第一章 信息技术概述.ppt

计算机基础理论的内容组织,第1章 信息技术概述,1.1 信息与信息技术1.2 微电子技术简介1.3 通信技术入门1.4 数字技术基础,1.1 信息与信息技术,信息是什么？(1),关于信息（information），至今并没有统一的定义日常生活中比较笼统和模糊的几种解释是：语言、文字、图画、照片等表示的内容（新闻、消息或知识）读书、上课、交谈等所学习和了解的知识、方法、事实和情况为了做判断、订计划或求解问题等所需要的数据、资料,数据和信息,（2015单选）根据国际标准化组织（ISO）的定义，信息技术领域中“信息”与“数据”的关系是（）A信息包含数据 B信息是数据的载体 C信息是指对人有用的数据 D信息仅指加工后的数值数据,C,数据：数字、文字、声音、图像等。信息：对人有用的数据。关系：数据包含信息，数据处理的结果即为信息。,什么是信息处理？,信息处理指的是与下列内容相关的行为和活动：信息的收集(如信息的感知、测量、获取、输入等)信息的加工(如信息的分类、计算、分析、转换等)信息的存储(如书写、摄影、录音、录像等)信息的传递(如邮寄、出版、电报、电话、广播等)信息的施用(如控制、显示等),人工进行信息处理的过程,人工信息处理的不足：算不快 记不住 传不远 看（听）不清,手/脚/身,眼/耳/鼻/舌/身,什么是信息技术？,信息技术（Information Technology，简称IT）指的是用来扩展人们信息器官功能、协助人们更有效地进行信息处理的一门技术。(要点)信息技术包括：扩展感觉器官功能的感测(获取)与识别技术扩展神经系统功能的通信技术扩展大脑功能的计算(处理)与存储技术扩展效应器官功能的控制与显示技术,现代信息技术,3大特征:(要点)采用电子技术（包括激光技术）以数字技术（计算机）为基础以软件为核心内容：计算机、微电子、通信、广播、遥感遥测、自动控制、机器人等,信息处理系统,信息处理系统：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。信息处理系统应用实例（要点）1.电视、广播系统 2.电话 3.计算机网络,1.2 微电子技术简介,（1）微电子技术与集成电路（2）集成电路的发展趋势,(1)微电子技术与集成电路,微电子技术是信息技术领域中的关键技术，是发展电子信息产业和各项高技术的基础 微电子技术的核心是集成电路技术,电子电路中元器件的发展演变,微电子技术是以集成电路为核心的电子技术，它是在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起来的。,电子管(1904),什么是集成电路？,集成电路(Integrated Circuit，简称IC)：以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所构成的一个微型化的电路或系统（P4考点）集成电路的优点：体积小、重量轻功耗小、成本低速度快、可靠性高,超大规模集成电路,小规模集成电路,IC是所有电子产品的核心,集成电路的分类（要点）,按用途分：通用集成电路专用集成电路（ASIC）按电路的功能分：数字集成电路模拟集成电路按晶体管结构、电路和工艺分：双极型（Bipolar）电路金属氧化物半导体(MOS)电路按集成度(芯片中包含的元器件数目)分：（要点）,集成电路的封装,集成电路封装目的：电功能、散热功能、机械与化学保护功能 常见的封装方式：单列直插式（SIP）双列直插式（DIP）阵列式（PGA）,(2)集成电路的发展趋势,集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。晶体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就越快，相同面积的晶片可容纳的晶体管数目就越多。所以从集成电路问世以来，人们就一直在缩小晶体管、电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。,IC集成度提高的规律,Moore定律：单块集成电路的集成度平均每18-24个月翻一番(Gordon E.Moore,1965年)（考点）,(4)IC卡简介,几乎每个人每天都与IC卡打交道，例如我们的身份证、手机SIM卡、交通卡、饭卡等等，什么是IC卡？