第二章電子信息與電腦網絡電子科技 1
電子技術概覽
微電子技術的驚人發展速度已經產生了難以預料的結果，1946年當馮·諾伊曼等計算機專家研製成功第一台電子計算機ENIAC時，其總重量為30噸，占地麵積相當於一個小的體育館，平均每7分鍾就有一個電子管失效。它的耗電量大得驚人，在它工作時，整個費城燈光暗淡。而1977年生產的微處理器體積僅是ENIAC的1／30000，成本是它的1／10000，速度是它的20倍。
英國科學家福萊斯特，在總結了做電子技術的這種驚人發展速度之後，在他所著的《高技術社會》中發出了感歎。他說：“如果汽車或飛機行業也像計算機行業這樣發展，那麼今天一輛羅爾斯·羅伊斯汽車的成本將隻有2．75美元；跑300萬英裏僅用一加侖汽油。而一架波音767飛機的價格隻需500美元，用5加侖汽油在20分鍾內便可環繞地球一周。”
1996年美國普林斯頓(Princeton)大學電子工程係主任劉必治教授來華發表演講時，作了類似的對比。他說：“如果汽車行業也像微電子行業那樣，那麼今天一輛可以坐4000人的小轎車的價格應當是0．26美元。”
◆信息技術
信息技術主要是指信息的獲取、傳遞、處理等技術。它是高技術的前導。信息技術以電子計算機技術為標誌，包括微電子技術、通信技術、自動化技術和光電子技術等。電子計算機是現代科學技術的結晶，它的知識基礎是科學的量子理論。由於運用量子力學研究固體中電子運動過程，建立了半導體能帶模型理論，才使電子技術蓬勃發展起來，從而促進了電子計算機的誕生和發展。
信號的數字化處理包括兩個步驟：一個是信號在時間上的離散化，即采樣；另一個是幅度上的離散化，即分層。數字化之後的信號，將全部變為0、1序列，這就使得信息的采集、存貯、傳輸、複製、加工異常方便。所以信號的數字化處理推動了各應用領域的發展，並成為這些領域的最重要的技術支撐。反過來，各應用部門對數字信號處理的新要求又促使信號處理理論與技術的發展，包括分層的壓擴技術、采樣和抽取技術、數字濾波理論、快速富利葉變換(FFT)、數字圖像處理、模式識別、專家係統、寬帶通訊網絡、多媒體技術等等。數字信號處理技術的高速發展和對其他領域的廣泛滲透無疑得益於20世紀70年代以來微電子技術的發展。
◆電子管時代
電子管時代(約1946～1956)為計算機的第一代，這一時期的計算機采用的電子元件都是電子管。機器的運行速度一般是每秒幾千至幾萬次，最快的運行速度為5～6萬次。總的說來，運算速度低、可靠性差、體積大、功耗大、造價高、維修複雜，因此主要運用於軍事部門。
◆晶體管時代
晶體管時代(約1956～1964)為計算機的第二代，這一時期的計算機基本電路采用晶體管，其運算速度、體積、可靠性、功耗等方麵較之第一代都有了很大的進步。機器的運行速度一般為每秒幾萬到幾十萬次，1964年製成了每秒2～3百萬次的晶體管計算機，可存儲百萬個數據。這一時期，計算機的應用領域擴大到了工農業和商業等其他部門。
集成電路時代
集成電路時代(約1964～1973)為計算機的第三代，1958年開始出現了把許多晶體管、電阻等電子元件做◎早期的斷電器編碼設備在一塊半導體材料芯片上的集成電路。由於集成電路采用了半導體集成技術，大大減少了線路間連接上的焊點，縮短了信息傳輸的延遲時間，電路的故障率大為降低，可靠性顯著提高。機器的運算速度、體積、重量、功率等方麵較第二代又前進了一大步，並且出現了機型多樣化和係列化，其外圍設備和軟件配備也日趨完善，運算速度一般為每秒幾十萬次到幾百萬次，被廣泛運用於各個部門的數據處理和自動化管理。
