《电子信息科学与工程导论》主要从两个方面入手介绍电子信息科学的发展与应用。一方面由于电子信息学科的发展离不开电子元器件的发展,因此本书前面两章从电路基础出发,介绍了电子器件和电路设计的基本原理;另一方面由于电子信息学科与其他学科相比知识面范围广、学科内容更新快,因此教材内容紧跟信息技术的发展趋势,从电子技术、通信技术、计算机技术、信息处理技术以及控制科学技术五个知识领域全面介绍电子信息技术的发展历史和发展趋势,使读者能够对电子信息类专业的学科体系、研究领域、应用领域和研究方法有一个全面的、专业化的认识,建立起一些基础而重要的电子技术概念。本书旨在激发和增强学生学习电子信息科学的兴趣和积极性,为学习后续课程和从事信息科学事业奠定方法论基础。
本书可作为高校电子信息类专业的导论课程教材,也可作为相关专业学生或电子信息专业的爱好者了解、学习信息科学知识的参考书。
“电子信息科学与工程导论”是通信工程、电子信息工程、信息工程、电气工程及其自动化等专业学生的一门基础性课程,主要通过对电子信息领域中涉及的基本概念、原理和方法的介绍,让学生了解本学科的课程体系和发展趋势。
电子信息学科与其他学科相比具有知识面范围广、学科内容更新快等显著的特点。电子信息学科主要包括微电子技术、计算机技术、通信技术和软件技术等内容, 由于各种技术之间的相互渗透,信息技术的集成化、融合化的特征越来越显著,其越来越表现为技术群的协同发展,例如微电子技术的发展、集成电路的出现,首先引起了计算机技术的巨大变革,而以计算机技术、网络技术为代表的信息技术群则带来了通信产业的革命,并渗透到各个学科和领域。鉴于此,我们的教材内容紧跟信息技术的发展趋势,从半导体技术、通信技术、计算机技术、信息处理技术以及控制科学技术五个知识领域全面介绍电子信息技术的发展历史和发展趋势,使读者能够对电子信息类专业的学科体系、研究领域和研究方法有一个全面的、专业化的认识,建立起一些基础而重要的电子技术概念。
本书主要为大学低年级学生及电子信息专业的入门者提供一个参考,他们往往对于电子信息科学的发展及应用感觉到迷茫,他们会有这样的疑问: 我们所面对的学科是做什么的?它是如何发展起来的?它在科学上很重要吗?它和别的学科是什么关系?它的发展前景怎么样? 本书的主要目的是为了解答学生心中的这些疑问,同时扩展学生的视野,尤其是在高校分大类招生的背景下,使电子信息学科的学生对本学科的各个专业领域都有所了解。
本书从两方面入手介绍电子信息科学的发展与应用。
一方面从信息技术实现的电路基础出发,介绍电子器件和电路设计的基本原理以及发展历程。电子信息学科的发展离不开电子元器件的发展,电子器件是20世纪的重大发明之一,它对科技、生产、经济以及人类社会的作用是任何其他发明所不能与之比拟的。目前在半导体和集成电路专用装备领域,生产设备趋向于集成化和生产线自动化,设备制造与半导体集成电路工艺越来越密不可分;在新型电子元器件设备领域,电子元器件在保持微型化的同时,向组件化、模块化、多功能化、无源/有源元器件集成化发展;在发光二极管(Light Emitting Diode,LED)专用设备领域,设备生产效率和自动化程度越来越高,在线检测装置越来越多;在表面贴装技术(Surface Mounted Technology,SMT)专用设备领域,电子元器件也朝着微型化、集成化、多功能的方向发展。鉴于此,本书第2章和第3章以讲清概念、强化应用为重点,分别从半导体器件、模拟电子技术、数字电子技术和集成电路等方面系统性地介绍了电子技术的发展历程。
另一方面从学科发展综合化趋势来看,电子信息技术是“工学”大类各学科中涵盖面最广、渗透力最强的学科,因此又常称作“3C”技术(通信Communication、计算机Computer、控制Control)。目前电子信息领域中的测量技术与通信、计算机技术互相融合的趋势越来越明显,软件技术在电子测量技术中所占比重越来越重;随着新型元器件和新材料的不断问世,超高频、大功率、低噪声集成电路的深入应用,通信设备、计算机设备的性能迅速提高;基于传感器的信息感测技术、基于计算机的信息处理技术、信息识别技术(文字识别、语音识别、图形识别)等已经广泛应用于现代通信系统和物联网系统中,而且这些技术的融合、渗透速度越来越快。鉴于此,本书从第4章开始分别介绍与此相关的各种技术——传递信息的通信技术,处理、存储信息的计算机技术,对信息进行处理的信息处理技术,控制信息采集、处理和传递等过程的控制技术。
本书曾作为校内讲义在电子信息类各专业广泛使用,这次我们在原讲义的基础上结合近几年电子信息技术的新发展进行了较大的修改,使本书更能真实地体现信息技术的发展历程以及现状。
第1章绪论。简单介绍了电子信息科学与技术的发展历史和发展趋势,对电子信息科学所包含的技术领域和电子信息科学与技术的学科体系进行了介绍。
