正版 电子信息类专业导论 张有光 电子工业出版社 9787121388569

章移动通信1

1．1移动通信的早期历史2

1．1．1通信的早期历史：有线电报与电话2

1．1．2给信息插上翅膀：无线电通信技术3

1．1．3通信的数学理论：香农及其信息论4

1．2代移动通信：移动通信探索时代5

1．2．1蜂窝移动通信系统的诞生5

1．2．2模拟信号与模拟通信系统7

1．2．3移动通信的骨和肉：基站与频谱资源8

1．2．4模拟移动通信系统：频分多址（FDMA）10

1．3第二代移动通信：长江后浪推前浪11

1．3．1数字时代的赶超者：诺基亚与GSM11

1．3．2卧薪尝胆的颠覆者：高通与CDMA13

1．4第三代移动通信：中国标准崭露头角16

1．4．1CDMA技术、波束赋形及其智能天线16

1．4．2TD-SCDMA：中国标准开始登上舞台18

1．4．3智能手机：推动3G业务快速发展20

1．5第四代移动通信：中国与欧盟并驾齐驱22

1．5．1OFDM技术：似曾相识燕归来23

1．5．2MIMO技术：柳暗花明又一村24

1．5．34G时代：中国企业的群体突破25

1．6第五代移动通信：中国企业开始领跑26

1．6．15G的三大应用场景与性能指标26

1．6．25G关键技术：无线、编码与网络29

1．6．35G标准与产业：突显中国的力量32

1．6总结与展望35

思考题35

第2章集成电路37

2．1从电子管到晶体管38

2．1．1晶体检波器：电子器件的首秀38

2．1．2电子管：电子时代的来临38

2．1．3晶体管诞生：信息时代的开端41

2．2集成电路的发明与发展44

2．2．1集成电路的诞生：基尔比与诺伊斯44

2．2．2集成电路的发展：摩尔与摩尔定律48

2．3集成电路的制造工艺50

2．3．1集成电路的器件演进50

2．3．2集成电路的制造设备56

2．3．3集成电路的工艺流程60

2．4集成电路设计与EDA61

2．4．1集成电路设计流程与设计自动化62

2．4．2专用集成电路ASIC：职业化选手63

2．4．3可编程芯片FPGA：万能数字芯片64

2．4．4系统级芯片SoC：软硬件协同设计65

2．5集成电路产业发展模式65

2．5．1集成器件制造（IDM）模式66

2．5．2集成电路Fabless与Foundry模式66

2．5．3集成电路设计的IP模式67

2．5．4集成电路的封装与测试68

2．5．5集成电路产业生态系统69

2．6总结与展望70

思考题70

第3章计算之芯72

3．1图灵、冯·诺依曼与大型计算机73

3．1．1图灵与逻辑计算原型：图灵机73

3．1．2ENIAC与冯·诺依曼计算体系架构75

3．1．3大型计算机与IBMSystem/36078

3．2个人计算机与微处理器81

3．2．1英特尔与微处理器的诞生81

3．2．2牵牛星：PC的雏形82

3．2．3AppleII：PC商业化84

3．2．4IBMPC与兼容机的普及85

3．2．5Wintel商业生态的形成86

3．3计算体系架构与指令集87

3．3．1英特尔的个X86体系87

3．3．2融合GPU的CPU系列产品88

3．3．3复杂指令集与精简指令集89

3．3．4ARM的诞生及其生态系统91

3．3．5ARM的商业模式：IP授权92

3．3．6ARM搭上智能手机的快车93

3．3．7ARM的挑战与RISC-V的机遇94

3．4基带处理器95

3．4．1基带处理器概述95

3．4．2高通基带处理器96

3．4．3华为基带处理器97

3．4．4其他基带处理器98

3．5图形处理器99

3．5．1什么是图形处理器99

3．5．2苹果的图形处理器100

3．5．3高通的图形处理器100

3．5．4华为的图形处理器101

3．6移动处理器与人工智能101

3．6．1人工智能简介102

3．6．2华为麒麟与神经网络处理器103

3．6．3苹果处理器与神经网络引擎104

3．6．4高通骁龙与神经网络处理引擎104

3．7总结与展望104

思考题105

第4章信息存储106

4．1机械硬盘发展简史107

4．1．1机械硬盘的诞生与IBM350107

4．1．2温切斯特技术与PC硬盘108

4．1．3硬盘的快速发展与GMR技术109

4．1．4微硬盘与音乐播放器iPod111

4．1．5机械硬盘的未来发展之路112

4．2固态硬盘发展简史115

4．2．1浮栅晶体管与EPROM116

4．2．2闪存NAND的发明与产业化118

4．2．3闪存早期应用：优盘的发明120

4．2．4闪存大规模应用：固态硬盘120

4．2．5大容量闪存：MLC与3DNAND121

4．2．6长江存储与闪存国产化之路123

4．3计算机内存：SRAM与DRAM124

4．3．1静态随机存储器与存储体系架构124

4．3．2登纳德与动态随机存储器的发明126

4．3．3动态随机存储器的快速发展之路128

4．3．4动态随机存储器的大容量化方法129

4．4忆阻器与阻变式随机存储器130

4．4．1蔡少棠教授与迷失的第四元件130

4．4．2无心插柳：忆阻器元件的发现131

4．4．3阻变式随机存储器：非易失性132

4．4．4忆阻器与存内计算、类脑计算133

4．5自旋电子与磁性随机存储器134

4．5．1巨磁阻效应与自旋电子学的诞生134

4．5．2隧穿磁阻效应与磁性随机存储器135

4．5．3自旋转移动量矩磁性随机存储器137

4．5．4自旋电子学的未来：全自旋计算139

4．6总结与展望139

思考题140

第5章数码影像141

5．1摄影与摄像：留住精彩瞬间142

5．1．1影像系统的基本结构142

5．1．2数码摄影与智能手机144

5．1．3多摄：量变引发质变145

5．1．4人像模式与ToF镜头147

