江苏专转本计算机12第一章微电子技术与通信技术.ppt

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1、第1章 微电子技术与通信技术电子信息技术现代信息技术的特点：采用电(光)子技术：以计算机为基础（computer_based）以软件为核心（software_centric）现代信息技术领域：微电子、通信、广播、计算机、遥感遥测、自动控制、机器人等,信息技术三大基础技术1.微电子技术-集成电路2.通信技术-通信系统3.计算机技术-数字技术,1.1 微电子技术1.1.1 微电子技术与集成电路 微电子技术：以集成电路为核心的微电子技术是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的。,电子电路使用的基础元件的演变:真空电子管 晶体管 中小规模集成电路 大规模超大规模集成电路,电子电路

2、使用的基础元件的演变,真空电子管 在这个阶段产生了广播、电视、无线电通信、仪器仪表、自动化技术和第一代电子计算机晶体管 1948年发明，再加上印制电路组装技术的使用，使电子电路在小型化方面前进了一大步，产生了第二代计算机,电子电路使用的基础元件的演变,集成电路(Integrated Circuit，简称IC)：这是20世纪50年代出现，以半导体单晶片作为材料，经平面工艺加工制造，将大量晶体管、电阻等元器件及互连线构成的电子线路集成在基片上，构成的一个微型化的电路或系统。现代集成电路使用的半导体材料通常是硅(Si)，也可以是化合物半导体如砷化镓(GaAs)等。集成电路的特点是：体积小，重量轻，可

3、靠性高。,超大规模集成电路,小规模集成电路,集成电路的规模,根据所包含的晶体管数目分为：,集成电路分类,根据所用晶体管结构、电路和工艺分为：双极型（Bipolar）集成电路 金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路 双极金属-氧化物-半导体集成电路(Bi-MOS)等根据集成电路的功能分为：数字集成电路(如逻辑电路、存储器、微处理器、微控制器、数字信号处理器等)模拟集成电路(又称为线性电路，如信号放大器、功率放大器等)根据用途分为：通用集成电路 专用集成电路（ASIC）,微电子技术与集成电路,集成电路芯片是微电子技术的结晶，它们是计算机的核心。,微电子技术与集成电路,集成电路是现代信息产业和信息社

4、会的基础集成电路是改造和提升传统产业的核心技术 2000年世界半导体产值达2000亿美元 电子信息产品市场总额超过1万亿美元据预测：未来十年内世界半导体的年平均增长率将达15%以上，2010年全世界半导体的年销售额可达到60008000亿美元，将支持45万亿美元的电子装备市场。,集成电路的制造,集成电路的制造：400多道工序,集成电路的发展趋势,集成电路的工作速度 主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸，晶体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就越快。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。,集成电路的发展趋势,提高集成度，关键在缩小

5、门电路面积集成电路特点：体积小、重量轻、可靠性高Moore定律单块集成电路的集成度平均每1824个月翻一番 Gordon E.Moore,1965年Intel公司创始人,集成电路的发展趋势,Intel公司30年来微处理器集成度的发展,集成电路技术的发展趋势,集成电路的发展趋势,目前集成电路生产的主流技术：12吋晶圆、0.18微米工艺，并正在向14吋晶圆、0.09微米工艺过渡 Intel P4：已采用0.13m工艺制造生产AMD：有采用0.13m工艺制造生产的CPU1（m微米）1/1,000,000（米）美国半导体协会(SIA)预测，到2010年将能达到18吋晶圆和0.070.05微米的工艺。在

6、未来十年时间里，集成电路的技术还将继续遵循Moore定律得到进一步的发展,集成电路的发展趋势,光子计算机光能够像电一样来传递信息，甚至效果更好。而且，更重要的一个特点在于它不会和周围环境发生相互干扰的作用。因为当电子计算机芯片越来越趋向于0.18m时，就会产生很多的问题,而光子计算机就可以避免。,集成电路的发展趋势,量子计算机 这是运用量子力学来设计的，它们的特点是其潜在的运算速度将更大于电子计算机。从理论上说，它们的速度提高可以说是没有止境的，因为量子计算技术可以在同一时间内执行各种操作，同时有足够的能力来完成现在电子计算机还很难完成的任务，比如说完成密码的破译和语音的识别等等。因此，欧洲已

