第章电子信息工程简述

第一章第一节电子信息学科及其基础知识概述电子信息学科是当今世界上发展最快的学科之一，它属于技术科学范畴。电子信息学科是应用电子学和信息技术科学的知识、技术进行设计、制造和使用电子与信息产品的学科。它包括众多的子学科：电子科学和技术电子信息工程通讯工程微波工程电子信息学科及其基础知识概述美国伯克利加州大学的EdwardA.Lee教授认为，电子电气和计算机工程领域在20世纪经历了四次重大的技术重点转移：一是由电力传输与旋转机械向电子学转移二是由电子管向半导体以及由分立元件向集成电路转移三是由模拟电子向数字电子转移四是由固定的向可编程的数字硬件转移电子信息学科及其基础知识概述电子信息学科的知识体系结构由4个领域组成：电路与电子知识领域电磁学知识领域信息处理知识领域计算机知识领域电子信息学科及其基础知识概述电路与电子知识领域由电路原理、电子电路基础、数字逻辑系统设计、微电子与系统和通信电子电路等模块组成；电磁学知识领域由电磁场与电磁波和微波等模块组成；信息处理知识领域由信号与系统、自动控制原理、随机信号分析和数字信号处理等模块组成；计算机知识模块则由计算机系统、程序设计、网络技术和嵌入式系统等模块组成。电子信息学科及其基础知识概述一、电路与电子知识领域电子信息学科及其基础知识概述当前，我国集成电路设计和制造技术的发展面临着一个难得的机遇。首先，是国家的高度重视。第二，是国家信息产业的高速发展对集成电路的巨大需求。第三，是国内外半导体制造现代化工艺线的不断建设和扩展。第四，是十多条先进的工艺线在上海、北京和天津等地的兴建为我国先进的集成电路的制造提供了条件。第五，是我国有数量庞大的集成电路设计与制造技术队伍和智力资源。一、电路与电子知识领域电子信息学科及其基础知识概述1.新分工体系开始形成。2.空间集聚效应更加突出。3.技术演进愈来愈快。国际：竞争格局发生变化一、电路与电子知识领域电子信息学科及其基础知识概述1.技术升级加速产业调整。2.产业发展面临瓶颈。国内：调整转型进入新阶段一、电路与电子知识领域电子信息学科及其基础知识概述集成电路是基于电压、电流等基本概念所形成的电路、模拟电子电路、数字电子电路发展起来的，同时集成电路又成为工业、生物、通信、测试技术与仪器、数字信号处理等技术的基础。电子电路知识结构图电子信息学科及其基础知识概述功率电阻元件电路片上系统工业生物测试技术通讯数字处理日常消费电压电流一、电路与电子知识领域电子信息学科及其基础知识概述（一）电路知识与设计技术（二）系统知识与设计技术（三）工艺知识与技术（四）工具知识与技巧集成电路设计需要的知识和技术范围已大为扩展。概括起来可分为以下四个方面：电子信息学科及其基础知识概述二、电磁学知识领域电子信息学科及其基础知识概述当代科技进步与发展中最引人注目的莫过于几乎尽人皆知的信息技术。尤其无线通信正成为人们生活中不可缺少的内容。然而，它与电磁学（电磁场与电磁波）有着密切的联系。了解电磁波在现实环境中传播的现象及其机理。认识电磁波传播的规律，进行电磁波传播的计算，是信息学科的重要基础之一。认识各类天线的结构特点，理解其工作原理和分析方法，掌握常规天线的选型、设计和应用，是信息学科的重要基础。二、电磁学知识领域电子信息学科及其基础知识概述电磁波依照波长由长到短（频率由高到低），将无线电波谱划分为长、中、短、超短和微波。微波对物体有很高的分辨力，同时也对细微的结构差异很敏感。已成为电磁波谱中最重要、最活跃的波段。二、电磁学知识领域电子信息学科及其基础知识概述雷达遥感成像射电天文物质分析精密测量加工微波技术领域：二、电磁学知识领域电子信息学科及其基础知识概述近代通信系统是卫星、移动、通信的组合。信号与信息处理是一切电子信息系统的核心组成部分。综上所述，在电子信息学科中，“电磁场与微波技术”知识领域有着独特的学科意义和应用背景，而且与通信、信号处理、电路、信息安全等技术领域有着密切的学科联系。