電子信息專業(yè)導(dǎo)論

電子信息技技術(shù)阿麥奇.南朗斯基.孔哲修Abmaighy電子信息技術(shù)電子信息技術(shù)發(fā)展史信息技術(shù)（IT）以為微電子和光電技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和通信技術(shù)為支撐，以信息處理為主題的技術(shù)系統(tǒng)的總稱，是一們綜合性的技術(shù)。信息處理技術(shù)指信息科學(xué)的原理與方法，有效地實現(xiàn)信息的獲取、存儲、傳遞、處理等技術(shù)。包括傳感技術(shù)、通信技術(shù)、計算技術(shù)和控制技術(shù)等。處理環(huán)節(jié)、信息采集技術(shù)、信息傳遞技術(shù)和信息處理技術(shù)。信息技術(shù)可以是：機械的、激光的、電子的、生物的。電子技術(shù)、傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)和控制技術(shù)。電子信息技術(shù)發(fā)展史：摩擦起電機再到感應(yīng)器電機，1660年馬德堡的蓋利克庫倫扭秤，1780意大利伽伐尼電流（神經(jīng)上的生物電），1745年荷蘭穆申布魯克發(fā)明保存靜電的萊頓瓶，18世紀(jì)意大利伏打發(fā)明伏打電池（化學(xué)電池），1820安培發(fā)現(xiàn)電流，1831年法拉第電磁感應(yīng)，1825年德國歐姆的歐姆定理，麥克斯韋方程組

電磁波的發(fā)現(xiàn)，1873年赫茲實驗。第一次以電磁波傳遞信息是1896意大利馬可尼，1901年發(fā)送到美國。1897年英國湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，1904年英國弗萊明發(fā)明電子管，1906美國德福累斯特發(fā)明真空三極管，1947年美國三位科學(xué)家巴丁、肖克萊、布拉頓發(fā)明晶體管轉(zhuǎn)換電阻，1956年德國德馬提出集成電路思想，1961年半導(dǎo)體問世（硅、鍺）美得州儀器公司的基爾比生產(chǎn)出第一塊集成電路，并1961年大量生產(chǎn)大量生產(chǎn)集成電路。通信技術(shù)發(fā)展我國早期：原始社會狩獵吶喊、狼煙、信鴿、驛站。近代：模擬到數(shù)字，系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)，窄帶的寬帶，人工到智能。1837年莫爾斯發(fā)明了有線電報，稱為莫爾斯電報。1876年英國的貝爾發(fā)明了有線電話。1895年馬可尼發(fā)明了無線電報機。1906年加拿大科學(xué)家費森登是最早研究無線電廣播的先驅(qū)者之一。1925年18歲的英國青年貝爾德發(fā)明了機械式掃描電視-----電視機誕生。1935年英國廣播公司生產(chǎn)出電子掃描式電視機而取代機械式掃描電視機?，F(xiàn)代通信技術(shù)實際上是通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，其中通信技術(shù)是指一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒介，通信網(wǎng)是指許多通信系統(tǒng)組成的多點互通設(shè)施?，F(xiàn)代通信設(shè)備有數(shù)字通信技術(shù)、程控交換技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)網(wǎng)、ISDN與ATM技術(shù)、寬帶IP技術(shù)、接入網(wǎng)與接入技術(shù)等。數(shù)字通信：傳輸數(shù)字信號的技術(shù)（最主要通信技術(shù)基礎(chǔ)廣泛用于現(xiàn)代通信網(wǎng)各種通信系統(tǒng)）。程控交換技術(shù)：專用于電子計算機據(jù)需要把預(yù)先編好的程序存入計算機后完成通信的各種交換。信息傳輸技術(shù)：光纖技術(shù)、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信、移動通信及圖像通信。通信網(wǎng)分為：電話網(wǎng)、支撐網(wǎng)和智能網(wǎng)。信息分為語音、數(shù)據(jù)、圖像三大類。ISDN綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)，數(shù)字電話網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)，一種典型的電路交換系統(tǒng)。