7、经成立了量子计算机研究所，现在估计，量子计算机可能会在今后的十五年左右出现。,图为一种可瞬间进行图像数据计算的光电计算机,集成电路的发展趋势,分子计算机现在已经开发出来一种能够由氮气和二氯化碳来开动和闭关的分子计算机，这种超高速的微型计算机离现实已经很近了。这种技术将会导致只需要利用立体和光线就能够产生新的、甚至能够思考的计算机来解决目前晶体管的物理局限，使得未来的计算机的功能大大的增加，尺寸大大的缩小。,集成电路的发展趋势,生物计算机 实际上就是随着生物技术的发展，人们将模仿人的大脑制造一种用基因学的机制来开发的新一代计算机。现在生物计算机的模型已经出来。以色列的科学家制造了一个有可能会比单

8、个活细胞还要小的计算机的模型。这么微小的计算机也可能将在我们的体内漫游，监视我们的健康。也许会纠正它所发现人体内哪个地方脂肪的堆积，帮助解决问题。其实每一个细胞实际上都是一个复杂的生物机件，一个系统。用这么一种仿生技术来制造生物计算机。,1.2 通信技术概述,通信：各种信息的传递 现代通信：使用电波或光波双向传递信息的 技术（电信）,通信三要素：信源（信息的发送者）信宿（信息的接收者）信道（信息的载体与 传播媒介）通信系统模型：,产生和发送信息的一端,信源,信宿,通信线路 信道,噪声外界的干扰,接收信息的一端,通信系统（也称电信网）组成：终端设备（例如：电话机）传输设备（例如：电话线）交换设备

9、（例如：程控交换机）,通信系统（电信网）分类,按业务种类：电话网、电报网、数据通信网、传真通信网、图像通信网等按服务区域范围：本地电信网、农村电信网、长途电信网、移动通信网、国际电信网等按信息信号形式：模拟通信网、数字通信网、数字模拟混合网等按传输媒体分类,按传输媒体分类：电缆通信网 光缆通信网 短波通信网 微波通信网 卫星通信网 低轨道卫星移动通信网,1.2.2数据通信基本原理及有关的基本概念信道调制解调（编码器：调制，解码器：解调）多路复用（主干信道）交换,信道的基本概念,信道的定义：向某个方向传输信息的媒体。一条通信线路通常包含一个发送信道和一个接收信道。,信道的种类,按传输的信号类型可

10、将信道分为：模拟信道：传输连续的模拟信号的信道特点：频带窄，信道利用率高；受噪声干扰大例如：传输语音信号的架空明线、双绞线，传输广播电视信号的宽带同轴电缆数字信道：传输离散的数字信号特点：信号不失真，准确性高；数字设备可大规模集成，价格便宜；易于加密；要求频带宽，信道利用率低例如：传输计算机通信所用的信号的基带 同轴电缆、光缆等按信号的传输媒体分类：有线信道：电缆、光缆无线信道：自由空间,2.调制解调 调制解调基本概念,调制（Modulation）将基带数字信号的波形变换为适合于模拟信道传输的模拟信号波形。(将数字信号转换成模拟信号)解调（Demodulation）将由调制器变换过的模拟信号波

11、形恢复成原来的基带数字信号波形。(将模拟信号转换成数字信号)基本调制方法：调幅，调频，调相,3.多路复用,多路复用 为了提高线路利用率，总是设法在一条传输线路上，传输多个模拟信号（例如，话路信息）或数字信号，这就是多路复用。多路复用技术通常有：频分复用，时分复用，码分复用，波分复用,多路复用基本概念,频分多路复用 将传输线路的频带分成N部分，每一个部分均可作为一个独立的传输信道使用。这样在一对传输线路上可有N对话路信息传送，而每一对话路所占用的只是其中的一个频段。频分制通信又称载波通信，它是模拟通信的主要手段。,时分多路复用 把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路的信息。把N个话路设备接到一

12、条公共的通道上，按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使用通道的时间。当轮到某个设备时，这个设备与通道接通，执行操作。与此同时，其它设备与通道的联系均被切断。待指定的使用时间间隔一到，则通过时分多路转换开关把通道联接到下一个要连接的设备上去。时分制通信也称时间分割通信，它是数字电话多路通信的主要方法，因而PCM(脉冲编码调制)通信常称为时分多路通信。,码分多路复用 用于无线移动通信。所有移动站点（例如手机）在整个频段上进行传输，多路信号同时传输时采用不同的编码原理加以区分。例如，每个站点有一个唯一的m位代码（芯片序列），当需要发送比特1时，站点发送其芯片序列；当需要发送比特0时，站点发送其芯片序

13、列的补码。,信道使用的鸡尾酒会原理 在一个大房间里（一个信道），有许多对人在交谈（多路信号传输）：时分复用 不同对的人轮流交谈，一对交谈结束后 另一对再接上。频分复用 不同对的人分成不同的组，每组独立占 用房间内的一小块区域，各组人同时进 行自己的交谈，互不干扰。码分复用不同对的人分别用不同语言进行交谈，其它语言只当作噪音不予理会。,波分多路复用 在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，使得数据传输速度和容量获得倍增,3.交换技术,交换：在广域网的情况下，网络节点是部分连接，没有直接互联的节点间的通信，必须经过中转节点的转换才能实现。这种由中转节点参与的通信和电话系统中两个电话用户间的通话必须