5．1．5高倍变焦与潜望式镜头148

5．2图像传感器与智能处理149

5．2．1开启数码影像的大门：CCD图像传感器149

5．2．2数码影像跃上新台阶：CMOS图像传感器152

5．2．3镜头背后的影像功臣：ISP图像信号处理153

5．2．4数码影像自动化核心：AI智能处理技术153

5．3薄膜晶体管-液晶显示（TFT-LCD）155

5．3．1TFT-LCD的概念与早期发展155

5．3．2液晶的发现与液晶物理学158

5．3．3TFT-LCD产业化：日本企业从小处入手160

5．3．4TFT-LCD产业转移：韩国的反周期投资163

5．3．5TFT-LCD产业再转移：中国的超越之路164

5．4有机发光二极管（OLED）167

5．4．1OLED的发明与邓青云的贡献167

5．4．2OLED产业化：韩国发展历程169

5．4．3OLED产业转移：中国赶超之路170

5．4．4MicroLED与显示技术的未来171

5．5总结与展望172

思考题173

第6章人机交互174

6．1图形交互：计算机与互联网普及的基石175

6．1．1鼠标与图形用户界面的首秀：在线系统（NLS）175

6．1．2鼠标与图形用户界面的雏形：施乐Alto177

6．1．3鼠标与图形用户界面的商用：苹果Macintosh179

6．1．4鼠标与图形用户界面的普及：微软Windows182

6．1．5图形交互：WIMP界面范式183

6．2触控交互：突破智能手机的人机交互瓶颈184

6．2．1按键交互：智能手机发展中的优选瓶颈184

6．2．2多点触控：从概念原型走向触摸屏系统185

6．2．3触控交互：苹果首款智能手机的优选亮点188

6．2．4触控交互的应用：安卓、小米、华为的UI设计190

6．3人机交互：功不可没的传感器193

6．3．1传感器原理与微机电系统（MEMS）193

6．3．2加速度传感器：测量手机运动195

6．3．3角速度传感器：测量手机姿态196

6．3．4方位传感器：感知手机方位196

6．3．5环境传感器：感知距离与光强197

6．4自然交互：人机融合与人工智能198

6．4．1指纹识别：最经典的生物特征识别198

6．4．2人脸识别：相面就能确认你的身份199

6．4．3语音交互：人类最重要的交流方式200

6．4．4手势交互：与智能手机也能打哑谜201

6．4．5人工智能：让机器来理解你的想法202

6．5总结与展望203

思考题203

第7章移动互联205

7．1互联网起源与发展206

7．1．1互联网前身：阿帕网从构想走向现实206

7．1．2早期互联网：因特网与万维网的诞生208

7．1．3浏览器之争：微软和网景的世纪之战211

7．1．4互联网门户：雅虎与新浪、搜狐、网易214

7．2互联网的普及216

7．2．1搜索引擎：新时代的互联网霸主216

7．2．2电子商务：挑战传统的商业模式219

7．2．3社交网络：从社交生活到新媒体223

7．3幕后的英雄：现代通信网络226

7．3．1网络协议：互联网的交通规则226

7．3．2路由技术：架起互联网的桥梁227

7．3．3光纤通信：铺设信息高速公路229

7．4互联网发展新趋势230

7．4．1移动互联网：随时随地在线230

7．4．2云计算：虚拟资源按需供应232

7．4．3大数据：挖掘其内在的价值234

7．4．4数据智能：自动化与精准化234

7．4．5物联网：将万物接入互联网235

7．5总结与展望236

思考题237

第8章应用软件238

8．1AppStore与移动应用生态系统239

8．1．1苹果AppStore的艰难问世239

8．1．2苹果AppStore的快速发展241

8．1．3苹果打造移动应用生态系统243

8．1．4苹果移动应用生态面临的挑战245

8．2移动应用：类平台化发展战略246

8．2．1图片社交：Instagram246

8．2．2超级应用：腾讯微信249

8．2．3电商平台：手机淘宝252

8．3幕后英雄：智能手机操作系统254

8．3．1智能手机操作系统概述254

8．3．2安卓操作系统悄然问世256

8．3．3安卓操作系统开源策略257

8．3．4鸿蒙与物联网操作系统259

8．4移动替代：移动应用丰富生活261

8．4．1从游戏机转向手机游戏261

8．4．2被装进口袋里的工具箱263

8．4．3移动新闻与个性化推荐264

8．4．4移动社交与短视频266

8．4．5移动中的智能精准服务267

8．5总结与展望269

思考题270

第9章培养体系271

9．1数理基础273

9．1．1数学的意义273

9．1．2分析数学273

9．1．3高等代数274

9．1．4随机数学275

9．1．5基础物理276

9．2专业基础278

9．2．1图像获取与处理278

9．2．2电路与系统278

9．2．3图像共享280

9．2．4电磁场与微波技术281

9．3教学改革281

9．3．1优化课程体系281

9．3．2创新创业课程282

9．3．3教学方法284

9．4综合实验285

9．4．1电子设计基础训练285

9．4．2单片机基础训练286

9．4．3跨课程综合设计286

9．4．4跨专业综合实践287

9．5科技实践288

9．5．1科研实验室288

9．5．2科研训练289

9．5．3科技竞赛290

9．6总结与展望291

思考题292

参考文献293

张有光，博士，北京航空航天大学教授、博士生导师，北京市教学名师。现为工信部研究型教学创新团队负责人，重量教学团队与国家自然基金创新群体核心成员、校教学指导委员会与通识教育委员会核心成员。曾获国家教学成果二等奖1项、北京市教学成果一等奖2项，宝钢全国很好教师奖，国家公开视频课，中国电子教育学会很好教材一等奖，校级很好博士论文指导教师。