ATM（數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)）為多種業(yè)務(wù)設(shè)計、通用、面向連接的傳輸模型。寬帶IP網(wǎng)絡(luò)是分層的、物理承載可以是IPoverDWDM、IPoverSDH、IPoverATM等多種形式。接入網(wǎng)是指骨干網(wǎng)絡(luò)到客戶終端之間所有設(shè)備，方式接入包括銅線（普通電話線）接入、光纖接入、光線固軸電纜（有線電視電纜）混合接入、無線接入和以太網(wǎng)接入等。21世紀(jì)通信網(wǎng)絡(luò)將向著寬帶化、智能化、個人化的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字?jǐn)?shù)字網(wǎng)技術(shù)的方向發(fā)展。全程數(shù)字化是以數(shù)字信號傳輸、無模擬信號的；寬帶不僅能傳輸?shù)退俚恼瓗畔ⅲㄖ竿ㄐ潘俾市∮诘扔?4kb/s或2mb/s的通信網(wǎng)，還能傳輸高速信息如電影等。智能化（智能網(wǎng)）觸傳遞和交換信息外還可以存儲、處理和靈活的控制信息。綜合化是指技術(shù)綜合和業(yè)務(wù)綜合。計算機的發(fā)展1946年莫奇利和動虞科特完成第一臺數(shù)字電子計算機ENIAC。機械計算機的發(fā)展1623年謝卡特---計算鐘1625年奧特雷特-----計算尺1642—1643帕斯卡—齒輪式加減器1673德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨-----機械式運算器1822英國數(shù)學(xué)家Charles.巴貝奇----差分機還有1834年---分析機1888年美國人赫爾曼.霍勒斯---制表機(霍勒斯制表機）1938年德國科學(xué)家朱斯---Z-1計算機（二進(jìn)制計算機）1938—1942年Zuse----采用繼電器Z-2、Z-31944霍華德.艾肯---電機式自動順序控制計算機MARK-119460215----數(shù)字電子計算機ENIAC1971美國Intel公司----微機MSC-4自動控制技術(shù)理論的發(fā)展萌芽：經(jīng)典自動控制理論指南針或司南車----水運儀象臺起步：瓦特蒸汽機----離心調(diào)速器發(fā)展：系統(tǒng)----反饋----反饋控制方法。相應(yīng)數(shù)學(xué)有高階微分方程、線性系統(tǒng)（或非線性系統(tǒng)）、復(fù)變函數(shù)、根軌跡分析法、傳遞函數(shù)等。194/8年美國數(shù)學(xué)家維納提出控制論?，F(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展1956年蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家龐特里亞金д.C提出極大值原理，童年美國數(shù)學(xué)家貝爾曼創(chuàng)態(tài)規(guī)劃魏書災(zāi)難文問題。1959年美數(shù)學(xué)家卡爾曼R.E---卡爾曼錄波器，1960年又提出能控制、能觀測性結(jié)構(gòu)概念、狀態(tài)空間法、二次型性能指標(biāo)的線性系統(tǒng)狀態(tài)反饋律。條件：現(xiàn)代數(shù)學(xué)（泛函分析和現(xiàn)代代數(shù)）和數(shù)字計算機，大系統(tǒng)理論（對象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多，是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)如：電力系統(tǒng)、城市交通、數(shù)字通信網(wǎng)、柔性制造系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、水源系統(tǒng)、社會系統(tǒng)等）、智能控制理論（以控制理論、計算機科學(xué)、人工智能、運籌學(xué)等科學(xué)為基礎(chǔ)，有模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等理論有，自適應(yīng)控制、自組織控制、自學(xué)習(xí)控制技術(shù)）、復(fù)雜系統(tǒng)理論等。傳感器技術(shù)人獲取外界信息途徑（視覺、嗅覺、聽覺、味覺、觸覺）分別對應(yīng)機械設(shè)備獲取外界信息方式（光傳感器、溫度傳感器或氣體傳感器、聲音傳感器、味傳感器、溫度傳感器或壓力傳感器）。