《電子信息科學(xué)與工程導(dǎo)論》主要從兩個方面入手介紹電子信息科學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用。一方面由于電子信息學(xué)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(chǔ)出發(fā),介紹了電子器件和電路設(shè)計的基本原理;另一方面由于電子信息學(xué)科與其他學(xué)科相比知識面范圍廣、學(xué)科內(nèi)容更新快,因此教材內(nèi)容緊跟信息技術(shù)的發(fā)展趨勢,從電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)以及控制科學(xué)技術(shù)五個知識領(lǐng)域全面介紹電子信息技術(shù)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢,使讀者能夠?qū)﹄娮有畔㈩悓I(yè)的學(xué)科體系、研究領(lǐng)域、應(yīng)用領(lǐng)域和研究方法有一個全面的、專業(yè)化的認(rèn)識,建立起一些基礎(chǔ)而重要的電子技術(shù)概念。本書旨在激發(fā)和增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)電子信息科學(xué)的興趣和積極性,為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和從事信息科學(xué)事業(yè)奠定方法論基礎(chǔ)。
本書可作為高校電子信息類專業(yè)的導(dǎo)論課程教材,也可作為相關(guān)專業(yè)學(xué)生或電子信息專業(yè)的愛好者了解、學(xué)習(xí)信息科學(xué)知識的參考書。
“電子信息科學(xué)與工程導(dǎo)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(xué)生的一門基礎(chǔ)性課程,主要通過對電子信息領(lǐng)域中涉及的基本概念、原理和方法的介紹,讓學(xué)生了解本學(xué)科的課程體系和發(fā)展趨勢。
電子信息學(xué)科與其他學(xué)科相比具有知識面范圍廣、學(xué)科內(nèi)容更新快等顯著的特點(diǎn)。電子信息學(xué)科主要包括微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和軟件技術(shù)等內(nèi)容, 由于各種技術(shù)之間的相互滲透,信息技術(shù)的集成化、融合化的特征越來越顯著,其越來越表現(xiàn)為技術(shù)群的協(xié)同發(fā)展,例如微電子技術(shù)的發(fā)展、集成電路的出現(xiàn),首先引起了計算機(jī)技術(shù)的巨大變革,而以計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的信息技術(shù)群則帶來了通信產(chǎn)業(yè)的革命,并滲透到各個學(xué)科和領(lǐng)域。鑒于此,我們的教材內(nèi)容緊跟信息技術(shù)的發(fā)展趨勢,從半導(dǎo)體技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)以及控制科學(xué)技術(shù)五個知識領(lǐng)域全面介紹電子信息技術(shù)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢,使讀者能夠?qū)﹄娮有畔㈩悓I(yè)的學(xué)科體系、研究領(lǐng)域和研究方法有一個全面的、專業(yè)化的認(rèn)識,建立起一些基礎(chǔ)而重要的電子技術(shù)概念。
本書主要為大學(xué)低年級學(xué)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(xué)的發(fā)展及應(yīng)用感覺到迷茫,他們會有這樣的疑問: 我們所面對的學(xué)科是做什么的?它是如何發(fā)展起來的?它在科學(xué)上很重要嗎?它和別的學(xué)科是什么關(guān)系?它的發(fā)展前景怎么樣? 本書的主要目的是為了解答學(xué)生心中的這些疑問,同時擴(kuò)展學(xué)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(xué)科的學(xué)生對本學(xué)科的各個專業(yè)領(lǐng)域都有所了解。
本書從兩方面入手介紹電子信息科學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用。
一方面從信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電路基礎(chǔ)出發(fā),介紹電子器件和電路設(shè)計的基本原理以及發(fā)展歷程。電子信息學(xué)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(jì)的重大發(fā)明之一,它對科技、生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)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(dǎo)體和集成電路專用裝備領(lǐng)域,生產(chǎn)設(shè)備趨向于集成化和生產(chǎn)線自動化,設(shè)備制造與半導(dǎo)體集成電路工藝越來越密不可分;在新型電子元器件設(shè)備領(lǐng)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(shè)備領(lǐng)域,設(shè)備生產(chǎn)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(shù)(Surface Mounted Technology,SMT)專用設(shè)備領(lǐng)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(qiáng)化應(yīng)用為重點(diǎn),分別從半導(dǎo)體器件、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和集成電路等方面系統(tǒng)性地介紹了電子技術(shù)的發(fā)展歷程。
另一方面從學(xué)科發(fā)展綜合化趨勢來看,電子信息技術(shù)是“工學(xué)”大類各學(xué)科中涵蓋面最廣、滲透力最強(qiáng)的學(xué)科,因此又常稱作“3C”技術(shù)(通信Communication、計算機(jī)Computer、控制Control)。目前電子信息領(lǐng)域中的測量技術(shù)與通信、計算機(jī)技術(shù)互相融合的趨勢越來越明顯,軟件技術(shù)在電子測量技術(shù)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(yīng)用,通信設(shè)備、計算機(jī)設(shè)備的性能迅速提高;基于傳感器的信息感測技術(shù)、基于計算機(jī)的信息處理技術(shù)、信息識別技術(shù)(文字識別、語音識別、圖形識別)等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中,而且這些技術(shù)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(guān)的各種技術(shù)——傳遞信息的通信技術(shù),處理、存儲信息的計算機(jī)技術(shù),對信息進(jìn)行處理的信息處理技術(shù),控制信息采集、處理和傳遞等過程的控制技術(shù)。