第2章半导体器件基础。半导体器件是构建具体电路的基本单元,本章介绍了半导体中载流子的统计分布、半导体的导电性、非平衡载流子等,讨论了半导体的霍尔效应、磁电阻效应等物理效应,对电子电路中基本的半导体器件——二极管、双极三极管、结型场效应管、MOS场效应管等以及如何利用这些半导体器件设计具体电路进行了介绍。
第3章电子技术基础。电子技术是以集成电路技术为核心,设计和制造微小电子元器件和电路以实现特定的电子系统功能,同时它也泛指应用大规模或超大规模集成电路,并综合利用现代计算机技术和通信技术,生产现代高速计算机、通信产品的一种综合技术。本章介绍了集成电路的基本结构及集成电路制造中的工艺技术,同时对微电子领域的热点技术等进行了详细介绍。
第4章通信科学与技术。通信技术是以现代的声、光、电技术为硬件基础,辅以相应软件来达到信息交流目的的技术。通信网络的划分方法很多,本章主要按照通信网的功能来进行分类,介绍了电话及电话通信网、微波通信、卫星通信、光纤通信、移动通信等几种典型的通信方式。
第5章计算机科学与技术。通信的本质是计算机技术和网络技术的结合,网络中的大量信息对计算机的信息处理能力提出更高要求。本章主要介绍计算机的发展历史、计算机科学理论基础、计算机的组成与体系结构、操作系统、高级程序设计语言、数据库技术、计算机网络技术及其计算机产业的崛起与发展。
第6章信息处理技术。信息处理技术包含信息科学的多个学科,是计算机技术、通信技术、电子技术和控制技术等多种技术的融合。本章主要介绍了与信息处理技术相关的一些基本概念,着重介绍了信息处理技术中的两大分支——数字图像信息处理与多传感器信息融合处理系统中的经典算法与典型结构。
第7章人工智能与智能信息处理。主要介绍了人工智能的基本原理、方法和技术,使读者建立起对于人工智能的总体认识,同时对以人工智能为基础而发展起来的智能信息处理的主要技术——模糊理论、神经计算、进化计算、混沌理论、分形计算等进行详细的分析。
第8章控制科学与技术。控制理论的发展已经从最基本的反馈控制原理发展到自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制等。本章主要介绍控制理论的基本内容、自动化技术以及先进的控制技术等。
在本书编写过程中所参考和借鉴的许多专家学者研究成果都在章后列出;同时,选用了一些组织机构网站中的照片,由于数量众多,未能全部列出,在此向这些成果(照片)的所有者和机构表示诚挚的谢意。
本书具体编写分工如下: 第1章和第7章由王丽丽博士编写,第2章由丁宏博士编写,第3章和第8章由张玉玲博士编写,第4章由谢艳辉老师编写,第5章由柳婵娟博士编写,第6章由于泓博士编写。
限于作者学识水平,书中在具体内容的选择取舍、专业术语的翻译等方面肯定存在着缺点和错误,我们恳请专家和读者批评指正。
编者2014年9月
第1章绪论1
1.1电子信息科学与技术的发展历史1
1.2电子信息技术的发展趋势2
1.2.1集成电路技术持续发展,微电子技术集成化程度高2
1.2.2通信技术向宽带化、综合化方向发展3
1.2.3计算机技术向智能化方向发展3
1.2.4信息处理技术向综合性发展3
1.2.5工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展3
1.3电子信息科学的技术领域4
1.3.1软件4
1.3.2微电子技术5
1.3.3计算机及网络技术6
1.3.4通信技术7
1.3.5广播电视技术8
1.3.6新型电子元器件9
1.3.7信息安全技术10
1.3.8智能交通技术10
1.4电子信息科学与技术的学科体系11
参考文献14
第2章半导体器件基础15
2.1半导体基本概念15
2.1.1半导体的基本定义15
2.1.2半导体材料的发展15
2.1.3半导体材料的基本特性17
2.1.4本征半导体和杂质半导体18
2.1.5半导体晶体中载流子的运动19
2.2半导体器件的发展历史21
2.3基本半导体器件23
2.3.1二极管23
2.3.2双极三极管26
2.3.3结型场效应管30
2.3.4MOS场效应管31
2.3.5晶闸管322.3.6半导体(热敏、光敏)电阻33
参考文献35
第3章电子技术基础36
3.1模拟电子技术基础36
3.1.1基本放大电路36
3.1.2差分放大电路38
3.1.3恒流源电路39
3.1.4功率放大电路39
3.1.5稳压电源40
3.2数字电子技术基础41
3.2.1逻辑运算41
3.2.2基本门电路43
3.2.3组合逻辑电路47
3.2.4时序逻辑电路49
3.2.5可编程逻辑器件51
3.3集成电路简介56
3.3.1集成电路的基本概念与分类56
3.3.2集成电路的结构与基本特征58
3.3.3集成电路制造中的工艺59
3.3.4集成电路的发展趋势60
3.4EDA工具介绍62
