸出15信息處理系統(tǒng)舉例雷達：以感測與識別為主要目的的系統(tǒng)電視/廣播：以單向、點到多點（面）的以信息傳遞為主要目的的系統(tǒng)電話：以雙向、點到點的信息交互為主要目的的系統(tǒng)銀行：以處理金融信息為目的的系統(tǒng)圖書館：以信息收藏和檢索為主要目的的系統(tǒng)因特網(wǎng)：跨越全球的多功能信息處理系統(tǒng)161.2微電子技術(shù)簡介微電子技術(shù)與集成電路集成電路的制造集成電路的發(fā)展趨勢

IC卡17(1)微電子技術(shù)與集成電路

微電子技術(shù)是信息技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)，是發(fā)展電子信息產(chǎn)業(yè)和各項高技術(shù)的基礎微電子技術(shù)的核心是集成電路技術(shù)18電子電路中元器件的發(fā)展演變微電子技術(shù)是以集成電路為核心的電子技術(shù)，它是在電子元器件小型化、微型化的過程中發(fā)展起來的。晶體管(1948)中/小規(guī)模集成電路(1950’s)大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路(1970’s)電子管(1904)19什么是集成電路？集成電路

(IntegratedCircuit，簡稱IC)： 以半導體單晶片作為基片,采用平面工藝，將晶體管、電阻、電容等元器件及其連線所構(gòu)成的電路制作在基片上所構(gòu)成的一個微型化的電路或系統(tǒng)集成電路的優(yōu)點：體積小、重量輕功耗小、成本低速度快、可靠性高超大規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路20集成電路的分類按用途分：通用集成電路專用集成電路（ASIC）按電路的功能分：數(shù)字集成電路模擬集成電路按晶體管結(jié)構(gòu)、電路和工藝分：雙極型（Bipolar）電路金屬氧化物半導體(MOS)電路······按集成度(芯片中包含的元器件數(shù)目)分:集成電路規(guī)模元器件數(shù)目小規(guī)模集成電路（SSI）＜100中規(guī)模集成電路（MSI）100~3000大規(guī)模集成電路（LSI）3000~10萬超大規(guī)模集成電路（VLSI）10萬~100萬極大規(guī)模集成電路（ULSI）＞100萬21IC集成度提高的規(guī)律Moore定律：單塊集成電路的集成度平均每18個月翻一番(GordonE.Moore,1965年)19701975198019851990199520001,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,0004004800880808086802868038680486PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4晶體管數(shù)例：Intel微處理器集成度的發(fā)展22集成電路技術(shù)的發(fā)展趨勢19992001200420082014工藝(μm)0.180.130.090.060.014晶體管(M)23.847.61355393500時鐘頻率(GHz)1.21.62.02.65510面積(mm2)340340390468901連線層數(shù)678910晶圓直徑(英寸)1212141618引腳數(shù)目7009573350功耗（w）9013018323進一步提高集成度的問題與出路問題：線寬進一步縮小后，晶體管線條小到納米級時，其電流微弱到僅有幾十個甚至幾個電子流動，晶體管將逼近其物理極限而無法正常工作出路：在納米尺寸下，納米結(jié)構(gòu)會表現(xiàn)出一些新的量子現(xiàn)象和效應，人們正在利用這些量子效應研制具有全新功能的量子器件，使能開發(fā)出新的納米芯片和量子計算機同時，人們還在研究將自然界傳播速度最快的光作為信息的載體，發(fā)展光子學，研制集成光路，或把電子與光子并用，實現(xiàn)光電子集成24集成電路的發(fā)展趨勢光子計算機 光能夠像電一樣來傳遞信息，甚至效果更好。而且，更重要的一個特點在于它不會和周圍環(huán)境發(fā)生相互干擾的作用。25(4)IC卡簡介幾乎每個人每天都與IC卡打交道，例如我們的身份證、手機SIM卡、交通卡、飯卡等等，什么是IC卡？它有哪些類型和用途？工作原理大致是怎樣的？下面是簡單介紹。26什么是IC卡？IC卡(chipcard、smartcard)，又稱為集成電路卡，它是把集成電路芯片密封在塑料卡基片內(nèi)，使其成為能存儲信息、處理和傳遞數(shù)據(jù)的載體特點：存儲信息量大保密性能強可以防止偽造和竊用抗干擾能力強可靠性高應用舉例：作為電子證件，記錄持卡人的信息，用作身份識別（如身份證、考勤卡、醫(yī)療卡、住房卡等）作為電子錢包（如電話卡、公交卡、加油卡等）27IC卡的類型(按芯片分類)存儲器卡：封裝的集成電路為存儲器，信息可長期保存，也可通過讀卡器改寫。結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。用于安全性要求不高的場合，如電話卡、水電費卡、公交卡、醫(yī)療卡等 （帶加密邏輯的存儲器卡增加了加密電路）CPU卡：封裝的集成電路為中央處理器（CPU）和存儲器，還配有操作系統(tǒng)(ChipOperatingSystem)，處理能力強，保密性更好，常用作證件和信用卡使用。手機中使用的SIM卡就是一種特殊的CPU卡。28IC卡的類型(按使用方式分類)接觸式IC卡(如電話IC卡)表面有方型鍍金接口，共8個或6個鍍金觸點。使用時必須將IC卡插入讀卡機，通過金屬觸點傳輸數(shù)據(jù)。用于信息量大、讀寫操作比較復雜的場合,但易磨損、怕臟、壽命短非接觸式IC卡(射頻卡、感應卡)采用電磁感應方式無線傳輸數(shù)據(jù)，解決了無源（卡中無電源）和免接觸問題操作方便，快捷，采用全密封膠固化，防水、防污，使用壽命長用于讀寫信息較簡單的場合，如身份驗證等

