电子信息围绕我们生活的每个角落。手机是电子信息。电脑是电子信息。家里的电视、路口的红绿灯、医院的检查机器都是电子信息。电子信息处理信号。信号是变化的信息。声音是信号。图像是信号。温度高低也是信号。电子信息把这些信号变成电流和数字。电流快慢代表信号大小。数字零和一记录信号内容。

处理信号需要工具。最基本的工具是电路。电路让电流按设计好的路线走。简单电路像水管。电流像水流。开关像水龙头。电阻像水管变细。水流变小。电容像个小水池。存一点水。电感像有惯性的水流。不容易停下来。晶体管很重要。晶体管用小电流控制大电流。这像用一个开关控制高压电。晶体管组合起来能做成门电路。门电路是数字电路的基础。门电路判断信号。与门像串联开关。两个开关都开灯才亮。或门像并联开关。一个开关开灯就亮。非门像反着来。开关开灯反而不亮。

门电路组合能实现复杂功能。加法器能算加法。触发器能记住信号。寄存器和存储器存很多数字。控制器指挥各部分工作。这些东西合起来就是处理器。处理器是电子设备的大脑。它按照指令处理数字信号。指令也是数字。一组数字告诉处理器做什么。处理器从存储器取指令。它理解指令。它执行指令。它可能去加法器做计算。它可能去存储器存结果。它速度很快。一秒钟做几十亿次操作。

数字信号由模拟信号变来。模拟信号连续变化。声音信号是模拟的。它是一条光滑曲线。数字信号是跳跃的。它是一串台阶。模拟转数字需要采样。采样像拍照。定时记录信号的值。采样频率很重要。一秒钟拍很多张照片。拍得越多记录越准。采样后需要量化。量化把测量的值变成数字。数字的位数决定精度。八位数字有二百五十六个级别。十六位数字有六万多个级别。位数越多声音越真实。

信号处理完需要输出。数字转模拟需要重建。重建连接那些数字点。形成一条新曲线。这条曲线接近原来的信号。转换电路完成这个工作。数模转换器把数字变回电流。电流经过放大推动喇叭。我们听到声音。图像也是一样。摄像头把光变成数字。屏幕把数字变成光。我们看见画面。

电子信息在通信中很重要。通信传递信息。古代人用烽火。现代人用电磁波。电磁波看不见。它在空间传播。手机产生电磁波。电磁波载着声音数字。基站收到电磁波。它解开数字。数字通过光缆传向远方。对方手机收到数字。数字变回声音。两个人可以通话。无线通信依赖频率。不同频率像不同车道。广播一个车道。手机一个车道。Wi-Fi另一个车道。调制把信号放到车道上。调幅改变波的高度。调频改变波的密度。调相改变波的起点。解调从波中拿出信号。

抗干扰是难题。信号在传输中会受损。其他电磁波会干扰。距离远信号会减弱。办法有很多。编码增加额外信息。接收端能发现错误。甚至改正错误。重复发送同一信息。多数正确的信息被采纳。扩频技术把信号散开。像把盐撒进水里。干扰只能影响一小部分。信号还能恢复出来。

电子信息需要软件。软件是指令集合。它告诉硬件做什么。没有软件硬件是空的。软件分系统软件和应用软件。系统软件管理硬件。它为应用软件提供平台。操作系统是常见的系统软件。它管理处理器时间。它管理内存空间。它管理文件存储。它管理外部设备。应用软件完成具体任务。聊天软件用于通信。购物软件用于买卖。地图软件用于导航。

电子信息的载体是芯片。芯片很小。指甲盖大小。上面有几十亿晶体管。制造芯片很复杂。在硅片上雕刻电路。硅是沙子的主要成分。硅提纯成单晶硅。切成薄片叫晶圆。晶圆上涂感光材料。光刻机用光照射掩膜版。掩膜版像底片。有电路图案。光透过掩膜版照到晶圆上。照到的地方感光材料变性。洗掉变性材料。露出硅。用气体腐蚀露出的硅。形成凹槽。再填入其他材料。改变硅的电特性。一层一层做。几十层堆叠。最后切割成小片。每个小片是一个芯片。封装在塑料壳里。接上金属引脚。芯片就做好了。