14、经由电话交换机的现象类似，也称为交换。中转的节点称为交换节点。交换技术能为需要通信的计算机建立一个临时的通信链路，通信结束后再拆除链路。,交换技术有：电路交换与分组交换,电路交换（线路交换）为发送端和接收端建立一条临时的实际物理通道，供通信双方使用，通信完毕后，交换机内的连线被拆除。例如：电话交换机优点：交换方式简单，适合远距离成批数据传输，建立一次连接可传送大量数据。缺点：线路利用率低，通信成本高,分组交换（包交换）把需要传输的数据块分割成若干小块，然后为每个小块数据加上有关的地址信息及分组信息，组成一个数据包（也称为“分组”）。数据包的长度通常为几十到几百个字节。这些数据包按照类似于流水线

15、的方式在网络中经过缓冲、转发而到达目的地。通信网络中每个结点为其相连的每条链路准备了一个缓冲区，每个数据包按照去向不同送入各个缓冲区排队，当某一条链路空闲时，就从相应的缓冲区中取出一个数据包发送到下一结点，下一结点再进行转发，直至数据包到达接收端。接收端的计算机按照数据包的编号，将它们重新组装成为原来形式的数据块。优点：线路利用率高；收发双方不需同时工作，当接收方忙碌时，整个网络都可以作为它的缓冲；可以给数据包建立优先级，使得一些重要应用的数据包能优先传递。缺点：延时长，不宜用于实时通信或交互通信。,几种通信系统,有线载波通信光纤通信微波通信卫星通信移动通信,1.有线载波通信,有线载波通信：主

16、要传输电话、电报、传真、数据，也可传输广播、可视电话、电视节目依据所用的传输介质，有线载波通信可分为：明线载波系统(常见应用:电话系统,传输模拟信号(例如，话音)（架空明线）对称电缆载波系统(常见应用:电话系统（模拟信号）与局域网（数字信号）)（双绞线）同轴电缆载波系统(常见应用：有线电视系统(模拟信号)与局域网(数字信号)（同轴电缆）,2.光纤通信,传输介质：光纤（光缆）传输的信号：光信号（数字信号，有光脉冲相当于1，无光脉冲相当于0）传输速率：1 Gb/s 以上,光波在纤芯中的传输原理 当光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去。光纤种类 多模：纤芯直径为 5

17、0 或 62.5m，可以存在许多条入射角不同的光线，各自以不同的反射角全反射传播下去（即：每一个光线有一个不同的模式）。单模：纤芯直径为 810 m（一个光波波长），光线不出现反射，直接向前传输。衰耗小，在 2.5 Gb/s 的高速率下传输数十公里而不必采用中继器。,光纤通信系统,电光变换器,光电变换器,光纤通信优点 传输频带非常宽，通信容量大 抗雷电和电磁干扰、抗辐射能力强 无串音干扰，保密性强，不易被窃听或截取数据传输损耗小，通讯距离长数据速率为420Mbps、距离为119km、无中继器时，误码率为10-8重量轻，便于运输和铺设 光纤通信缺点精确连接两根光纤比较困难,光纤通信的瓶颈之一是光

18、信号的传输距离。焦点在“信号放大”。普通光纤网络中的信息在传输时每隔200km500km间需加入电放大器，将光信号还原成电信号进行放大，然后再转换成光信号继续传输。这不仅增加成本，还使进一步提高带宽变得越来越困难，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/电和电/光转换所抵消。全光网（All Optical Network）：光信息流在通信网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，不需要经过光/电、电/光转换。全光网技术是光纤通讯领域的前沿技术，是21世纪真正的高速公路。,7.2.4 无线通信系统无线通信原理 利用电磁波可以在空间自由传播的特性，通过调节电磁波的振幅、频率或相位实现远距离传输信息。

19、,电磁波的种类与频率范围：无线电波：104 108(Hz)微波：108 1011(Hz)红外线：1011 1014(Hz)可见光：1014(Hz)紫外线：1014 1016(Hz)X射线：1016 1022(Hz)伽玛射线:1022 1024(Hz),1.微波通信,无线电波按频率(或波长)可分成中波、短波、超短波和微波。微波：一种具有较高频率(300MHz300GHz)的电磁波。波长很短，通常为1米至1毫米。微波通信是众多无线通信形式中的一种。,微波通信方式：地面微波接力通信 卫星通信 对流层散射通信,地面微波接力通信 如终端站 A，通过地面中继站C，D，E,F，.，与另一终端站 B 进行通信