接觸式IC卡接觸式IC卡的結(jié)構(gòu)非接觸式IC卡29非接觸式IC卡在身份證中的使用第二代身份證使用非接觸式CPU卡，可實現(xiàn)“電子防偽”和“數(shù)字管理”兩大功能：電子防偽措施：個人數(shù)據(jù)和人臉圖像經(jīng)過加密后存儲在芯片中，需要時可通過非接觸式讀卡器讀出進行驗證。需要時還可以將人體生物特征如指紋等保存在芯片中，以進一步提高防偽性能數(shù)字管理功能：存儲器能儲存多達幾兆字節(jié)的信息，采用分區(qū)存儲，按不同安全等級授權(quán)讀寫采用數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡技術(shù)，實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)快速查詢和身份識別，將使二代證在公共安全、社會管理、電子政務、電子商務等方面發(fā)揮重要作用301.3通信技術(shù)入門1.3.1通信的基本原理1.3.2模擬通信與數(shù)字通信1.3.3光纖通信和無線通信1.3.4移動通信311.3.1通信的基本原理通信系統(tǒng)的基本模型調(diào)制與解調(diào)多路復用技術(shù)32什么是通信(communication)？通信就是信息的(遠距離)傳遞與交流現(xiàn)代通信——使用電波或光波傳遞信息的技術(shù)，也稱為電信（telecommunication），如電報、電話、傳真、電子郵件、BBS、QQ等通信的發(fā)展歷史：1836年，英國建成第一條電報線路(Morse電報)1876年，美國人A.G.Bell研制成可供實用的電話20世紀初，馬可尼實現(xiàn)了跨越大西洋的無線電報通信1918年出現(xiàn)收音機和無線電廣播1938年第一個電視臺開始播出1940’s出現(xiàn)彩色電視1960’s出現(xiàn)計算機網(wǎng)絡33對通信系統(tǒng)的一般要求遠距離：傳輸距離要遠低成本：傳輸成本要低高速度：從發(fā)生到接收延遲時間要短可靠：傳輸?shù)男畔⒉荒苡绣e誤方便：任何時間和地點都能通信安全：傳輸?shù)男畔⒁Ｃ?，不能泄?4通信系統(tǒng)的模型通信的三要素：信道信源(宿)信宿(源)信號信號舉例:信息的載體與傳播媒介。信道的任務是迅速、可靠而準確地將信號從信源傳輸?shù)叫潘薇粋鬏數(shù)男畔⒍急仨氁阅撤N電(或光)信號的形式才能進行傳輸發(fā)送信息的設備接收信息的設備有線電話移動電話計算機通信信源/信宿電話座機手機計算機信號話音經(jīng)電話機轉(zhuǎn)換成為變化的電流信號話音經(jīng)電話機轉(zhuǎn)換成為壓縮編碼后的數(shù)字信號編碼、打包后的數(shù)字信號信道電話線和中繼器等傳輸設備無線電波、基站等雙絞線、集線器、路由器、光纖等35信道的種類按傳輸?shù)男盘栴愋涂蓪⑿诺婪譃椋耗M信道：傳輸連續(xù)的模擬信號的信道 特點：頻帶窄，信道利用率高；受噪聲干擾大 例如：傳輸語音信號的架空明線、雙絞線，傳輸廣播電視信號的寬帶同軸電纜數(shù)字信道：傳輸離散的數(shù)字信號 特點：信號不失真，準確性高；數(shù)字設備可大規(guī)模集成，價格便宜；易于加密；要求頻帶寬，信道利用率低 例如：傳輸計算機通信所用的信號的基帶同軸電纜、光纜等36信道的種類按信號的傳輸媒體可將信道分為：有線信道：雙絞線、電纜、光纜無線信道：自由空間37模擬信號如何傳輸？近距離傳輸：直接傳輸(如：MP3播放器－>耳機；計算機輸出信號－>投影儀)遠距離傳輸：通過載波來傳輸模擬信號(如：廣播電臺－>收音機)什么是載波？研究發(fā)現(xiàn)，高頻振蕩的正弦波信號在長距離通信中能夠比其他信號傳送得更遠。因此若把高頻振蕩的正弦波信號作為攜帶信息的載波，把模擬信號放在(調(diào)制在)載波上傳輸，則可比直接傳輸遠得多38模擬信號如何進行載波傳輸？

——三種調(diào)制方法調(diào)制后的載波信號傳輸信號調(diào)制器載波信號調(diào)制后的載波信號傳輸信號解調(diào)器載波信號調(diào)制信號(連續(xù)信號)調(diào)幅(AM)調(diào)頻(FM)調(diào)相(PM)載波信號(高頻正弦波)實現(xiàn)信號調(diào)制與解調(diào)的設備分別稱為“調(diào)制器”和“解調(diào)器”：39數(shù)字信號的三種調(diào)制方法(ASK)幅移鍵控(FSK)頻移鍵控00110100010調(diào)制信號

