第二章-消息的数字化及应用

1、第二章 消息的数字化及应用电子信息技术导论 周周 美美 娟娟第二章消息的数字化及应用第二章消息的数字化及应用134一、为什么要数字化？一、为什么要数字化？二、二进制代码及数制二、二进制代码及数制三、数字化的实现三、数字化的实现-A/D、D/A简介简介四、字符的数字化编码四、字符的数字化编码五、语音的数字化编码五、语音的数字化编码六、图像的数字化编码及应用六、图像的数字化编码及应用七、数字电视简介七、数字电视简介 小结小结提纲提纲一、为什么要数字化一、为什么要数字化?（一）计算机操作的是二进制数码信号（一）计算机操作的是二进制数码信号二进制数码的信号波形二进制数码的信号波形（二）只有数字信号才能

2、精确表示物理量（二）只有数字信号才能精确表示物理量模拟万用表模拟万用表模拟量根模拟量根据表的指据表的指针读数，针读数，一般只能一般只能精确到三精确到三位数位数。数字万用表数字万用表二进制数字可表二进制数字可表示物理量所要求示物理量所要求的精度。目前可的精度。目前可精确到精确到10位数以位数以上（对应采用上（对应采用32位二进制数码表位二进制数码表示一个数值）。示一个数值）。逻辑电路有两个状态，分别对应逻辑电路有两个状态，分别对应“1”和和“0”，计算机通过逻辑电路实现运算计算机通过逻辑电路实现运算。数字示波器数字示波器 二进数二进数码波形码波形实际信号波形实际信号波形受干扰后受干扰后的波形的波

3、形定时信号定时信号再生信号再生信号一、为什么要数字化（续一、为什么要数字化（续1）（三）数字信号受干扰后可以再生，消除干扰影响（三）数字信号受干扰后可以再生，消除干扰影响受干扰后的信号经再生受干扰后的信号经再生定时判决可正确恢复。定时判决可正确恢复。一、为什么要数字化（续一、为什么要数字化（续2）（四）数字信号可采用时间复用提高传输效率（四）数字信号可采用时间复用提高传输效率例如：在闭路电视电缆上，原传一路模拟电视信号的通道内，可以同时例如：在闭路电视电缆上，原传一路模拟电视信号的通道内，可以同时传传48路数字电视节目（由于这涉及较多概念，在通信原理课程中路数字电视节目（由于这涉及较多概念，在

4、通信原理课程中才会详细讲授）。才会详细讲授）。（五）数字电路性能稳定可靠，设计、维护、生产方便，体积小，（五）数字电路性能稳定可靠，设计、维护、生产方便，体积小，重量轻重量轻数字电路数字电路高频模拟电路高频模拟电路 数字化优点数字化优点性能稳定、性能稳定、生产方便生产方便（五）（五）便于计算机便于计算机操作操作（一）（一）传输效率传输效率高高（四）（四）抗干扰抗干扰能力强能力强（三）（三）精确表示精确表示物理量物理量（二）（二）一、为什么要数字化（续一、为什么要数字化（续3）二、二进制代码及数制二、二进制代码及数制十进制二进制八进制十六进制000011112102231133410044510

5、155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F十进制、二进制、八进制和十六进制数的对应关系表十进制、二进制、八进制和十六进制数的对应关系表1）同一数值可表示为不同一数值可表示为不同数制的数，它们之间可同数制的数，它们之间可相互转换。相互转换。2）日常书面语言习惯用日常书面语言习惯用十进制。计算机运算用二十进制。计算机运算用二进制数。计算机程序书写进制数。计算机程序书写为简便，可用八进制、十为简便，可用八进制、十六进制。六进制。3）数制之间的转换运算数制之间的转换运算方法请

6、阅读教材。方法请阅读教材。三、数字化的实现三、数字化的实现 -A/D、D/A简介简介（一）（一）A/D转换器原理转换器原理A/D的原理简化框图的原理简化框图A/D是专用集成电路成熟产品，以是专用集成电路成熟产品，以A/D的位数标明它能达到的转换精度的位数标明它能达到的转换精度。固定电话使用固定电话使用8位位A/D，移动通信使用，移动通信使用13位位A/D。由由A/D实现语音数字化实现语音数字化。目前高精度目前高精度A/D可达可达32位。位。模拟量（信号）通过模拟量（信号）通过A/D转换器变为数字量（信号）转换器变为数字量（信号）。三、数字化的实现三、数字化的实现 -A/D、D/A简介简介（一）

7、（一）A/D转换器原理转换器原理（续）（续）A/D的位数的位数与与 量化电平数之间的对应关系是：量化电平数之间的对应关系是：M=2n 其中其中 M表示量化电平数，表示量化电平数，n表示位数。表示位数。3位位A/D对对应应8个量个量化电平关化电平关系图系图。A/D允许的输入信号幅值一般为允许的输入信号幅值一般为 5V，根据电平数即可计算出量化精度，根据电平数即可计算出量化精度。三、数字化的实现三、数字化的实现 -A/D、D/A简介简介（二）（二）D/A转换器原理转换器原理由由D/A完成由数码到模拟信号的反变换。完成由数码到模拟信号的反变换。数码变模拟信号数码变模拟信号的原理说明简图的原理说明简图

