大学课程信息技术第一章.ppt

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1、第一章 信息技术基础,信息科技学院,1.1 信息与信息技术1.2 数字技术基础1.3 微电子与通信技术基础1.4 计算与计算思维,本章内容提要,1.1.1 信息的定义 1.1.2 信息的特征 1.1.3 信息的处理 1.1.4 信息技术 1.1.5 信息处理系统,1.1 信息与信息技术,什么是信息？,就一般意义而言，信息可以理解成消息、情报、知识、见闻、通知、报告、事实、数据等等!,1.1.1 信息的定义,对信息的定义有很多，一般只是在某一方面对其的理解：控制论的创始人维纳从控制论的角度出发描述信息信息论创始人香侬认为：信息是用以消除不确定性的东西美国书伯斯特词典的解释：信息是知识和情报的通信

2、和接受，是通过调查、研究或要求而得到的知识，是情报、消息、新闻、事实和数据等关于信息，迄今为止并没有统一的定义，关键是看待该问题的角度和具体应用场合：信息是人类一切生存活动和自然存在所传达的信号和消息，是人类社会所创造的全部知识的总和。信息是反映事物运动的状态及状态变化的方式，是人们认识世界、改造世界的基本资源。没有物质，什么也不存在；没有能量，什么也不会发生；没有信息，任何事物都没有意义。信息与物质、能量一起构成了客观世界！,信息具有以下几个特征：不灭性：物质和能量是不灭的，但物质和能量的存在形式可以改变。信息是事物运动的状态和方式，所以信息也是客观存在的、不灭的。但某些信息具有时效性，如天

3、气预报信息、新闻信息等。过时的信息虽然存在，但已降低或失去使用价值。可存储性：信息通过采集或创造，借助于载体可以保存，使其重复、长期为人类服务。一般信息的采集或创造需要大量投入，而信息的复制只需存储介质本身的成本。,1.1.2 信息的特征,可重用性：信息的可重用性源于信息可传递和可复制，低廉的信息传递和复制费用方便了信息的重用，使人类可共享信息。但时刻不要忘记，信息是有价值的，有产权的。分享别人的信息必须遵守法律法规，遵守社会道德准则。可处理性：一般信息需要经过处理才有使用价值，就像物质需要经过加工一样。人们可以对信息进行计算、分类、汇总、排序、压缩、形式转换等，使原信息增值，为不同信息使用者

4、提供所需的有价值的信息。,信息处理是指对信息进行收集、加工、存储、传递和施用等一系列的操作过程。信息的收集：如信息的感知、测量、获取、输 入等。信息的加工：如信息的分类、计算、分析、转 换等。信息的存储：如书写、摄影、录音、录像等。信息的传递：如邮寄、电报、电话等。信息的施用：如控制、显示等。,1.1.3 信息的处理,人工进行信息处理的过程：,人工信息处理的不足：看（听）不清算不快记不牢传不远,信息技术的定义按使用的目的、范围、层次不同，对信息技术的定义有不同的表述：定义1：信息技术是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存贮、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术。定义2：现代信息技术“以

5、计算机技术、微电子技术和 通信技术为特征”。定义3：信息技术是指在计算机和通信技术支持下用以获取、加工、存储、变换、显示和传输文字、数值、图像及声音信息，包括提供设备和提供信息服务两大方面的方法与设备的总称。,1.1.4 信息技术,定义4：信息技术是指“应用在信息加工和处理中的科学，技术与工程的训练方法和管理技巧；上述方法和技巧的应用；计算机及其与人、机的相互作用，与人相应的社会、经济和文化等诸种事物”。定义5：信息技术包括信息传递过程中的各个方面，即信息的产生、收集、交换、存储、传输、显示、识别、提取、控制、加工和利用等技术。定义6：从技术的本质意义上讲，信息技术就是能够扩展人的信息器官功能

6、的一类技术。,人类的信息器官与功能人的信息器官及其功能系统如图所示：人类的这四类信息器官和它们的信息功能是有机地联系在一起的,信息技术的“四基元”（1）感测技术；（2）通信技术；（3）计算机和智能技术；（4）控制技术四基元和谐合作，共同完成扩展人的智力功能的任务,信息技术的主要支撑技术一切信息技术都要通过某种（某些）支撑技术的手段来实现。信息技术（特别是现代信息技术）的支撑技术主要是指微电子技术和光电子技术。信息技术的发展必须具备两个基本的条件：一是快速，二是体积小。微电子技术满足了这两个要求。所谓微电子是相对“强电”、“弱电”等概念而言，意指它所处理的电子信号极其微小，所研究的核心是集成电路

