信息技术概述(ppt 2).ppt

计算机信息技术,第1章信息技术概述,1.1信息与信息技术,1.1.1信息与信息处理,1.1.2信息技术,1.1.3信息处理系统,暮春怀故人李中(唐)池馆寂廖三月尽，落花重叠盖莓苔。惜春眷恋不忍扫，感物心情无计开。梦断美人沈信息，目穿长路倚楼台。琅轩绣段安可得，流水浮云共不回。见全唐诗集卷748-41,信息是什么？,信息是消息；,信息是知识；,信息是运动状态的反映；,信息是经过加工后的数据;,.,诸如此类，至今争论不休。所以弄清楚信息是什么？应从不同的角度来认识。,（1）控制论观点,控制论是研究在自动的机器系统中，及在人体和动物体内信息传递的一般性问题的科学。控制论创始人N.Wiener对什么是信息有一个著名的定义：,强调了信息是一种新的资源。,信息就是信息，它既不是物质也不是能量。,（2）本体论观点,没有任何约束条件去看待事物的观点。,唯物论与唯心论：都认为世界是物质与精神组成的二元世界。二者争论仅在物质决定精神还是精神决定物质。,但唯物论与唯心论都认为世间一切事物都在运动，有运动事物就发生变化，有变化就产生状态。,信息是事物运动的状态及状态变化的方式。,区别了信息与事物,信息既不是物质也不是精神,只是事物运动的状态及状态变化的方式，或者说信息是事物的一种属性。,（3）认识论观点,研究人类认识的来源、发展过程及认识与实践的关系。,信息是认识主体所感知的事物运动及其变化方式的形式、内容和效用。,强调了信息是知识。,知识语法(形式)语义(内容、含义)语用(效用、价值),知识与信息的区别与关系：,因为：知识是对事物变化规律的认识和经验的总和。知识可形式化表示为：,相同点：,都关注事物运动的状态,不同点：,信息显示事物运动状态的变化方式，而变化方式是个别的，具体的。知识显示事物运动状态的变化规律，是普遍、抽象的。,关系：,知识来源于信息，因为规律是从大量的具体现象分解、归纳出来的。所以对信息作必要的处理可以达到认知的目的。,（4）管理学、计算机领域观点,信息是经过加工后的数据，能对接受者的行为和决策产生影响，是对人有用的数据。（ISO定义）,强调了信息与数据的区别,数据是对事实、概念或指令的一种特殊表达形式，这种特殊的表达形式可以用人工或自动化的装置对其进行通信，翻译转换或加工处理。（ISO定义）,总之，信息是一切事物的普遍属性，是经过加工后的数据，是人们认识世界改造世界的一种基本资源。,信息的性质（补充内容）,事实性,信息的第一和基本性质。破坏信息的事实性现象普遍存在：谎报产量、做假等。不符合事实的信息既害别人也害自己。维护信息的事实性就是保证信息的真实性、准确性、客观性，而达到可信性。,等级性,战略级,全局性信息(长远规划、五年计划等）,策略级,管理性信息(月度计划、成本信息等）,执行级,运行/操作类信息(考勤、领料单等）,可压缩性,信息可以集中、概括、综合，而不丢失信息的本质。如程序可压缩成框图，企业信息可压缩成各种图表等。压缩过程中会丢失一些信息，但丢失的是一些无用的信息（干扰、冗余信息）如滤除收音机中的杂音。,扩散性,信息扩散是其本性，可通过各种渠道和手段传播信息，浓度越大，扩散力越强。越离奇的消息，越耸人听闻的新闻传播越快，扩散面越大。“没有不透风的墙”说明了信息扩散的威力。,信息扩散存在两面性：,一方面有利于知识传播，这要通过各种宣传机构、手段加快信息的扩散；,另一方面信息的扩散可能造成信息的贬值，不利于保密，使国家受到损失、危害，不利于保护信息所有者的积极性（如软件盗版），因此要制定各种规章加以限制。,传输性,信息是可以传输的（电话，电报，卫星，书报），传输成本远远低于物质传输和能源传输。所以尽可能用信息传输来代替物质传输（宁可用10倍的信息传输换取一倍的物质传输）。,分享性,信息只能共享，不能交换。我告诉你一个消息，我并没有失去什么，也不会从大脑中消除。而物质的交换是0和的（你的所得必为我之所失，所得所失之和为零）。,信息的共享没有直接的损失，但可造成间接的损失。告诉你生产某药品的配方，就会造成与我方的竞争，影响我方的销路。,信息的共享有利于信息成为一种资源，信息只有达到充分的共享才能真正成为资源。,增值性/再生性,用于某种目的的信息，随着时间的推移，可能价值耗尽，但对于另一种用途，又可能再现它的价值性。例如，天气预报信息，预报期一过就不再有用，但对每年同期天气比较，总结变化规律，验证模型，却极有价值，变废为宝。（气象学家正是根据这点预测天气的）。在量变的基础上可能产生质变；在积累的基础上可能产生飞跃。,转换性,有物质存在必有使它运动的能量存在，也必有描述它的运动状态的信息存在，没有能源不能开工，没有知识就没有信息，就不能成功生产。这说明信息、能源、物质是可以相互转化的。,有物质和能源能换取信息这是不言而喻的，那么有信息能否转化为物质和能源呢？大量的事实说明能够实现这种转换。例如:工厂利用技术革新大大节约了能源，信息技术手段合理选择材料源，节省成本等等。所以有人说“有了信息就有了一切”，而知识是信息的结晶，所以就有“知识就是力量，知识就是生产力”的说法。这也说明了这种转换。,什么是信息处理？,专业定义:,信息处理的本质：,数据处理,信息处理的目标：,获取有用的信息,信息处理的过程：,一切为了更好地利用信息，而对信息本身所施加的各种操作过程统称为信息处理。,信息处理是对信息的收集、加工、存储、传输、维护及使用的全过程。