它有哪些类型和用途？工作原理大致是怎样的？下面是简单介绍。,什么是 IC卡？,IC卡(chip card、smart card)，又称为集成电路卡，它是把集成电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、处理和传递数据的载体特点：存储信息量大保密性能强可以防止伪造和窃用抗干扰能力强可靠性高应用举例：作为电子证件，记录持卡人的信息，用作身份识别（如身份证、考勤卡、医疗卡、住房卡等）作为电子钱包（如电话卡、公交卡、加油卡等）,IC卡的类型(按芯片分类),存储器卡：封装的集成电路为存储器，信息可长期保存，也可通过读卡器改写。结构简单，使用方便，有一定安全措施。用于电话卡、水电费卡、公交卡、医疗卡等（带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路）CPU卡：封装的集成电路为中央处理器（CPU）和存储器，还配有芯片操作系统(Chip Operating System)，处理能力强，保密性更好，常用作证件和信用卡使用。手机中使用的SIM卡就是一种特殊的CPU卡,IC卡的类型(按使用方式分类),接触式IC卡(如电话IC卡)表面有方型镀金接口，共8个或6个镀金触点。使用时必须将IC卡插入读卡机，通过金属触点传输数据。用于信息量大、读写操作比较复杂的场合,但易磨损、怕脏、寿命短非接触式IC卡(射频卡、感应卡)采用电磁感应方式无线传输数据，解决了无源（卡中无电源）和免接触问题操作方便，快捷，采用全密封胶固化，防水、防污，使用寿命长用于读写信息较简单的场合，如身份验证等,非接触式IC卡,1.3 通信技术入门,1.3.1 通信的基本原理1.3.2 模拟通信与数字通信1.3.3 光纤通信和无线通信1.3.4 个人移动通信,1.3.1 通信的基本原理,（1）通信系统的基本模型（2）调制与解调（3）多路复用技术,什么是通信(communication)？,广而言之，通信就是信息的(远距离)传递与交流现代通信使用电波或光波传递信息的技术，也称为电信（telecommunication），如电报、电话、传真、电子邮件、BBS、QQ等通信的发展历史：1836年，英国建成第一条电报线路(Morse电报)1876年，美国人A.G.Bell研制成可供实用的电话20世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信1918年出现收音机和无线电广播1938年第一个电视台开始播出1940s 出现彩色电视1960s 出现计算机网络,通信系统的模型,通信的三要素：,举例:,信道的任务是迅速、可靠而准确地将信号从信源传输到信宿,被传输的信息都必须以某种电(或光)信号的形式才能进行传输,发送信息的设备,接收信息的设备,模拟信号与数字信号,通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号(或光信号)才能进行传输,电信号(或光信号)有两种形式：模拟信号形式:通过连续变化的物理量（如信号的幅度）来表示信息，例如人们打电话或者播音员播音时声音经话筒(麦克风)转换得到的电信号；数字信号形式:使用有限个状态(一般是2个状态)来表示（编码）信息，例如电报机、传真机和计算机发出的信号都是数字信号,模拟信号如何传输？,近距离传输：直接传输(如：MP3播放器 耳机；计算机输出信号 投影仪)远距离传输：通过载波来传输模拟信号(如：广播电台收音机)什么是载波？研究发现，高频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他信号传送得更远。因此若把高频振荡的正弦波信号作为携带信息的载波，把模拟信号放在(调制在)载波上传输，则可比直接传输远得多,模拟信号如何进行载波传输？三种调制方法,实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”：,数字信号如何传输？