电子信息系统导论

1绪论——电子信息发展史21.电子信息技术的概念信息人类社会传播的一切内容香农（Shannon）定义为：用来消除随机不确定性的东西维纳（Wiener）定义为：人们在适应外部世界，并使这种适应反作用于外部世界的过程中，同外部世界进行互相交换的内容和名称人类是通过信息流动的方式获取、存储和处理知识31.电子信息技术的概念电荷运动自然界的一种普遍现象和规律人类利用电子运动来传送和处理信息，极大地提高了信息运动的速度电子信息技术借助电荷运动来实现信息运动的手段和方法42.电子信息系统框架电子信息系统人类利用电荷运动规律完成信息有序运动的设备或者机构实质是对信息的处理，即信息获取、存储、传输和应用其框架可表示为：52.电子信息系统框架

信息的获取围绕一定目标，在一定范围内，通过一定的技术手段和方式方法获得原始信息的活动和过程。利用电子信息技术获取收集信息信息的传输从一端将命令或状态信息经信传输通道传送到另一端，并被对方所接收信息的存储信息在时间上的传输62.电子信息系统的应用通信系统自动控制系统机器人系统73.电子信息技术发展概况对电的认识自然界的雷电静电83.电子信息技术发展概况

1600年，英国人吉尔伯特发明了验电器

1660年，德国人居里克制造摩擦起电机

1767年蒲力斯特里与1785年库仑发现静态电荷定律

1800年，意大利的伏特用铜片和锌片浸于食盐水中，并接上导线，制成了第一个电池

1831年，英国的法拉第利用磁场效应的变化，展示感应电流的产生3.电子信息技术发展概况9178518001831库伦定律伏特电池法拉第电磁感应定律库伦定律17851665牛顿万有引力定律3.电子信息技术发展概况101786年，意大利解剖学家伽伐尼在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下。伽伐尼认为，出现这种现象是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”。

1799年，伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片，平叠起来。用手触摸两端时，会感到强烈的电流刺激。伏特用这种方法成功的制成了世界上第一个电池──“伏特电堆”。3.电子信息技术发展概况11电池出现的意义：可以获得比较稳定电流1831年8月，法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈，其一为闭合回路，在导线下端附近平行放置一磁针，另一与电池组相连，接开关，形成有电源的闭合回路。实验发现，合上开关，磁针偏转；切断开关，磁针反向偏转，这表明在无电池组的线圈中出现了感应电流。法拉第把产生感应电流的情形概括为5类：变化的电流，变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体，并把这些现象正式定名为电磁感应。3.电子信息技术发展概况12133.电子信息技术发展概况1844年，美国的摩尔斯发出人类历史上第一份有线电报

1873年，英国的麦克斯韦发表《论电和磁》，将电和磁统一起来1876年，美国的贝尔发明电话1888年，德国的赫兹证实电磁波的存在1895年，意大利的马可尼发明无线电报3.电子信息技术发展概况14摩尔斯的技术方案电源继电器2进制信息模式153.电子信息技术发展概况1904年，美国的德福雷斯特发明第一支真空电子三极管1906年，加拿大的费森登发明收音机1946年，美国制造出第一台电子管数字计算机1949年，美国的肖克利发明结型晶体管1958年，美国的基尔比制作完成第一块集成电路至此以后，人类进入电子信息技术迅猛发展时代164.电子信息系统基础理论信息论研究信息传递的共同规律以及最佳解决信息的获限、度量、变换、储存和传递等问题系统论研究系统、要素、环境三者的相互关系和变化的规律性，并优化系统控制论研究机器、生命社会中控制和通讯的一般规律，研究动态系统在变化环境条件下如何保持平衡状态或稳定状态的科学第一章电学基础171.1物质的构成

