公共選修課現代物理概論

第七講

現代信息技術介

現代生活中的主要通信方式郵政：正在萎縮電話：很大發展，形形色色的電話及通信方式網絡技術：正在興起現代社會是信息社會每時每刻有海量的信息需要傳遞信息具有價值信息學科是現代科學技術的前沿學科信息技術是當今科學技術的先導技術信息產業是優先發展的支柱產業信息行業是就業形勢良好，收入較高的行業從信息技術獲益大眾傳媒廣播、電視、報紙、新聞文化娛樂網吧、電視科學技術離不開電子信息技術（含通信技術）工農業生產改造傳統產業，建立新型工農業生產體系戰爭軍事空軍、海軍、導彈、坦克…從我們的身邊看電話的普及程度網絡的普及程度電子郵件和手機短信的使用電子商務，需要解決：網絡通信技術物流傳遞技術社會信用保障體系信息定義信息就是信息，它既不是物質也不是能量。——N.Wiener（控制論創始人）事物運動的狀態及狀態變化的方式。——客觀事物立場認識主體所感知或所表述的事物運動及其變化方式的形式、內容和效用。——認識主體立場

信息就是能夠使熵減少的東西——仙農（信息論奠基人）信息的特征信息來源物質，它又不是物質。信息也來源精神，它又不限于精神領域。信息與能量息息相關，它又與能量有本質區別。信息具有知識本性，它有比知識內涵更廣泛和松弛。信息是具體的，它又可以被感知處理和利用。信息可被共享。語法信息在傳遞和處理過程中永不增值。在封閉系統中，語法信息的最大可能值不變。信息的性質信息是普遍存在的。信息是無限的。對同一事物,不同的觀察者可獲得的信息可能不同信息可以在時間和空間中從一點轉移到另一點信息可以由不同的載體和方法載荷,不改變信息本身。信息可以用來消除系統的不定性,增加系統的有序性(負熵)。通信網與計算機網的互相滲透通信計算機計算機通信

1977年1987年1997年機型大型機 個人電腦網絡電腦對象專業人員工作人員進入家庭用途科學軍事辦公管理無所不包信息數字文本多媒體輸入打孔紙帶鍵盤鼠標語音掃描存儲磁芯磁帶IC磁盤 光盤

信息技術發展之快，對人類文明影響之深遠，遠遠超出人們的想象!中國互聯網絡信息中心

(CNNIC)統計1600

800 400 210117.5

62

199719981998199919992000200410.316.3012.316.3012.316.3012.31

上網人數(萬人)10000我國的電腦家庭用戶

50年來，體積、功耗、速度、容量，提高了1億倍，價格降低了1億倍。年代存儲器典型容量價格1979磁芯256k(105)4元/位1999

半導體128M(108)10-5元64x64=4096

16x4kx2=128k

128kx2=256k0.5元/位十年增長103105從計算的機器到無所不能的電腦1.從數值計算到數據庫

解決彈道、解碼等軍事需要開始

圖靈理想機:

帶子、讀寫頭、控制器

馮?諾依曼：二進制、程序存儲100:1少數專家的神圣殿堂2.多媒體、網絡

多種信息數字化，營造現實之外的世界，通過網絡實現信息共享圖形界面的操作系統：

鼠標、掃描、采集..….

因特網、光傳輸技術：信息的遠程交互傳輸1:1現代人重要的工具3.家用電器的信息化

無所不在、無所不能像紙張一樣便宜的微處理器：

音樂芯片的運算能力超過ENIAC2010年將降至4美分

微處理器、傳感器和激光技術

的組合將使人類進入智能化時代1:100人類生活的必須105造紙術1050活字印刷1876電話1894無聲電影

無線電電報1906收音機廣播電臺信息技術的演變1936黑白電視1948彩色電視1945電子計算機1950錄音機1956錄像機1982個人電腦1993信息高速公路基本信息技術感知與識別技術——擴展感覺器官功能,提高人們的感知范圍、感知精度和靈敏度通信技術與存儲技術——擴展神經網絡功能,消除人們交流信息的空間和時間障礙計算處理技術——擴展思維器官功能,增強人們的信息加工處理能力控制與顯示技術——擴展效應器官功能，增強人們的信息控制能力信息處理系統實例雷達是一種以感知與識別為主要目的的系統電視/廣播系統是一種單向的、點到多點（面）的以信息傳遞為主要目的的系統電話是一種雙向的、點到點的以信息交互為主要目的的系統銀行是一種以處理金融業務為主的系統圖書館是一種以信息收藏和檢索為主的系統Internet是一種跨越全球的多功能信息處理系統

