电子科学及其技术与导论 2

第一章概述“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材《电子信息科学与技术导论》第三版

第一章概述1.1信息化社会1.2信息科学技术中的基本概念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1.1.1信息化社会的特征电子信息科学技术的进步，正在推进当今社会的信息化（数字化）。1，信息成为社会发展的三大支柱之一：信息（数据）、材料、能源，三大支柱。2，社会进入网络化时代：生产、生活、政治、经济，军事、交通，都依赖网络运作和管理。4，信息技术知识高度普及：人们为适应信息化社会的生产、生活、工作、学习，要求人们具有与信息化社会相适应的文化知识水平。3，产生了以人工智能为代表的智能化生产工具：智能化生产线、无人工厂、自动驾驶等，社会生产力大发展。1.1.2信息化社会的产生背景第一次工业革命（18世纪60年代）：蒸汽机的发明和使用。从此人类进入了工业化大生产的“机器时代”。第二次工业革命（19世纪70年代）：电灯炮和电力设备的发明和使用，电话的发明和普及。从此人类进入了“电时代”。第三次工业革命（始于20世纪五十年代）：电子计算机的发明和应用。从此人类社会开启了进入信息化时代的大门。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；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。提示：信息技术的综合平衡发展才能实现社会的深刻变革，才能使人类步入信息化社会。1.1.3信息化社会的实现途径大数据互联网云计算物联网互联网+信息化社会1.2信息科学技术中的基本概念1.2.1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。

信息、材料、能源，成为社会的三大支柱。1信息2材料3能源信息技术：

是关于语言、文字、图像和数据的技术。

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（机械化）

电报、电话、广播和电视第二次工业革命（电气化）计算机、互联网和移动通信第三次工业革命（信息化）人工智能、物联网和大数据第四次工业革命（智能化）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：1.2.2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、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；

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。1.2.3信息科学

信息技术的物理性：声、光、电、文字传媒。光信息（含红外）：光滤波、光放大、光信息处理等（由全光学器件实现）文字传媒：新闻出版、节目制作、图书资料管理、媒体传播学等。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1.3.1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，发展出了众多的电真空器件，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，应用电子管发明了电子计算机，从此，电子信息时代开始了。1.3.2半导体器件1，电子管的贡献和缺点1946年[美]宾州大学用18800个电子管研制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。缺点：体积大、功耗高。1946年世界上第一台计算机贡献：把电子信息科学技术推上了前所未有发展新高度。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！1.3.3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，它标志着电子线路从此进入了集成电路时代。

基尔比1958年设计集成电路草稿世界第一片集成电路（1958）从此开创了集成电路新时代！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2纳米，一片集成电路就是一个电子系统！电子管发明至今不足120年，集成电路发明不过60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！1.3.421世纪电子新器件纳米器件和石墨稀芯片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。石墨烯的发展潜力无限！石墨烯原子排列示意图51.4.1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，和空天飞机等。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、激光和水声等。侦察卫星无人侦察机5，网络信息获取大数据理论、技术和应用的发展，开创了互联网时代信息获取的广扩天地。1.4.2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较大比重，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、通信体制相互独立，互不兼容。当前发展趋势：数字化、IP化，三网融合，不同信息均以数据包形式表述。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），可实现万物互联。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！QQ/微信是三网融合的新体制。1.4.3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如手机中文件扫描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。己趋成熟，智能手机中可配置该功能。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手机、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：第一步将模拟语音波形数字化，第二步从数字语音信号中提取语音参数，第三步建立语音的声学模型和语音模型，第四步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：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！处理：常见的数字图像和数字视频设备如：微信视频、会议电视、卫星电视、网络电视、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应用：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产品质量自动检测、生产过程的自动控制、实现智能化生产、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、查打一体无人机、自动灭火器的控制及、军事伪装反伪装等，都需要用到图像处理技术；公安部门的现场照片、指纹、虹膜、人脸识别、手迹、印章等的处理和辨识都得借助图像处理。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，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应用。VR的相关设备虚拟现实（VR）71.4.4信息存储硬盘光盘闪存/SD卡磁盘：1.5英寸、2.5英寸、3.5英寸等。主流硬盘容量为120～500ＧＢ。固态硬盘：半导体存储器，128~510G。DVD容量：4.7GB~8.3GB纳米存储器容量可达512GB（USB移动存储器）、SD卡容量更大。21世纪新的存储器件（正大力研究）信息存储器件硬盘光盘USB闪存、SD卡45SD451.4.5信息利用信息利用主要领域：无处不在、无时不在，广到社会生活的各个方面、各行各业，无论政治、经济、军事、交通、传媒和金融，小到个人生活、娱乐和衣、食、住、行，可以说都离不开利用信息。信息利用的技术基础：网络、通信、大数据技术和计算机。信息利用的系统科学与技术：控制科学与工程、计算机科学与技术、超算系统、大数据工程和“网络信息检索”1.自动控制系统中的信息利用一个控制系统必须获取信息、处理信息、传送信息和执行对被控制对象的按预定目标的某种操作，并获取操作后的系统行为信息。因而现代自动控制系统涵盖了信息科学的全部。当前，工业自动化正在向工业智能化的更高阶段发展。信息控制与应用系统简图46文献检索（DocumentRetrieval）