物质由原子构成原子带电荷电荷间存在作用力质子与电子间的电荷作用力：9.2×10-8N质子与电子间的万有引力：4.2×10-47N地球对原子的引力：1.07×10-25N因此地球上的物质不会被压缩为一个点181.2电荷运动基本特性电荷在周围空间产生电场电场是一个矢量场，其方向为正电荷所受电场力方向，与负电荷所受电场力方向相反电场的力的性质用电场强度来描述点电荷的电场分布平板电容电场分布电荷流动形成电流191.2电荷运动基本特性运动电荷除产生电场外还产生磁场磁场是无源有旋的矢量场，磁力线是闭合的曲线簇，不中断，不交叉201.2电荷运动基本特性电场可以产生磁场，磁场也可以生电场，从而形成传播于空间的电磁波211.3电路的概念及特性“路”的概念电荷在电场的作用下产生运动，形成电流电流在金属导线中运动，携带能量也集中在金属导线中但是，当电路的长度与电流波长相近时，电磁场形成共振效应，产生电磁场辐射，能量不再集中在金属导线中，“路”的理论就不满足因此，有电路的集总假设：电流的波长远远大于电路的尺寸221.3电路的概念及特性电路的结构特性拓扑约束：基尔霍夫定律元件约束：欧姆定律电路的参数特性电流：运动速度是光速电压：便于测量231.4电源为电路提供稳定电能直流电源交流电源太阳能电源241.5电信号的特性信号是信息的表现形式，由于电信号容易传送和控制，常用随机变化的交流信号表达信息电信号是指随着时间而变化的电压或电流电信号以光速进行传输但在传输过程中有能量的损耗和噪声干扰因此一般需要经过放大、滤波、转换过程251.6电信号的观察万用表示波器电源信号源频谱仪26第二章信息与信息科学2.1信息

不是物质，不是能量

来自于客观物质运动，但又不依赖客观物质运动的流动

信息的表现形式：编码/解码2.1信息特征客观存在能够被感知需要载体可转化为知识可以被反演可以被复制与度量2.1信息

信息依附与载体2.2信息处理与信号

信息依附于载体运动，含有信息运动的载体就被称为信号

信息的控制与交流不断被延伸借助空气中声音信号的运动，发明语言借助符号，发明文字借助形体变化，发明姿体语言借助电子运动，加速信息的传播2.2信息处理与信号2.2信息处理与信号

信号的编译不同种族的语言，是对信息的不同编译方式依附于不同的载体的信息，呈现不同的编译方式摩尔斯电码2.2信息处理与信号

信息处理：按照人类的需求，控制载体物质运动的规律，满足信息运动需要，实现信息的有序流动

包括：信息的接收、存储、转化、传送和发布

信息处理必须按照载体的运动规律设计2.2信息处理与信号通信系统设计思路：寻找合适的载体编码：将信息转换或者翻译，机器语言与人类能够理解的语言的转换

技术路线及可性行设计与优化通信系统5大基本单元信源编码信道解码信宿2.3信息科学与技术

科学

人类通过对信息的反复观察、分析、处理和总结，不断提高对物质世界的认识，并形成的专业知识体系

信息科学以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以电子信息技术为主要研究工具，以扩展人类信息功能的主要目标信息论、系统论、控制论2.3信息科学与技术第三章电子信息系统与数学模型3.1数学模型与系统

数学模型信息的一种表达形式为了某种目的，用字母、数字及其它数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、图象、框图等，描述客观事物的特征及其内在联系的表达式表达的物理关系及运动规律不同，但数值关系相似3.1数学模型与系统系统由一些相互联系、相互制约的若干组成部分结合而成的、具有特定功能的一个有机整体由若干要素（部件）组成有一定结构有一定功能3.1数学模型与系统电路与系统电路：完成某种功能的基本单元电子系统：若干相互连接、相互作用的基本电路组成的具有特定功能的整体3.1数学模型与系统数学分析工具用函数表示系统输入与输出间的一种对应关系，通过数学表达式描述变量之间的物理关系电信号变量的变换规律符合电学的运动规律，当抽象成为一个数学意义上的变量，建立数学模型也可以称为电路模型。所以，电路模型实际上就是数学模型3.1数学模型与系统解具有相似性，都是一个周期性正弦函数，两个系统模型的物理变化规律类似。但是，两个系统的物理参数不同，钟摆是机械能、动能与势能之间的周期转换；二阶电路描述的是电场能与磁场能之间的周期转换。3.2数字信号系统数字信号：自变量是离散的、因变量也是离散的信号二进制信号：高电平“1”，低电平“0”