,广义理解:,信息处理的过程：,信息的收集,感知、测量、识别、获取、输入等。包括三个方面：,信息需求,信息采集,采集方法,广泛收集,统计方法，固定的周期，固定的数据结构,专项收集,调查表抽样调查方法,随机累积,平时收集积累方法,采集维数,阶段维数,哪个时间阶段,层次维数,哪个管理层次,来源维数,内源还是外源,信息表达,文字表达,数字表达,图形、声音表达,信息的加工,如分类、分析、综合、转换、检索、管理等。信息加工的过程如下：,注意:信息加工的每一步都需时间，因此加工后的信息不可能反映现实的最新状态。(滞后性),信息的存储,存储介质：,纸、胶卷、磁盘、磁带、磁卡等。,存储方式：,集中存放可减少冗余。,分散存放有冗余、难于共享、但方便使用者。,保存周期：,保存多长时间,存储内容：,要存储什么样的数据,信息的传输,信息传输理论最早是在通信中研究的，一般遵守香农模型(Shannon)：,传输信息量计算：,例：假定A地共有8种可能状态，则发生每种状态的概率是相等的，即1/8。如果A地想告诉B地现在A地处于第i个状态，则A传递给B地的信息量是：,这里结果3的含义是表示8种状态的二进制位数。即在本例中，只要在信道上传递3位二进制位的信息量，即可告诉B“A地现在所处状态”。,信息维护,信息维护是指：,全部数据的管理工作。（广义概念）,信息维护的目的：,经常更新存储的数据，保持最新状态。（狭义概念）,保证信息的准确、及时、安全、保密。,信息使用,技术方面如何高速、高质量提供信息,价值转换效率、时机,1.1.2信息技术,信息技术(informationtechnology简称IT)指的是用来扩展人类的信息器官功能、协助人类进行信息处理的一类技术。,现代信息技术的主要特征,以数字技术为基础，以计算机为核心，包括通信技术的信息收集、传递、加工、存储、显示与控制技术。,信息技术的主要内容,人的信息器官,感觉器官,识别与获取信息,神经网络,传递信息,思维器官,处理、记忆、再生信息,效应器官,施用信息,对应于人类的信息器官功能，信息技术包含如下主要内容：,（1）信息感知技术,解决是否有信息存在的问题。提高人的感知范围、感知精度、灵敏度。主要有：红外线技术紫外线技术次声波技术超生波技术各种传感器技术,（2）信息识别技术,解决存在的信息是哪一类信息问题。信息识别是在信息感知的基础上进行的，识别的工作原理只是与特定的“模板”进行比较，其识别模型如下：,常用的信息识别技术和方法,统计模式识别方法,语言学方法,人工神经网络方法,（3）信息的通信技术,解决人类交流信息的空间与时间障碍；研究关于信息在空间中的传递和转移问题，,只关心信息的形式（语法）而不关心它的内容(语义)及价值（效用）；,通信的有效性,注重考虑,传输的可靠性,信息的安全性,信息通信的实质就是一种事物运动的状态方式脱离开源事物而附着另一事物（称之为载体），并通过后者的运动将这种状态方式在空间中从一点传到另一点。,（4）信息的计算（处理）、加工与再生技术,关心的问题是对信息的去粗取精、去伪存真、从原始信息中抽象出具有普遍意义的规律，成为可用的知识。其实质是认知过程。分为：,表层信息处理技术,信息变换、记录、共享、检索,压缩、编码、差错处理、安全,（5）信息的控制技术,信息控制就是信息的施效过程，一切形式的控制归根到底就是改变控制对象的状态和方式。,深层信息处理技术,1.1.3信息处理系统,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。结构如下:,相互关联的诸元素的集合。,信息处理系统分类,按自动化程度,人工的、半自动的、全自动的,按技术手段,机械的、电子的、光学的,按使用范围,专用的、通用的,信息处理系统例,雷达:,电视/广播:,单向的、点到多点（面）的以信息传递为主的系统,以感知与识别为主要目的的系统,电话:,双向的、点到点的以信息交互为主要目的的系统,银行:,以处理金融业务为主的系统,图书馆:,以信息收藏和检索为主的系统,Internet:,跨越全球的多功能信息处理系统,1.2微电子技术简介,微电子技术,以集成电路为核心，实现电子电路和电子系统超小型化及微型化的电子技术。,1.2.1微电子技术与集成电路,集成电路（IntegratedCircuit简称IC）与集成电路芯片,在硅片上经平面工艺加工形成的大量晶体管、电阻、电容等元器件、及互连线的微型化的电路系统。芯片是集成电路的载体。,构成电子电路的基础元器件的发展与演变,元器件,即电子电路中使用的具有开关和放大作用的电子基础元件(真空电子管、晶体管等。,基础元器件的发展与演变过程,真空电子管,1904年英国电气工程师弗莱明（JohnAmbroseFleming）发明了真空二极管,1906年美国工程师德福雷斯特(LeeDeForest）发明了真空三极管,电子管是对处于玻璃真空管中的阴极灯丝加热发射出电子而工作。缺点是耗能多，寿命有限（因高温下的灯丝材料钨易断，使其无法工作）。,晶体管,1948年肖克利、巴丁、布拉顿发明了晶体管。,晶体管是靠半导体中的电子和空穴的流动来工作的。其工作寿命无限，但这些元器件被组装到印刷电路板上时，是通过焊接来进行连接的，焊接的水平(虚焊、氧化)的优劣将是左右的质量的因素。,集成电路,利用二氧化硅膜制成平面晶体管，并用淀积在二氧化硅膜上的、和二氧化硅膜密接在一起的导电膜作为元器件间的电的连线制成的微型化电子电路。