数据检索（DataRetrieval）事实检索（FactRetrieval）

信息检索

信息检索的分类2.信息检索47网络信息资源（2）用户服务组信息资源（3）Gopher信息资源（6）WAIS资源（1）WWW信息资源信息资源分类（5）FTP信息资源（4）Telnet信息资源（5）FTP信息资源网络是信息的海洋，掌握信息检索的方法能帮助科技人员迅速从互联网中获取知识。

0812计算机科学与技术081201计算机系统结构

081202计算机软件与理论081203计算机应用技术0835软件工程（2011年新增一级学科）0809电子科学与技术080901物理电子学080902电路与系统080903微电子与固体电子学

080904电磁场与微波技术0810信息与通信工程081001通信与信息系统☆081002信号与信息处理☆

0811控制科学与工程081101控制理论与控制工程081102检测技术与自动化装置081103系统工程

081104模式识别与智能系统081105导航、制导与控制1.5.1教育部研究生一、二级学科（与电子信息有关）摘录1.5电子信息科学技术的

学科与专业0839网络空间安全集成电路科学与工程0702物理学070208无线电物理0803光学工程（不设二级学科）续：0804仪器科学与技术080402测试计量技术及仪器电气工程080802电力系统及其自动化080804电力电子与电力传动

0818地质资源与地质工程081802地球探测与信息技术

0824船舶与海洋工程082403水声工程

1105军事指挥学110503军事通信学

0828农业工程082804农业电气化与自动化

1402国家安全学各学科之间关系示意：控制科学与工程电子科学与技术信息与通信工程计算机科学与技术光电信息技术电子科学与技术：承担电子材料与元器件的研究、设计、制造与应用。它是信息科学技术的基础。控制科学与工程：主要是研究信息综合应用，分析、判断、决策。信息与通信工程：从事信息获取、信息处理、信息传输与通信网络的理论、技术与产品的研究开发、设计与制造。计算机科学与技术：计算机系统结构、软件工程、人工智能、信息存储、计算机网络及计算机外部设备等的理论、技术、设备的设计、制造与研究工作光电信息技术：在激光发明之后产生的新领域，它与电子信息科学技术的所有学科都密不可分，如光计算机、光存储、光通信、激光雷达等。1.5.2电子信息科学技术的学科分工1.5.3学科融合1.学科的分化与融合是科技发展的必然科学技术发展的规律：在发展基础上分化，产生新学科，同时又在新的发展基础上使多个学科融合。现代大学是按学科组建的，大学的学科建设与调整又是以科技发展为基础、以适应国家建设需求为目的。二十世纪七十年代至九十年代，由于电子信息技术的进步，促使信息科学技术大发展，形成了多个新的学科；也是由于科学技术的发展，使现有学科交叉融合。这是当代信息科学技术发展的重要特征。学科的融合不仅发生在信息科学技术的学科之间，而且也发生在电力工程、机械工程与信息学科之间。如“机电一体化”、“光机电一体化”等。新的交叉学科和综合性学科的出现，将改变原有学科的知识体系，对大学的专业设置、教学计划和课程建设提出了新的要求，大学只有适应这些要求，不断进行教学改革，才能培养出适应国家建设需求的高质量人才。2.电子信息学科之间的融合电子信息科学技术的各个学科各有侧重，但融合的趋势越来越明显。（1）技术融合当代的信息系统设备，一般它们都是通信、信息处理、计算机、自动控制等多学科技术的综合。激光的发明又开创了更广泛的学科之间的融合，产生了光电信息技术的新领域，计算机有了超大容量光存储；激光和通信相结合出现了光纤通信、自由空间光通信、量子通信、激光雷达等新一代电子信息产品。（2）产品融合

集成电路是推动产品融合的动力，一块集成电路就是一个电子系统，CPU+软件+接口=电子信息系统，一个信息系统产品已将多学科、多专业结合在一起。无论是从技术层面，还是具体到实际产品，信息学科领域之间都无法切割。1.5.4我国电子信息科学技术的本科专业