本書曾作為校內(nèi)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(chǔ)上結(jié)合近幾年電子信息技術(shù)的新發(fā)展進(jìn)行了較大的修改,使本書更能真實(shí)地體現(xiàn)信息技術(shù)的發(fā)展歷程以及現(xiàn)狀。
第1章緒論。簡單介紹了電子信息科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢,對電子信息科學(xué)所包含的技術(shù)領(lǐng)域和電子信息科學(xué)與技術(shù)的學(xué)科體系進(jìn)行了介紹。
第2章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)。半導(dǎo)體器件是構(gòu)建具體電路的基本單元,本章介紹了半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性、非平衡載流子等,討論了半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)、磁電阻效應(yīng)等物理效應(yīng),對電子電路中基本的半導(dǎo)體器件——二極管、雙極三極管、結(jié)型場效應(yīng)管、MOS場效應(yīng)管等以及如何利用這些半導(dǎo)體器件設(shè)計具體電路進(jìn)行了介紹。
第3章電子技術(shù)基礎(chǔ)。電子技術(shù)是以集成電路技術(shù)為核心,設(shè)計和制造微小電子元器件和電路以實(shí)現(xiàn)特定的電子系統(tǒng)功能,同時它也泛指應(yīng)用大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路,并綜合利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù),生產(chǎn)現(xiàn)代高速計算機(jī)、通信產(chǎn)品的一種綜合技術(shù)。本章介紹了集成電路的基本結(jié)構(gòu)及集成電路制造中的工藝技術(shù),同時對微電子領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
第4章通信科學(xué)與技術(shù)。通信技術(shù)是以現(xiàn)代的聲、光、電技術(shù)為硬件基礎(chǔ),輔以相應(yīng)軟件來達(dá)到信息交流目的的技術(shù)。通信網(wǎng)絡(luò)的劃分方法很多,本章主要按照通信網(wǎng)的功能來進(jìn)行分類,介紹了電話及電話通信網(wǎng)、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(jī)科學(xué)與技術(shù)。通信的本質(zhì)是計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合,網(wǎng)絡(luò)中的大量信息對計算機(jī)的信息處理能力提出更高要求。本章主要介紹計算機(jī)的發(fā)展歷史、計算機(jī)科學(xué)理論基礎(chǔ)、計算機(jī)的組成與體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、高級程序設(shè)計語言、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的崛起與發(fā)展。
第6章信息處理技術(shù)。信息處理技術(shù)包含信息科學(xué)的多個學(xué)科,是計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)等多種技術(shù)的融合。本章主要介紹了與信息處理技術(shù)相關(guān)的一些基本概念,著重介紹了信息處理技術(shù)中的兩大分支——數(shù)字圖像信息處理與多傳感器信息融合處理系統(tǒng)中的經(jīng)典算法與典型結(jié)構(gòu)。
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(shù),使讀者建立起對于人工智能的總體認(rèn)識,同時對以人工智能為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的智能信息處理的主要技術(shù)——模糊理論、神經(jīng)計算、進(jìn)化計算、混沌理論、分形計算等進(jìn)行詳細(xì)的分析。
第8章控制科學(xué)與技術(shù)?刂评碚摰陌l(fā)展已經(jīng)從最基本的反饋控制原理發(fā)展到自適應(yīng)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(nèi)容、自動化技術(shù)以及先進(jìn)的控制技術(shù)等。
在本書編寫過程中所參考和借鑒的許多專家學(xué)者研究成果都在章后列出;同時,選用了一些組織機(jī)構(gòu)網(wǎng)站中的照片,由于數(shù)量眾多,未能全部列出,在此向這些成果(照片)的所有者和機(jī)構(gòu)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(xué)識水平,書中在具體內(nèi)容的選擇取舍、專業(yè)術(shù)語的翻譯等方面肯定存在著缺點(diǎn)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(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷史1
1.2電子信息技術(shù)的發(fā)展趨勢2
1.2.1集成電路技術(shù)持續(xù)發(fā)展,微電子技術(shù)集成化程度高2
1.2.2通信技術(shù)向?qū)拵Щ、綜合化方向發(fā)展3
1.2.3計算機(jī)技術(shù)向智能化方向發(fā)展3
1.2.4信息處理技術(shù)向綜合性發(fā)展3
1.2.5工業(yè)控制自動化技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化方向發(fā)展3
1.3電子信息科學(xué)的技術(shù)領(lǐng)域4
1.3.1軟件4
1.3.2微電子技術(shù)5
1.3.3計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)6
1.3.4通信技術(shù)7
1.3.5廣播電視技術(shù)8
1.3.6新型電子元器件9
1.3.7信息安全技術(shù)10
1.3.8智能交通技術(shù)10
1.4電子信息科學(xué)與技術(shù)的學(xué)科體系11
參考文獻(xiàn)14
第2章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)15
2.1半導(dǎo)體基本概念15
2.1.1半導(dǎo)體的基本定義15
2.1.2半導(dǎo)體材料的發(fā)展15
2.1.3半導(dǎo)體材料的基本特性17
2.1.4本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體18