7、或集成系统的设计和制造。微电子技术已渗透到现代高科技的各个领域，成为支撑信息技术的核心技术。光学与电子学的结合，成为光电子技术，为微电子技术的进一步发展找到了新的出路。,信息处理技术的发展历史文字：使信息得以在更大的范围跨越时间和空间而传播；算术：使量化的数字信息被加工和变换；活字印刷：使得大量信息成批量的复制成为可能，让信息真正成为千万人可共享的资源；计算机：通用数字计算机和高速因特网络的出现，使全球性的信息加工、传输、互动应答成为可能。,信息处理系统的概念用于辅助人们进行信息获取、传递、存储、加工处理、控制及显示的综合使用各种信息技术的系统，可以称为信息处理系统，其结构如下图所示：,1.1

8、.5 信息处理系统,信息处理系统的分类按自动化程度分：人工的、半自动的、全自动的按技术手段分：机械的、电子的和光学的按通用性分：专用的和通用的,信息处理系统实例例：图书馆管理系统信息的获取：图书登记、人员登记、借书规章等信息的存储：主存储硬盘、光盘、后援存储设备等信息的加工处理：增加、删除、修改信息等信息的使用：查询书目，借书、还书，上网浏览查询等内务处理：催还图书、休馆公告、过期罚款等,1.2.1 二进制1.2.2 进位计数制 1.2.3 码制1.2.4 定点数与浮点数,1.2 数字技术基础,计算机进行数据处理时，首先要将相应的数据输入到计算机中，并以一定的形式存储在计算机中。计算机内部是一

9、个二进制数字世界，所以不管是数值数据还是非数值数据，都必须转换成二进制数的形式，才能存入计算机中。数值数据是指有确定的值并在数轴上有对应的点；非数值数据没有确定的值，如字符、文字、图像、声音、逻辑数据等。,二进制是指采取逢二进一的方式进行计数的方法，计算机的运算基础就是二进制。计算机中采用二进制，而不采用十进制，这是因为：二进制的数码0和1，用电子器件极易实现；二进制数的运算规则简单；二进制数只有两个状态，数字的传输和处理不容易出错，计算机工作的可靠性高；二进制码的两个符号“0”和“1”正好与逻辑命题的两个值“真”和“假”相对应，为计算机实现逻辑运算和程序中的逻辑判断提供了便利条件。二进制节省

10、设备。从数学上推导，采用R=e2.7进位数制实现时最节省设备，据此，采用三进制是最省设备的，其次是二进制。,1.2.1 二进制,1.2.2 进位计数制,1进位计数制任何一种计数制，都具有以下三个要点：（1）数制使用的数码 十进制含 10 个数码：；二进制含 个数码：，（2）进位规则 十进制为 逢十进一；二进制为 逢二进一 等（3）每一个数位上数码所具有的权 十进制数码各位的权是以10为底的幂，二进制数码各位的权 是以为底的幂 例如，数828.8的值为 8102+2101+8100+810-1 其中，102、101、100、10-1称为权。,对于任何一个十进数N，都可以表示成按权展开的多项式：N

11、=dn10n+dn-110n-1+d1101+d0100+d-110-1+d-m10-m=di10i 其中，di是09十个数字中的任意一个，m、n是正整数，10被称为十进制数的基数，它是相邻数位的权之比。一般而言，对于用R进制表示的数N（R为任意正整数），可以按权展开为：N=KnRn+Kn-1Rn-1+K1R1+K0R0+K-1R-1+K-mR-m=KiRi 其中，Ki是0,1,(R-1)个数字中的任意一个，m、n是正整数，R是基数。,2常用的数制 在计算机科学中，常用的数制有二进制、十进制、八进制和十六进制。在计算机内部，一切数据的存储、处理和传送均采用二进制形式。由于二进制不便于书写，通常