电子信息学科及其基础知识概述三、信号处理知识领域电子信息学科及其基础知识概述近30年来，在控制与信号处理系统中，数字处理方法迅速替代传统的模拟处理方法。数字处理方法具有数字系统的一些共同优点：抗干扰可靠性强便于大规模集成三、信号处理知识领域电子信息学科及其基础知识概述1.精度高。2.灵活性强。3.可以实现模拟系统很难达到的指标或特性。4.可以实现多维的系统。数字处理方法与传统的模拟处理方法相比较具有以下优点：三、信号处理知识领域电子信息学科及其基础知识概述1.增加了系统的复杂性。2.应用的频率范围受到限制。3.系统的功率消耗比较大。当然数字信号处理系统也存在着一定的缺点。主要表现在：三、信号处理知识领域电子信息学科及其基础知识概述然而，数字处理技术正不断地克服上述缺点，以惊人的速度在发展。一方面，超大规模集成电路使得数字部件成本降低、尺寸缩小、计算速度加快，推动数字技术的应用。另一方面，数字处理在理论上和方法上均向更深层次发展，这使得数字处理的应用领域不断扩大。其表现为：1.由简单的运算走向复杂的运算。2.由低频走向高频。3.由一维走向多维。三、信号处理知识领域电子信息学科及其基础知识概述1965年J.W.Cooley和J.W.Tukey提出了快速傅里叶变换（FFT）算法。1978年A.V.Oppenheim在他主编的《数字信号处理的应用》（ApplicationofDigitalSignalProcessing，PrenticeHall，1978）一书中，列举了数字信号处理在通信、音响、语音、图像、雷达、声纳和地球物理等7个方面的应用实例。三、信号处理知识领域电子信息学科及其基础知识概述在短短的20多年实践了，这些系统已经更新换代，发展极其迅速。例如：在图像处理方面，图像数据压缩是多媒体通信、影碟机和高清晰度电视的关键技术。国际上先后制定的标准有H.261、H.263、H.264、JPEG、MPEG1、MPEG2和MPEG4，这些标准中均使用了离散余弦变换（DCT）算法。三、信号处理知识领域电子信息学科及其基础知识概述近年来发展的小波（Wavelet）变换也是一种具有高压缩比和快速运算特点的崭新压缩技术，应用前景十分广阔，已用于新一代压缩技术的标准。三、信号处理知识领域电子信息学科及其基础知识概述此外，数字信号处理不断开辟新的应用领域，例如：在机械制造中，基于快速傅里叶变换算法的频谱分析仪用于振动分析和机械故障诊断；医学中使用数字信号处理技术对心电和脑电等生物电信号作分析和处理；新一代的广播体制——数字音频广播广泛地使用了数字信号处理技术。三、信号处理知识领域电子信息学科及其基础知识概述数字处理是用数字计算机来实现各种算法，经典的实现方法可分为软件和硬件实现两种。软件实现是用一台通用的数字计算机运行数字处理程序。其优点是经济，一机可以多用；其缺点是处理速度慢。硬件实现是针对特定的应用目标，经优化，设计一专用的软硬件系统。其优点是容易做到实时处理，缺点是设备只能专用。三、信号处理知识领域电子信息学科及其基础知识概述随着大规模集成电路的发展，一个复杂数字信号处理系统已可以集成在一个芯片上，即所谓的“片上系统”，SOC包含有数字电路、模拟电路、模拟和数字转换电路、微处理器、微控制器以及数字信号处理器等。总之，SOC系统将是数字信号处理系统的一个新型实现方法。电子信息学科及其基础知识概述四、计算机知识领域电子信息学科及其基础知识概述计算机作为一种现代的信息处理工具，是人类20世纪最重要的创造工具之一。作为一门重要的科学技术和专业，计算机科学技术有其特定的内涵意义。根据计算机科学技术学科内在联系、相关程度与性质特征，一般将其分为“计算机理论”、“计算机组织与体系结构”、“计算机硬件”、“计算机软件”、“计算机应用技术”、“计算机网络”和“人工智能”等分支。四、计算机知识领域电子信息学科及其基础知识概述1.与通信科学技术紧密融合，相互渗透，促进人类社会信息化的进程；2.