2.1.5半導(dǎo)體晶體中載流子的運(yùn)動19
2.2半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷史21
2.3基本半導(dǎo)體器件23
2.3.1二極管23
2.3.2雙極三極管26
2.3.3結(jié)型場效應(yīng)管30
2.3.4MOS場效應(yīng)管31
2.3.5晶閘管322.3.6半導(dǎo)體(熱敏、光敏)電阻33
參考文獻(xiàn)35
第3章電子技術(shù)基礎(chǔ)36
3.1模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)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(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)41
3.2.1邏輯運(yùn)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(jié)構(gòu)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(shù)概述62
3.4.2EDA技術(shù)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(xiàn)67
第4章通信科學(xué)與技術(shù)68
4.1通信科學(xué)與技術(shù)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(wǎng)69
4.2.1電話的誕生及基本原理69
4.2.2電話交換技術(shù)的誕生及發(fā)展69
4.2.3程控交換機(jī) 71
4.2.4電話網(wǎng)的組成、結(jié)構(gòu)72
4.2.5軟交換技術(shù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shù)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(xiàn)106
第5章計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)107
5.1計算機(jī)的誕生與發(fā)展107
5.1.1機(jī)械計算機(jī)107
5.1.2電磁計算機(jī)109
5.1.3電子計算機(jī)的發(fā)明111
5.1.4電子計算機(jī)的發(fā)展115
5.1.5微型計算機(jī)的發(fā)展117
5.1.6巨型機(jī)的研究與發(fā)展119
5.2計算機(jī)科學(xué)理論基礎(chǔ)122
5.2.1計算理論122
5.2.2計算科學(xué)的基本內(nèi)容123
5.2.3計算科學(xué)中的典型問題126
5.2.4計算機(jī)學(xué)科的典型方法131
5.3計算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)132
5.3.1馮·諾依曼計算機(jī)結(jié)構(gòu)133
5.3.2計算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)134
5.3.3計算機(jī)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(shè)計語言140
5.5.1機(jī)器語言140
5.5.2匯編語言140
5.5.3高級程序設(shè)計語言141
5.6數(shù)據(jù)庫技術(shù)143
5.6.1數(shù)據(jù)管理的發(fā)展143
5.6.2數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)145
5.7計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)149
5.7.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生與發(fā)展150
5.7.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與組成153
5.7.3計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)156
5.7.4計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新發(fā)展158
參考文獻(xiàn)165
第6章信息處理技術(shù)166
6.1信息處理技術(shù)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(shù)處理174
6.4.3圖像增強(qiáng)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(shù)字圖像處理的應(yīng)用185
6.5信息融合186
6.5.1信息融合的目的和應(yīng)用領(lǐng)域186
6.5.2信息融合的理論基礎(chǔ)188
6.5.3信息融合技術(shù)192
6.5.4數(shù)據(jù)融合的主要內(nèi)容193
6.5.5數(shù)據(jù)融合的研究進(jìn)展196
參考文獻(xiàn)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(xué)派201
7.1.4人工智能的應(yīng)用領(lǐng)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(shù)207
7.2.2模糊計算211
7.2.3模糊信息處理213
7.2.4神經(jīng)計算與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息處理216
7.2.5進(jìn)化計算232
7.2.6混沌理論與應(yīng)用235
7.2.7分形理論及應(yīng)用240
參考文獻(xiàn)246第8章控制科學(xué)247
8.1控制理論與技術(shù)247
8.1.1控制理論產(chǎn)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(shù)與裝置260
8.2.1自動化裝置的出現(xiàn)和應(yīng)用260
8.2.2自動化技術(shù)的發(fā)展歷程262
8.3大系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)264
8.3.1大系統(tǒng)特點(diǎn)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(fù)雜系統(tǒng)理論269
8.4機(jī)器人技術(shù)270
8.4.1機(jī)器人的定義271
8.4.2機(jī)器人的發(fā)展歷史272
8.4.3機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)273
8.4.4多機(jī)器人系統(tǒng)276
8.4.5機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用277
8.4.6機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢279
參考文獻(xiàn)280