《電子信息科學與工程導論》主要從兩個方面入手介紹電子信息科學的發(fā)展與應用。一方面由于電子信息學科的發(fā)展離不開電子元器件的發(fā)展,因此本書前面兩章從電路基礎出發(fā),介紹了電子器件和電路設計的基本原理;另一方面由于電子信息學科與其他學科相比知識面范圍廣、學科內容更新快,因此教材內容緊跟信息技術的發(fā)展趨勢,從電子技術、通信技術、計算機技術、信息處理技術以及控制科學技術五個知識領域全面介紹電子信息技術的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢,使讀者能夠對電子信息類專業(yè)的學科體系、研究領域、應用領域和研究方法有一個全面的、專業(yè)化的認識,建立起一些基礎而重要的電子技術概念。本書旨在激發(fā)和增強學生學習電子信息科學的興趣和積極性,為學習后續(xù)課程和從事信息科學事業(yè)奠定方法論基礎。
本書可作為高校電子信息類專業(yè)的導論課程教材,也可作為相關專業(yè)學生或電子信息專業(yè)的愛好者了解、學習信息科學知識的參考書。
“電子信息科學與工程導論”是通信工程、電子信息工程、信息工程、電氣工程及其自動化等專業(yè)學生的一門基礎性課程,主要通過對電子信息領域中涉及的基本概念、原理和方法的介紹,讓學生了解本學科的課程體系和發(fā)展趨勢。
電子信息學科與其他學科相比具有知識面范圍廣、學科內容更新快等顯著的特點。電子信息學科主要包括微電子技術、計算機技術、通信技術和軟件技術等內容, 由于各種技術之間的相互滲透,信息技術的集成化、融合化的特征越來越顯著,其越來越表現為技術群的協(xié)同發(fā)展,例如微電子技術的發(fā)展、集成電路的出現,首先引起了計算機技術的巨大變革,而以計算機技術、網絡技術為代表的信息技術群則帶來了通信產業(yè)的革命,并滲透到各個學科和領域。鑒于此,我們的教材內容緊跟信息技術的發(fā)展趨勢,從半導體技術、通信技術、計算機技術、信息處理技術以及控制科學技術五個知識領域全面介紹電子信息技術的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢,使讀者能夠對電子信息類專業(yè)的學科體系、研究領域和研究方法有一個全面的、專業(yè)化的認識,建立起一些基礎而重要的電子技術概念。
本書主要為大學低年級學生及電子信息專業(yè)的入門者提供一個參考,他們往往對于電子信息科學的發(fā)展及應用感覺到迷茫,他們會有這樣的疑問: 我們所面對的學科是做什么的?它是如何發(fā)展起來的?它在科學上很重要嗎?它和別的學科是什么關系?它的發(fā)展前景怎么樣? 本書的主要目的是為了解答學生心中的這些疑問,同時擴展學生的視野,尤其是在高校分大類招生的背景下,使電子信息學科的學生對本學科的各個專業(yè)領域都有所了解。
本書從兩方面入手介紹電子信息科學的發(fā)展與應用。
一方面從信息技術實現的電路基礎出發(fā),介紹電子器件和電路設計的基本原理以及發(fā)展歷程。電子信息學科的發(fā)展離不開電子元器件的發(fā)展,電子器件是20世紀的重大發(fā)明之一,它對科技、生產、經濟以及人類社會的作用是任何其他發(fā)明所不能與之比擬的。目前在半導體和集成電路專用裝備領域,生產設備趨向于集成化和生產線自動化,設備制造與半導體集成電路工藝越來越密不可分;在新型電子元器件設備領域,電子元器件在保持微型化的同時,向組件化、模塊化、多功能化、無源/有源元器件集成化發(fā)展;在發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)專用設備領域,設備生產效率和自動化程度越來越高,在線檢測裝置越來越多;在表面貼裝技術(Surface Mounted Technology,SMT)專用設備領域,電子元器件也朝著微型化、集成化、多功能的方向發(fā)展。鑒于此,本書第2章和第3章以講清概念、強化應用為重點,分別從半導體器件、模擬電子技術、數字電子技術和集成電路等方面系統(tǒng)性地介紹了電子技術的發(fā)展歷程。