,近距离传输方法基带传输近距离传输时：不加处理直接进行（如：USB连接）较长距离传输：需作码型转换（如：以太网中传输数字信号）,含有直流成分，不便于同步，不适合直接传输,平均直流电平为0，电平的变化可作为同步信号,远距离传输方法通过载波来传输数字信号(频带传输),数字信号的三种调制方法,小结1:远距离通信必须使用MODEM,通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调器，它们通常做在一起，称为调制解调器(MODEM),信源信号通过调制器 调整载波的某个参数(幅度、频率或相位),到达目的地后，使用解调器把载波所携带的信号检测出来，恢复为原始信号的形式,经过调制后的载波信号，携带着被传输的信号在信道中进行长距离传输,怎样实现低成本传输？,分析：通信系统中，传输线路的建设和维护成本占整个系统成本的相当大的份额一条传输线路（铜线、光纤、无线电波）的容量通常远超过传输1路用户信号所需的能力采用的技术多路复用技术(Multiplexing)多路信号使用同一条传输线同时进行传输（要点）方法：频分多路复用（FDM）时分多路复用（TDM）波分多路复用（WDM）,频分多路复用(Frequency Division Multiplexing,FDM),思想：将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波上，通过频分多路复用器(MUX)将它们复合成为一个信号，然后在同一传输线路上进行传输。抵达接收端之后，借助分路器(DEMUX)把不同频率的载波分离出来，送到不同的接收设备工作原理：,将不同频率的载波信号合成在一起,使用一组滤波器分解出不同频率的载波信号,频分多路复用举例1,广播电台节目的发送与接收,常见广播电台使用的载波频率中波 900 KHz(南京经济台)中波1008 KHz(南京新闻台)短波 15.28 MHz(英国BBC)短波 15.29 MHz(VOA美国之音)调频104.3MHz(南京体育台)调频105.8MHz(南京音乐台),频分多路复用举例2,电视节目的发送与接收,时分多路复用(Time Division Multiplexing,TDM),思想：各通信终端（计算机、电话）以规定的顺序和时间轮流使用同一传输线路进行数据传输工作原理：,小结2:多路复用可以降低通信成本,通信系统的原理示意图,多路复用技术使得成千上万路通信可以在同一条传输线上同时进行，大大节省了通信成本,频分多路、时分多路和波分多路等技术可以同时使用，以提高复用效率,1.3.2 模拟通信与数字通信,（1）模拟通信（2）数字通信,模拟通信,信源产生的模拟信号直接进行传输或者通过对载波调制后进行传输的通信技术称为模拟通信技术 应用：(传统的)有线载波电话无线电广播电视（卫星电视、数字有线电视除外）优点：历史长，技术成熟，结构简单，成本低缺点：在信号的调制和传输过程中易受噪声干扰，传输质量不够稳定趋势：已经越来越多地被数字通信所取代,模拟通信技术应用举例,电话拨号上网:利用模拟传输技术传输数字信号,模拟通信技术应用举例,家庭计算机用户通过电话拨号接入计算机网络,调制解调器把计算机送出的数字信号,采用数字调制(频移键控或相移键控)的方法,调制成为适合于在用户电话线上传输的音频模拟信号,因特网服务提供商把接收到的模拟信号，通过解调器恢复成数字信号送给计算机,目前电话上网的最高传输速率：56Kbps,音频模拟信号在本地电话网中，采用模拟传输技术进行传输,什么是数字通信？,将信源产生的模拟信号转换为数字信号（或信源直接产生数字信号）之后，直接进行传输或通过用数字信号对载波进行数字调制来传输信息的技术称为数字通信数字通信技术的优点：抗干扰能力强，差错可控制，无噪声积累，传输质量高灵活性好，能适应多种应用需求，声音、图像、数据均可传输传输的数字信号可以直接由计算机进行存储、管理和处理数字信号的加密比模拟信号容易，所以通信的安全性高数字电路容易用超大规模集成电路实现，有利于通信设备的小型化、微型化，也降低了功耗,数字通信技术应用举例（1）,当今长途电话系统的中继通信,模拟声音信号在需要进行远距离传输之前，先使用PCM编码器变换为数字信号形式（此过程称为“数字化”）,接收方所在地区的交换局使用解码器把数字信号还原成模拟声音信号后，由用户线传输至接听方的电话机,数字信号经调制和复用后，通过光纤传输到接收方所在地区的交换局，再经解调和分路处理，恢复为数字信号,数字通信技术应用举例（2）,卫星电视数字传输：用数字传输技术传输模拟信号,数字信号经调制和复用后由天线发送至卫星，再由卫星进行转发，被卫星地面接收站所接收,电视台的节目在发送到卫星去传输之前，先要把图像和伴音信号进行数字化，还要进行数据压缩,地面站对接收到的信号进行解调、解码后恢复为模拟信号，再经由有线电视电缆送到用户电视机上播放,数字通信系统的主要性能指标,数据传输速率(简称数据速率,data