(兩個狀態(tài))(PSK)相移鍵控載波信號(高頻正弦波)數(shù)字調(diào)制、解調(diào)器：調(diào)制后的載波信號傳輸信號解調(diào)器載波信號調(diào)制后的載波信號傳輸信號調(diào)制器載波信號40小結(jié)1:遠距離通信必須使用MODEM通信一般是雙向進行的，收發(fā)雙方都需要調(diào)制器與解調(diào)器，它們通常做在一起，稱為調(diào)制解調(diào)器(MODEM)信道信源(宿)信宿(源)調(diào)制后的載波

信號調(diào)制后的載波

信號調(diào)制(解調(diào))器(調(diào)制)解調(diào)器載波載波信源信號通過調(diào)制器調(diào)整載波的某個參數(shù)(幅度、頻率或相位)到達目的地后，使用解調(diào)器把載波所攜帶的信號檢測出來，恢復為原始信號的形式經(jīng)過調(diào)制后的載波信號，攜帶著被傳輸?shù)男盘栐谛诺乐羞M行長距離傳輸41怎樣實現(xiàn)低成本傳輸？分析：通信系統(tǒng)中，傳輸線路的建設和維護成本占整個系統(tǒng)成本的相當大的份額一條傳輸線路（銅線、光纖、無線電波）的容量通常遠超過傳輸1路用戶信號所需的能力采用的技術(shù)——多路復用技術(shù)(Multiplexing)為了提高線路利用率，設法在一條傳輸線路上，傳輸多個模擬信號（例如，話路信息）或數(shù)字信號，這就是多路復用。方法：頻分多路復用（FDM）時分多路復用（TDM）波分多路復用（WDM）信道多路復用器多路復用器終端終端終端終端終端終端終端終端42頻分多路復用(FDM)思想：將每個通信終端發(fā)送的信號調(diào)制在不同頻率的載波上，通過頻分多路復用器(MUX)將它們復合成為一個信號，然后在同一傳輸線路上進行傳輸。抵達接收端之后，借助分路器(DEMUX)把不同頻率的載波分離出來，送到不同的接收設備工作原理：

DEMUX

MUX

共享的傳輸信道載波頻率f1調(diào)制調(diào)制載波頻率fn載波頻率f1解調(diào)解調(diào)載波頻率fnf將不同頻率的載波信號合成在一起使用一組濾波器分解出不同頻率的載波信號43頻分多路復用舉例電視節(jié)目的發(fā)送與接收頻道載波頻率(MHz)頻道載波頻率(MHz)頻道載波頻率(MHz)187.755123.259230.25295.75

6206.2510238.253103.757214.2511246.254115.258222.2512254.25多路復用器解調(diào)器在天空中傳輸?shù)碾姶挪ㄆ麟娨曅盘柊l(fā)射器電視信號接收器電視節(jié)目調(diào)制器載波1電視圖像及其伴音調(diào)制器載波2電視圖像及其伴音調(diào)制器載波n電視圖像及其伴音電視調(diào)諧器(分路器)44時分多路復用(TDM)

把一個傳輸通道進行時間分割以傳送若干話路的信息。思想：各通信終端（計算機、電話）以規(guī)定的順序和時間輪流使用同一傳輸線路進行數(shù)據(jù)傳輸工作原理：

H

F

G

E

D

C

BA傳輸線路時間片

G

C終端1終端2終端3終端4

H

D

F

B

E

A多路復用器

43214321數(shù)據(jù)tMultiplexer多路分路器終端甲終端乙終端丙終端丁

E

A

F

B

G

C

H

DDemultiplexer45在單一光纖內(nèi)同步傳輸多個不同波長的光波，使得數(shù)據(jù)傳輸速度和容量獲得倍增波分多路復用46小結(jié)2:多路復用可以降低通信成本通信系統(tǒng)的原理示意圖復用（分路）信道信源（宿）調(diào)制解調(diào)器信源（宿）調(diào)制解調(diào)器信源（宿）調(diào)制解調(diào)器復用（分路）信源（宿）調(diào)制解調(diào)器信源（宿）調(diào)制解調(diào)器信源（宿）調(diào)制解調(diào)器······多路復用技術(shù)使得成千上萬路通信可以在同一條傳輸線上同時進行，大大節(jié)省了通信成本頻分多路、時分多路和波分多路等技術(shù)可以同時使用，以提高復用效率471.3.2模擬通信與數(shù)字通信模擬通信數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)48模擬通信信源產(chǎn)生的模擬信號直接進行傳輸或者通過對載波調(diào)制后進行傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)稱為模擬通信技術(shù)

應用：(傳統(tǒng)的)有線載波電話無線電廣播電視（衛(wèi)星電視、數(shù)字有線電視除外）優(yōu)點：歷史長，技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，成本低缺點：在信號的調(diào)制和傳輸過程中易受噪聲干擾，傳輸質(zhì)量不夠穩(wěn)定趨勢：已經(jīng)越來越多地被數(shù)字通信所取代49模擬通信技術(shù)應用舉例（1）傳統(tǒng)的有線載波電話使用對稱電纜或同軸電纜，前者每一對線可傳輸60路電話，后者可提供成千上萬個話路多路復用(分路)器傳輸線路