8、四、字符的数字化编码四、字符的数字化编码 （一）英文的字符编码（一）英文的字符编码高3位低4位0000010100111001011101110000NULDELSP0P.p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC22BRbr0011ETXDC3#3CScs0100DOTDC4$4DTdt0101ENGNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYIy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;Kk1100FFFS,Nn1111SIUS/?OoDEL采用采用 ASCII码码四、字符

9、的数字化编码四、字符的数字化编码 （二）汉字的字符编码（二）汉字的字符编码汉字编码分为输入码、交换码、机内码和字形码。目的是将汉字也用二进汉字编码分为输入码、交换码、机内码和字形码。目的是将汉字也用二进制编码表示，并映射成制编码表示，并映射成ASCII码。码。1 输入码输入码 输入码将汉字影射到计算机键盘上的一组键盘符号。目前常用的输入码有拼音码、五笔字型码、自然码、表形码和电报码等。不同的汉字输入法，仅仅是输入码不同。计算机在处理汉字信息时需把不同的输入码转换成国家规定的汉字的标准代码。2 交换码交换码 交换码是计算机内部处理汉字信息的一种标准代码。中国国家标准总局于1981年制定了中华人民

10、共和国国家标准GB2312-80信息交换用汉字编码字符集-基本集，即国标码。国标码的物理模型表现形式是区位区位编码编码，即把国标GB2312-80中的汉字、图形符号与一个9494的方阵对应。 国标码字符集中收集了常用汉字和图形符号国标码字符集中收集了常用汉字和图形符号7445个，其中个，其中7445个汉字个汉字和图形字符各占一个位置后，还剩下和图形字符各占一个位置后，还剩下1391个空位，这个空位，这1391个位置空下个位置空下来保留备用。来保留备用。四、字符的数字化编码四、字符的数字化编码区位码的物理模型图：区位码的物理模型图：方阵包含的位置总数方阵包含的位置总数是是94948836个，个，

11、利用利用“区区”、“位位”的代号来编码汉字，的代号来编码汉字，因而可以编码因而可以编码8836个个汉字与字符。汉字与字符。 （二）汉字的字符编码（续（二）汉字的字符编码（续1）四、字符的数字化编码四、字符的数字化编码 （二）汉字的字符编码（续（二）汉字的字符编码（续2）3 机内码机内码 国标码变换为二进制代码需要两个7位码，一个7位（27=128）表示“区”，另一个7位表示“位”。但是这个代码在计算机内部处理时会与ASCII码发生冲突，为解决这个问题，把国标码的每一个字节的首位上加1。由于ASCII码只用7位（首位置0），所以，这个首位上的“1”就可以作为识别汉字代码的标志，计算机在处理到首位

12、是“1”的代码时把它理解为是汉字的信息，在处理到首位是“0”的代码时把它理解为是ASCII码。4 汉字的字形码汉字的字形码字形码又称汉字输出码。在计算机中用一组二进制数表示点阵，用0表示白点，用1表示黑点。汉字字形点阵有1616、2424、4848几种。点阵数越多对每个汉字的修饰作用就越强，打印质量也就越高。点阵是汉字图形的数字化信息，又称汉字字模。可以选择不同的字模，如“宋体”、“楷体”等来改变字体图形。五、语音的数字化编码五、语音的数字化编码（一）语音的波形编码（一）语音的波形编码波形编码：是把语音信号波形幅度值变为二进制数码，见图。方法是波形编码：是把语音信号波形幅度值变为二进制数码，见

13、图。方法是将连续语音波形将连续语音波形“采样采样”，再将每一个采样值编码，再将每一个采样值编码。3位码、位码、8电平的采样、编码过程示意图电平的采样、编码过程示意图五、语音的数字化编码五、语音的数字化编码（一）语音的波形编码（续）（一）语音的波形编码（续）采样定理：设取样脉冲采样定理：设取样脉冲s(t)的重复频率为的重复频率为fs=1/T，输入模拟信号，输入模拟信号x(t)的频谱中的最高频的频谱中的最高频率分量的频率为率分量的频率为fmax ，只要，只要fs满足满足fs 2 fmax ，则将采样脉冲信号，则将采样脉冲信号y(t)通过一截止频率为通过一截止频率为fmax的低通滤波器就可以无失真地