rate)指实际进行数据传输时单位时间内传送的二进位数目计量单位：“位/秒”(bps)、“千位/秒”(kbps)、“兆位/秒”(Mbps)或“千兆位/秒”(Gbps)等信道带宽(也称为信道容量,bandwidth)(要点)一个信道允许的最大数据传输速率（数字），频率差值（模拟）信道带宽与采用的传输介质、传输距离、多路复用方法、调制解调方法等密切相关误码率(error rate)指数据传输中规定时间内出错数据占被传输数据总数的比例端端延迟(end-end delay)指数据从信源传送到信宿所花费的时间。,1.3.3 光纤通信与无线通信,（1）传输介质的类型与特点（2）光纤通信（3）无线通信,传输介质的类型与特点,双绞线和同轴电缆,原理：利用电流(电压)传输信息双绞线分类3类线(10 Mb/s)；5类线(100Mb/s)；6类线(200Mb/s)无屏蔽双绞线(UTP)；屏蔽双绞线(STP),同轴电缆分类基带同轴电缆（50）传输数字信号宽带同轴电缆（75）传输模拟信号,返回,光纤与光缆,光线,光波在光纤中的传播,光导纤维（光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去）,光波,光缆,光纤通信原理,光纤主要用于传输数字信号，0信号或1信号直接对光进行调制(即控制激光的通或断幅移键控ASK)光波的频率为10141015Hz，目前一束光每秒能携带2.5G或10G的二进位信号，通过波分多路复用（WDM）技术还可达到更大的通信容量,在发送端，由需要传输的数字信号（电信号）去驱动一个光源（半导体激光器或发光二极管），并对发出的光信号进行调制,在接收端，信号经放大后由光检测器（半导体光电管）进行检测、解调，转换成电信号之后输出,调制后的光信号通过光纤进行传输，为了补偿光纤线路的损耗，消除信号失真和噪声干扰，每隔一定的距离要接入中继器（要点）,波分多路复用(Wave Division Multiplexing,WDM),为提高传输效率，1根光纤中可以同时传输几种不同波长的光波，每种光波各自传输自己所携带的信息，速率可达到 40G-100Gbit/s原理：,光纤,发送端有N个发送单元，它们各自发出不同波长的光波,通过复用器（称为合波器）合并起来，进入同一根光纤进行传输,接收端用分路器(称为分波器)将不同波长的光分开，分别送到各自的光电检测器恢复出原始信号,光纤通信的优点,光纤除了具有大容量、数字传输的优点之外，它是绝缘体，不会受高压线和雷电电磁感应的影响，抗辐射的能力强。光纤基本上可以做到不漏电，因此保密性比较强。光纤的重量轻，便于运输和铺设，它的传输损耗很小，所以无中继通信传输的距离很长。,返回,无线通信,原理：模拟信号或数字信号使用电磁波调制后进行传输,返回,微波通信（考点）,微波：300MHz300GHz范围内的电磁波，波长为1 m1mm,特点：直线传播，不能沿地球表面传播（无绕射性），需要每隔几十公里设立一个中继站容量大、可靠性高建设费用低抗灾能力强应用：长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视（HDTV）等,微波通信,微波进行远距离传输的三种方式：1.地面微波接力通信 2.卫星通信 3.对流层散射通信,卫星通信,卫星通信:中继站在人造地球卫星上的一种微波通信优点：通信距离远、频带宽、容量大、抗干扰强、通信稳定缺点：造价高、技术复杂、有较大延时、同步轨道卫星数目仅180颗,赤道上方高度为35800公里的地方为地球同步轨道，卫星的运行周期与地球自转一圈的周期相同，在地面上看这种卫星好似静止不动。一颗同步轨道卫星覆盖约120，3颗同步定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部面积，进行二十四小时的全天候通信,1.3.4 移动通信,（1）什么是移动通信（2）移动通信原理（3）第2代和第3代移动通信,什么是移动通信？,处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等优点：克服通信终端位置对用户的限制，快速和及时地传递信息,基站,移动台（手机）,