电子信息导论01

第一章概述《电子信息科学与技术导论》第一章概述1.1信息化社会1.2信息科学技术的基本概念1.3电子技术的发展1.4信息科学技术的研究领域1.5电子信息科学技术的学科与专业小结1.1信息化社会一、信息化社会的特征由于电子信息科学技术的进步和广泛应用，正在促使当今世界进行着一场信息化革命，其结果必然导致信息化社会在全球实现。1，信息成为资源：信息成为了与材料和能源等同的社会三大支柱。2，社会网络化：网络四通八达，网络深入社会政治、文化、教育活动，深入到工业生产、农业生产、城市管理、医疗卫生、交通运输、物流和社区。3，生产智能化：产生了智能化生产工具，具备了与智能化工具相适应的生产力。智能化生产工具不是一个孤立分散的自动控制系统，而是一个有组织的信息化生产网络体系。二、信息化社会的产生背景第一次工业革命（18世纪60年代）：其标志是蒸汽机的发明和使用。从此人类进入了工业化大生产时代。第二次工业革命（19世纪70年代）：其标志是电灯炮和电力设备的发明和使用，之后又发明了电话等。从此人类进入了“电气化时代”。第三次工业革命（始于20世纪五十年代）：其标志是电子计算机的发明和应用。从此人类社会开始进入信息化时代。信息化依赖于发达的电子信息技术手段，计算机（硬件和软件）是信息处理的核心；而计算机的核心又是集成电路；独立的计算机并不能实现信息化，而必须有互联网的普及应用才能发挥信息的作用；要组成信息网络又必须依赖通信技术；因而是信息技术的综合平衡发展才能实现社会的深刻变革，使人类步入信息化社会。1.2信息科学技术的基本概念一、信息信息的含义：信息是人类社会、宇宙和大自然的一切事物运动变化的表征。信息是知识，是资源，也是财富。当代社会将信息、材料和能源并列，被称之为社会的三大支柱。1信息2材料3能源信息技术：不论何种信息，要描述它都需通过语言、文字（包括定律、数学公式和数据等书面形式）或图像反映出来，因而信息与语言、文字和图像密不可分，在一定程度上可以说：信息技术是关于语言、文字和图像的技术。信息技术世界文明发展语言人类文明开始文字文化印刷文艺复兴邮政第一次工业革命电报和电话第二次工业革命广播和电视第三次工业革命信息网络技术知识经济时代信息技术进步与世界文明发展密切相关！信息技术与世界文明关系表：二、信息技术创造了语言人类才由动物进化成人类。信息技术进步与世界文明发展密切相关！有了语言才能交流，才能组织社会。文字是书面语言（信息存储的一种形式）。甲骨文像形文字沟通信息，交换情报的社会需求，是人类通信技术进步的源动力！古代峰火边防海军旗语信鸽传书信息科学：信息科学是人类了解自然、感知自然，了解社会、沟通情报的一门综合性科学；信息科学是由信息论、通信工程、控制论、计算机科学、仿生学、系统工程与人工智能等学科互相渗透、相互结合而形成；如果从技术角度看，可以认为：信息科学是系统研究信息获取、传输、处理、显示、存储、检索与应用的科学，它涉及语言、文字、数据（包含物理参数）、生物信息、图像等信息形式。三、信息科学信息含义的广泛性：光信息：光滤波、光放大、光信息处理等（由全光学器件实现）传媒信息：新闻出版、节目制作、图书资料管理、媒体传播学等都属于信息科学技术范畴。留声机手摇计算机“电子信息科学技术”是借助电子科学技术手段，实现信息科学技术目标的理论、技术和方法，是信息科学技术中应用最广、影响最深的一个领域。机械信息技术：如留声机（记录声音的振动波形）、手摇计算机等。从此世界进入电子时代!弗莱明一、电与电子管1906年弗雷斯特发明的电真空三极管1.3电子技术的发展1904年弗莱明发明的电真空二极管在电灯炮中加一金属板在二极管中加一金属网德.弗雷斯特电子管原理结构不同型号的真空电子管在电真空管原理基础上，还发展出了众多的其它电真空器件，如：电视机显像管CRT（CathodeRayTube）、示波器用的阴极射线示波管、摄像机用的真空摄像管等。广播、电视、雷达等电子信息设备进入了高速发展期，还发明了电子计算机，从此人类社会的电子信息时代开始了。