12、用八进制或十六进制来书写，因此计算机科学引入了八进制和十六进制。为了适应人的习惯，数值型数据在输入输出设备上，则采用人们十分熟悉的十进制。无论是哪一种数制，采用位权表示法的数制有四个重要的特征：（1）逢R进一（R为基数），如十进制数逢十进一；（2）数字的总个数等于基数，如十进制数09；（3）最大的数字比基数小1，如十进制中最大数字为9；（4）每个数字都要乘以基数的幂次，该幂次由每个数字所在的 位置决定。,3.不同进位计数制之间的转换 转换所依据的原则是：如果两个数的值相等，则两数的整数部分和小数部分的值一定分别相等。(1)二进制、八进制和十六进制数转换为十进制数 任意R进制数转换成十进制数比较

13、简单，只需按权展开然后相加，其和便是相应的十进制数，这种方法称为按权相加法。,【例1-1】求与（11011.01）2等值的十进数。解：(11011.01)2=124+123+022+121+120+02-1+12-2=16+8+0+1+0+0.25=(27.25)10【例1-2】将八进制数763.24转换成十进制数。解：(763.24）8=782+681+380+28-1+48-2=448+48+3+0.25+0.0625=（499.3125）10【例1-3】将十六进制数35B转换成十进数。解：(35B)16=3162+5161+11160=768+80+11=(859)10,(2)十进制数转

14、换成二进制数、八进制或十六进制数 整数部分：除以基取余法。小数部分：乘以基取整法。,【例1-5】将(0.8125)10转换成二进制数。,【例1-6】将十进制数125.625转换成对应的二进制数 因为（125）10=（1111101）2（0.625）10=（0.101）2 所以（125.625）10=（1111101.101）2【例1-7】将十进制整数125转换成对应的十六进制,【例1-8】将十进制小数0.625转换成对应的十六进制小数。【例1-9】将十进制整数125转换成对应的八进制整数。,【例1-10】将十进制小数0.625转换成对应的八进制小数。,（3）二进制数与八进制数的相互转换二进制数

15、转换成八进制数的方法可以概括为“三位并一位”；八进制数转换成二进制数的方法可以概括为“一位拆三位”。【例1-11】将(11101.1101)2转换成八进制数。解：0 1 1 1 0 1.1 1 0 1 0 0 3 5 6 4 所以(11101.1101)2=(35.64)8,【例1-12】将二进制数B转换 为八进制数。10 110 110 100 011.011 011 B 2 6 6 4 3.3 3 H注意：整数部分由低位往高位取位，每次取三位，位数不够，在前面补0；小数部分由高位往低位取位，每次取三位，位数不够，在后面补0。整数部分的0可补可不补，小数部分的0必须补。【例1-13】将八进制

16、数642.15O转换为二进制数。6 4 2.1 5 O 110 100 010.001 101 H,（4）二进制数与十六进制数的相互转换二进制数转换成十六进制数的方法可以概括为“四位并一位”；十六进制数转换成二进制数的方法可以概括为“一位拆四位”。【例1-14】将（25.C4）16转换成二进制数。解：2 5.C 4 0010 0101 1100 0100 所以(25.C4)16=(100101.110001)2,【例1-15】将二进制数B转 换为十六进制数。0010 1101 1010 0011.0110 1100 B 2 D A 3.6 C H注意：整数部分由低位往高位取位，每次取四位，位数

17、不够，在前面补0；小数部分由高位往低位取位，每次取四位，位数不够，在后面补0。整数部分的0可补可不补，小数部分的0必须补。【例1-16】将十六进制数3F84.E4H转换为二进制数。3 F 8 4.E 4 H 0011 1111 1000 0100.1110 0100 B,（5）八进制与十六进制之间的转换 规则：用二进制位来过渡实现转换【例1-17】将十六进制数3F84.E4H转换为八进制数,注意：十进制转换为二进制时，有可能出现乘不尽的情况，此时只要达到需要的精度即可。【例1-18】将十进制小数0.467转换成对应的二进制数。,1.2.3 码制,计算机处理的数据分为数值型和非数值型两类。在计算

18、机中这些数据是如何表示的呢？由于计算机采用二进制，也就是说计算机只识别 0 和 1 形式的代码，所以输入到计算机中任何数值型和非数值型数据都必须转换为二进制代码。1机器数与真值 在计算机中，数值型数据是用二进制数来表示的，数值型数据有正、负之分，在计算机内部数值型数据的最高位用来表示数值的正负，这一位通常称为符号位。规定：用“0”表示“+”号，用“1”表示“”号。,在计算机内部，数字和正负号都用二进制代码表示，两者结合在一起构成数值型数据的机内表示。我们把这种连同数字与符号组合在一起的二进制数称为机器数，由机器数所表示的实际值称为真值。例如：（00110101）2=（+53）10 即在计算机内