傳感器定義指人體五官的工程模擬物，狹義非信息---電信號的傳感裝置。手工化----人與簡單工具、機械化---動力與機械、自動化----自動測量與控制、信息化----智能機械或裝置。傳感器分類按基本效應(yīng)分?物理型、化學(xué)型、生物型；傳感機理?結(jié)構(gòu)型（機械式、感應(yīng)式、電參量式）、物性型（壓電、熱電、光電、生物、化學(xué)）、能量轉(zhuǎn)換型（自源型、外源性）；作用原理?應(yīng)變式、電容式、壓電式、熱電式；功能性質(zhì)?固態(tài)（半導(dǎo)體、半導(dǎo)質(zhì)、電介質(zhì)）、光纖、膜、超導(dǎo)；輸入量?位移、壓力、溫度、流量、氣體；輸出量?模擬式、數(shù)字式等。傳感器的基本特征有靜態(tài)性、靈敏度、重復(fù)性、穩(wěn)定性。應(yīng)用：力傳感器、磁電傳感器（話筒和智能驗鈔機）、溫度傳感器（電飯煲）、光傳感器（光警報警器）、紅外線傳感器（測量體溫和測溫儀）、生物傳感器（SBA-70)。傳感器的發(fā)展趨勢：發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)、開發(fā)新材料、新功能和多功能，集成化、微型化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、研究生物器官、開發(fā)仿生器官。電子技術(shù)基礎(chǔ)電路（電子線路或電氣回路）模擬電路：處理連續(xù)性電信號（電壓、電流)的電路，典型電路有放大電路、振蕩電路、線性運算電路（加法、減法、乘法、除法、微分和積分電路）。數(shù)字電路：是以二數(shù)字邏輯為基礎(chǔ)的、其工作信號是離散的數(shù)字信號，典型電路有振蕩器、寄存器、加法器、減法器、集成電路等。電路理論電路的基本功能是實現(xiàn)電能的傳輸和分配或電信號的產(chǎn)生、傳輸、處理加工及利用。理想原件有電阻、電感、電容。電源分為非獨立電源（受控電源）和獨立電源，其中獨立電源有分為獨立電壓源和獨立電流源如發(fā)電機、蓄電池、光電池一類。電壓控制電壓源（VCVS)、電流控制電壓源（CCVS)，電壓控制電流源（VCCS)、電流控制電流源（CCCS)。1845年德G.R基爾霍夫發(fā)現(xiàn)基爾霍夫定律，其指出如果電路中各個支路的電流和支路電壓作為變量來看，這些變量受到兩類約束。一類是電元件的特性造成的，如線性電阻元件電壓和電流必需滿足U=RI的關(guān)系，稱為VCR;另類由元件相互連接給支路電流之間或支路電壓之間帶來的約束關(guān)系KCL，有時稱為幾何約束或拓?fù)浼s束，這類約束由基爾霍夫定律體現(xiàn)?；鶢柣舴蚨蒏CL指出：在集總電路中任何時刻對任一節(jié)點所有流出節(jié)點的支路電流的代數(shù)和恒等于0.沿任一回路Σi=0電路中常用定理疊加定理---線性電路定義的直接結(jié)果の戴維南定理---電壓源的等效電路の諾頓定理----電流源的等效電路。模擬電子線路技術(shù)（19世紀(jì)末20世紀(jì)初興起）電子技術(shù)無處不在，極大促進(jìn)了社會發(fā)展。電子技術(shù)的發(fā)展已由分立的電子器件的組合向集成化和模塊化的方向發(fā)展。純凈不慘雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，同時存在自由電子和空穴兩種截流子，而雜質(zhì)元素?fù)饺氲陌雽?dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。若摻入的微量元素是五價元素如P的雜質(zhì)半導(dǎo)體叫做N型半導(dǎo)體，若摻入的是三價微量元素如B的半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體。由于空穴和自由電子均是電子粒子，所以擴散的結(jié)果是使P區(qū)和N區(qū)原來的電中性被破壞，于是在交界面的兩側(cè)形成一個不能移動的帶導(dǎo)性電荷的離子層，乘此離子層為空間電荷區(qū)也叫耗盡層。半導(dǎo)體二極管分類按材料分為硅二極管、鍺二極管、砷化鎵二極管等，按結(jié)構(gòu)分點接觸型、面接觸型和平面型二極管。應(yīng)用有整流、穩(wěn)流、限幅、鉗位、檢波、續(xù)流等。類型VD二極管，特殊二極管。LED分為可見光二LED和紅外光LED兩種。穩(wěn)壓管、發(fā)光二極管（LED）、光電二極管、肖特基二極管等。二極管的伏安特性正向特性和反向特征。二極管的測試反向電阻很大（幾百KΩ以上）、正向電阻很?。◣浊Е敢韵拢?。半導(dǎo)體三極管（晶體三極管）堅稱晶體管或雙型晶體管，有控制電流的作用或放大電流的作用。