二、半导体器件1，电子管的缺点1946年[美]宾州大学用18800个电子管作的世界上第一台计算机。重30吨，占地约两间教室大，耗电174千瓦时，运算速度5000次加法/秒。体积大、功耗高：1946年世界上第一台计算机晶体管发明者：巴丁、布拉坦和肖克利1947年[美]贝尔实验室三位科学家巴丁、布拉坦和肖克利制造出了世界上第一只点接触型锗晶体三极管2，晶体管的发明第一只晶体三极管晶体管实物晶体管内部原理结构晶体管相对于电子管体积小、重量轻、耗电省，是电子技术划时代的发明！三、集成电路1958年[美]德州仪器公司工程师杰克·基尔比在一块6.45平方毫米硅片上集成了12个元件，研制出了一个RC移相振荡器。这是世界上第一块集成电路芯片，它标志着电路制作上的一次革命性进展。基尔比1958年设计集成电路草稿世界第一片集成电路（1958）从此开创了微电子新时代！1971年世界上第一个商用微处理器：英特尔4004，晶体管数目：2300，速度：108KHz1961年仙童公司集成电路386CPU芯片芯片内部布线一块芯片内可集成10万以上的元器件，从此电子信息技术跨入了飞速发展的新时期！电子信息科学是最具活力的年轻学科！当今集成电路的制造水平：线宽45纳米，一片集成电路就是一个电子系统！电子管发明至今只约100年，集成电路发明不过50年！为纪念电子管发明100周年制作的电子管、晶体管、集成电路混装PC机主板。1906年第一只电真空三极管诞生至2006年电子管发明100周年！四、21世纪电子新器件纳米电子学和纳米器件将是微电子器件的下一次革命，纳米电子器件的功能将远远超出人们的预期，它将给人类信息科学技术的发展带来新的变革。石墨烯被普遍认为会最终替代硅，而成为纳米电子器件的理想材料。2008年4月，英国科学家宣布他们用石墨烯制造出一种只有1个原子厚、10个原子宽的超微型晶体管。不久前美国IBM公司又制造出了石墨烯集成电路。我国也正加紧石墨烯材料的研究。石墨烯原子排列示意图1.4信息科学的研究领域一、信息获取二、信息传输三、信息处理四、信息的存储五、信息利用455一、信息获取1）语音是人类使用最频繁、使用最多的交流信息的工具。语音获取方法获取的语音波形4磁体线圈纸盒送话器1.4信息科学的研究领域2）图像信息获取方法：光电摄像、CCD成像、红外成像、微波成像、X光医学图像等光电摄像管CCD成像器件多光谱地面成像照片X光医学图像3）物理参数：如温度、压力、张力、变形、流量（液体或气体）、流速等采用相应的参数传感器，广泛用于各工业、工程和国防控制系统中。温度传感器压力传感器流量传感器传感器是将物理参数变成电信号的专用器件。4，军事信息获取卡-31舰载预警直升机现代军事信息获取工具已发展成了一类复杂的信息获取平台，如预警飞机、侦察卫星、雷达网和无人侦察飞机，甚至空天飞机等。按信息获取使用的手段可分为雷达、电视、光学、照相、声纳、微波、红外和激光等。侦察卫星无人侦察机二、信息传输1，通信系统的模型电话、广播、电视、互联网，都是信息传输系统。也称通信系统。消息：指语音、文字、数据或图像非电信号54单工双工通信系统类型半双工无线集群通信固定电话移动电话广播电视注：广播、电视数字化后，用户可上传信息（如点播节目），但它是利用另一上传通道实现的。这类系统不叫双工。2，通信系统类型信息传输的主要理论编码理论调制理论检测理论在大学《通信原理》课程中讲授信息传输的其他课程详见教学计划信息传输的理论和技术在电子信息科学技术中占有很大比重，但有待优化。移动通信锁相技术交换原理通信系统通信网微波技术及天线通信软件数字视频技术通信系统仿真（等）电视原理3，通信系统中的理论技术4，通信网5，互联网的拓展电话网电视网互联网特点：网络发展初期各网的信号结构、通信体制不同，相互独立，互不兼容。当前发展趋势：数字化、IP化，走向三网融合。同时有多达千万级的用户接入网络。