19、部，00110101这一串二进制数代表十进制数+53。（10110101）2=（-53）10 即在计算机内部，10110101这一串二进制数代表十进制数-53。,机器数具有下列特点：（1）由于计算机设备的限制，机器数有固定的位数，它所表示的数受到计算机固有位数的限制，所以机器数具有一定的范围，超过这个范围便会发生溢出；（2）机器数将其真值的符号数字化。计算机中使用具有两个不同状态的电子器件，它们只能分别表示数字符号“0”和“1”。所以，数的正负号也只能通过 0 和 1来加以区分。通常，用机器数中规定的符号位（一般是一个数的最高位）取0或1分别表示其值的正或负；（3）机器数中依靠格式上的约定表示

20、小数点的位置。,机器数在参与运算时，若将符号位和数值一起进行运算，有时会产生错误的结果。例如，-6+4 的结果应为-2，但按上述方法，则运算如下：10000110-6的机器数+00000100 4的机器数 10001010 结果为-10 可以看出，计算机中数据的运算不是那么简单，为此引入了原码、反码、补码的概念。,2原码、反码和补码计算机中，机器数可以用不同的码制来表示，常用的码制有原码表示法、反码表示法和补码表示法。设机器字长为n位，最高位为符号位，其余n-1位为数值位。（1）原码表示法原码：最高位为真值的符号（正为0，负为1）其余 n-1位为数值位且与真值的数值位相同。数X的原码记为X原。

21、例如：假设机器字长8位，二进制数+1011011和-1011011的原码分别表示为01011011和11011011。注意：在原码表示中，零有两种表示形式，即：+0原=00000000，-0原=10000000,【例1-19】假设字长为 8，求十进制数+56与56的原码。因为（56）10=（111000）2 所以+56原=00111000-56原=10111000 用原码表示一个数简单、直观，与真值之间转换方便。这种表示法，对乘法和除法的符号判别是很方便的。在作乘法或除法时，把数的符号位按位相加后，就得到结果的符号位。原码表示法对加、减法来说运算比较复杂，不能用它直接对两个同号数相减或两个异号

22、数相加。,【例1-20】十进制数 39 与-56 的两个原码直接相加。因为+39原=00100111-56原=10111000 0 0 1 0 0 1 1 1+1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 其结果符号位为1表示是负数，真值为“1011111”，即等于十进制数“95”，这显然是错误的。【例1-21】十进制数+39 与+56 的两个原码直接相减：0 0 1 0 0 1 1 1-0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 其机器数为“11101111”，真值为十进制数-111，这显然也是不对的。因此，为了计算机中方便进行加、减法而引入了反码和补码

23、表示法。,（2）反码表示法 反码：正数的反码和原码相同，负数的反码是对该数的原码除符号位外各位取反，即“0”变“1”，“1”变“0”。数X的反码记为X反。例如：设机器字长8位，二进制数+1011011和-1011011的反码分别表示为 01011011和10100100。零的反码表示有两种，即：+0 反=00000000-0 反=11111111 可以验证，任何一个数的反码的反码即是原码本身。反码通常作为求补过程的中间形式。,（3）补码表示法 模的概念：“模”是指一个计量系统的计数范围。例如：时钟的模为12，计量范围是011；若时钟指向11，则再过1小时，时钟将指向0（即12）。n位计算机的模

24、为 2n，计量范围是 02n-1。设 n=4，模为 24=16，计量范围是 015（二进制表示为00001111）。若当前值是 1111，则再加 1，计数值就变为 0000，而在最高位上溢出了一个“1”。任何有模的计量器，均可化减法为加法运算，只需把减数用相应的补码表示就可将减法运算化为加法运算。,对于整数而言，若计算机字长为 n 位，则：以时钟为例，设当前时钟指向 11 点，而准确时间应为 7 点，调整时间的方法有两种：一种方法是将时针倒拨 4 小时，即11-4=7；另一种方法是将时针顺拨 8 小时，即11+8=19=12+7=7。由此可见，在以 12 为模的系统中，加8和减4的效果是一样的

25、，即（-4）=（+8）（Mod 12）。因此，当以 12 为模时，-4 的补码为 12+（-4），即为+8。例如，n=8时+73补=01001001-73补=100000000-01001001=10110111-1补=100000000-00000001=11111111-127补=100000000-01111111=10000001,补码：正数的补码和原码相同，负数的补码是对该数的原码除符号位外各位取反，最末位加1，即：反码加1。数X的补码记为X补。例如：设机器字长8位，二进制数+1011011和-1011011的补码分别表示为01011011和10100101。零的补码表示是唯一的，即