20、。中继站之间的距离大致与塔高平方成正比。一般为50公里左右。卫星通信 地球站 G 经通信卫星（空中微波中继站）与另一地球站 H 进行通信。是微波接力通信向太空的延伸。对流层散射通信 终端站X发出的微波信号经对流层散射传到另一终端站Y进行通信。,微波通信优点：容量大 可靠性高 建设费用低 抗灾能力强,2.卫星通信,利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，实现两或多个地球站之间的通信。是微波接力通信技术与空间技术相结合的产物。,通信卫星工作原理 从地面站1发出的无线电信号，被卫星通信天线接收后，首先在通信转发器中进行放大、变频和功率放大，然后由卫星的通信天线把放大后的信号重新发向地面站2，从而实

21、现两个地面站或多个地面站的远距离通信。,同步轨道 卫星(地球同步卫星)赤道上方高度为36 000公里的地方，卫星的运行周期与地球自转一圈的周期相同，因此在地面上看这种卫星好似静止不动。三颗同步定点轨道 卫星就可以覆盖地球的几乎全部面积，可以进行二十四小时的全天候通信。天空中最多只能有180颗地球同步通信卫星。,中、低轨道卫星 运行周期小于地球自转一圈的周期，因此相对于地面是运动的，卫星天线覆盖的区域小，地面天线必须随时跟踪卫星。优点：高度仅是同步轨道的二十分之一至八十分之一，路径损耗低，传播时延时大大缩短，对于手执通信终端和话音通信非常有利。例如，摩托罗拉公司的一项计划：发射66颗低轨道卫星（

22、高度750km）覆盖整个地球，利用直接与卫星通信的手持设备实现世界范围内的电信服务。,卫星通信特点：优点：通信距离远、频带宽、容量大、抗干扰强、通信稳定。缺点：造价高（卫星本身，发射卫星的火箭）、技术复杂、通信天线口径大、有较大延时、同步轨道卫星数目有限。,7.3.5 移动通信,移动通信 处于移动状态的对象之间的通信，包括寻呼系统、蜂窝移动电话（俗称手机）、集群调度、无绳电话和卫星系统。,蜂窝移动通信系统组成:移动台、基站、移动电话交换中心,移动台：是移动的通信终端，它是接收无线信号的接收机，包括手机，呼机，无绳电话等。基站：是与移动台联系的一个固定收发机，它接收移动台的无线信号，每个基站负责

23、与一个特定区域（10km 20km的区域）的所有的移动台进行通信。移动交换中心：与基站之间通过无线微波、电缆或光缆交换信息，移动交换中心再与公共电话网进行连接。每个基站的有效区域既相互分割，又彼此有所交叠，整个移动通信网就像是蜂窝，所以也称为“蜂窝式移动通信”。,地理上每10km 20km的区域（单元,形似蜂窝）内的中央有一个基站，该单元内所有移动电话都向其基站发送信号。所有基站都通过微波或电缆、光缆与一个移动交换中心通信。每个移动电话每一时刻处于一个特定单元，即在该单元的基站控制之下。每个单元使用一套信号传送频率，每个通话使用两个频率（双向传输），不同的通话使用不同的频率。,相邻单元不允许使

24、用相同的频率，但允许重用附近（不相邻）单元的频率。因此，在100个相邻的10km单元的地域内，每个频率上可以有510个通话。,蜂窝移动通信的发展第一代：传输模拟信号，使用频段800/900MHz第二代：传输数字信号，使用频段900MHz1800MHz标准如下：GSM（欧洲全数字移动通信系统，全球可移动通信系统,全球通）IS-54（美国移动通信系统，数字系统并兼容模拟系统）JDC（日本移动通信系统，数字系统并兼容模拟系统）第三代：使用频段2GHz,第二代数字蜂窝无线电通信系统的信道分配方案：9.6或57kbpsGSM全球可移动通信系统 每个蜂窝有200多个全双工信道（124个下行频率信道和124个上行频率信道，每个信道采用时分复用技术支持8个独立连接，理论上每个蜂窝支持992个全双工信道，实际上许多信道不能使用）,第三代移动通信IMT-2000（2Mbps，384kbps，114kbps）意指在2000年左右开始商用并工作在2000 MHz 频段上的国际移动通信系统。目标：全球漫游，以低成本的多种模式的手机来实现适应多种环境，将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起提供高质量的多媒体业务，包括高质量的话音通信、数据通信和高分辨率的图像通信等提供足够的信息容量，具有高保密性和优质的服务,