第一章信息技术概述.ppt
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1、1,计算机专转本 (南师大) 徐建军,第一章 信息技术概述,3,第一章 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,4,1.1 信息与信息技术,什么是信息 信息处理与信息技术 信息处理系统,5,什麽是信息?(1),信息同物质和能源一样,是人们赖以生存与发展的重要资源。人类通过信息认识各种事物,借助信息的交流沟通人与人之间的联系,互相协作,从而推动社会前进。,信息概述,6,日常生活中信息的几种解释: 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
2、问题等所需要的数据、资料 ,什麽是信息?(1),7,中国大百科全书的解释:从认识论层次来看,信息是指认识主体所感知或主体所表述的 “事物运动的状态及状态变化的方式” 信息因它所表达的内容而有一定的价值,也因能相互交流而体现其作用 信息有多种表现形式,语言、文字、声音、图片等都是信息的表现形式(载体) 信息与物质和能量同样重要,它是人们认识世界、改造世界的一种基本资源,什麽是信息?(2),8,什麽是信息?(2),可传递性和共享性 信息必须依附于载体 信息的可处理性,信息的主要特征,9,什么是信息处理?,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
3、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、电报、电话等 ) 信息的施用(如控制、显示等),10,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,11,信息技术,信息技术:用来扩展人的信息器官功能、协助人们进行信息处理的一类技术。 人的信息器官及功能: 感觉器官(眼耳鼻舌身)获取信息 神经网络传递信息 思维器官(大脑)处理信息并再生信息 效应器官(手脚)施用信息,12,基本信息技术,感知与识别技术扩展感觉器官功能, 提高人们的感知范围、感知精度和灵敏度 通信技术与
4、存储技术扩展神经网络功能, 消除人们交流信息的空间和时间障碍 计算处理技术扩展思维器官功能, 增强人们的信息加工处理能力 控制与显示技术扩展效应器官功能,增强人们的信息控制能力,13,信息技术的发展历史,语言的形成和使用 文字的创造 印刷技术的发明 望远镜、显微镜 电报和电话通信 广播、电视 雷达、卫星(遥感感测) 计算机、机器人 因特网(Internet) ,14,现代信息技术,3大特征: 采用电子技术(包括激光技术)进行信息的收集、传递、加工、存储、显示与控制 以数字技术(计算机)为基础 以软件为核心 领域: 微电子、通信、广播、计算机、遥感遥测、自动控制、机器人等,15,什么是信息处理系
5、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,可以通称为信息处理系统,16,信息处理系统举例,雷达: 以感测与识别为主要目的的系统 电视/广播: 以单向、点到多点(面)的以信息传递为主要目的的系统 电话:以双向、点到点的信息交互为主要目的的系统 银行:以处理金融信息为目的的系统 图书馆:以信息收藏和检索为主要目的的系统 因特网:跨越全球的多功能信息处理系统,17,1.2 微电子技术简介,微电子技术与集成电路 集成电路的制造 集成电路的发展趋势 IC卡,18,(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
6、高技术的基础 微电子技术的核心是集成电路技术,19,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。,20,什么是集成电路?,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 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,21,集成电路的分类,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
7、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:,22,(2)集成电路的制造(选学),集成电路的制造工序繁多,从原料熔炼开始到最终产品包装大约需要400多道工序,工艺复杂且技术难度非常高,有一系列的关键技术。许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成。 目前兴建一个有两条生产线能加工8英寸晶圆的集成电路工厂需投资人民币10亿元以上。,23,集成电路的制造流程,24,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 (DI
8、P) 阵列式(PGA) 塑料有引线芯片载体(PLCC) 扁平贴片式(PQFP) 球栅阵列封装(BGA) 小外形封装(SOP),集成电路的封装形式,26,(3)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。,27,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个月翻一番 (Gordon E.Moore,1965年),28,集成电路技术的发展趋势,29,进一步提高集成度的问题与
9、出路,问题: 线宽进一步缩小后,晶体管线条小到纳米级时,其电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动,晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作 出路: 在纳米尺寸下,纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应,人们正在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器件,使能开发出新的纳米芯片和量子计算机 同时,人们还在研究将自然界传播速度最快的光作为信息的载体,发展光子学,研制集成光路,或把电子与光子并用,实现光电子集成,30,集成电路的发展趋势,光子计算机 光能够像电一样来传递信息,甚至效果更好。而且,更重要的一个特点在于它不会和周围环境发生相互干扰的作用。,31,(4) IC卡简介,几乎每个人每天都与IC卡打交
10、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。,32,什么是 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),33,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