几乎所有信息都可以用“0”、“1”表达和描述

优点：抗干扰的能力特别强,体积小、功耗低、精度高、灵活性大，易集成便于存储兼容性好，能在同一条线路上传送电话、有线电视、多媒体等多种信息便于加密和纠错,具有较强的保密性和可靠性3.2数字信号系统数字二进制BCD码000001000120010300114010050101601107011181000910013.3自适应系统自适应系统:对于不同的外加条件，系统可以自动调整电路参数适应其变化，以反馈理论为基础的自动调节系统反馈控制：从输出提取信号，并将其返回至输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制负反馈：返回信息的作用是抵消输入信息闭环控制：信号沿前向通道（或称前向通路）和反馈通道进行闭路传递，形成一个闭合回路。闭环控制系统都是负反馈控制系统3.3自适应系统3.3工程系统的核心技术电子信息科学与技术重要的价值在于其广泛的工程应用集成电路技术计算机技术光纤技术3.3工程系统的核心技术集成电路技术20世纪50年代，基尔比在半导体晶体管技术的基础上，利用制版工艺，将晶体管、电阻等元件设计集成在一块基片上，开创了集成电路工艺体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好，成本低，便于大规模生产3.3工程系统的核心技术计算机技术综合性强，与电子工程、应用物理、机械工程、现代通信技术和数学等结合紧密理论基础：离散数学、算法论、语言理论、控制论、信息论、自动机论等应用广泛，催生了信息化时代的出现3.3工程系统的核心技术3.3工程系统的核心技术光纤技术以光电子学、机械学、材料学及计算机信息处理等为基础的一门新兴技术光纤是光波导的一种，具有损耗低、频带宽、线径细、可挠性好、抗电磁干扰，耐化学腐蚀、原料丰富、制造过程能耗少、节约大量有色金属等突出优点广泛应用于医疗、运输、通信、服务、军事、能源、教育等各种领域，为信息技术的发展提供了一个有效的媒介3.3工程系统的核心技术第四章电路与系统4.1电路系统的基本结构电路包含：电源、信号源、负载、连接导线和辅助设备4.1电路系统的基本结构

电信号的表示模拟信号/数字信号低频信号/高频信号快变信号/缓变信号强信号/弱信号4.1电路系统的基本结构元器件单元电路单元系统1830年前后已经出现产品和技术：1、电池（提供稳定的直流电流）2、金属导线3、电感、电磁铁、继电器4、永磁铁（很早就出现，如指南针）5、莱顿瓶（电容）6、金属结构加工工艺成熟7、电产生磁，利用磁产生简单的机械力8、力学原理、运动学原理清楚1876年Bell发明电话系统（含喇叭和麦克风）4.1电话的发明

Bell在做电报实验时，偶然发现了一块铁片在磁铁前振动会发出微弱声音的现象，而且他还发现这种声音能通过导线传向远方。这给贝尔以很大的启发。他想，如果对着铁片讲话，不也可以引起铁片的振动吗?这就是贝尔关于电话的最初构想。电源继电器电信号喇叭交流信号，麦克风扬声器直流电源，由开关控制4.2电路系统的基本任务