◆大規模集成電路時代
大規模集成電路時代(約1973～1985)為計算機的第四代。這一時期采用大規模集成電路，將1000個以上的晶體管電路集成在一塊芯片上。大規模集成電路的研製成功，使計算機的微型化成為現實。第四代計算機的運算速度和可靠性更加提高，體積更加縮小，成本更加降低，存貯量更加增大，功能更加強大。它的運算速度可以達到每秒幾千萬次、上億次。這個時期的計算機已經成為所有生產和尖端科學技術部門不可缺少的工具，並且滲透到社會生活的各個領域。
◆數字化信息
對於非專業的人士來說，接觸數字化信息處理的概念，大多來自消費電子領域，這就是數字音響、數字廣播、數字電視、數字移動電話、數字通訊網以及CD、VCD、DVD、微機等眾多產品，但是信息領域的數字化革命實際上早已開始。
根據粗略的估計，人類獲得信息的主要來源是聽覺(約占5％)與視覺(約占90％)，其他還有味覺、觸覺及嗅覺等。在20世紀60年代初期之前，對信息的處理方式主要限於模擬方式。它的特點是這種信號在時間上不分間隔、在幅度上不分層。
由於受硬件條件的限製，信號的數字化處理真正開始於20世紀60年代初。但是奠定這一理論基礎的卻是1948年美國著名信息論專家香農的一篇論文《通訊的數學理論》。他第一次提出數字化信息的基本單位：比特(尼葛洛龐帝把比特比喻為信息領域的DNA)，並由此出發提出了一係列近代信息論的基本思想。
◆數字信號處理
從20世紀60年代開始，由於計算機技術的迅猛發展，特別是70年代以來微電子技術的驚人進步，使得信號的數字化處理以前所未有的速度向前推進。
數字信號處理的理論與技術已日趨成熟，數字信號處理的應用領域幾乎涵蓋了國民經濟和國防建設的所有領域，包括雷達、航天、聲納、通訊、海洋高技術、微電子、計算機、人工智能、消費電子等。
微電子技術和信息技術是現代高科技的關鍵技術，它們之間有相同之處，也有差異。微電子技術是一門使電子器件或電子設備微型化的技術，其基本的構成是集成電路和計算機。而信息技術是應用信息科學的原理和方法研究信息的產生、傳遞、處理的技術。微電子技術是信息技術實現的基礎，而信息技術是微電子技術應用的最重要的領域，這是應該加以區分的。通信科技
通信技術概覽
◆光通信的利弊
普通光通信的弱點：一是不如電磁波那樣具有固定的頻率，而是由尺度極小、數量極大、運動極混亂的分子和原子發出的，相幹性差，不能實現多路通信，通信質量不高；二是光波在霧雨天和大氣層中極易損失能量，不能實現遠距離通信；三是光線暴露在外，沒有保密性。因而，普通光通信技術沒有多大發展前途。
激光出現後的光通信：激光出現之後，光通信的麵貌發生了根本性的變化。激光可以像普通無線電波那樣進行調製和解調，可以同時負載多種信號，抗幹擾性強，其能量比無線電微波還要高出上萬倍，從理論上講可以同時傳送100億路以上的電話和1000萬套電視節目。但如果在地麵通信，雨霧天氣和大氣層內信號的衰減仍然是激光通信的主要障礙。如果能找到一種傳輸光或激光的導線，這個困難便可以克服。
◆通信新時代——光纖通信
由於現代社會的信息量越來越大，用同軸電纜或微波接力來傳輸，已經不能滿足要求，為了適應需要，誕生了光纖通信和衛星通信兩種方式。光纖是光導纖維的簡稱，是質量非常高、傳導光極好、很細的玻璃絲(直徑幾十微米或幾微米)，其中根據需要加進了特定的材料。運用光纖傳輸信號時，先把電脈衝變換成光脈衝，送進光纖，然後利用光的“全反射”定律，使原來沿著直線方向傳播的光也能像電一樣沿著光纖彎彎曲曲地傳播，光信號傳送到終端，再變回成電脈衝。實際使用時，常把千百根光纖集束在一起加以增強處理，製成像電纜一樣的光纜。