26、：+0补=-0补=00000000。补码所能表示的数的范围也与二进制数的位数（即机器字长）有关。假设用八位二进制数表示时，最高位为符号位，整数补码表示的范围为-128+127；用十六位二进制数表示整数补码时的范围为-32768+32767。,【例1-22】设字长为8，求十进制数+56与56的补码。+56补=+56原=00111000-56原=10111000-56补=11001000可以验证，任何一个数的补码的补码即是原码本身。引入补码后，加减法都可以用加法来实现，即减法变为加法来运算，并且两数“和”的补码等于两数的补码之“和”。即:X-Y 补=X+（-Y）补=X 补+-Y 补 X+Y 补=X

27、 补+Y 补,【例1-23】计算十进制数“39”与“56”之差。（39）10（56）10=39 补+-56 补 39 补=00100111-56 补=11001000 0 0 1 0 0 1 1 1+1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 其结果11101111为补码，对它再进行一次求补运算就得到结果的原码表示形式，即：11101111 补=10010001，则 10010001=-0010001=（-17）10，由于 39-56=-17，所以结果正确。由此可见，计算机中加减法运算都可以统一化成补码的加法运算，其符号位也参与运算。目前，计算机中的加减法运算基本上都采用补

28、码进行运算。,真值与补码简便转换方法：对正数而言，补码与真值相同；对负数而言，符号位取1，其它各位取反、末位加1；【例1-24】求-36的补码。解：第1步：将-36表示成二进制数-00100100 第2步：符号位取1，其余各位取反得 11011011 第3步：末位加1，结果为11011100 所以，-36补=11011100【例1-25】求11110110补的真值。解：第1步：除符号位外，各位取反得10001001 第2步：末位加1，结果为10001010 所以，真值为（-0001010）2，即（-10）10,1.2.4 定点数与浮点数,在计算机系统中，当处理的数值含有小数部分时，计算机并不是

29、采用某个二进制位来表示小数点，而是用隐含规定小数点的位置来表示。按小数点的位置是否固定，一般分为定点数和浮点数，相应地数据具有定点表示和浮点表示两种形式。,1定点数在机器中，小数点位置固定的数称为定点数，定点数根据小数点隐含固定位置不同，又分为定点小数和定点整数。（1）定点小数定点小数是指小数点隐含固定在最高数值位的左边，符号位右边，参与运算的数是纯小数。记作：X0.X-1 X-2 X m,定点小数在计算机中表示的格式为：,需要指出的是，这里的小数点是假想的，并不是机器中真有一个表示小数点的设备。在定点小数表示中，机器中运算的数都是绝对值小于1 的纯小数。但实际上，参加运算的数不可能都是这样的

30、纯小数，对于绝对值大于 1 的数，若直接使用定点小数格式将产生“溢出”。因此，应根据实际需要取一个“比例因子”，将原数据按比例缩小，以定点小数格式表示，得到结果后再按该比例扩大，得到实际的结果。例如，有一数为110.1001将其乘以23，得：110.10012-3=0.1101001这样，该数就通过比例因子2-3缩小为小于1的数。,（2）定点整数定点整数是指小数点隐含固定在整个数值的最右端，符号位右边所有的位数表示的是一个纯整数。记作：X n X n-1 X n-2 X 1 X 0,定点整数在计算机中的表示格式为：在定点整数表示中，机器中运算的数都是绝对值大于1 的整数，并且都是绝对值在一定范

31、围内的整数；对于绝对值超出该范围或参与运算的数是小数，我们就不能直接使用定点整数格式表示，需要根据实际情况适当地选取一个“比例因子”进行调整。,无论是定点小数或定点整数，由于小数点都固定在一个位置，所以机器在运算时不必对位，可以直接进行加减运算。实现这种运算方法的电路都比较简单，但表示数的范围受到限制，缺乏灵活性，且为了防止“溢出”需要选择合适的“比例因子”，对运算前后的数据按比例因子折算，使用也不方便。,2浮点数浮点数是指小数点位置不固定、根据需要而浮动的数，它既有整数部分又有小数部分。定点数所能表示的范围非常有限，在许多场合下不够用，浮点数表示法可以扩大数据的表示范围。在计算机中通常把浮点