非电信号转换电信号处理滤波放大运算4.3电路系统的标准化设计电路模块化设计标准化接口标准化程序标准化模块化电源

4.4电子信息系统设计思想

任务分解空间分解：单元化、模块化；时间分解系统优化理论关注总体性能和指标自下而上元件-->单元电路-->系统-->大系统自上而下总体性能指标-->子系统技术指标-->模块技术指标-->电路元件第五章半导体器件有源器件的发展1800伏特电池电感电磁铁继电器1840电报1876电话17851831库伦定律电磁感应，法拉第麦克斯韦1873年马可尼1895年喇叭麦克风电子管1905年1839.8.19法国达盖尔光学相机1860法国无声电影1910爱迪生有声电影留声机有源器件的发展爱迪生效应爱迪生发明碳丝电灯之后，因为碳丝难耐电火高温，应用不久即出现了寿命太短的问题。1883年，他在灯泡内另行封入一根铜线，想阻止碳丝蒸发，延长灯泡寿命。经过反复试验，碳丝虽然蒸发如故。但他在试验中发现了一个现象：碳丝加热后，铜线上竟有微弱的电流通过。英国物理学家弗莱明根据“爱迪生效应”发明了电子管（即二极管）。随后，人们又在弗莱明二极管的基础上制成了三极管，促成了世界上第一座无线电广播电台于1921年在美国匹兹堡市建立。有源器件的发展电子管的缺点：体积大；灯丝，发热，效率低；制作工艺复杂；有源器件的发展电子管原理的应用显像管5.1半导体材料及结构N型半导体P型半导体PN结的形成5.2二极管和三极管半导体二极管半导体三极管5.3二极管的应用整流检波混频5.4三极管的应用放大线性调整电源开关电路运算放大器5.6场效应管电压控制模式输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽5.6场效应管开关工作模式广泛应用于数字电路，“0”、“1”电路的开关切换功率控制第六章电子计算机信息处理技术信息的获取、传输、存储、处理

传输-->通信系统、雷达系统

处理-->广义：计算机系统

狭义：自动控制系统、

机器人系统、

图像处理系统 ……计算机体系结构6.1计算机信号表示形式

二进制数字信号可靠性高、运算规则简单、电路简单

任意信号的数字表达采样、量化、编码6.1计算机信号表示形式

运算规则0×0=01×0=00×1=01×1=16.1计算机信号表示形式

电路结构Uo+5VUi+5VUiUo6.2CPU

中央处理单元计算机的运算核心和控制核心，其主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据包括：运算器、控制器和寄存器6.2CPU基本结构

运算器完成多种数学运算，加、减、乘、除和逻辑运算

控制器读取指令，分析各种指令，并按指令要求发出控制信号

寄存器存放数据和中间结果6.2CPU基本结构6.2CPU基本操作

取指令

译码

执行

回写CPU单步运算能力有限，但电信号的运动速度是光速，因此CPU处理速度很快6.3存储器

信息的载体6.3存储器

图像的数字化6.4计算机工作程序

操作系统管理计算机的全部资源，提高计算机使用效率，连接人与计算机之间的交流，同时也是计算机硬件和其他软件的接口。人们可以通过操作系统提供的指令或者菜单方便地使用计算机。6.4计算机工作程序应用程序为了完成某项或某几项特定任务而被开发运行于操作系统之上的计算机程序利用计算机高级语言编写开发软件，然后通过编译程序将高级语言转换为计算机操作系统能够理解的机器代码Office、Matlab、Pspice、Candace6.5计算数据结构是计算机存储、组织数据的方式，是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合

精心选择的数据结构可以带来更高的运行或者存储效率，并易于编制程序对这类数据进行处理

数据结构往往同高效的检索算法和索引技术有关。6.6计算机系统的微型化

单片机采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的CPU、存储器、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统6.6计算机系统的微型化嵌入式系统嵌入机械或电气系统内部、具有专属功能的计算机系统，通常要求实时计算性能。是面向用户、面向产品、面向应用的，具有很强的专用性6.6计算机系统的微型化DSP高速工作，能够专用于处理数字信号，特别适合某些特殊数字信号的处理，因此，被广泛应用在通信、雷达等信号处理电路中第七章信号转换与接口7.1电信号的产生信息依附于载体运动，因此，当信息在不同载体间传输时，需要进行转换

信息的加载方式人工输入键盘、人工敲击开关传感器转换7.1电信号的产生

声音信号转换为电信号动圈式：声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（音圈）随之在磁场里振动，产生感应电流（电信号）电容式：振动使两极板间的距离改变，即电容C改变，而电量Q不变，就会引起电压的变化7.1电信号的产生

超声波具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好等特点对液体、固体的穿透力很大超声波传感器习惯上称为超声换能器或者超声探头，是利用超声波的特性研制而成的传感器主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波7.1电信号的产生7.1电信号的产生