为进一步提高计算机系统的性能，发展新型元器件（微电子、光电子集成器件和生物集成器件）、体系结构和实现技术；3.深入研究智能化、集成化、并行化以及自然化的计算机软件；4.在全球联网的环境下，为保证信息资源的共享，计算机与网络的互操作性、开发性而重点研究信息安全保密技术。计算机科学技术发展方向主要体现在以下方面：四、计算机知识领域电子信息学科及其基础知识概述电子信息类人才对计算机知识体系的基本要求集中在两个方面：软件开发微机系统（包括嵌入式系统）应用按电子信息类人才对计算机知识方面的基本要求，建议设置以下4门基础课程：面向对象程序设计微机系统嵌入式系统计算机网络应用其核心是要跟上计算机学科的快速发展。第二节电子、信息与电子信息系统工程基本概念一、电子技术、电子系统与电子工程电子、信息与电子信息系统工程基本概念1.电子元器件电子元器件是组成电子电路和电子系统的最小物理单元。2.电路电路是由相互连接的电子元器件构成的网络。3.电子学电子学是研究电子元器件、电路和电子系统的特性和行为的物理学科。4.电子技术电子技术是根据电子学的原理，运用电子元器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的方法和手段，包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。（一）电子技术一、电子技术、电子系统与电子工程电子、信息与电子信息系统工程基本概念通过各种电子元器件并利用它们的物理特性，设计并构建出具有某种特定功能或完成某种任务的物理实体，这种实体称为电子系统。从电子系统物理实现的角度看，一个电子系统可以划分为器件（包括分立器件和集成电路器件）、电路板及系统三个层次。（二）电子系统一、电子技术、电子系统与电子工程电子、信息与电子信息系统工程基本概念1.工程。对于工程的特征，可以根据为以下几个方面：①工程是有原理的；②工程是有特定目标，注重过程、注重效益；③工程是通过建造实现的，我们不论是建房、造船、修桥、铺路，都是要通过一步步的工序、工艺、工期来完成的；④工程是要与环境协调一致的。大型工程的实施，都会对自然生态系统产生一定的影响，工程环境构成了一对矛盾；⑤工程是在一定边界条件下集成和优化的。（三）电子工程一、电子技术、电子系统与电子工程电子、信息与电子信息系统工程基本概念2.电子工程电子工程是指通过电子技术，运用现代系统工程学原理，实现某一特定应用的全过程，包括电子工程设计、规划、安装与调试，以及电子产品的问世、设计、使用、安装、调试等。（三）电子工程电子、信息与电子信息系统工程基本概念二、信息技术、信息系统与信息工程电子、信息与电子信息系统工程基本概念信息在汉语中最初含义是消息。随着科技的发展，信息已具有新的含义，在不同领域，人们对信息有不同的解释，目前仍未有统一的定义。信息在传递过程中，一定要依靠某种载体。为使信息远距离传播，必须把它转换成为光、电等物理量。带有消息的光、电的变化过程称为信号。（一）信息与信息技术二、信息技术、信息系统与信息工程电子、信息与电子信息系统工程基本概念IT是InformationTechnology的缩写，意为“信息技术”。信息技术是有关信息的产生、收集、发送、识别、提取、变换、存贮、传递、接收、处理、检索、检测、分析和利用等应用技术的总称，是在信息科学的基本原理和方法的指导下扩展人类信息处理功能的技术。（一）信息与信息技术二、信息技术、信息系统与信息工程电子、信息与电子信息系统工程基本概念信息技术主要包括：传感技术传感技术的任务是延长人的感觉器官收集信息的功能通信技术通信技术的任务是延长人的神经系统传递信息的功能计算机技术计算机技术则是延长人的思维器官处理信息和决策的功能（一）信息与信息技术二、信息技术、信息系统与信息工程电子、信息与电子信息系统工程基本概念信息技术目前尚没有一个通用的定义，目前较为有代表性的定义主要有以下几种：①信息技术是借助于以微电子学为基础