另一方面從學科發(fā)展綜合化趨勢來看,電子信息技術是“工學”大類各學科中涵蓋面最廣、滲透力最強的學科,因此又常稱作“3C”技術(通信Communication、計算機Computer、控制Control)。目前電子信息領域中的測量技術與通信、計算機技術互相融合的趨勢越來越明顯,軟件技術在電子測量技術中所占比重越來越重;隨著新型元器件和新材料的不斷問世,超高頻、大功率、低噪聲集成電路的深入應用,通信設備、計算機設備的性能迅速提高;基于傳感器的信息感測技術、基于計算機的信息處理技術、信息識別技術(文字識別、語音識別、圖形識別)等已經廣泛應用于現代通信系統(tǒng)和物聯(lián)網系統(tǒng)中,而且這些技術的融合、滲透速度越來越快。鑒于此,本書從第4章開始分別介紹與此相關的各種技術——傳遞信息的通信技術,處理、存儲信息的計算機技術,對信息進行處理的信息處理技術,控制信息采集、處理和傳遞等過程的控制技術。
本書曾作為校內講義在電子信息類各專業(yè)廣泛使用,這次我們在原講義的基礎上結合近幾年電子信息技術的新發(fā)展進行了較大的修改,使本書更能真實地體現信息技術的發(fā)展歷程以及現狀。
第1章緒論。簡單介紹了電子信息科學與技術的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢,對電子信息科學所包含的技術領域和電子信息科學與技術的學科體系進行了介紹。
第2章半導體器件基礎。半導體器件是構建具體電路的基本單元,本章介紹了半導體中載流子的統(tǒng)計分布、半導體的導電性、非平衡載流子等,討論了半導體的霍爾效應、磁電阻效應等物理效應,對電子電路中基本的半導體器件——二極管、雙極三極管、結型場效應管、MOS場效應管等以及如何利用這些半導體器件設計具體電路進行了介紹。
第3章電子技術基礎。電子技術是以集成電路技術為核心,設計和制造微小電子元器件和電路以實現特定的電子系統(tǒng)功能,同時它也泛指應用大規(guī);虺笠(guī)模集成電路,并綜合利用現代計算機技術和通信技術,生產現代高速計算機、通信產品的一種綜合技術。本章介紹了集成電路的基本結構及集成電路制造中的工藝技術,同時對微電子領域的熱點技術等進行了詳細介紹。
第4章通信科學與技術。通信技術是以現代的聲、光、電技術為硬件基礎,輔以相應軟件來達到信息交流目的的技術。通信網絡的劃分方法很多,本章主要按照通信網的功能來進行分類,介紹了電話及電話通信網、微波通信、衛(wèi)星通信、光纖通信、移動通信等幾種典型的通信方式。
第5章計算機科學與技術。通信的本質是計算機技術和網絡技術的結合,網絡中的大量信息對計算機的信息處理能力提出更高要求。本章主要介紹計算機的發(fā)展歷史、計算機科學理論基礎、計算機的組成與體系結構、操作系統(tǒng)、高級程序設計語言、數據庫技術、計算機網絡技術及其計算機產業(yè)的崛起與發(fā)展。
第6章信息處理技術。信息處理技術包含信息科學的多個學科,是計算機技術、通信技術、電子技術和控制技術等多種技術的融合。本章主要介紹了與信息處理技術相關的一些基本概念,著重介紹了信息處理技術中的兩大分支——數字圖像信息處理與多傳感器信息融合處理系統(tǒng)中的經典算法與典型結構。
第7章人工智能與智能信息處理。主要介紹了人工智能的基本原理、方法和技術,使讀者建立起對于人工智能的總體認識,同時對以人工智能為基礎而發(fā)展起來的智能信息處理的主要技術——模糊理論、神經計算、進化計算、混沌理論、分形計算等進行詳細的分析。
第8章控制科學與技術?刂评碚摰陌l(fā)展已經從最基本的反饋控制原理發(fā)展到自適應控制、優(yōu)化控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制等。本章主要介紹控制理論的基本內容、自動化技術以及先進的控制技術等。