本书是在2013年出版的《电子信息类专业导论》、2014年国家精品视频公开课《电子信息工程导论》的基础上，经过6年的持续改进，总结提炼而成的；也是专业、工程师教育培养计划、工信部重点专业建设的教学成果之一。 智能手机已经是日常不可或缺的工具，也是信息产业发展的新引擎。从智能手机入手，通过追溯科学发现、技术发明与产业创新的演变历史，穿插人物故事、创业案例，很好地诠释电子信息的专业内涵，不仅可以了解专业技术，还能理解工程师的能力与态度，甚至科学家与企业家的精神。 第1章，移动通信，它是智能手机的主要功能。移动通信的理论基础是电磁场与信息论，工程技术是蜂窝移动通信。从1G模拟通信、2G数字通信、3G宽带通信到4G移动互联，通信与互联网趋向融合；而5G智能物联，从移动互联拓展到工业互联网。“5G ”对教育来说，需要重视跨界综合能力的培养。3G移动通信，中国标准崭露头角；4G移动通信，中国与欧盟并驾齐驱；5G移动通信，中国企业开始领跑。 第2章，集成电路，它是智能手机的核心基础。拆解智能手机，你能看到其主要部件，如智能处理器、内存DRAM、闪存NAND、图像传感器，都是集成电路。不仅是智能手机，电视机、PC，甚至汽车等，都运用了大量的集成电路。集成电路产业链，包括设计、制造、封装与测试，在摩尔定律的支配下，产业生态不断演化，应用领域不断延伸。集成电路是智能化时代的工业基础、信息产业的基石，也是关系到国家安全的重大基础性产业。 第3章，计算之芯，它是智能手机的中枢大脑。回顾历史，图灵机与冯?诺依曼计算体系架构的提出，为计算机的发展奠定了理论基础。大型计算机的诞生与商用，为计算机科学与技术奠定了基础，也为集成电路发展提供了发展动力。微处理器的发明与PC的发展，Wintel生态系统的形成打破了IBM的垄断，加速了PC与互联网的普及。智能处理器，从集成应用处理器、基带处理器，到集成图形处理器、人工智能引擎，功能越来越强大。华为的麒麟系列智能处理器已经处于行业领先地位。 第4章，信息存储，它是智能手机的记忆场所。机械硬盘、固态硬盘与内存技术是计算机发展的基础。得益于磁阻效应、巨磁阻效应等物理机理的发现与产业化，硬盘小型化与存储容量得以快速发展。闪存的发明提供了一种大容量的半导体存储技术，随后诞生了优盘、存储卡、固态硬盘，为互联网、大数据的发展奠定了基础。正在发展中的非易失性存储技术，如阻变随机存储、磁性随机存储，为突破冯?诺依曼计算体系的瓶颈提供了新途径。在大数据时代，存储技术的重要性不言而喻，我国正在快速追赶中。 第5章，数码影像，它是智能手机的心灵之窗。留住精彩的瞬间需要镜头、图像传感器与图像处理引擎，摄影的自动化与影像的后期处理得益于人工智能技术的发展。智能手机的普及，催生了一个全民摄影时代，人们的创造力被无限激发。而再现美丽的影像就需要液晶显示屏（TFT-LCD）与有机发光二极管（OLED）。显示技术起源于美国，产业化则是日本与韩国企业完成的，目前产业的主导权正在向中国转移。物联网时代，万物皆显示，彰显了半导体显示产业的重要性。 第6章，人机交互，它是人机沟通的桥梁。鼠标与图形用户界面构成图形交互，是计算机普及的基础。触控交互则是智能手机的核心技术，它开启了手机交互的新时代。传感器不仅在人机交互中功不可没，它还是物联网的基石。