(中繼線和長途線)MODEM載波1MODEM載波2MODEM載波n多路復用(分路)器MODEM載波1MODEM載波2MODEM載波n本地交換機長途交換機本地交換機中繼線用戶線中繼線長途線長途交換機用戶線電子開關(guān)2x2交換機原理50模擬通信技術(shù)應用舉例（2）電話撥號上網(wǎng):利用模擬傳輸技術(shù)傳輸數(shù)字信號51模擬通信技術(shù)應用舉例（3）家庭計算機用戶通過電話撥號接入計算機網(wǎng)絡調(diào)制解調(diào)器把計算機送出的數(shù)字信號,采用數(shù)字調(diào)制(頻移鍵控或相移鍵控)的方法,調(diào)制成為適合于在用戶電話線上傳輸?shù)囊纛l模擬信號因特網(wǎng)服務提供商把接收到的模擬信號，通過解調(diào)器恢復成數(shù)字信號送給計算機目前電話上網(wǎng)的最高傳輸速率：56KbpsMODEM本地電話網(wǎng)MODEM計算機網(wǎng)絡模擬通信技術(shù)計算機數(shù)字信號因特網(wǎng)服務提供商(ISP)家庭用戶數(shù)字信號音頻模擬信號在本地電話網(wǎng)中，采用模擬傳輸技術(shù)進行傳輸52什么是數(shù)字通信？將信源產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（或信源直接產(chǎn)生數(shù)字信號）之后，直接進行傳輸或通過用數(shù)字信號對載波進行數(shù)字調(diào)制來傳輸信息的技術(shù)稱為數(shù)字通信數(shù)字通信技術(shù)的優(yōu)點：抗干擾能力強，差錯可控制，無噪聲積累，傳輸質(zhì)量高靈活性好，能適應多種應用需求，聲音、圖像、數(shù)據(jù)均可傳輸傳輸?shù)臄?shù)字信號可以直接由計算機進行存儲、管理和處理數(shù)字信號的加密比模擬信號容易，所以通信的安全性高數(shù)字電路容易用超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，有利于通信設備的小型化、微型化，也降低了功耗53數(shù)字通信采用的技術(shù)模擬信號調(diào)制/解調(diào)技術(shù)調(diào)幅；調(diào)頻；調(diào)相多路復用技術(shù)時分多路；頻分多路；波分多路交換技術(shù)電路交換；分組交換模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換技術(shù)；數(shù)字編碼和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)54數(shù)字通信技術(shù)應用舉例（1）當今長途電話系統(tǒng)的中繼通信PCM編碼器PCM解碼器PCM編碼器PCM解碼器多路復用器分路器光纖傳輸線路

(中繼線和長途線)（本地電話局）（本地電話局）（用戶線）（用戶線）數(shù)字傳輸技術(shù)模擬傳輸技術(shù)模擬傳輸技術(shù)模擬聲音信號在需要進行遠距離傳輸之前，先使用PCM編碼器變換為數(shù)字信號形式（此過程稱為“數(shù)字化”）接收方所在地區(qū)的交換局使用解碼器把數(shù)字信號還原成模擬聲音信號后，由用戶線傳輸至接聽方的電話機數(shù)字信號經(jīng)調(diào)制和復用后，通過光纖傳輸?shù)浇邮辗剿诘貐^(qū)的交換局，再經(jīng)解調(diào)和分路處理，恢復為數(shù)字信號55數(shù)字通信技術(shù)應用舉例（2）衛(wèi)星電視數(shù)字傳輸：用數(shù)字傳輸技術(shù)傳輸模擬信號數(shù)字傳輸技術(shù)數(shù)字調(diào)制數(shù)字解調(diào)編碼器解碼器在空中傳輸?shù)碾姶挪ㄆ麟娨曅盘柊l(fā)射器電視信號接收器載波載波電視圖像及其伴音電視機數(shù)字信號經(jīng)調(diào)制和復用后由天線發(fā)送至衛(wèi)星，再由衛(wèi)星進行轉(zhuǎn)發(fā)，被衛(wèi)星地面接收站所接收電視臺的節(jié)目在發(fā)送到衛(wèi)星去傳輸之前，先要把圖像和伴音信號進行數(shù)字化，還要進行數(shù)據(jù)壓縮地面站對接收到的信號進行解調(diào)、解碼后恢復為模擬信號，再經(jīng)由有線電視電纜送到用戶電視機上播放56小結(jié)：數(shù)字通信系統(tǒng)的模型發(fā)送端接收端信源信道編碼調(diào)制與復用信道壓縮編碼解調(diào)與分路信宿解密信道解碼解壓縮加密編碼噪聲信源編碼信源解碼為了進行可靠的傳輸為了高效率地進行遠程傳輸57數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標數(shù)據(jù)傳輸速率(簡稱數(shù)據(jù)速率,datarate)指實際進行數(shù)據(jù)傳輸時單位時間內(nèi)傳送的二進位數(shù)目計量單位：“位/秒”(bps)、“千位/秒”(kbps)、“兆位/秒”(Mbps)或“千兆位/秒”(Gbps)等信道帶寬(也稱為信道容量,bandwidth)一個信道允許的最大數(shù)據(jù)傳輸速率信道帶寬與采用的傳輸介質(zhì)、傳輸距離、多路復用方法、調(diào)制解調(diào)方法等密切相關(guān)誤碼率(errorrate)指數(shù)據(jù)傳輸中規(guī)定時間內(nèi)出錯數(shù)據(jù)占被傳輸數(shù)據(jù)總數(shù)的比例端－端延遲(end-enddelay)指數(shù)據(jù)從信源傳送到信宿所花費的時間。581.3.3光纖通信與無線通信傳輸介質(zhì)的類型與特點光纖通信無線通信59傳輸介質(zhì)的類型與特點介質(zhì)類型特點應用金屬導體雙絞線成本低，易受外部高頻電磁波干擾，誤碼率較高；傳輸距離有限固定電話本地回路、計算機局域網(wǎng)同軸電纜傳輸特性和屏蔽特性良好，可作為傳輸干線長距離傳輸載波信號，但成本較高固定電話中繼線路、有線電視接入光導纖維光纜傳輸損耗小，通訊距離長，容量大，屏蔽特性非常好，不易被竊聽，重量輕，便于運輸和鋪設。缺點是精確連接兩根光纖很困難電話、電視等通信系統(tǒng)的遠程干線，計算機網(wǎng)絡的干線無線電波微波紅外線激光建設費用低，抗災能力強，容量大，無線接入使得通信更加方便.但易被竊聽、易受干擾廣播，電視，移動通信系統(tǒng)，計算機無線局域網(wǎng)60雙絞線原理：利用電流(電壓)傳輸信息雙絞線分類3類線(10Mb/s)；5類線(100Mb/s)；6類線(200Mb/s)無屏蔽雙絞線(UTP)；屏蔽雙絞線(STP)RJ45接頭無屏蔽雙絞線信號線地線套管常見應用 電話系統(tǒng)（模擬信號） 局域網(wǎng)（數(shù)字信號）61特點： 數(shù)字信號、模擬信號均可傳輸 各線對采用雙扭線，減少了線對之間的串擾 頻帶較電話線寬，每對線可傳輸60路電話信號，多線對能提供上千個話路，適用于干線通信缺點： 容易受到外部高頻電磁波干擾，且線路本身會產(chǎn)生一定噪聲，誤碼率較高 如用作數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的傳輸介質(zhì)，每隔一定距離需要使用中繼器或放大器雙絞線62同軸電纜同軸電纜分類基帶同軸電纜（50Ω）傳輸數(shù)字信號寬帶同軸電纜（75Ω）傳輸模擬信號同軸電纜內(nèi)層導線金屬屏蔽外絕緣層絕緣體具有良好的傳輸特性和屏蔽特性可以構(gòu)成大容量的載波通信系統(tǒng)主要用于傳輸干線常見應用:

有線電視系統(tǒng)（模擬信號）局域網(wǎng)（數(shù)字信號）63光纖與光纜多根光纖保護層防止光泄漏的吸收外殼起保護作用的防護層外絕緣層光線光波在光纖中的傳播光導纖維（光線的入射角足夠大時，就會出現(xiàn)全反射，重復此過程，光就沿著光纖傳播下去）纖芯

包層保護層光波光纜64光纖與光纜傳輸?shù)男盘枺汗庑盘枺〝?shù)字信號，有光脈沖相當于1，無光脈沖相當于0）傳輸速率：1Gb/s以上光纜示意圖65光纖通信原理電信號驅(qū)動電路光源中繼器輸出電路電信號發(fā)送單元(電/光轉(zhuǎn)換)傳輸單元接收單元(光/電轉(zhuǎn)換)光調(diào)制器光纖光纖放大電路光檢測器光纖主要用于傳輸數(shù)字信號，0信號或1信號直接對光進行調(diào)制(即控制激光的通或斷——幅移鍵控ASK)光波的頻率為1014～1015Hz，目前一束光每秒能攜帶2.5G或10G的二進位信號，通過波分多路復用（WDM）技術(shù)還可達到更大的通信容量在發(fā)送端，由需要傳輸?shù)臄?shù)字信號（電信號）去驅(qū)動一個光源（半導體激光器或發(fā)光二極管），并對發(fā)出的光信號進行調(diào)制在接收端，信號經(jīng)放大后由光檢測器（半導體光電管）進行檢測、解調(diào)，轉(zhuǎn)換成電信號之后輸出調(diào)制后的光信號通過光纖進行傳輸，為了補償光纖線路的損耗，消除信號失真和噪聲干擾，每隔一定的距離要接入中繼器66波分多路復用(WDM)

為提高傳輸效率，1根光纖中可以同時傳輸幾種不同波長的光波，每種光波各自傳輸自己所攜帶的信息，速率可達到40G-100Gbit/s原理：光纖發(fā)送端有N個發(fā)送單元，它們各自發(fā)出不同波長的光波通過復用器（稱為合波器）合并起來，進入同一根光纖進行傳輸接收端用分路器(稱為分波器)將不同波長的光分開，分別送到各自的光電檢測器恢復出原始信號67光纖通信光纖通信優(yōu)點傳輸頻帶非常寬，通信容量大抗雷電和電磁干擾、抗輻射能力強無串音干擾，保密性強，不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)傳輸損耗小，通訊距離長 數(shù)據(jù)速率為420Mbps、距離為119km、無中繼器時，誤碼率為10-8重量輕，便于運輸和鋪設光纖通信缺點精確連接兩根光纖比較困難68無線通信原理：模擬信號或數(shù)字信號使用電磁波調(diào)制后進行傳輸1041051061071081091010101110121013101410151016Hz雙絞線同軸電纜AM廣播FM廣播和TV衛(wèi)星地面微波光纖紫外線紅外線可見光微波無線電波超短波中波短波電磁波的種類與頻率范圍

無線電波: 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)

紅外線： 1011

～1014(Hz)

可見光： 1014(Hz)

紫外線： 1014

～1016(Hz)