,1959.7美国仙童公司（Fairchild）的诺依(N.Noyce)制成了集成电路,半导体材料有很多种，为什么采用半导体硅(Si)作为集成电路的制作材料?,集成电路的基础工艺是平面技术：首先将硅表面氧化，然后用腐蚀法在二氧化硅膜上形成各种平面的元器件。可见实施的关键在于获得优质的二氧化硅膜。而在硅表面上较容易获得优质的二氧化硅膜。,A）集成电路的制作材料,主要原因是：,晶体管的特性在很大程度上受二氧化硅膜界面的缺陷的影响。而二氧化硅膜界面只有10-5的原子键形成缺陷，用其他人工方法很难获得这样优质的界面。,二氧化硅是地球上存在数量占第一、第二位的氧和硅构成的，是一种储量多用之不尽的工业材料。,B）集成电路的特点与优点,体积小,功耗低,按电子器件的比例缩小法则：,尺寸和电源电压缩小为原来的1/K时，速度将为原来的K倍；消耗的功率将为原来的1/K2倍；开关能量减小到原来的1/K3倍。,可靠性好（因集成度大，焊点少，故障率低）,速度快,规模增大、生产量大、成本低、价格便宜,C）集成电路分类,按集成度或规模分（单个芯片中包含的电子元件，如晶体管、电阻、电容的数目）:,注：当前最先进的集成电路64Mbit的DRAM（存储器芯片）含有的元器件数为108,与人大脑的神经细胞数120亿(1.21010)相比，在体密度上已达到同等的水平。,按所用晶体管结构、电路和工艺分:,双极型（Bipolar）集成电路,金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路,以电子和空穴(双极)为载流子的双极型晶体管组成。是以控制电流来达到放大、开关特性的电流控制器件，速度快。,以电子或空穴（单极）为载流子的场效应晶体管（Fieldeffecttransistor)或称MOS(MetalOxideSemiconductor)晶体管组成。电流流过硅片与二氧化硅膜界面，电压控制通过二氧化硅膜实现。是一种电压控制器件。,这是为解决CMOS晶体管负载电流驱动能力差而制造的。它是在CMOS逻辑电路的输出端接入双极型晶体管而构成的既有CMOS电路的低功耗，又有双极型晶体管电路的高速度的特点。,ComlementaryMetalOxideSemiconductor以MOS晶体管组成。制造工艺复杂成本高，负载电流驱动能力差。但功耗低，允许的噪声范围大，一般用作倒相器。,双极-金属-氧化物-半导体(BiMOS)集成电路,互补-金属-氧化物-半导体(CMOS)集成电路,双极-互补-金属-氧化物-半导体集成电路（BiCMOS）,数字集成电路,模拟集成电路,按用途分:,通用集成电路（存储器、微处理器）,专用集成电路（ASIC）,按电信号类型和集成电路功能分:,例：逻辑电路、存储器、微处理器、微控制器、数字信号处理器等,又称为线性电路。如信号放大器、功率放大器等,按集成电路产品分:,1.2.1集成电路的制造,(1)集成电路制造流程,硅平面工艺是制造集成电路的基础工艺：,氧化,形成各种氧化膜,掺杂,扩散法,将掺杂气体导入放有硅片的高温炉中，将杂质掺入到硅片中去,离子注入法,利用电场加速杂质离子，将杂质掺入到硅片中去,光刻过程：,预烘去掉光刻胶中的溶剂，80左右，30分钟。,暴光高压水银灯照射。,显影喷洒显影液。,后烘挥发残留的显影液，200，20分钟。,经过上一步的处理，形成了具有电路及电子元件的晶圆。,晶圆剔除、分类处理,晶圆制成后，用针测仪（Probe）检测晶圆上的每个集成电路的电气特性，将不合格的晶粒标上记号，然后将晶圆分割成一颗颗“晶粒”。每个晶粒就是一个集成电路“芯片”,针测仪,芯片,芯片封装,将单个晶粒固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上，并把晶粒上蚀刻出的一些引接线端与基座底部的插脚进行连接，作为与外界电路板连接之用，最后盖上塑胶盖板，用胶水密封。,A)封装的目的,电功能,传递芯片的电信号,散热功能,散发芯片内部产生的热量（铝片、风扇等）,机械化学环境保护功能,保护芯片本身,B)封装种类,各个引脚直接插到电路板相应的孔中，然后焊接。引脚间距离受到限制。使用的最小脚距1.27mm。,单列直插式（SIPsingleinlinepackage）,双列直插式（DIPdualinlinepackage）,双列直插封装DIP实例(主板BIOS芯片),阵列式（PGApingridarray）,引脚距离已达极限的封装结构，四周为引脚。,成品测试,将芯片置于各种环境下测试其电气特性，如消耗功率、运行速度、耐压等。经测试后的芯片，依其电气特性划分为不同等级的成品。,集成电路成品,1.2.3集成电路的发展趋势,按电子器件的比例缩小法则，集成电路的工作速度主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸。提高集成度，关键在缩小逻辑门电路面积。,Moore定律,Intel公司微处理器集成度的发展,现在有一种新Moore定律,自然语言识别的犯错率比上一年低10%。,附注2：,附注1：,IntelP4已采用0.13m工艺制造生产（0.09m）,AMD已有采用0.13m工艺制造生产的CPU,美国半导体协会(SIA)预测，到2010年将达到18吋晶圆和0.070.05微米的工艺。