32、数分成阶码和尾数两部分来表示，其中阶码一般用补码定点整数表示，阶码用于表示该数的小数点位置；尾数一般用补码或原码定点小数表示，尾数用于表示数据的有效位。一个数 N 用浮点数表示可以写成：N=M RE 其中，M 表示尾数，E 表示指数，R 表示基数。基数一般取2、8、16。一旦计算机定义好了基数值，就不能再改变了。因此，基数在浮点数中不用表示出来，是隐含的。,浮点数的格式多种多样。在设计时，阶码和尾数占用的位数可以灵活地设定。由于阶码确定数的表示范围，而尾数确定数的精度，所以当字长一定时，分配给阶码的位数越多，则表示数的范围越大，但分配给尾数的位数将减少，从而降低了表示数的精度；反之，分配阶码的

33、位数减少，则数的表示范围将变小，但尾数的位数增加，从而使精度提高。任何一个二进制数可以表示成：M（尾数）表示了数的有效数字；r 被称为阶（或阶码），表示数的因子中基数的幂次，即为小数点的位置。,1.3 微电子与通信技术基础,1.3.1 微电子技术与集成电路1.3.2 通信技术基础,1.3.1 微电子技术与集成电路,微电子技术是实现电子电路和电子系统超小型化及微型化的技术，是信息技术领域中的关键技术，是发展电子信息产业和各项高技术的基础。集成电路技术是微电子技术的核心。,电子电路中元器件的发展演变经历了电子管、晶体管、集成电路等阶段。电子管产生于1904年，早期的电子技术就是以真空电子管为基础元

34、件的。该阶段产生了广播电视、无线通信、电子仪表、自动控制和第一代电子计算机。,电子电路中元器件的发展历程,晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管成为集成电路技术发展的基础，现代微电子技术就是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术。,集成电路（integrated circuit）的生产始于1959年，是以半导体单晶片作为基片，采用平面工艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所

35、构成的一个微型化的电路或系统。集成电路的工作速度取决于晶体管的尺寸。尺寸越小，工作频率越高；芯片上电路元件的线条越细，相同面积的晶片可容纳的晶体管就越多，功能就越强，速度也越快。,集成电路根据它包含的电子元件（如晶体管、电阻等）数目分为小规模、中规模、大规模、超大规模和极大规模集成电路。,表1 集成电路分类,1.3.2 通信技术基础,人类的社会活动离不开信息的传递和交换。在古代，人们通过驿站、飞鸽传书、烽火报警、符号、身体语言、眼神、触碰等方式进行信息传递。到了今天，随着科学水平的飞速发展，相继出现了无线电、固定电话、移动电话、互联网甚至视频电话等各种通信方式。通信技术拉近了人与人之间的距离，

36、提高了经济的效率，深刻地改变了人类的生活工作方式和社会交际范围。,通信的基本原理 通信就是信息的传递和交换，一般地说，就是由一个地方向另一个地方传送消息。通信系统由信源、发送设备、信道、接收设备、受信者和噪声源等六个部分组成。,通信系统组成原理图,信息源的作用是产生含有信息的各种形式的消息，并将各种可能消息转变为随时间变换的原始电信号；发送设备的作用是对原始电信号进行放大、滤波和调制等加工处理，使待传送信号的特性与信道所要求的特性相匹配，以适合在信道中传输；信道的作用是为信号提供传输通道。常用的信道有架空明线、同轴电缆、双绞线、光缆等有线信道和中长波、短波、微波等无线信道。,常见的通信方式,表

37、1-3 常见的通信方式,信道与信号 信道分为模拟信道和数字信道。以连续模拟信号形式传输数据的信道称为模拟信道；以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道称为数字信道。与之对应，信号也分为模拟信号和数字信号。模拟信号在时间上连续，包含无穷多个值；数字信号在时间上离散，仅包含有限数目的预定值。,模拟信号 数字信号,与模拟通信相比，数字通信具有以下优点：（1）抗干扰能力强，无噪声积累，保证较 高的通信质量；（2）可以控制差错，提高了传输质量；（3）便于用计算机进行处理；（4）易于加密、保密性强。,信息的传输与多路复用（1）模拟信号的传输 近距离采用直接传输的方式，如：MP3播放器到耳机、计算机输出信号