無線廣播電視、通信通信69微波通信微波：300MHz～300GHz范圍內(nèi)的電磁波，波長為1m～1mm特點：直線傳播，不能沿地球表面?zhèn)鞑ィo繞射性），需要每隔幾十公里設立一個中繼站容量大、可靠性高建設費用低抗災能力強應用：長途電話、蜂窩移動電話、全數(shù)字高清晰度電視（HDTV）等70衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信:中繼站在人造地球衛(wèi)星上的一種微波通信優(yōu)點：通信距離遠、頻帶寬、容量大、抗干擾強、通信穩(wěn)定缺點：造價高、技術(shù)復雜、有較大延時、同步軌道衛(wèi)星數(shù)目僅180顆通信衛(wèi)星地面站1地面站2地球衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星地球35800公里赤道上方高度為35800公里的地方為地球同步軌道，衛(wèi)星的運行周期與地球自轉(zhuǎn)一圈的周期相同，在地面上看這種衛(wèi)星好似靜止不動。一顆同步軌道衛(wèi)星覆蓋約120°，3顆同步定點軌道衛(wèi)星可以覆蓋地球的幾乎全部面積，進行二十四小時的全天候通信711.3.4移動通信什么是移動通信移動通信原理第2代和第3代移動通信72什么是移動通信？處于移動狀態(tài)的對象相互間的通信，如手機、無繩電話、尋呼系統(tǒng)等優(yōu)點：克服通信終端位置對用戶的限制，快速和及時地傳遞信息基站移動臺（手機）移動電話交換中心公用電話網(wǎng)73蜂窩移動通信原理每10km～20km的區(qū)域稱為單元（形似蜂窩），單元的中央建有一個基站，該單元內(nèi)所有手機都向該基站發(fā)送信號并接收基站發(fā)給的信號所有單元既相互分割，又彼此有所交疊，連成整個移動通信服務網(wǎng)所有基站都通過微波或電纜、光纜與移動交換中心通信手機每個時刻都處于某個特定單元的基站控制之下，通話時使用兩個頻率（一個上行頻率，一個下行頻率），同一單元內(nèi)同一時刻的不同手機使用不同的頻率進行通信，相互不影響每個蜂窩單元中有200多個信道(GSM)。相鄰單元不允許使用相同的頻率，不相鄰單元的頻率允許重用移動交換中心電話交換中心74第二代移動通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖菙?shù)字化的語音/文字信號使用頻段：900MHz/1800MHz我國使用的2種標準：GSM（歐洲移動通信系統(tǒng)，也稱全球通、全數(shù)字系統(tǒng))中國電信的GSM網(wǎng)已基本實現(xiàn)縣以上城市的覆蓋,

接入號有139～135、130采用頻分多路復用技術(shù)(分為124個上下行信道)和時分多路復用(每個信道8個連接)，每個蜂窩理論上支持992個連接，實際上可有200多個CDMA(碼分多址接入，CodeDivisionMultipleAccess)所有手機都占用相同帶寬和頻率，在整個頻段上進行信號傳輸,但它們分別采用不同的編碼原理加以區(qū)分，即CDMA給每一手機分配一個唯一的碼序列（擴頻碼），并用它對承載信息的信號進行編碼抗干擾能力強，系統(tǒng)容量大，接通率高，噪聲小，75第三代數(shù)字移動通信系統(tǒng)第2代移動通信的不足：（1）數(shù)據(jù)傳輸速率過低（9.6kb/s或57kb/s）（2）容量有限，不能滿足發(fā)達地區(qū)手機用戶高度密集的要求。（3）不能實現(xiàn)覆蓋全球的無縫連接第3代移動通信技術(shù)（簡稱3G）的目標：（1）全球漫游（2）適應多種環(huán)境，地面移動通信與衛(wèi)星移動通信相結(jié)合（3）提供高質(zhì)量的話音通信、數(shù)據(jù)通信和高分辨率圖像通信（4）提供足夠的系統(tǒng)容量，具有高保密性和優(yōu)質(zhì)的服務技術(shù)：頻譜：1885MHz~2025MHz，2110MHz~2200MHz傳輸速率：室內(nèi)：2Mb/s，步行：384kb/s，快速移動：114kb/s標準：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA(時分-同步碼分多址接入)76附：現(xiàn)代電話通信網(wǎng)絡77小結(jié)什么是通信？使用電波或光波傳遞信息對通信系統(tǒng)的要求：遠距離——調(diào)制解調(diào)技術(shù)(MODEM)低成本——多路復用技術(shù)(Multiplexer)+交換技術(shù)(Switch)高速度——光纖通信技術(shù)可靠——信號不失真、無差錯、保證通信暢通（數(shù)字通信）方便——移動通信技術(shù)（無線、數(shù)字通信）安全——加密、身份認證（數(shù)字通信）目前許多通信系統(tǒng)既采用模擬通信技術(shù)，也采用數(shù)字通信技術(shù)，總的趨勢是數(shù)字化、光纖化781.4數(shù)字技術(shù)基礎

1.4.1比特

1.4.2比特與二進制數(shù)