在未来十年时间里，集成电路的技术还将继续遵循Moore定律得到进一步的发展。,注：1m=1000mm=1000,000m=1000,000,000nm（纳米）,12吋晶圆、0.18微米工艺，并正在向14吋晶圆、0.09微米工艺过渡。上海、青岛有8吋晶圆、0.25m工艺的集成电路生产厂家。,线宽进一步缩小、线路间的距离越来越窄以后，干扰将越益严重。为了减少这种干扰，可以采取减小电流，降低电压的方法来解决。但是，当晶体管的基本线条小到纳米级，线路的电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动时，晶体管已逼近其物理极限，它将无法正常工作。,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，可以利用这些量子效应研制具有新功能的量子器件，从而把芯片的研制推向量子世界的新阶段纳米芯片技术。,在半导体世界,基于传统原理的元件到了50纳米就将达到极限。1(nm纳米)=10-9m),所谓纳米技术，就是以0.1至100纳米尺度为研究对象的新技术。,纳米技术通过操纵原子、分子、原子团、分子团使其重新排列组合，形成新的物质，制造出具有新功能的机器。纳米技术在信息、生物工程、医学、光学、材料科学等领域均具有广阔的应用前景。,人们正在研究将光作为信息的载体，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。,集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象，以及光学元器件集成化的一门学科。它要解决的问题是获得具有不同功能、不同集成度的集成光路，以实现光学信息处理系统的集成化和微小型化。因为光波比无线电波具有更大的传递信息和处理信息的能力。但光束的对准和准直困难，解决的思路是采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上，形成集成光路。,1.2.4IC卡,IC卡就是,集成电路卡(IntegratedCircuitcard),芯片卡(Chipcard),智能卡(Smartcard),(1)IC卡的发展,1972年法国人罗兰.莫雷诺(RolandMoreno)首先提出IC卡的设想；,我国1994年才开始使用。,1976年法国BULL公司研制出世界第一片IC卡。,（2）IC卡应用系统的构成要素,（3）IC卡分类,a)根据内嵌芯片的不同划分,存储卡,卡内芯片为E2PROM或flash,若为E2PROM，容量为1kb256Kb；若为flash,容量为1Mbb。,逻辑加密卡,也称智能存储卡。卡内除有E2PROM外，还带有加密逻辑电路。读写卡之前必须验证密码,若连续次（可设定）输入出错，卡将自锁。如银行卡，食堂餐卡。,CPU卡,卡内含有CPU、RAM、ROM、E2PROM和固化的操作系统COS(ChipOperatingSystem)。,CPU管理信息的加解密和传输、防止非法访问卡内信息、发现非法访问将锁死相应信息区。（可用高级命令解锁）用于信用卡、银行卡、现金卡、SIM卡。,超级智能卡,在CPU卡的基础上增加了键盘（20个键），显示器可显示16个字符），电源。,b)根据卡与外界交换界面的不同，可分为：,接触式IC卡,表面有16个镀金触点，插入读卡机内，经过与读卡机内的接口连接传输数据。,非接触式IC卡（又叫射频卡（RadioFrequency）、感应卡）,借助空间媒介，利用电磁波进行通信。卡内有一根金属丝（作为天线用），专用芯片射频接口，存取控制电路，及等，卡中无电源。其工作过程如下：,非接触式IC卡进入读写区后，接收到读写器发射的脉冲信号；,读写器发送13.56MHz的载波信号，经天线向外发送；,卡中的射频接口模块由此信号生成电源电压，复位信号，及系统时钟；,当读卡器发出固定频率的电磁波，当射频卡收到时，与卡内LC谐振电路(与发射的频率相同)产生电磁共振，使电容充电，提供卡内的电路工作电压。,读写器的接收器接收信息，解调，解码，解密后送主机进行处理。,芯片中的有关电路对脉冲信号进行解调，解码，及解密；,根据解密信息判别读写要求，验证权限，实施读写操作；,将相关读写信息经卡内天线发射给读写器；,C）根据IC卡的应用领域分:,金融卡,金融信用卡是我国大力建设的金卡工程的主要媒体。由银行发行和管理。由于IC卡上记录了持卡人主要信息，故不一定要求消费场所与银行联网。比起磁卡等仅记录少量数据的卡型，具有极大的灵活性和可靠性。金融现金卡是持卡人以现金购买的电子货币。可以多次使用，自动计费，使用方便。如水电费的交费卡、煤气费卡、就餐卡、医疗卡等。在卡上金额少于一定限额时，要重新交费才可继续使用。IC卡在金融领域应用，主要是由于其优良的保密性，可以有效地防止伪造和窃用。,非金融卡,非金融卡主要是作为电子证件，用来记录持卡人的各方面信息，作为身份识别。如IC卡身份证、学生证、进门证、考勤卡、医疗证、住宿证等。由于IC卡可以记录大量信息，并且可以分区存款，因此可以做到一卡多用，简化验证的手续。,（4）IC卡的优点,由于IC卡采用了当今最先进的半导体制造技术和信息安全技术，IC卡相对于其它种类的卡（特别是磁卡）具有以下四大特点：,1、体积小，重量轻，抗干扰能力强，便于携带，易于使用，方便保管。