电子信息的发展很快。早期电子管很大。一个房间放一台计算机。晶体管让它变小。集成电路把多个晶体管做在一起。大规模集成电路集成了成千上万晶体管。超大规模集成电路集成了亿万个晶体管。手机比几十年前的电脑强很多。价格还便宜。这是因为技术进步。晶体管越做越小。同样面积放更多晶体管。速度更快。耗电更少。摩尔定律描述这个趋势。每十八个月晶体管数量翻一倍。这个趋势持续了几十年。现在遇到物理极限。晶体管太小了。只有几个原子宽。电子会不可控地穿越。漏电问题严重。发热也大。人们寻找新办法。三维堆叠把芯片摞起来。新材料替代硅。量子计算用新原理。光子计算用光代替电。这些是未来的方向。

电子信息应用广泛。在医疗中。电子体温计测量温度。心电图机记录心跳。CT机用X光成像。计算机处理图像。帮助医生看清身体内部。在交通中。汽车有无数电子控制单元。控制发动机。控制刹车。控制空调。GPS卫星定位。地图显示位置。自动驾驶用摄像头和雷达看路。计算机做出驾驶决定。在家中。智能冰箱知道食物数量。空调自动调节温度。扫地机器人避开家具。灯光随自然光变化。

农业也用电子信息。传感器测量土壤湿度。自动灌溉系统浇水。无人机喷洒农药。摄像头观察作物生长。计算机分析数据。给出种植建议。工厂里机器人装配零件。机械臂精确移动。传感器检查质量。计算机调度生产。物流系统跟踪货物位置。

学习方式变了。书本变成电子书。一个平板装很多书。可以搜索内容。可以调整字体。在线课程很多。随时可以学习。能看视频。能做练习。能交作业。老师在线答疑。不同地方的学生一起上课。

电子信息有安全问题。设备联网带来风险。黑客可能入侵。偷走个人信息。偷走银行密码。病毒破坏系统。勒索软件锁住文件。要付钱才解开。保护安全需要措施。防火墙过滤网络流量。它像一道门卫。检查进出数据。加密把数据打乱。只有有钥匙的人能看懂。密码要复杂。定期更换。软件更新补上漏洞。

电子信息消耗资源。制造设备需要矿产。金、银、铜、稀土。开采破坏环境。使用设备耗电。数据中心用电量大。冷却服务器需要空调。旧设备处理是问题。手机电脑含有害物质。随意丢弃污染土地。回收利用很重要。取出有用材料。减少新矿产开采。

未来电子信息会更融入生活。万物互联是趋势。冰箱、电灯、汽车都联网。它们共享数据。提供便利。早上闹钟响。窗帘自动打开。咖啡机开始煮咖啡。交通系统根据车流调整红绿灯。工厂设备预测故障。提前维修。医疗设备监控健康。异常时通知医生。

人机交互更自然。语音控制普及。说话就能指挥设备。手势识别发展。挥手就能操作。脑机接口在探索。用想法控制机器。帮助瘫痪的人。虚拟现实创造沉浸体验。用于游戏。用于培训。用于设计。增强现实叠加信息。修设备时看到指导步骤。看街道时看到店铺信息。

电子信息的基础是物理。是数学。是材料科学。是许多人的智慧。它从简单电路开始。现在成为复杂系统。它改变社会。改变工作。改变生活。它还在发展。还会有新发明。新应用。我们生活在电子信息时代。理解基础原理很有用。知道设备如何工作。知道能做什么。知道要注意什么。这帮助我们更好使用工具。更好面对未来。