主要网络：互联网可以打电话（网络电话、视频电话）、看电视（IPTV）、发邮件（代替传真），同时还可以在网上购物、开视频会议等。不但计算机和各种网络终端可以接入互联网，而且家用电器、交通工具和各种配有网络接入信号端口的物品都可以接入互联网，称之为“物联网”（TheInternetofThings）三网融合的实质是：电话网、电视网融入到互联网的IP信号体制！三、信息处理1．信号处理与信息处理（1）信号处理：是针对信号中的某一参数所进行的处理，在处理过程中未考虑信号参数所代表的信息含义。信号处理模型：输入信号参数→输出信号参数。（2）信息处理：有两种模型：信号→信息、信息→信息。信息处理往往要通过对信号中代表信息的相应参数的处理来实现。它对信号参数的处理目的是服从于信息本身，如要求图像清晰度高、品质好等。信息处理主要包括：信息参数提取、增强、信息分类与识别等。信息处理模块的设计与评价是以其输出信息的质量指标为依据。•汉字识别2，汉字识别印刷体汉字识别汉字识别手写体汉字识别脱机手写体汉字识别尚在发展中。联机手写体汉字识别用于手机、计算机汉字输入。己较成熟。语义识别（自然语言处理、自然语言理解）基于推理、人工智能；用于不同语言的翻译机。正迅速发展。语音信息处理语音数据压缩语音识别语音合成主要用于智能机器人、翻译机和智能玩具等从64千比/秒（固定电话）己降至1.2千比/秒（CDMA移动电话）3，语音信息处理（1）语音识别：第一步是将模拟语音波形数字化，第二步是从数字语音信号中提取语音参数，第三步是建立语音的声学模型和语音模型，第四步是根据语音参数搜索和匹配语音模型与声学模型，最后识别出语音。（2）语音合成：是语音识别的逆过程，是将文本文件转换成语音。采用语音合成技术可以制造出能朗读书、读报的机器。4．图像信息处理及应用数字图像处理图像数据压缩图像增强图像复原图像重建图像分割主要用于机器视觉、工业生产监控、公安交通、医疗卫生、资源勘探、武器制导、农业估产、灾害评估等等。评：数字图像处理技术己应用十分广泛！常见的数字图像和数字视频设备如可视电话、会议电视、卫星电视、数字电视、高清晰度电视、VCD、DVD等会议电视终端可视电话卫星电视接收器图像通信1三维快速血管造影成像头部CT主要应用如X射线层析摄影(CT)、核磁共振(MRI)、超声成像、血管造影、细胞和染色体自动分类等。这些技术和设备大大提高了治疗诊断水平，减轻了病人的痛苦。医学领域2遥感和航空测量3遥感：主要用于资源、矿藏勘探、国土规划、高速公路选线、灾害调查、农作物估产、气象预报以及军事目标监视等。气象卫星云图土地变化监测图云南省大理州森林火灾的遥感图该领域的应用从70年代起取得了迅速的发展，主要有产品质量检测、生产过程的自动控制、CAD／CAM等。检查瓶装液体容量是否合格智能交通控制工业与交通应用4汽车牌照识别系统图军事目标的侦察、制导和警戒系统、自动灭火器的控制及反伪装等等都需要用到图像处理技术；公安部门的现场照片、指纹、虹膜、面部、手迹、印章等的处理和辨识也要借助图像处理。导弹制导指纹门锁军事公安5自动指纹识别系统下图是指纹图像预处理各阶段的结果：指纹原始图像滤波后图像二值化图像细化图像机器视觉主要用于军事侦察、危险环境的自主机器人，邮政、医院和家庭服务的智能机器人，装配线工件识别、定位，太空机器人的自动操作等。ASIMO踢球ASIMO上楼梯机器视觉6当人们通过虚拟现实浏览、观赏时就如身临其境一般，并且可以选择任一角度，观看任一范围内的场景或选择观看物体的任一角度。虚拟漫游技术是虚拟现实（VR）技术的重要分支，在建筑、旅游、游戏、军事、医学等多种行业发展很快。VR的相关设备虚拟现实（VR）7四、信息存储硬盘光盘闪存/SD卡1.5英寸---摄像机中使用。2.5英寸---笔记本电脑使用。3.5英寸---台式机使用。主流硬盘容量为120～500ＧＢ，己有1000GB产品。DVD容量：4.7GB~8.3GB纳米存储器容量可达16GB（USB移动存储器）、SD卡容量更大。2