,2、安全性高,IC卡从硬件和软件等几个方面实施其安全策略，可以控制卡内不同区域的存取特性。加密IC卡本身具有安全密码，如果试图非法对之进行数据存取则卡片自毁，不可再进行读写。,3、可靠性高,C卡的防磁、防一定强度的静电，抗干扰能力强，可靠性比磁卡高，一般可重复读写10万次以上，使用寿命长。,4、综合成本低,IC卡的读写设备比磁卡的读写设备简单可靠，造价便宜，容易推广，维护方便。对网络要求不高：IC卡的安全可靠性使其在应用环境中对计算机网络的实时性、敏感性要求降低，十分符合当前国情，有利于在网络质量不高的环境中应用。,（5）IC卡的存储结构(以逻辑加密卡为例),1.3通信技术入门,1.3.1概述,通信,各种信息的传递方式均可称之为通信。,现代通信,使用电波或光波,双向传递信息的技术,通常称为电信(telecommunication）。,通信的基本任务、要素与基本要求,传递信息,任务:,通信三要素:,信道（信息的载体与传播媒介,从物理角度看,传输线和中继器等构成信道）,信源（信息的发送者）,信宿（信息的接收者）,发送与接收设备称之为“终端”,对通信系统的基本要求：,远距离：,传输距离要远,低成本：,传输成本要低,高速度：,从发送到接收的延迟时间要短,可靠性：,传输的信息不能有错误,方便性：,任何时间和地点都能通信,安全性：,传输的信息要保密，不能泄漏,通信发展史,通信系统,一定数量的结点(包括终端设备、交换设备），连接传输链路的互连设备，实现两个或多个规定点之间的数据传输体系。也称电信网。其模型是：,通信系统分类,（1）按业务种类分：,（2）按服务范围分：,电话网、电报网、数据通信网等,本地电信网、长途电信网、移动通信网、国际电信网等,（3）按传输媒介分：,有线（电缆、光缆）、无线（短波、微波等）,（4）按信号形式分：,模拟通信网、数字通信网、数字模拟混合网等,通信设备,终端设备,传输设备与介质,交换连接设备,如：交换机，路由器,如：电话机，电视机，计算机,如：电缆，光缆，无线电波,信号,数据的某种电磁波编码的具体表现形式，或者说与一个物理现象相关并传送数据的时间变量。从信源发送端发送的信号类型有：模拟信号和数字信号。,模拟信号,信号的物理量（电压或电流）随时间而连续变化，时间上连续，包含无穷多个值。,模拟信号的波型：,正弦波（谐波）,例如：电话机发送/接收的语音信号，电视台传送的模拟电视信号，电台发送的无线电波等。,模拟信号的属性：,频率：,电磁波每秒震动的次数（单位：Hz）,波长：,两个相邻的波峰或波谷之间的距离。,带宽：,传输的模拟信号的频率变化范围。最高频率与最低频率的差值。（单位：Hz）,数字信号,信号物理量（电压或电流）随时间而跳变的离散电位的脉冲序列，仅包含有限数目的预定值。是由许多从低频到高频的谐波叠加而成，数字信号波型为矩型波（不等宽矩形）。例如：计算机串行口输入输出的信号：,信道,传送电磁波信号的一条通道（逻辑意义上的通路），也可理解成一种载波信号频率。（硬件角度）,电路/线路,物理通路，可能含有若干条逻辑意义上的信道。一条通信线路通常包含一个发送信道和一个接收信道。,链路,发送点与接收点之间临时建立的无差错的逻辑通路。（软件角度）,信道的类型,按构成信道的传输介质分:,有线信道,双绞线、同轴电缆、光缆,无线信道,无线电波、微波、红外线、激光,按信道中能够传输的信号类型分:,模拟信道,能传输模拟信号，但不适合直接传输数字信号。如电话线、宽带同轴电缆、光纤。传输模拟信号信道的频带窄;信道利用率高；噪声干扰大。,数字信道,能够传输数字信号，也可用于传输模拟信号。如双绞线、基带同轴电缆、光纤。传输数字信号信道的频带宽；信道利用率低；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。,按信道带宽分：,低通信道,有效传输信号的最低频率在0附近。例如：同轴电缆。,带通信道,有效传输信号的频率范围集中在非0频率范围内的某一频段内。例如：光纤,高通信道,有效传输信号的频率只有高于某一频率以上的频段。例如：空间,按信道的传输模式分：,单工通信（单向通信）,数据单向传输（例如，无线电广播），只需要一条信道。,半双工通信（双向交替通信）,数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向同时传输（例如，对讲机）。但信道仍需要两条信道，一个方向上一条。,全双工通信（双向同时通信）,数据可同时双向传输（例如，电话、手机）。需要两条信道，一个方向上一条。,信道的带宽,信道的带宽在不同的传输系统（模拟传输系统与数字传输系统）中的含义不同：,在模拟传输系统中，信道的带宽指的是物理信道上所能通过的信号的频带宽度。频带越宽越好。单位为Hz。（也反映传输速率）,在数字传输系统中，信道的带宽指的是信道允许的最大数据传输速率，也称信道容量。单位是：bps或b/s（每秒传输的比特数）。,信道带宽与传输介质、距离、信号类型及编码、调制解调方法、多路复用方法等有关。