光电转换器光子将能量传递给电子使其运动，从而形成电流电子运动产生光的方式很多，如热光、电子撞击荧光粉产生二次发光、LED发光

电信号转换为声音信号扬声器7.2信息的表达

电信号转换为图像信号显示器7.2信息的表达7.3电信号的传输

最大功率传输上一级输出与下一级输入间加阻抗匹配电路滤波选频

去噪7.4信号同步

频率同步通过频率比对将分布在不同地方的频率源的频率值调整到一定的准确度或一定的符合度码率同步统一收发双方时钟频率数据缓冲数据异步交换模式7.4信号同步数据包不同系统间大规模数据交换模式约定打包规则、发送规则、接收规则

帧同步数据传输过程中数据的排列顺序可能变化接收后需按规则还原原始信息帧同步就是在数据组加入标志数码；收到的数据按标志数码排列，得到数据完整的信息表达7.5信道

信息的传输通道电缆光纤无线电信道第八章编解码8.1信息编码信息依附于载体运动，当信息在不同载体间转换时，需要从一种形式或格式转换为另一种形式，这个过程称为编码

语言和文字属于不同的编码方式

相同含义的信息用不同语言或文字进行描述，也属于编码方式的不同8.1信息编码规则

约定原则模拟信号的直接编码数字信号编码

载体有效利用原则充分利用载体的运动特性

接收与理解原则解码方式8.2电信号的形式

电信号实现信息的加载、传输、存储、处理和应用，因此电信号的形式应适应信息的变化形式

正弦信号其幅度/频率/相位可用于表示多种信息开关信号数字电路中信息的表示形式

其他形式方便信息的传输8.3信号的调制与解调调制将信息进行加到载波上，使其变为适合于信道传输的形式的过程

解调从携带消息的已调信号中恢复信息的过程

载波特定频率的信号，通常为高频信号8.3信号的调制与解调高频信号适合于无线电传输频率越高，可利用的频带宽度就越宽，信道容量就越大，可以减小或避免频道间的干扰；当天线尺寸大小可以与信号波长相比拟时，才有较高的辐射效率和接收效率，这样，可以采用较小的信号功率，传播较远的距离，也可获得较高的接收灵敏度8.3信号的调制与解调

幅度调制频率调制

相位调制8.4数字信号编码和解码

数字编码二进制

语音信号编码与压缩非线性编码

图像编码压缩数据

加密技术信息安全8.5信道编解码

信号在不同载体中传输时，需适应载体特性选择适合的编码形式

信道特性

空气：声音信道

电线电缆：利用电场特性，低频信号传输电离层：远距离高频信号传输光纤光缆：远距离传输，损耗小，容量大8.5信道编解码

信道复用提高信息传输能力

频分复用/时分复用信道容错能力8.6信号的理解与识别

载有信息的信号经传输处理后，需转换和表达为易于理解的形式信息的存储数据库：加快和提高信息的利用率

特征信号的提取压缩存储空间，提高信息的准确度

信息的自我学习智能化

信息的表达适应不同的应用环境第九章电子信息系统实例9.1通信系统基本结构信源：信息的来源，文字、语言、图像编码：信息的表达和加载到载体上形式的转换信道：信息的传输通道解码：信号还原为信息信宿：信息的接收者9.1通信系统

通信方式串行通信使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信单工通信、半双工通信、双工通信多工通信9.1通信系统

通信方式并行通信一组数据的各数据位在多条线上同时传输，以字或字节为单位并行进行。速度快、效率高。计算机或PLC各种内部总线以并行方式传送数据9.1通信系统

通信网终端设备(用户设备)：用户与通信网之间的接口设备，可把用户的消息与收发的电信号相互转换。传输系统：电信号的传输信道，包括有线、无线、光缆等线路。交换设备：在终端之间和局间进行路由选择、接续控制的设备。为使全网能合理协调工作，还要有各种规定，如质量标准、网络结构、编号方案、信号方案、路由方案、资费制度等。9.1通信系统

数据交换9.1通信系统

分类按传输媒介分有线/无线按信号类型分模型/数字通信系统按信息种类分电报/电话/传真/数据通信系统9.2广播/电视系统9.3网络系统

体系