1.1: Теми

Last updated
Save as PDF

Page ID: 32884

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Вступ до вивчення електротехніки та деякі історичні пам'ятки, які лягли в основу дослідження в цій галузі.
Обговорення загальних тем навчальної програми кафедри електротехніки.

З самого початку в кінці дев'ятнадцятого століття електротехніка розквітала від зосередження уваги на електричних схемах для живлення, телеграфії та телефонії до зосередження уваги на набагато ширшому діапазоні дисциплін. Однак основні теми актуальні сьогодні: створення та передача енергії та інформація були основними темами електротехніки протягом півтора століття. Цей курс концентрується на останній темі: представлення, маніпулювання, передача та прийом інформації електричними засобами. Цей курс описує, що таке інформація, як інженери кількісно оцінюють інформацію та як електричні сигнали представляють інформацію.

Інформація може приймати найрізноманітніші форми. Коли ви розмовляєте з другом, ваші думки перетворюються вашим мозком на рухові команди, які змушують різні компоненти голосового тракту - щелепу, язик, губи - рухатися скоординовано. Інформація виникає у ваших думках і представлена мовою, яка повинна мати чітко визначену, широко відому структуру, щоб хтось інший міг зрозуміти, що ви говорите. Висловлювання передають інформацію в хвиль звукового тиску, які поширюються на вухо вашого друга. Там звукова енергія перетворюється назад в нейронну активність, і, якщо те, що ви говорите, має сенс, вона розуміє, що ви говорите. Ваші слова могли бути записані на компакт-диску (CD), надіслані поштою вашому другові і прослухані нею на її стерео. Інформація може мати форму текстового файлу, який ви вводите в текстовий процесор. Ви можете відправити файл по електронній пошті другові, який читає його і розуміє його. З теоретичної інформаційної точки зору всі ці сценарії рівнозначні, хоча форми представлення інформації - звукові хвилі, пластикові та комп'ютерні файли - дуже різні.

Інженери, які не дбають про інформаційний зміст, класифікують інформацію на дві різні форми: аналогову та цифрову. Аналогова інформація безперервно цінується; прикладами є аудіо та відео. Цифрова інформація дискретно цінується; прикладами є текст (як те, що ви зараз читаєте) та послідовності ДНК.

Перетворення інформаційно-несучих сигналів з однієї енергетичної форми в іншу відоме як перетворення енергії або трансдукція. Всі системи перетворення неефективні, оскільки деяка вхідна енергія втрачається як тепло, але ця втрата не обов'язково означає, що передана інформація втрачається. Концептуально ми могли б використовувати будь-яку форму енергії для представлення інформації, але електричні сигнали унікально добре підходять для подання інформації, передачі (сигнали можуть транслюватися з антен або передаватися через дроти) та маніпуляції (схеми можуть бути побудовані для зменшення шуму, а комп'ютери можуть бути використані для модифікувати інформацію). Таким чином, ми будемо стурбовані тим, як

представляють всі форми інформації з електричними сигналами,
кодувати інформацію у вигляді напруг, струмів і електромагнітних хвиль,
маніпулювати електричними сигналами, що несуть інформацію, з ланцюгами та комп'ютерами, і
приймати електричні сигнали і перетворювати інформацію, виражену електричними сигналами, назад в корисну форму.

Телеграфія являє собою найдавнішу електричну інформаційну систему, і вона датується 1837 роком. У той час електронаука була багато в чому емпіричною, і тільки ті, хто має досвід і інтуїцію, могли розробити телеграфні системи. Електрична наука досягла повноліття, коли Джеймс Клерк Максвелл проголосив у 1864 році набір рівнянь, які, як він стверджував, регулювали всі електричні явища. Ці рівняння передбачали, що світло - це електромагнітна хвиля, і ця енергія може поширюватися. Через складність викладу Максвелла розробка телефону в 1876 році була обумовлена багато в чому емпіричною роботою. Після того, як Генріх Герц підтвердив прогноз Максвелла про те, що ми зараз називаємо радіохвилями приблизно в 1882 році, рівняння Максвелла були спрощені Олівером Хевісайдом та іншими, і були широко прочитані. Це розуміння основ призвело до швидкої послідовності винаходів - бездротового телеграфу (1899), вакуумної трубки (1905) та радіомовлення - що ознаменувало справжню появу епохи зв'язку.

Протягом першої частини двадцятого століття теорія схем та електромагнітна теорія були все інженером-електриком, який потрібно знати, щоб бути кваліфікованим та виробляти першокласні конструкції. Отже, теорія схем послужила основою і рамою всього електротехнічної освіти. У середині століття три «винаходи» змінили основні правила. Це були перша публічна демонстрація першого електронного комп'ютера (1946), винахід транзистора (1947) та публікація «Математична теорія зв'язку» Клода Шеннона (1948). Хоча задумані окремо, ці творіння породили інформаційну епоху, в якій цифрові та аналогові системи зв'язку взаємодіють і конкурують за дизайнерські переваги. Приблизно через двадцять років був винайдений лазер, який відкрив ще більше дизайнерських можливостей. Таким чином, основний фокус змістився з того, як будувати системи зв'язку (епоха теорії схем) до того, які системи зв'язку мали на меті досягти. Тільки після того, як визначено передбачувану систему, можна вибрати реалізацію. Сучасний інженер-електрик повинен пам'ятати про кінцеву мету системи та розуміти компроміси між цифровими та аналоговими альтернативами, а також між апаратними та програмними конфігураціями при проектуванні інформаційних систем.