,信道的数据传输速率,理想信道的最高数据传输速率（奈氏准则）：,最高码元传输速率=2信道带宽（模拟传输系统为Hz)(单位：Baud波特，1Baud=1码元/秒,一个码元是指每一个信号能转换成多少个独立的二进制位）,最高数据传输速率=最高码元传输速率一个码元携带的信息量（单位：b/s或bps，1b/s=1个二进制位/秒）,注：若1个码元带1个bit的数据，则：1波特=1比特,例2：标准电话线路的频带为:300Hz3400Hz其带宽为：3100Hz若理想信道是中间的一段带宽约:2400Hz最高码元速率为：4800Baud若每个码元携带4bit信息，则：数据传输速率可达：19200b/s,例1：信道带宽：3KHz（3000Hz）最高码元传输速率：6000Baud若一个码元携带2bit的数据量，则：最高信息传输速率:12000b/s=12Kb/s,非理想信道,实际的信道上存在三类损耗：,信道的损耗引起信号减弱，导致信噪比（SignaltoNoiseratio信号电平与噪声电平之比S/N）降低。,信号在信道上的延迟时间，可能会导致信号畸变。,噪声将破坏信号，产生误码。热噪声：由导体内的热扰动引起又称为白噪声。串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线。脉冲噪声：外部电磁干扰造成。（如闪电）,衰减、延迟、噪声,a）衰减,b）延迟,c）噪声,信道的数据传输速率计量单位,“比特秒”（b/s）（也可写成bps）,“千比特秒”(Kb/s)，1Kb/s=103比特秒=1000b/s“兆比特秒”(Mb/s)，1Mb/s=106比特秒=1000Kb/s“吉比特秒”(Gb/s)，1Gb/s=109比特秒=1000Mb/s“太比特秒”(Tb/s)，1Tb/s=1012比特秒=1000Gb/s,(比特bit：一个二进制位),1.3.2模拟通信,模拟通信技术,指的是直接用连续的信号或用连续的信号对载波进行调制来传输信息的通信技术。,模拟信号的传输方式,基带信号传输,将未经调制的信号直接在线路上传输。例如：音频市内电话。,调制信号传输,对信号先进行某种变换，再在线路上传输。,信号的调制和解调,调制,简单地说，把一种波形信号转变成另一种波形信号的过程称之为“调制”。,为什么要对传输信号进行调制？,由于导体存在电阻，远距离传输中的电信号能量不断减弱。研究发现，通信中高频振荡的正弦波信号能传送较远的距离。因此，在远距离传输信号时通常选择一种频率比信源信号高得多的正弦波作为携带信源信号的载波，利用信源信号去调整该载波（正弦波）的频率、振幅或相位，形成相应的调幅信号、调频信号或调相信号。,各种调制方法产生的波形例：,调制解调器（ModemModulater与Demodulater）,解调,调制的逆过程。接收方将调制后的载波信号还原成原来的信号形式。,实现调制和解调功能的设备称之为调制解调器。调制和解调过程如下图所示：,“调制/解调”应用例,信道的频分多路复用技术,在模拟传输系统中，为了提高信道利用率，而在一条传输线路（或空间）中同时传输多路模拟信号的技术。,其中多路复用器相当于一个混频器，而解复用器则相当于一个滤波器。,将一个信道的频带分成N个部分，每一部分均可作为一个独立的子信道传输调制过的模拟信号。这样在一个信道中可同时传送N路模拟信号，而每一路模拟信号所占用的只是信道中的一个频段。,当多个发送端发送模拟信号时，将每一路模拟信号按不同数值升频，使每个信号占用的频带都不相同，它们便可以合并（混频）在同一个传输媒体上被传输。,频分多路复用(FDMfrequencydivisionmultiplexing)原理,接收端对线路信号放大后，按上述相反顺序用滤波器分开各路信号，经过解调恢复原来的信号。,模拟传输技术的应用,有线载波电话,有线载波电话系统的组成,交换机与交换技术,在所有需要通信的用户之间架设直达专用的通信线路是一种资源的极大浪费。解决办法是使用交换设备（交换机）在任意两个需要进行通信的终端之间建立一个临时的通信链路，通信结束后再拆除该链路，这就是交换技术。,交换技术的发展,从自动化程度上看，交换技术的发展分为四个阶段：,人工交换,话务员电话接续。,机电交换,自动步进电机，速度慢、效率低、杂音大。,纵横制交换,速度较快、效率较高、但有杂音。,电子交换,程控交换、速度快、效率高。,从技术手段看，目前主要使用两种交换技术:,电路交换技术,电路交换也称线路交换，应用于公用电话网。,用户在通话前拨号时，交换设备在通话双方之间建立一条临时的物理通路（通话双方专用），在通话时间内，用户占用这条线路的端到端的固定传输带宽。通话结束后，撤销该连接通路。,电路交换的优点：,a)实现简单,b)一旦建立连接就独占线路，适合远距离成批传输,c)实时性、交互性好,d)建立连接后，传输延迟小,电路交换的缺点：,a)建立连接的时间长,b)线路利用率低,c)无纠错机制,d)通信成本高,e)通信双方必须在线,分组交换技术,将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。交换机的任务就是存储转发数据包。,例如：主机1向主机5发送数据时，先将数据分组，构成若干个长度相等的数据包，依次将数据包发往交换机A，交换机A将接收到的每一个数据包首先放入缓冲区存储,再根据路由表，将每一个数据包转发下一个交换机C,直到数据包到达主机5。,注：属于同一次数据传送的不同数据包可能沿不同的路径到达目的地,分组交换的优点：,a)数据传输前不需要建立一条端到端的通路。,b)有很强的纠错机制、流量控制和路由选择功能。,c)某个分组出错仅重发该分组（效率高）,d)各分组可通过不同路径传输，可靠性高。