1.4.3整數(shù)（定點數(shù)）的表示

1.4.4實數(shù)（浮點數(shù)）的表示

1.4.5小結(jié)791.4.1信息的基本單位

——比特(bit)什么是比特比特的邏輯比特的存儲80什么是比特？比特（bit，binarydigit的縮寫）中文翻譯為“二進位數(shù)字”、“二進位”或簡稱為“位”比特只有2種取值：0，1如同DNA是人體組織的最小單位、原子是物質(zhì)的最小組成單位一樣，比特是組成數(shù)字信息的最小單位數(shù)值、文字、符號、圖像、聲音、命令······都可以使用比特來表示，其具體的表示方法就稱為“編碼”或“代碼”81例用比特表示圖像82比特在計算機中如何表示？在計算機中表示二進位的方法：電路的高電平狀態(tài)或低電平狀態(tài)(CPU)電容的充電狀態(tài)或放電狀態(tài)(RAM)兩種不同的磁化狀態(tài)(磁盤)光盤面上的凹凸狀態(tài)(光盤)···83例1：CPU內(nèi)部二進位信息的表示CPU內(nèi)部通常使用高電平表示1，低電平表示00.0V0.5V2.8V3.3V010V+3v01

084例3：CD/DVD盤片上比特的表示光盤表面的凹、凸狀態(tài)用于表示和存儲二進位信息CD光盤表面DVD光盤表面85比特的三種基本邏輯運算比特的取值“0”和“l(fā)”可表示兩種不同的狀態(tài)（例如電位的高或低、命題的真或假）比特的運算使用邏輯代數(shù)，它有3種基本邏輯運算：邏輯加（也稱“或”運算，用符號“OR”、“∨”或“＋”表示）邏輯乘（也稱“與”運算，用符號“AND”、“∧”或“·”表示，也可省略）取反（也稱“非”運算，用符號“NOT”或上橫杠“ˉ”表示）86邏輯運算的規(guī)則邏輯加：F=A∨BA: 0 0 1 1B:∨0

∨1

∨0

∨1F: 0 1 1 1邏輯乘：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 0兩個多位的二進制信息進行邏輯運算時，按位獨立進行，即每一位都不受其它位的影響：例1 A: 0110 B:∨ 1010

F: 1110例2 A:0110

B:∧1010

F:001087比特的存儲（1）存儲(記憶)1個比特需要使用具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的元器件，例如：開關(guān)、燈泡等。在計算機的CPU中，比特使用一種稱為“觸發(fā)器”的雙穩(wěn)態(tài)電路來存儲觸發(fā)器有兩個狀態(tài)，可分別用來記憶0和1，1個觸發(fā)器可存儲1個比特一組（例如8個或16個）觸發(fā)器可以存儲1組比特，稱為“寄存器”CPU中有幾十個甚至上百個寄存器

﹠﹠SdRdQQ斷電后信息不再保持！88比特的存儲（2）計算機存儲器中用電容器存儲二進位信息：當電容的兩極被加上電壓，它就被充電，電壓去掉后，充電狀態(tài)仍可保持一段時間，因而1個電容可用來存儲1個比特信息存儲原理電容C處于充電狀態(tài)時，表示1

電容C處于放電狀態(tài)時，表示0存儲單元字線位線C讀放大器集成電路技術(shù)可以在半導體芯片上制作出以億計的微型電容器，從而構(gòu)成了可存儲大量二進位信息的半導體存儲器芯片斷電后信息不再保持！89存儲容量的計量單位

8個比特＝1個字節(jié)（byte，用大寫B(tài)表示）計算機內(nèi)存儲器容量的計量單位：KB:1KB=210字節(jié)=1024B（千字節(jié)）MB:1MB=220字節(jié)=1024KB（兆字節(jié)）GB:1GB=230字節(jié)=1024MB（吉字節(jié)、千兆字節(jié)）TB:1TB=240字節(jié)=1024GB（太字節(jié)、兆兆字節(jié)）外存儲器容量經(jīng)常使用10的冪次來計算：1MB＝103KB

＝1000KB1GB＝106KB

＝1000000KB1TB＝109KB=1000000000KB901.4.2比特與二進制數(shù)不同進位制數(shù)的表示和含義不同進位制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換二進制數(shù)的算術(shù)運算91不同進位制數(shù)的表示和含義“數(shù)”是一種信息，它有大?。〝?shù)值），可以進行四則運算“數(shù)”有不同的表示方法。日常生活中人們使用的是十進制數(shù)，但計算機使用的是二進制數(shù)，程序員還使用八進制和十六進制數(shù)，它們怎樣表示？其數(shù)值如何計算？92數(shù)碼為：0～9；基數(shù)是10。運算規(guī)律：逢十進一，即：9＋1＝10。十進制數(shù)的按權(quán)展開式：1、十進制同樣的數(shù)碼在不同的數(shù)位上代表的數(shù)值不同。103、102、101、100稱為十進制的權(quán)。各數(shù)位的權(quán)是10的冪。５５５５５×１０３＝５０００５×１０２＝５００５×１０１＝５０５×１００＝５＝５５５５＋任意一個十進制數(shù)都可以表示為各個數(shù)位上的數(shù)碼與其對應的權(quán)的乘積之和，稱按權(quán)展開式。即：(5555)10＝5×103

＋5×102＋5×101＋5×100又如：(209.04)10＝2×102

＋0×101＋9×100＋0×10－1＋4×10－2標志：尾部加D932、二進制數(shù)碼為：0、1；基數(shù)是2。運算規(guī)律：逢二進一，即：1＋1＝10。二進制數(shù)的按權(quán)展開式：如：(101.01)2＝1×22