在本書編寫過程中所參考和借鑒的許多專家學者研究成果都在章后列出;同時,選用了一些組織機構網站中的照片,由于數量眾多,未能全部列出,在此向這些成果(照片)的所有者和機構表示誠摯的謝意。
本書具體編寫分工如下: 第1章和第7章由王麗麗博士編寫,第2章由丁宏博士編寫,第3章和第8章由張玉玲博士編寫,第4章由謝艷輝老師編寫,第5章由柳嬋娟博士編寫,第6章由于泓博士編寫。
限于作者學識水平,書中在具體內容的選擇取舍、專業(yè)術語的翻譯等方面肯定存在著缺點和錯誤,我們懇請專家和讀者批評指正。
編者2014年9月
第1章緒論1
1.1電子信息科學與技術的發(fā)展歷史1
1.2電子信息技術的發(fā)展趨勢2
1.2.1集成電路技術持續(xù)發(fā)展,微電子技術集成化程度高2
1.2.2通信技術向寬帶化、綜合化方向發(fā)展3
1.2.3計算機技術向智能化方向發(fā)展3
1.2.4信息處理技術向綜合性發(fā)展3
1.2.5工業(yè)控制自動化技術正在向智能化、網絡化和集成化方向發(fā)展3
1.3電子信息科學的技術領域4
1.3.1軟件4
1.3.2微電子技術5
1.3.3計算機及網絡技術6
1.3.4通信技術7
1.3.5廣播電視技術8
1.3.6新型電子元器件9
1.3.7信息安全技術10
1.3.8智能交通技術10
1.4電子信息科學與技術的學科體系11
參考文獻14
第2章半導體器件基礎15
2.1半導體基本概念15
2.1.1半導體的基本定義15
2.1.2半導體材料的發(fā)展15
2.1.3半導體材料的基本特性17
2.1.4本征半導體和雜質半導體18
2.1.5半導體晶體中載流子的運動19
2.2半導體器件的發(fā)展歷史21
2.3基本半導體器件23
2.3.1二極管23
2.3.2雙極三極管26
2.3.3結型場效應管30
2.3.4MOS場效應管31
2.3.5晶閘管322.3.6半導體(熱敏、光敏)電阻33
參考文獻35
第3章電子技術基礎36
3.1模擬電子技術基礎36
3.1.1基本放大電路36
3.1.2差分放大電路38
3.1.3恒流源電路39
3.1.4功率放大電路39
3.1.5穩(wěn)壓電源40
3.2數字電子技術基礎41
3.2.1邏輯運算41
3.2.2基本門電路43
3.2.3組合邏輯電路47
3.2.4時序邏輯電路49
3.2.5可編程邏輯器件51
3.3集成電路簡介56
3.3.1集成電路的基本概念與分類56
3.3.2集成電路的結構與基本特征58
3.3.3集成電路制造中的工藝59
3.3.4集成電路的發(fā)展趨勢60
3.4EDA工具介紹62
3.4.1EDA技術概述62
3.4.2EDA技術發(fā)展63
3.4.3EDA軟件與簡介64
3.4.4硬件描述語言65
參考文獻67
第4章通信科學與技術68
4.1通信科學與技術概論68
4.1.1通信的定義68
4.1.2通信系統(tǒng)一般模型68
4.2電話及電話通信網69
4.2.1電話的誕生及基本原理69
4.2.2電話交換技術的誕生及發(fā)展69
4.2.3程控交換機 71
4.2.4電話網的組成、結構72
4.2.5軟交換技術73
4.3微波通信76
4.3.1微波通信的基本概念76
4.3.2微波通信系統(tǒng)組成77
4.3.3微波通信的應用與發(fā)展80
4.4衛(wèi)星通信81
4.4.1衛(wèi)星通信基本概念81
4.4.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成82
4.4.3衛(wèi)星通信的應用與發(fā)展84
4.5光纖通信85
4.5.1光纖通信的基本概念85
4.5.2光纖通信的基本原理85
4.5.3光纖通信的應用與發(fā)展88
4.6移動通信90
4.6.1移動通信的基本概念90
4.6.2移動通信的發(fā)展歷史91
4.6.3全球移動通信系統(tǒng)92
4.6.4CDMA數字移動電話系統(tǒng)98
4.6.5第三代移動通信系統(tǒng)100