11、存,也可通过读卡器改写。结构简单,使用方便。用于安全性要求不高的场合,如电话卡、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。,34,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
12、(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,35,非接触式IC卡在身份证中的使用,第二代身份证使用非接触式CPU卡,可实现“电子防伪”和“数字管理”两大功能 : 电子防伪措施:个人数据和人脸图像经过加密后存储在芯片中,需要时可通过非接触式读卡器读出进行验证。需要时还可以将人体生物特征如指纹等保存在芯片中,以进一步提高防伪性能 数字管理功能: 存储器能储存多达几兆字节的信息,采用分区存储,按不同安全等级授权读写 采用数据库和网络技术,实现全国联网快速查询和
13、身份识别,将使二代证在公共安全、社会管理、电子政务、电子商务等方面发挥重要作用,36,1.3 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 移动通信,37,1.3.1 通信的基本原理,通信系统的基本模型 调制与解调 多路复用技术,38,什么是通信(communication)?,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) 187
14、6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,39,对通信系统的一般要求,远距离:传输距离要远 低成本:传输成本要低 高速度:从发生到接收延迟时间要短 可靠:传输的信息不能有错误 方便:任何时间和地点都能通信 安全:传输的信息要保密,不能泄漏,40,通信系统的模型,通信的三要素:,举例:,信息的载体与传播媒介。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
15、送信息的设备,接收信息的设备,41,信道的种类,按传输的信号类型可将信道分为: 模拟信道:传输连续的模拟信号的信道 特点:频带窄,信道利用率高;受噪声干扰大 例如:传输语音信号的架空明线、双绞线,传输广播电视信号的宽带同轴电缆 数字信道:传输离散的数字信号 特点:信号不失真,准确性高;数字设备可大规模集成,价格便宜;易于加密;要求频带宽,信道利用率低 例如:传输计算机通信所用的信号的基带 同轴电缆、光缆等,42,信道的种类,按信号的传输媒体可将信道分为: 有线信道:电缆、光缆 无线信道:自由空间,43,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
16、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,44,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
17、在)载波上传输,则可比直接传输远得多,45,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”:,46,两类数字信号:,基带信号: 用两种不同的电压值表示数字1和0的信号,需在数字信道上传输。 宽带信号: 将基带信号进行调制,将其频谱搬移到较高的频率处而形成的模拟信号,这种模拟信号可以采用频分复用技术在模拟信道上传输。,47,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),远距离传输方法通过载波来传输数字信号(频带传输),48,数字信号的三种调制方
18、法,49,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),50,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) 为了提高线路利用率,设法在一条传输线路上,传输多个模拟信号(例如,话路信息)或数字信号,这就是多路复用。 方法: 频分多路复用(FDM) 时分多路复用(TDM) 波分多路复用(WDM),51,频分多路复用(FDM),
19、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,52,频分多路复用举例,电视节目的发送与接收,53,时分多路复用(TDM),把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路的信息。 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:,54,在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波,使得数据传输速度和容量获得
20、倍增,波分多路复用,55,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,56,1.3.2 模拟通信与数字通信,模拟通信 数字通信 数字通信系统,57,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
21、越多地被数字通信所取代,58,模拟通信技术应用举例(1),传统的有线载波电话,59,模拟通信技术应用举例(2),电话拨号上网: 利用模拟传输技术传输数字信号,60,模拟通信技术应用举例(3),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,61,什么是数字通信?,将信源产生的模拟信号转换为数字信号(或信源直接产
22、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,62,数字通信采用的技术,数字调制/解调技术 调幅;调频;调相 多路复用技术 时分多路;频分多路;波分多路 交换技术 电路交换;分组交换 模-数和数-模转换技术; 数字编码和数据压缩技术,63,
23、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,64,补充:PCM编码,PCM(脉冲编码调制)原理:将模拟信号按时间间隔T取样,再把取样得到的每一个样本用二进制整数表示,65,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
24、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,66,小结:数字通信系统的模型,为了进行可靠的传输,为了高效率地进行远程传输,67,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) 一个信
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