電子線路使用的基礎元件的演變真空電子管晶體管中小規模集成電路大規模超大規模集成電路電子線路使用的基礎元件的演變真空電子管

在這個階段產生了廣播、電視、無線電通信、儀器儀表、自動化技術和第一代電子計算機晶體管

1948年發明，再加上印制電路組裝技術的使用，使電子電路在小型化方面前進了一大步，產生了第二代計算機電子線路使用的基礎元件的演變集成電路(IntegratedCircuit，簡稱IC)

20世紀50年代出現，以半導體單晶片作為材料，經平面工藝加工制造，將大量晶體管、電阻等元器件及互連線構成的電子線路集成在基片上，構成一個微型化的電路或系統。 現代集成電路使用的半導體材料通常是硅(Si)，也可以是化合物半導體如砷化鎵(GaAs)等小規模集成電路超大規模集成電路集成電路的規模集成電路規模集成度（個電子元件）小規模集成電路（SSI）＜100中規模集成電路（MSI）100~3000大規模集成電路（LSI）3000~10萬超大規模集成電路（VLSI）10萬~100萬極大規模集成電路（ULSI）＞100萬根據所包含的晶體管數目分為：集成電路分類根據集成電路的功能分為：

數字集成電路（如邏輯電路、存儲器、微處理器、微控制器、數字信號處理器等）

模擬集成電路（又稱為線性電路，如信號放大器、功率放大器等）微電子技術與集成電路集成電路芯片是微電子技術的結晶，它們是計算機的核心。 先進的微電子技術→→高集成度芯片→→高性能的計算機→→利用計算機進行集成電路的設計、生產過程控制及自動測試，又能制造出性能高、成本更低的集成電路芯片微電子技術與集成電路集成電路是現代信息產業和信息社會的基礎集成電路是改造和提升傳統產業的核心技術

2000年世界半導體產值達2000億美元電子信息產品市場總額超過1萬億美元據預測：未來十年內世界半導體的年平均增長率將達15%以上，2010年全世界半導體的年銷售額可達到6000~8000億美元，將支持4~5萬億美元的電子裝備市場。集成電路的制造集成電路的制造：400多道工序硅襯底晶圓芯片硅平面工藝剔除、分類集成電路封裝成品成品測試集成電路的制造集成電路制造廠（晶圓廠）生產的產品包括：晶圓切片（也簡稱為晶圓）超大規模集成電路芯片（可簡稱為芯片）晶圓:在每一硅光片可制作出許多獨立的集成電路，這種排滿了集成電路的硅片稱為“晶圓”。芯片：將合格的集成電路分類排列，這種集成電路小片，稱為“芯片”。集成電路的發展趨勢集成電路的工作速度主要取決于組成邏輯門電路的晶體管的尺寸，晶體管的尺寸越小，其極限工作頻率越高，門電路的開關速度就越快。芯片上電路元件的線條越細，相同面積的晶片可容納的晶體管就越多，功能就越強，速度也越快。提高集成度，關鍵在縮小門電路面積集成電路特點：體積小、重量輕、可靠性高Moore定律 單塊集成電路的集成度平均每18～24個月翻一番

——GordonE.Moore,1965年Intel公司創始人問題與出路線寬進一步縮小、線路間的距離越來越窄以后，干擾將越益嚴重。為了減少這種干擾，可以采取減小電流，降低電壓的方法來解決。但是，當晶體管的基本線條小到納米級，線路的電流微弱到僅有幾十個甚至幾個電子流動時，晶體管已逼近其物理極限，它將無法正常工作。在納米尺寸下，納米結構會表現出一些新的量子現象和效應，可以利用這些量子效應研制具有新功能的量子器件，從而把芯片的研制推向量子世界的新階段——納米芯片技術。同時，人們還在研究將自然界傳播速度最快的光作為信息的載體，發展光子學，研制集成光路，或把電子與光子并用，實現光電子集成。通信技術通信三要素：

信源（信息的發送者）

信宿（信息的接收者）

信道（信息的載體與傳播媒介）產生和發送信息的一端信源信宿通信線路信道噪聲外界的干擾接收信息的一端通信系統分類有線載波通信光纖通信微波通信衛星通信移動通信有線載波通信有線載波通信：主要傳輸電話，電報、傳真、數據也可傳輸廣播、可視電話、電視節目依據所用的傳輸介質，有線載波通信可分為：

明線載波系統對稱電纜載波系統同軸電纜載波系統光纖通信傳輸介質：光纖（光纜）傳輸的信號：光信號（數字信號，有光脈沖相當于1，無光脈沖相當于0）傳輸速率：1Gb/s以上包層纖芯光纖的構成光纖通信光波在纖芯中的傳輸原理