分類材料：硅管、鍺管?類型：平面性、合金型?工作頻率：高頻率、低頻率?內(nèi)部結(jié)構(gòu)：NPN型、PNP型?耗散功率：小功率管、大功率管?用途：普通管、低噪聲B管、功率放大管、高頻管、開關(guān)管、達(dá)林頓管。當(dāng)在NPN結(jié)兩端加上不同極性電壓，PN結(jié)會呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性。PN結(jié)端接高電位、N端低電位稱為PN結(jié)外加正向電位又稱為PN結(jié)正向偏置簡稱正偏。場效應(yīng)管2個PN結(jié)半導(dǎo)體三端器件，利用改變電場來控制半導(dǎo)體載流子運動，具有雙極性場效應(yīng)管體積小、質(zhì)量輕、長壽命的優(yōu)點，并有輸入阻抗高、動態(tài)范圍大、熱穩(wěn)定性能好、投輻射能力強、制造工藝簡單等優(yōu)點。其有柵極G、源極S、漏極D三個工作電極。分為結(jié)型場效應(yīng)管、絕緣柵形場效應(yīng)管等，兩者有N溝道和P溝道兩種導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)有N溝道JFET和P溝道JFET兩類。絕緣柵型場效應(yīng)管（MOS管）應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中，有N溝道增強型管、N溝道型耗盡管、P溝道型增強型管、P溝道耗盡型管四類。數(shù)字電路技術(shù)（數(shù)字系統(tǒng)域邏輯電路）用電子技術(shù)實現(xiàn)的、具有數(shù)字邏輯信號處理的電子電路。其行為特征實現(xiàn)邏輯模型的基礎(chǔ)和約束條件。功能是組合邏輯電路和時序邏輯電路，集成元器件數(shù)字電路、集成數(shù)字電路，集成程度有SSS、MSI、LSI、VLSI，電路器件雙極型（晶體三極管型）電路、單極性（場效應(yīng)管）電路。數(shù)字電路系統(tǒng)集成有與門電路、或門電路、非門電路，應(yīng)用組合邏輯電路、觸發(fā)器和時序邏輯電路；兩者指用數(shù)字邏輯電路器件所實現(xiàn)的邏輯表達(dá)式或真值表，有電路輸出與電路原來所處狀態(tài)無關(guān)特點和數(shù)據(jù)開關(guān)、邏輯代表式組合邏輯編輯器、邏輯函數(shù)發(fā)生器等基本電路模塊。后者是指用數(shù)字邏輯器件實現(xiàn)的邏輯狀態(tài)方程，有電路中存在反饋、電路輸出與當(dāng)前輸入和電路原來狀態(tài)有關(guān)的特點?；締挝挥|發(fā)器，常用的時序電路有寄存器、移位寄存器、計算器、序列信號發(fā)生器等。集成電路技術(shù)于1958年第一塊集成器件問世開始的，它是一種微型電子器件或部件。最具有代表性的電路芯片有微控制芯片MCU、可編邏輯器件PLD、數(shù)字處理器DSP、大規(guī)模存儲芯片，他們是數(shù)字系統(tǒng)的基礎(chǔ)。分類從功能結(jié)構(gòu)上有模擬集成電路、數(shù)字集成電路、數(shù)字模擬混合集成電路，工藝上有半導(dǎo)體集成電路、膜集成電路，而應(yīng)用上則有標(biāo)準(zhǔn)通用和專用型之分。集成電路設(shè)計要求有功能正確、電學(xué)性能經(jīng)過優(yōu)化、芯片面積小和成本低、設(shè)計的可靠性、在制造后能夠全面和快速地進(jìn)行測試等。設(shè)計流程（具有條理性、層次性、可靠性的設(shè)計方法)，其過程有系統(tǒng)描述→功能設(shè)計→邏輯設(shè)計→電路設(shè)計→版圖設(shè)計→設(shè)計驗證→模擬和仿真→制造→封裝和測試等流程。集成電路芯片制造工藝有氧化工藝、摻雜工藝、光刻工藝、刻蝕工藝等，SiO2膜的設(shè)計過程消洗表層→圖用光刻膠→烘干→曝光→顯影→堅膜→腐蝕→去膠微電子系統(tǒng)的設(shè)計（微處理器的設(shè)計）設(shè)計方法分類全定制設(shè)計方法、半定制設(shè)計方法、可編程邏輯器件（PLD）法、硅編譯法、混合模式設(shè)計方法。門陳列（母片）是在硅片上以矩陣的方式排列邏輯門電路并預(yù)先制定集成電路的半成品，已有CMOS、nMOS、TTL和BiCMOS等不同工藝，有點是設(shè)計自動化程度高、設(shè)計周期短、設(shè)計成本低，缺點是布圖密度低、品種有限?？删幊剃嚵羞壿嫞≒AI)、通用陣列邏輯（GAL)、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、專用集成電路（ASIC）等是泛指面向?qū)ｉT用途或特定用戶而專門設(shè)計的集成電路片上系統(tǒng)（SOC)設(shè)計。