4.6.6第四代移動通信系統(tǒng)103
參考文獻106
第5章計算機科學與技術107
5.1計算機的誕生與發(fā)展107
5.1.1機械計算機107
5.1.2電磁計算機109
5.1.3電子計算機的發(fā)明111
5.1.4電子計算機的發(fā)展115
5.1.5微型計算機的發(fā)展117
5.1.6巨型機的研究與發(fā)展119
5.2計算機科學理論基礎122
5.2.1計算理論122
5.2.2計算科學的基本內容123
5.2.3計算科學中的典型問題126
5.2.4計算機學科的典型方法131
5.3計算機組成與體系結構132
5.3.1馮·諾依曼計算機結構133
5.3.2計算機組成與體系結構134
5.3.3計算機的分類134
5.4操作系統(tǒng)135
5.4.1操作系統(tǒng)的功能135
5.4.2操作系統(tǒng)的特征136
5.4.3操作系統(tǒng)的發(fā)展與分類136
5.5高級程序設計語言140
5.5.1機器語言140
5.5.2匯編語言140
5.5.3高級程序設計語言141
5.6數據庫技術143
5.6.1數據管理的發(fā)展143
5.6.2數據模型與數據庫系統(tǒng)145
5.7計算機網絡149
5.7.1計算機網絡的產生與發(fā)展150
5.7.2計算機網絡的結構與組成153
5.7.3計算機網絡體系結構156
5.7.4計算機網絡技術的新發(fā)展158
參考文獻165
第6章信息處理技術166
6.1信息處理技術概述166
6.2信息獲取與傳遞167
6.2.1信息獲取167
6.2.2信息傳遞169
6.3信息處理基本方法169
6.3.1時間域信號處理方法170
6.3.2變換域信號處理方法171
6.4圖像信息處理173
6.4.1概述173
6.4.2圖像的幾何處理與算術處理174
6.4.3圖像增強177
6.4.4圖像重建與圖像分割180
6.4.5圖像編碼183
6.4.6數字圖像處理的應用185
6.5信息融合186
6.5.1信息融合的目的和應用領域186
6.5.2信息融合的理論基礎188
6.5.3信息融合技術192
6.5.4數據融合的主要內容193
6.5.5數據融合的研究進展196
參考文獻197
第7章人工智能與智能信息處理198
7.1人工智能198
7.1.1人工智能的定義198
7.1.2人工智能的發(fā)展簡史199
7.1.3人工智能發(fā)展中的不同學派201
7.1.4人工智能的應用領域204
7.2智能信息處理207
7.2.1智能信息處理的主要技術207
7.2.2模糊計算211
7.2.3模糊信息處理213
7.2.4神經計算與神經網絡信息處理216
7.2.5進化計算232
7.2.6混沌理論與應用235
7.2.7分形理論及應用240
參考文獻246第8章控制科學247
8.1控制理論與技術247
8.1.1控制理論產生和發(fā)展247
8.1.2控制理論的基本概念250
8.1.3控制論的主要方法253
8.1.4智能控制與優(yōu)化255
8.2自動化技術與裝置260
8.2.1自動化裝置的出現和應用260
8.2.2自動化技術的發(fā)展歷程262
8.3大系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)264
8.3.1大系統(tǒng)特點264
8.3.2大系統(tǒng)建模265
8.3.3模型降階266
8.3.4大系統(tǒng)的遞階控制267
8.3.5大系統(tǒng)的分散控制267
8.3.6大系統(tǒng)的穩(wěn)定性268
8.3.7復雜系統(tǒng)理論269
8.4機器人技術270
8.4.1機器人的定義271
8.4.2機器人的發(fā)展歷史272
8.4.3機器人的結構及主要技術參數273
8.4.4多機器人系統(tǒng)276
8.4.5機器人技術的應用277
8.4.6機器人技術的發(fā)展趨勢279
參考文獻280