光纖的優點是容量大且可在同一條通路上進行雙向傳輸，抗電磁幹擾強、成本低。由於光波頻率比微波頻率範圍大得多，所以一根光纖的通信容量是同截麵積銅線容量的25萬倍。目前一對光纖一般可通幾百到幾千路電話。即使在雷電中，光纖通信仍可不受影響。光纖不僅可以在陸地上使用，而且可用於海洋。近年來美國至英國、法國橫渡大西洋的海底光纜係統(全長6657千米、總容量8000話路)，美國至日本跨越北太平洋的海底光纜係統(全長13000千米，總容量8000話路)，都已開通使用，其他海底光纜也在敷設之中。這些跨越大洋的光纜總長度幾乎可把整個地球纏繞起來。
◆衛星通信
人們利用通信衛星實現遠距離通信的通信方式稱為衛星通信。一個衛星通信係統由通信衛星和地球站組成。通信衛星實際上是一個微波接力通信的空中中繼站，它能將地球上某一地麵站發射來的無線電信號轉發到另一個地麵站，從而實現在兩個或多個地麵之間進行通信。把通信衛星發射到距赤道上空35800千米的軌道上，使它運行的方向與地球的自轉方向一致，環繞地球運行一周的時間與地球自轉周期(一晝夜)相吻合，使衛星相對地麵靜止不動，這樣的衛星稱為地球定點同步衛星。隻要在定點同步衛星軌道上等距離的分布3顆衛星，就能覆蓋整個地球，進行全球通信。目前通信衛星已發展到第六代，一顆衛星有幾十個轉發器，可同時提供幾萬路電話線路或轉發幾十路電視。
衛星通信不受地理條件的限製，絹網靈活、迅速，通信容量大，費用省。至1993年，全世界已有166個國◎在激光束上傳輸比特的優越性無可替代。家與地區總共建立了877個地球站。通過太平洋、印度洋、大西洋上空的國際通信衛星，組成了一個全球通信網。世界上全部電視轉播業務和2／3的跨洋電信業務已由衛星通信係統承擔。今後衛星通信的一個重要發展方向是開拓更高頻段的通信，建立統一的數字衛星通信網。
◆微波通信
所謂微波，是指一種具有極高頻率(通常為300MHz～300GHz)，波長很短，通常為1m～1mm的電磁波。在微波頻段，由於頻率很高，電波的繞射能力弱，所以信號的傳輸主要是利用微波在視線距離內進行的直線傳播，又稱視距傳播。這種傳播方式，雖然與短波相比，具有傳播較穩定，受外界幹擾小等優點，但在電波的傳播過程中，卻難免受到地形、地物及氣候狀況的影響而引起反射、折射、散射和吸收現象，產生傳播衰落和傳播失真。
微波擴頻通信技術特點是利用偽隨機碼對輸入信息進行擴展頻譜編碼處理，然後在某個載頻進行調製以便傳輸，屬於中程寬帶通信方式。微波擴頻通信技術來源於軍事領域，主要開發目的是對抗電子戰中的幹擾。
◆現代電信網
現代電信網是信息社會的基礎設施。電子郵件、電子貨幣、可視電話、電視報刊等各種信息服務業務和信件、電話、傳真等各種通信手段，就是由這些信息網實現的。電信網由終端設備、傳輸設備和交換設備組成。
◎微波傳輸又稱為視距傳輸。
◆電氣通信
一般使用電或電子設施來傳遞語言、文字圖像等信息，從而達到聯係的通信方式稱為電氣通信，簡稱電信。交換機是電話線路交換與接續的設備。1965年，世界上第一台用電子計算機控製的電話交換機誕生，由於采用“存儲程序控製”，所以稱為“程控交換機”。程控交換機具有持續速度快、聲音清晰、質量可靠、服務功能多等優點。由於它采用計算機程序控製，因此使交換係統具有更大的靈活性、適應性和開放性，並便於開發數據、圖像通信及其他新的通信業務。20世紀70年代發展起來的“數字程控交換機”，是一種傳輸離散數字信號的交換機。數字交換使電話交換朝著話音與非話業務的綜合交換邁出了一步。