信號分析及處理技術(shù)信號分為自然和物理的信號和人工產(chǎn)生信號，前者包括語音、圖像、地震信號等，后者有雷達(dá)信號、通信信號、醫(yī)用超聲波信號、機械探傷信號。信號的處理實質(zhì)是提取、增強、存儲和傳輸有用信號的一種運算?；久枋龇绞接泻瘮?shù)、波形、頻譜。信號處理從分析方法看從信號和系統(tǒng)形式看時域分析法交換域分析法連續(xù)時間傅里葉變換離散時間傅里葉變換連續(xù)時間拉普拉斯變換Z變換連續(xù)時間分析離散型時間分析頻譜可以表示信號的頻率特征，它是具有一定規(guī)律的圖標(biāo)或圖像，如福頻譜、相位頻譜。模擬信號→抽樣性信號→數(shù)字信號→離散信號→模擬信號模擬信號經(jīng)過數(shù)字處理過程的框圖抽樣A/D轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換內(nèi)插信號分類有確定性信號和隨機信號、連續(xù)信號和離散信號、模擬信號和數(shù)字信號、因果信號和非因果信號、一維信號和多維信號等之分。典型信號有指數(shù)信號、正弦信號、抽樣信號、單位階躍信號、單位激越信號等。系統(tǒng)是指若干個相互依賴的事物組成具有特定功能的整體。它和信號密切相關(guān)、可用數(shù)學(xué)方法描述系統(tǒng)。分類（數(shù)字模型）有即時系統(tǒng)（無記憶系統(tǒng)）、動態(tài)系統(tǒng)（記憶系統(tǒng)）、線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時變系統(tǒng)（參變系統(tǒng)）、是時不變系統(tǒng)（非時變系統(tǒng)）、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)。語音信號處理基本內(nèi)容：語音信號處理基礎(chǔ)、語音信號分析（時域、頻域、倒譜域等犯方法）、語音編碼、語音合成、語音識別、說話人識別等。數(shù)字圖像處理（計算機圖像處理）：最常用的方法有圖像增強、復(fù)原、編碼和壓縮等?；緝?nèi)容有圖像采集及存儲、數(shù)字信號進(jìn)行處理再次進(jìn)行存儲，方法有圖像變換、圖像編碼壓縮、圖像增強和復(fù)原、圖像分割、圖像描述、圖像分類、圖像分類（圖像識別），有再現(xiàn)性好、處理精度高、適用面寬、靈活性高的特點，應(yīng)用有航天和航空遙感方面的應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)工程及疾病診斷的應(yīng)用、通信工程方面的應(yīng)用、工業(yè)和工程方面的應(yīng)用、軍事方面和文藝方面的應(yīng)用。信息傳輸技術(shù)通信是指將大量有用的信號高效率、無失真地進(jìn)行傳輸，通信系統(tǒng)的一般模型：信源→發(fā)送設(shè)備→信道→接收設(shè)備→信宿分類有模擬信號形式和數(shù)字信號形式兩種。模擬信號模型?信源→調(diào)制器→信道→接收設(shè)備→信宿，其按調(diào)制方式分為連續(xù)調(diào)制系統(tǒng)（包括振幅、頻率、相位等）和脈沖調(diào)制系統(tǒng)（包括脈沖振幅、脈沖相位、脈沖寬度）。數(shù)字通信技術(shù)（計算機網(wǎng)絡(luò)）21世紀(jì)將向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化發(fā)展。三網(wǎng)指電信網(wǎng)絡(luò)、廣播電視網(wǎng)絡(luò)和計算機網(wǎng)絡(luò)。組建目標(biāo)是實現(xiàn)資源共享和信息傳遞。定義是連接兩臺以上計算機進(jìn)行通信的系統(tǒng)。分類：功能?資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?環(huán)形網(wǎng)、星形網(wǎng)、總線網(wǎng)、樹形網(wǎng)通信介質(zhì)?雙絞線網(wǎng)、同軸電纜網(wǎng)、光纖網(wǎng)、無線衛(wèi)星網(wǎng)信號頻帶占用方式?寬帶網(wǎng)、窄帶網(wǎng)規(guī)模及覆蓋范圍?局域（LAN）、城域網(wǎng)（WAN)、廣域網(wǎng)(MAN)

體系結(jié)構(gòu)?分層模型和OSI參考模型局域網(wǎng)的硬件平臺組成：一個或多個服務(wù)器、多臺工作戰(zhàn)、傳播媒體、網(wǎng)絡(luò)適配器（網(wǎng)