3.4.1EDA技术概述62
3.4.2EDA技术发展63
3.4.3EDA软件与简介64
3.4.4硬件描述语言65
参考文献67
第4章通信科学与技术68
4.1通信科学与技术概论68
4.1.1通信的定义68
4.1.2通信系统一般模型68
4.2电话及电话通信网69
4.2.1电话的诞生及基本原理69
4.2.2电话交换技术的诞生及发展69
4.2.3程控交换机 71
4.2.4电话网的组成、结构72
4.2.5软交换技术73
4.3微波通信76
4.3.1微波通信的基本概念76
4.3.2微波通信系统组成77
4.3.3微波通信的应用与发展80
4.4卫星通信81
4.4.1卫星通信基本概念81
4.4.2卫星通信系统的组成82
4.4.3卫星通信的应用与发展84
4.5光纤通信85
4.5.1光纤通信的基本概念85
4.5.2光纤通信的基本原理85
4.5.3光纤通信的应用与发展88
4.6移动通信90
4.6.1移动通信的基本概念90
4.6.2移动通信的发展历史91
4.6.3全球移动通信系统92
4.6.4CDMA数字移动电话系统98
4.6.5第三代移动通信系统100
4.6.6第四代移动通信系统103
参考文献106
第5章计算机科学与技术107
5.1计算机的诞生与发展107
5.1.1机械计算机107
5.1.2电磁计算机109
5.1.3电子计算机的发明111
5.1.4电子计算机的发展115
5.1.5微型计算机的发展117
5.1.6巨型机的研究与发展119
5.2计算机科学理论基础122
5.2.1计算理论122
5.2.2计算科学的基本内容123
5.2.3计算科学中的典型问题126
5.2.4计算机学科的典型方法131
5.3计算机组成与体系结构132
5.3.1冯·诺依曼计算机结构133
5.3.2计算机组成与体系结构134
5.3.3计算机的分类134
5.4操作系统135
5.4.1操作系统的功能135
5.4.2操作系统的特征136
5.4.3操作系统的发展与分类136
5.5高级程序设计语言140
5.5.1机器语言140
5.5.2汇编语言140
5.5.3高级程序设计语言141
5.6数据库技术143
5.6.1数据管理的发展143
5.6.2数据模型与数据库系统145
5.7计算机网络149
5.7.1计算机网络的产生与发展150
5.7.2计算机网络的结构与组成153
5.7.3计算机网络体系结构156
5.7.4计算机网络技术的新发展158
参考文献165
第6章信息处理技术166
6.1信息处理技术概述166
6.2信息获取与传递167
6.2.1信息获取167
6.2.2信息传递169
6.3信息处理基本方法169
6.3.1时间域信号处理方法170
6.3.2变换域信号处理方法171
6.4图像信息处理173
6.4.1概述173
6.4.2图像的几何处理与算术处理174
6.4.3图像增强177
6.4.4图像重建与图像分割180
6.4.5图像编码183
6.4.6数字图像处理的应用185
6.5信息融合186
6.5.1信息融合的目的和应用领域186
6.5.2信息融合的理论基础188
6.5.3信息融合技术192
6.5.4数据融合的主要内容193
6.5.5数据融合的研究进展196
参考文献197
第7章人工智能与智能信息处理198
7.1人工智能198
7.1.1人工智能的定义198
7.1.2人工智能的发展简史199
7.1.3人工智能发展中的不同学派201
7.1.4人工智能的应用领域204
7.2智能信息处理207
7.2.1智能信息处理的主要技术207
7.2.2模糊计算211
7.2.3模糊信息处理213
7.2.4神经计算与神经网络信息处理216
7.2.5进化计算232
7.2.6混沌理论与应用235
7.2.7分形理论及应用240
参考文献246第8章控制科学247
8.1控制理论与技术247
8.1.1控制理论产生和发展247
8.1.2控制理论的基本概念250
8.1.3控制论的主要方法253
8.1.4智能控制与优化255
8.2自动化技术与装置260
8.2.1自动化装置的出现和应用260
8.2.2自动化技术的发展历程262
8.3大系统和复杂系统264
8.3.1大系统特点264
8.3.2大系统建模265
8.3.3模型降阶266
8.3.4大系统的递阶控制267
8.3.5大系统的分散控制267
8.3.6大系统的稳定性268
8.3.7复杂系统理论269
8.4机器人技术270
8.4.1机器人的定义271
8.4.2机器人的发展历史272
8.4.3机器人的结构及主要技术参数273
8.4.4多机器人系统276
8.4.5机器人技术的应用277
8.4.6机器人技术的发展趋势279
参考文献280