當光線的入射角足夠大時，就 會出現全反射，重復此過程， 光就沿著光纖傳播下去光纖種類

多模：纖芯直徑為50或62.5μm

，可以存在許多條入射角不同的光線，各自以不同的反射角全反射傳播下去（即：每一個光線有一個不同的模式）。

單模：纖芯直徑為8—10μm（一個光波波長），光線不出現反射，直接向前傳輸

。衰耗小，在2.5Gb/s

的高速率下傳輸數十公里而不必采用中繼器。光纖通信系統調制器發信電路激勵電路信息解調器收信電路放大電路信息光纜中繼器發信設備收信設備光纖通信優點傳輸頻帶非常寬，通信容量大抗雷電和電磁干擾、抗輻射能力強無串音干擾，保密性強，不易被竊聽或截取數據傳輸損耗小，通訊距離長 數據速率為420Mbps、距離為119km、無中繼器時，誤碼率為10-8重量輕，便于運輸和鋪設光纖通信缺點精確連接兩根光纖比較困難光纖通信技術 光纖通信系統技術更新換代

80年代末：PDH（PlesiochronousDigitalHierarchy準同步數字系列）系統

90年代中期：SDH（SynchronousDigitalHierarchy同步數字系列）系統現在：WDM（WavelengthDivisionMultiplexing波分復用）系統 波分復用技術能在單一光纖內同步傳輸多個不同波長的光波，讓數據傳輸速度和容量獲得倍增光纖通信的發展前景光纖通信的瓶頸之一是光信號的傳輸距離。焦點在“信號放大”。 普通光纖網絡中的信息在傳輸時每隔200km～500km間需加入電放大器，將光信號還原成電信號進行放大，然后再轉換成光信號繼續傳輸。這不僅增加成本，還使進一步提高帶寬變得越來越困難，超高速傳輸所帶來的經濟效益將被昂貴的光/電和電/光轉換所抵消。全光網（AllOpticalNetwork）：光信息流在通信網絡中的傳輸及交換時始終以光的形式存在，不需要經過光/電、電/光轉換。

全光網技術是光纖通訊領域的前沿技術，是21世紀真正的高速公路。微波通信微波：一種具有較高頻率(300MHz～300GHz)的電磁波。 波長很短，通常為1米至1毫米。 微波通信是眾多無線通信形式中的一種。有人認為未來只有兩種通信手段：光纖：用于所有固定設備（電話、傳真機、計算機）通信無線通信：用于所有移動通信。衛星通信利用人造地球衛星作為中繼站轉發無線電信號，實現兩或多個地球站之間的通信。 是微波接力通信技術與空間技術相結合的產物。衛星通信通信衛星工作原理

從地面站1發出的無線電信號，被衛星通信天線接收后，首先在通信轉發器中進行放大、變頻和功率放大，然后由衛星的通信天線把放大后的信號重新發向地面站2，從而實現兩個地面站或多個地面站的遠距離通信。通信衛星地面站1地面站2地球信息通信技術輝煌依舊（1）NetworkandOpticalFiberCommunications(網絡與光纖通信技術)無線通信的歷史：1901年12月12日，意大利工程師馬可尼首次實現跨越大西洋的無線電通信。容量：幾bit/s（bps）。100年后的今天，骨干光纖傳輸的容量：10Gbps。網絡通信的廣泛應用：電子商務，電子政務，網上醫療，網上教學，…。網絡成為現代生活的重要媒體。全世界有4.14億人經常上網。技術發展：窄帶寬帶；有線無線；固定移動最后1km和接入問題：ISDN，ADSL，CableModem，光纖瓶頸：光電轉換。最終有可能導致光學信息處理技術代替電子信息處理技術MobileCommunications第一代模擬的第二代數字的第三代無線與互聯網等多媒體通信相結合第四代100MB，動畫、音樂等第五代多媒體，3D會議，3D游戲10problemsfacedbytheinternet身份識別保護知識產權;保護個人隱私;新一代網絡通信協議;新一代互聯網技術;無線上網技術;傳統電話線路與網絡融合技術;更有效的網絡視頻傳輸技術;垃圾郵件的過濾技術;網絡安全技術網絡交換系統和CDMA系統示意圖

信息通信技術輝煌依舊（2）計算機技術2001年出現了分子電路由晶體管、開關、導線等構成分子電路，可以進行計算；《科學》雜志將其列為年度十大科技進展的榜首；意義：最終將導致運算速度最快的計算機的誕生（目前的運算速度：12萬億次/秒，國產的4千億次/秒）。2001年出現了生物計算機由DNA分子（軟件）和酶分子（硬件）構成尺寸：1萬億個這樣的生物計算機只有一滴水那么大運算能力驚人計算機芯片2002年計算機芯片的最新進展2002年1月，P4，f=4GHz；2002年4月，Motorola