38、到投影仪等；远距离则需要通过载波来传输模拟信号，如：广播电台到收音机。研究发现，高频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他信号传送得更远。因此，若把高频振荡的正弦波信号作为携带信息的载波，把模拟信号放在（调制在）载波上传输，则可比直接传输远得多。,载波信号,调制：在信息传输时，利用信源信号去调整载波(正弦波)的某个参数(幅度、频率或相位)，这个过程称为“调制”，所使用的设备称为“调制器”。调制就是将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号。解调：经过调制后的载波携带着被传输的信号在信道中进行长距离传输，到达目的地时，接收方再把载波所携带的信号检测出来恢复为原始信号的形式，这个过程称为“解调”

39、，所使用的设备称为“解调器”。解调是在接收端将信道中传输的信号还原成原始的电信号。大多数情况下，通信是双向的，调制器和解调器合在一个装置中，这就是调制解调器。,模拟调制器和解调器示意图,为了传输连续的模拟信号，可以选择一种频率比它高得多的正弦波作为载波，然后利用调幅、调频、调相3种调制方法中的一种对载波进行调制，经调制后输出的调幅信号(或调频信号、调相信号)即可在信道上进行长距离传输。,模拟信号的三种调制方法,（2）数字信号的传输在脉冲信号的整个频谱中，从零开始有一段能量相对集中的频率范围被称为基本频带(base band)，简称基频或基带，基频等于脉冲信号的固有频率。与基频对应的数字信号称为

40、基带信号。基带传输是指直接使用数字信号传输信息的技术。数字信号往往含有丰富的低频分量，甚至是直流分量，因而称之为“数字基带信号”。数字信号不经过调制就在信道上直接进行传输，称为“基带传输”。数字信号在计算机内部或者在相邻设备之间近距离传输时，可以不加处理地直接进行；但如果要进行较长距离的传输，则必须将将它们作码型转换，使原来的数字信号转换成适合于在信道中传输的码型。,在许多场合(例如无线传输)下，数字信号必须采用频带(broad band)传输技术进行传输。,信号的三种调制方法,数字调制、解调器,多路复用技术在数据通信系统中，由于通信的需求快速增加，而铺设管线的成本很高。一般来说，正在通信的两

41、个站点不会完全用尽数据链路的全部带宽。为了有效利用通信线路，需要一条信道同时传输多路信号，这就是复用技术。多路复用技术是一种将两个或多个彼此独立的信号合并为一个复合信号，在一条公用信道上进行传输的方法，允许两个或多个信源共享一个传输介质，运用多路复用器，包括复合、传输、分离三个过程。,最常用的多路复用方式是频分复用（FDM）、时分复用（TDM）和码分复用（CDM）。下面仅介绍一下频分复用（FDM）和时分复用（TDM）的工作原理。,（a）不使用复用技术（b）使用复用技术,频分复用,频分多路复用原理图,一般的通信系统的信道所能提供的带宽，往往要比传送一路信号所需的带宽宽得多。因此，如果一条信道只传

42、输一路信号是非常浪费的。为了充分利用信道的带宽，提出了信道的频分复用。频分复用就是在发送端利用不同频率的载波将多路信号的频谱调制到不同的频段，以实现多路复用。频分复用的多路信号在频率上不会重叠，合并在一起通过一条信道传输，到达接收端后可以通过中心频率不同的带通滤波器彼此分离开来。,时分复用TDM是一种数字复用技术，它将不同源端的数字数据合并到一个时间共享的链路上，适用于媒体数据速率容量超过要传输的几路数字信号总速率的情况，可将多个低速通道组合成一个高速通道。时分复用具体实现过程，如下图所示：,时分多路复用原理图,几路数字信号可以通过交替使用不同的“时隙”(time slot,亦译成“时间片”或

43、“时槽”)在一条传输线路上传送。交替可以按位、按字节块或大数据块进行。时隙被预先固定分配给每个数据源。即使某个数据源并没有数据传送，该时隙也得分配给它。每个数据源对应的时隙数量可以是不同的。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现，时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。,有线通信有线通信需使用物理介质进行信号的传输，例如：金属导体（双绞线、同轴电缆），传输电流信号；光导纤维（简称光纤），传输光信号。传输介质有多种类型，各有其特点。下表给出了各种类型传输介质的相关介绍。,各种类型的传输介质,无线通信无线通信是指数字(或模拟)信号使用电磁波调制后进行传输。电磁波的种类与频率范围分别为：,