人工智能与传感器结合，如指纹识别、人脸识别、语音交互、手势交互，让人理解机器的人机交互方式转变为让机器理解人，将实现人与机器间的自然交互，甚至人与机器融为一体。 第7章，移动互联，它为智能手机增添了威力。移动互联网是移动通信与互联网的融合，它拓展了电子信息的外延。搜索引擎、电子商务、社交网络的发展让虚拟世界走进了现实生活。互联网的幕后英雄是网络协议、路由器与光纤通信等技术，发展趋势是移动互联、云计算、大数据与万物互联。移动互联与数据智能，催生了“精准”业务，如今日头条，能够根据用户的偏好进行。 第8章，应用软件，它为智能手机提供灵活的服务。从App Store生态系统谈起，然后介绍平台化应用软件图片社交、腾讯微信与手机淘宝。应用软件的基础是操作系统，先介绍苹果iOS与谷歌Android，然后是小米MIUI、华为EMUI与鸿蒙操作系统。华为、小米从定制UI开始逐渐深入到操作系统内核，同时构筑商业生态系统。移动改变生活，游戏机、照相机、个人日报、短视频、位置服务等成为移动应用，被称为装进口袋里的工具箱。 *后以北京航空航天大学电子信息工程专业培养方案为例，解读人才培养体系。首先，介绍数学与物理基础课程的重要性，其次介绍信号、计算、电路和电磁场四大系列课程组成的专业基础课程，以及课程体系的优化思路。课程是大学教育的核心，而贯通课程之间联系的则是每学期的综合实验，课内实验可以帮助理解并巩固课堂讲授的理论，而综合实验则强调灵活运用多门课程中的知识解决复杂问题。通过走进实验室、大创项目、科技竞赛等途径，帮助同学们主动探寻个性化的大学之路。 本书按照视频公开课的基本框架，并继承了第1版前3章的大部分内容。本书体现了作者从事“电子信息工程导论”课程的10年大班教学、新生研讨课“从智能手机谈起”5年的小班翻转课堂的实践经验，也融合了13年本科教学院长、3年士谔书院学业总导师的工作经验。在这些教学实践中，一直致力于探索电子信息专业教什么，学什么，怎么教，怎么学。 本书的完成离不开长期合作的领导、同事、同行及辅导员们的支持与帮助。2015—2018年林晓阳老师全程参与了新生研讨课的课堂教学与课外辅导，2015—2019年王祖林、赵巍胜、徐迈、张岩、刁为民等老师参与了导论课程的教学活动，王俊、张玉玺、哈聪颖等老师一起探索了综合实验改革，他们的科研与教学经验丰富了本书的内容。作者多次受邀在教学会议上交流过关于导论课程的建设经验，得到了同行们的支持和鼓励，也收获了许多宝贵意见。另外，李享同学起草了第8章初稿，在与她的合作中让作者获得了年轻人对移动应用的看法；顾慧毅同学起草了第9章创新创业、科技竞赛部分内容；姚宇暄同学协助绘制了部分插图。本书曾获学校重点教改、双百资源课、课程思政、MOOC建设项目与教材出版基金的资助，为持续开展课程内容与教学方法的改革提供了经费保障。在此表示衷心感谢。 虽然本书历经多年的教学实践，对内容与文字做过多次修改，但是由于电子信息领域的快速发展，无论教学内容选择还是文字表达都有待进一步完善。希望读者多提宝贵意见！ 意见和建议请发至作者邮箱zyg@buaa.edu.cn。 张有光 2020年3月

经典与前沿： 从身边事物入手，追溯产品原型与发展历程，展望电子信息的未来软件与硬件： 从应用软件入手，理解基础软件与计算思维，感知软硬融合的精髓专业与通识： 从专业知识入手，传承创新方法与创业精神，领悟工程教育的本质