,e)通信双方不必在线工作。,f)线路利用率高，整个网络都可作为传输缓冲。,g)通信成本低,分组交换的缺点：,a)不适合实时性和交互性要求的通信（如电话）,b)传输延迟长,广播,广播是典型的利用无线电波传递信息的模拟通信形式。,A）声音广播,即无线电台广播，不同的电台使用不同的载波频率，目前使用了个无线电频段：,中波段5351605Hz，调幅方式调制声音信号,利用地波传输，传输距离几十到几百公里。,短波段6MHz16MHz,利用电离层反射传输,调幅方式调制声音信号,传输距离达数千公里。,超短波30MHz56MHz,调频方式调制声音信号,传输距离在视距范围内。,调频方式广播比调幅方式广播有两个明显的优点：,声音质量好,因为调幅方式广播信号是声音信号的幅度调制载波信号，易受外界信号的干扰（如闪电），会引其信号幅度的跳变，这就会影响了声音的质量；而调频方式广播信号是声音信号的频率调制载波信号，一般而言外界信号不会对声音的频率形成干扰，所以不会影响声音的质量。,传输频带宽,通常调频方式广播的传输频带较宽，这就可以实现多通道传输（如立体声广播）。而立体声的声音效果是众所周知的。,)电视广播,电视台发送的电视信号及与之同步的伴音信号，它们都是经调制过的（规定该电视台使用的载波频率）模拟信号。图像信号采用调幅方式发送，伴音信号采用调频方式发送。每一路电视节目占用8MHz(中国）频带。,无线电频谱中的48958MHz的频带被划分成5个频段：,112频道称为甚高频段VHF,频率范围：,1368频道称为超高频段UHF,频率范围：,49.75MHz222.75MHz,471.25MHz957.75MHz,电视台的电视信号可以利用空间无线电波发送、也可以通过微波接力进行长距离传输、还可以利用同轴电缆传输。,模拟通信的优缺点,优点：结构实现简单，成本低。,缺点：易受干扰，传输质量不稳定。,1.3.3数字通信,数字传输技术,数字传输技术指的是直接用数字信号或通过对数字信号进行调制的载波来传输信息的技术。,60年代以前的电话系统都使用模拟信号传递语音，因远距离传输信号能量逐渐衰减，沿途多次中继放大导致信号变形，加之各种干扰，因此话音质量差。60年代以后，远程电话线路都已改用数字电话线路。具体做法是现将模拟语音信号变换（脉码调制PCMPulseCodeModulation）成数字形式，然后到目的地后再还原成模拟语音信号。,PCM的基本原理：,数字通信的优点,抗干扰能力强；,易进行差错处理与控制，传输质量好；,适应性强、灵活性好。任何类型的数据均可转换成二进制数字信号在信道上传输，便于进行综合处理；,方便计算机统一处理、存储、管理；,通信保密、安全性好。数字信号比模拟信号更易加密。,数字电路比模拟电路更易实现，且耗能低，因此更经济；另外更易于集成化、微型化。,基带传输技术,数字基带传输技术是指数字信号不经过调制就在信道上直接传输的技术。,数字基带传输只适合于在计算机内部或在相邻的设备之间的近距离传输，如果要进行在较长距离的传输则必须对基带数字信号作某种变换，使其适合在传输信道中传输。,为什么要对数字信号作某种编码变换之后进行传输呢？,主要有下列原因：,因信源信号是不归零制码NRZ（Non-ReturntoZero)，即用低电平表示数字“0”，用高电平表示数字“1”，当信号中出现连续的“0”或连续的“1”时，就很难分辨一位的开始和一位的结束；,在模拟信道中直接传输数字信号，如不采取适当措施，容易引起传输错误，误码率较高，很难达到规定的传输质量要求。下面的例子给出了一种可能导致数据传输错误情况：,因为基带信号可能包含有各种频率成分，其中一部分频率可能已经不在通信系统允许的频率范围之内（如电话系统允许通过的3003400Hz的范围之外），则允许范围外的信号就不能通过通信系统，由于收到的信号中缺少了这部分频率成分，因此使数字信号产生了失真。,不便于同步传输。例如，传输系统如何知道数据信号何时开始？又何时结束？,保证每一位中间都有一个电平跳变；从低电平跳到高电平表示“0”；从高电平跳到低电平表示“1”；,例如：,解决数字信号在模拟信道中传输的办法是在模拟信道两端各加一个调制解调器，将基带数字信号的波型变换成适合于在模拟信道中传输的波型。（这就是为什么有人把把调制解调器称之为“数传机”的缘故）,频带传输技术（数字调制技术）,数字信号调制就是用数字信号对特定频率的载波进行调制。对数字信号的调频、调幅和调相分别称之为：,移频键控FSK（FrequencyShiftKeying）移幅键控ASK（AmplitiudShiftKeying）移相键控PSK（PhaseShiftKeying）,数字调制技术的应用例:,家庭计算机使用MODEM，通过本地电话线拨号上网采用的就是数字调制技术,B）卫星电视转播采用的也是频带传输技术,数字调制技术的应用例:,家庭计算机使用MODEM，通过本地电话线拨号上网采用的就是数字调制技术,C）目前各城市正在推广的无线及有线数字电视采用的也是频带传输技术；,应当指出，数字信号可能在模拟信道和数字信道之间交替传输，要进行多次D/A、A/D转换，这就不能发挥数字传输的优越性，只有全部端到端的通信线路都是数字传输、而且信源本身就是数字式的信号，才能真正体现数字传输的优越性。现代的通信正在朝这个方向发展，例如“数字广播”、“数字电视”。