44、微波通信微波的频率在300MHz300GHz范围内，波长为 1m1mm；直线传播，不能沿地球表面传播（无绕射性），需要每隔几十公里设立一个中继站；容量大、可靠性高、建设费用低、抗灾能力强；应用于长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视（HDTV）等。,卫星通信卫星通信是中继站在人造地球卫星上的一种微波通信，其优点是通信距离远、频带宽、容量大、抗干扰强、通信稳定；但具有造价高、技术复杂、有较大延时、同步轨道卫星数目仅180颗等局限。,1.4 计算与计算思维,1.4.1 计算思维的定义1.4.2 计算思维的特征 1.4.3 计算思维与计算机科学,1.4.1 计算思维的定义,计算，从字面解，所谓“

45、计”，从言，从十，即数数或计数。所谓“算”，从竹、从具，即算筹。计算即利用计算设备（机）进行计算。那么，计算的本质是什么？计算机求解问题的核心思想是什么？针对这些问题的系列观点和方法源于一种科学思维计算思维。广义地说，理论科学、实验科学和计算科学作为人类科学发现的三大支柱，正推动着人类文明进步和科技发展。与此相对应，人类认识世界和改造世界的有理论思维、实验思维和计算思维三种思维。,计算思维是：1通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释成如何求解它的思维方法；2一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法；3一种采用抽象和分

46、解的方法来控制庞杂的任务或进行巨型复杂系统的设计，是基于关注点分离的方法（SoC方法）；4一种选择合适的方式陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法；5按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法；6利用启发式推理寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法；7利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折衷的思维方法。,1.4.2 计算思维的特征,计算思维最根本的内容，即其本质（Essence）是抽象（Abstraction）和自动化（Automation）。计算思维又是有限性、确定性和机械性。所

47、谓有限性是指计算思维表达结论的方式是一种有限形式；而且语义必须是确定的，在理解上不会出现因人而异、因环境而不同的歧义性；同时又必须是一种机械的方式，可以通过机械的步骤来实现。计算思维的结论应该是构造性的、可操作的、能行的！,概括地讲，计算思维又具有如下特征：1概念化，不是程序化 计算机科学不是计算机编程。像计算机科学家那样去思维意味着远远不止能为计算机编程，还要求能够在抽象的多个层次上思维。计算机科学不只是关于计算机，就像音乐产业不只是关于麦克风一样。2根本的，不是刻板的技能 计算思维是一种根本技能，是每一个人为了在现代社会中发挥职能所必须掌握的。刻板的技能意味着简单的机械重复。3人的，不是计

48、算机的思维 计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要使人类像计算机那样地思考。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力。是人类赋予计算机激情。计算机赋予人类强大的计算能力，人类应该好好的利用这种力量去解决各种需要大量计算的问题。,4是思想，不是人造品 不只是将我们生产的软硬件等人造物到处呈现给我们的生活，更重要的是计算的概念，它被人们用来问题求解、日常生活的管理，以及与他人进行交流和互动。5数学和工程思维的互补与融合 计算机科学在本质上源自数学思维，它的形式化基础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思维，因为我们建造的是能够与实际世界互动的系统。所以设计思维是数学和工程思维的互补与融合

49、。6面向所有的人，所有地方 当计算思维真正融入人类活动的整体时，它作为一个问题解决的有效工具，人人都应当掌握，处处都会被使用。,随着社会进步和发展，人类对于计算思维运用越来越普及。比方，早先修建一个房子，整个建筑的构思可能就在建筑者的头脑里。随着工程规模的扩大，记忆来设计和规划建筑的方式显然不能适应，这时就需要施工图纸。图纸就是关于建筑物的形式化表示。形式化的表示方式可以使得人们沟通设计思想、协同组织施工。所以，计算思维遵循这样一个基本过程：抽象（构架）形式化表示确定性（有形）机械化实施!,1.4.3 计算思维与计算机科学,计算思维的一般过程,下图以计算机科学为代表，简略显示从现实世界的抽象，0、1的表示，基本门电路和组合逻辑电路以及芯片级实现：,事实上，计算机的出现和计算机科学的发展，根本性地发展了计算思维。计算机对于信息和符号的快速处理能力，使得原本只是理论可以实现的过程变成实际可以实现的过程。特别是什么是计算？什么是可计算以及什么是可行计算，在这些研究和实现过程中，计算思维的概念、结构和内容等逐步清晰和具体。,