＋0×21＋1×20＋0×2－1＋1×2－2

＝(5.25)10各數(shù)位的權(quán)是２的冪標志：尾部加B94數(shù)碼為：0～7；基數(shù)是8。運算規(guī)律：逢八進一，即：7＋1＝10。

標志：尾部加Q八進制數(shù)的權(quán)展開式：如：(207.04)8＝2×82

＋0×81＋7×80＋0×8－1＋4×8－2＝(135.0625)103、八進制4、十六進制數(shù)碼為：0～9、A～F；基數(shù)是16。運算規(guī)律：逢十六進一，即：F＋1＝10。標志：尾部加H十六進制數(shù)的權(quán)展開式：如：(D8.A)2＝13×161

＋8×160＋10×16－1＝(216.625)10各數(shù)位的權(quán)是8的冪各數(shù)位的權(quán)是16的冪95結(jié)論①一般地，N進制需要用到N個數(shù)碼，基數(shù)是N；運算規(guī)律為逢N進一。②如果一個N進制數(shù)M包含ｎ位整數(shù)和ｍ位小數(shù)，即(an-1an-2…a1a0·a－1a－2…a－m)2則該數(shù)的按權(quán)展開式為：(M)＝an-1×Nn-1

＋

an-2×Nn-2

＋…＋a1×N1＋

a0

×N0＋a－1×N-1＋a－2×N-2＋…＋a－m×N-m③由按權(quán)展開式很容易將一個N進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)96不同進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換熟練掌握不同進制數(shù)相互之間的轉(zhuǎn)換，在編寫程序和設計數(shù)字邏輯電路時是很有用的97數(shù)制轉(zhuǎn)換（1）二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)：將二進制數(shù)由小數(shù)點開始，整數(shù)部分向左，小數(shù)部分向右，每3位分成一組，不夠3位補零，則每組二進制數(shù)便是一位八進制數(shù)。將N進制數(shù)按權(quán)展開，即可以轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。1、二進制數(shù)與八進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換1101010.01000＝(152.2)8八進制數(shù)二進制數(shù)

八進制數(shù)

二進制數(shù)

000041001001510120106110301171111位八進制數(shù)與3位二進制數(shù)的對應關(guān)系：98（2）八進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)：將每位八進制數(shù)用3位二進制數(shù)表示。 =011111100.010110(374.26)82、二進制數(shù)與十六進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換十六進制數(shù)二進制數(shù)十六進制數(shù)二進制數(shù)

0000081000

1000191001

20010A1010

30011B1011

40100C110050101D110160110E111070111F11111位十六進制數(shù)與4位二進制數(shù)的對應關(guān)系：99＝(1D4.6)16111010100.0110000=101011110100.01110110(AF4.76)16二進制數(shù)與十六進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換，按照每4位二進制數(shù)對應于一位十六進制數(shù)進行轉(zhuǎn)換。10011010111（以二進制為例：215.6875D）轉(zhuǎn)換原則：整數(shù)部分:用除以2逆序取余小數(shù)部分:用乘以2順序取整,轉(zhuǎn)換后再合并。整數(shù)部分:

除基數(shù)取余.

取余時,由下而上110101113、十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二、八、十六進制數(shù)1101011111010111101小數(shù)部分:

乘基數(shù)取整.

(只乘小數(shù)部分)

取整時,由上而下0.1011(215.6875)10=(11010111.1011)2102十進制小數(shù)（如0.63）在轉(zhuǎn)換時會出現(xiàn)二進制無窮小數(shù)，這時只能取近似值采用基數(shù)連除、連乘法，可將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為任意的N進制數(shù)。注意：103

幾種進制數(shù)之間的對應關(guān)系十進制數(shù)二進制數(shù)八進制數(shù)十六進制數(shù)0123456789101112131415000000000100010000110010000101001100011101000010010101001011011000110101110011110123456710111213141516170123456789ABCDEF104二進制數(shù)的算術(shù)運算1位二進制數(shù)的加、減法運算規(guī)則：被加數(shù)加數(shù)和進位

0000011010101101（a）加法規(guī)則被減數(shù)減數(shù)差借位

0000011110101100（b）減法規(guī)則2個多位二進制數(shù)的加、減法運算舉例：01011001+0100－010010010101由低位到高位逐位進行！105小結(jié)：數(shù)字技術(shù)的基礎——二進制二進制數(shù)的運算有2類：邏輯運算：∨，∧，NOT.按位進行，不考慮進位算術(shù)運算:+,-,x,/.從低位到高位逐位進行，需考慮低位的進位(借位)邏輯運算可以用門電路（與門、或門、非門等）實現(xiàn)算術(shù)運算可以表達為邏輯運算，因此二進制數(shù)的四則運算同樣也可以使用門電路來實現(xiàn)成千上萬個門電路可以制作在集成電路上，工作速度極快，因而能高速度地完成二進制數(shù)的各種運算1061.4.3整數(shù)(定點數(shù))的表示計算機中數(shù)的類型無符號整數(shù)的表示帶符號整數(shù)的表示107PC機中數(shù)的主要類型都采用二進制表示，有不同類型和不同長度不同類型和不同長度的數(shù)各有不同的用途計算機中的數(shù)整數(shù)(定點數(shù))實數(shù)(浮點數(shù))無符號整數(shù)帶符號整數(shù)32位（單精度浮點數(shù)）64位（雙精度浮點數(shù)）128位（擴充精度浮點數(shù)）

8位(0