,信道的时分多路复用技术（TDMtimedivisionmultiplexing）,在数字传输系统中,为了提高信道利用率,一般在一条传输线路（或空间）中同时传输多路数字信号。数字传输采用的多路复用技术有两种：,频分多路复用技术（FDM）,这种复用技术前面已介绍过。,时分多路复用技术（TDM）,把信道时间分成周期性的帧，每一帧再分成若干等长的时隙(slot),每一个时隙就是分配给用户一个通信的子信道，每一个时隙都有一个编号，只在一个帧内的相应的时隙间隔内，用户才实际占用信道传输。,时分制通信也称时间分割通信，是数字多路复用通信的主要方法。,时分多路复用又分同步时分和异步时分:,同步时分：,只在一个帧内的相应的时隙间隔内，才实际占用信道传输，效率不高。,异步时分：,在一个帧内，若相应时隙无传输要求，则不分配时隙，只当传输要求时才分配时隙给用户实际占用信道传输。但在发送信息中必须包含接收设备的地址!,这是为每个用户分配特定的地址码，每个用户都占用整个系统带宽，不分频道，也不分时隙，靠采用不同的码型来区分。,关于信道的多路复用，除前面提及的FDM、TDM多路复用方式外，还常用一种称为CDM（codedivisionmultiplexing）的多路复用。,信道多路复用的鸡尾酒会原理:,在一个大房间里（一个物理信道），有许多对人在交谈（传输多路信号）：,不同对的人分成不同的组，每组独立占用房间内的一小块区域，各组人同时进行自己的交谈，互不干扰。,不同对的人轮流交谈，一对交谈结束后另一对再接上。,不同对的人分别用不同语言进行交谈，其它语言只当作噪音不予理会。,频分复用,时分复用,码分复用,数字通信系统的主要性能指标,信道带宽,数据传输速率,误码率（可靠性要求）,端-端延迟时间（从信源到信宿的传输所花的时间）,连接的任意性与快速性，这是基本要求，系统中的任何一个用户应能在有限的时间内连接并通信。,传输的透明性，这是指只要是规定范围内的信息都可以在系统内传输，对用户不加任何限制。,1.3.4传输介质,金属导体,双绞线,对称电缆,同轴电缆,双绞线,金属导体,光导纤维,电磁波,把两根相互绝缘的导线，按某种绞合规则绞合而成的螺纹状的通信线，目的是减少相邻导线的干扰。,（1）双绞线有如下特性：,适合于传输模拟话音信号(模拟信道)，多用于业务量较小的次要传输线路（例如，电话机到端局交换机的一段线路）,通信质量差（受气候影响、干扰、噪声、误码率高）,速度慢,频带窄(3100Hz),传输容量有限（312路话音信号）,二线传输方式标准电话线路，也可用于较短距离的基带数字信号传输，如局域网。,（2）双绞线的种类,屏蔽双绞线(STPshieldedtwistedpair)屏蔽性能好、误码率低、传输距离较远。,无屏蔽双绞线(UTPunshieldedtwistedpair)UTP又分类，区别是单位长度的绞合数。用于局域网中，传输距离100m,传输速率10Mbps100Mbps。,多线对（两对或4对线）捆绑在一起，套上护套的电缆。每线对采用双绞线通信线，每对线对可传输60路电话，适用于干线通信。,对称电缆,可传输模拟信号(电话系统)/数字信号(计算机局域网)。,传输距离短,每隔一定距离需要使用中继器或放大器。,易受高频电磁波干扰、本身易产生噪声、误码率高。,同轴电缆,（1）同轴电缆特点,传输容量大,一对小同轴管可提供数千个话路，一对中同轴管可提供上万个话路,多管同轴电缆电路则能提供相当大的传输容量，用于主要传输干线。,易受低频干扰,良好的传输与屏蔽（防干扰，防辐射）特性,CATV的标准传输电缆，传输模拟信号频率带宽：300450z传输速率：取决于电缆长度，例如：1km的同轴电缆其数据传输速率可达到1Gb/s2Gb/s传输距离：1100km,（2）同轴电缆的种类,数据通信/局域网用，用于传送基带数字信号传输速度：50b/s传输距离：200500m,50基带同轴电缆,75宽带同轴电缆,（3）同轴电缆载波通信例有线电视信号传输,电视台输出的模拟电视信号经过变频后占用不同的频带，采用频分多路复用技术通过一根同轴电缆同时送入用户家中。在一根同轴电缆中，不同的电视信号占用不同的频率，互不干扰。每台电视机由选台器决定接收不同电视台的信号。,有线电视频道：,光导纤维（光纤）,光纤通信是以光波为载频，光导纤维为传输媒介的通信方式。,光缆结构与光纤结构,纤芯,高纯度的二氧化硅材料当前使用的是石英光纤,玻璃纤维损耗低，可靠性不高,塑料损耗大，可靠性不高,包层,包层对光的折射率低于光纤，可以形成光波导效应使大部分的光被束缚在纤芯中传输。,保护层(涂覆层),增强光纤的柔韧性，起保护作用。,多芯光缆结构,光纤的导光原理,光具有波粒二象性，既可看成光波，也可看作为由光子组成的粒子流。因此既可用射线光学分析它；也可用波动光学（电磁场）来分析。,根据射线光学理论，当光线的入射角足够大时，就会出现全反射（即当光线碰到包层时就会折射回纤芯），重复此过程，光就沿着光纤传播下去。,光纤种类,多模光纤,我们知道光在光纤中是通过折射角大于入射角传输的，如果调整不同的入射角度，就可使多条光线在同一条光纤中传输，这便称为“多模光纤”。,多模光纤的纤芯直径为50或62.5m。,多模光纤传输速率在1km范围内，约为1Gbps,多模光纤适用于近距离（如局域网）的通信,单模光纤,单模光纤纤芯直径极小，约为10m（一个光波波长）。速度快（100km内速率可达10Gbp