14、恢复原模拟信号的低通滤波器就可以无失真地恢复原模拟信号x(t)。低通滤低通滤波器波器波形编码的理论基础是采样定理。波形编码的理论基础是采样定理。在在信号与线性系统或通信原理课程中将证明采样定理原理信号与线性系统或通信原理课程中将证明采样定理原理。 重要参数重要参数语音的最高频率：语音的最高频率：3400Hz，在固定电话系统中使用的采样频率在固定电话系统中使用的采样频率=8kHz，采用，采用8位二进制码（位二进制码（256个量化个量化电平）编码，得固定电话中的码速率电平）编码，得固定电话中的码速率： 码速率码速率=88kHz=64kHz 注注1：1Hz等效于等效于1bit/s（1比特比特/秒），

15、这一说法不严格，为什么？秒），这一说法不严格，为什么？ 学到专业课时就能明白学到专业课时就能明白。 注注2：VCD、DVD中的音乐编码的中的音乐编码的A/D位数和采样频率都要高很多，以保位数和采样频率都要高很多，以保 证良好音质证良好音质。提示提示五、语音的数字化编码五、语音的数字化编码（二）语音的参量编码（二）语音的参量编码语音参数，如：元音、辅音、清音、浊音、升调、降调和声强等等。不同的语言可能有不同的参量。假设某种语言是由256个不同的参量组成，因为28=256，所以只需要用8比特就可以表示这256个不同参量了；又假设该语言语流的最快发音速度也不超过10个参量/秒，从而可以估算出所需的编

16、码数据速率是：8比特/参量10参量/秒=80比特/秒。参量编码：编码的是语音参数，而不是波形。参量编码优于波形编码。参量编码：编码的是语音参数，而不是波形。参量编码优于波形编码。目前GSM和CDMA移动通信系统中所采用的语音编码方案是以8千赫兹速率采样，13比特A/D均匀量化编码，每160个采样点（20毫秒时长）为一组，用数字信号处理方法分析提取这20毫秒时长内的语音参量，再编码传输，接收机依据语音参量再合成语音。因而移动通信中的语音数码速率大大低于固定电移动通信中的语音数码速率大大低于固定电话话。 重要参数重要参数GSM移动通信系统中传送语音的数据移动通信系统中传送语音的数据速率是速率是13

17、kbit/s 。CDMA 移动通信系统中传送语音的最移动通信系统中传送语音的最低数据速率是低数据速率是1.2kbit/s 。移动通信中的语音编码方案明显优于移动通信中的语音编码方案明显优于固定电话，但较复杂。固定电话，但较复杂。注：移动电话和固定电话通话时要进行语音编码方式的转换！注：移动电话和固定电话通话时要进行语音编码方式的转换！提示提示六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（一）图像编码的应用领域及类型（一）图像编码的应用领域及类型数字图像编码已应用到人们日常生活、生产和社会活动的各个领域。数字图像编码已应用到人们日常生活、生产和社会活动的各个领域。3 MPEG-4标准

18、网络电视网络电视 移动电视移动电视 视频监控视频监控活动图活动图像编码像编码 数码像机数码像机 图书出版图书出版 资源遥感资源遥感1 JPEG标准固定图固定图像编码像编码类型类型标准标准应应 用用 领领 域域2 MPEG 标准 数字电视数字电视 数码摄像机数码摄像机 DVD活动图活动图像编码像编码六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（二）图像的数字化（二）图像的数字化5656个像素点个像素点“人头像人头像” 用用3位码编码的人头像位码编码的人头像图像的数字化：是将每一个像素点的图像的数字化：是将每一个像素点的“灰度灰度”值编码二进制数码值编码二进制数码。图像信息处理技术的重要

19、性将随着工业信息化建设的推进显得日益重要图像信息处理技术的重要性将随着工业信息化建设的推进显得日益重要。六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（二）图像的数字化（二）图像的数字化所有的颜色都可以由几种基本的彩色按一定比例调配而成。彩色电视中选的3种基本颜色是：R（红色）、G（绿色）和B（蓝色）。考虑到利用黑白电视机要能收看彩色电视节目信号，因而在设计彩色电视体制时又将三种彩色相加合成出一个亮度信号Y，亮度信号的组成比例是：Y=0.30R0.59G0.11B彩色电视在传送亮度信号的同时再传送两个色差分量信号Pr 、Pb ，保持三个信号通道。色差方程是： Pr=RY=0.7R0.5

20、9G0.11B Pb=BY=0.30R0.59G0.89B彩色图像的编码是同时编码Y、 Pr 、Pb 三个分量的信号。接收端再通过解码，还原出R、G、B原三色，以合成出彩色图像。 注：在注：在彩色电视原理彩色电视原理课程中会详细讲述实现原理、技术。课程中会详细讲述实现原理、技术。六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（三）静止图像的编码格式（三）静止图像的编码格式静止图像的编码与活动图像的编码有很大不同。静止图像的编码主要用在静止图像的编码与活动图像的编码有很大不同。静止图像的编码主要用在照像机中。（见教材）照像机中。（见教材）（四）视频图像编码（四）视频图像编码视频图像即活动

21、图像。在网络上传送的活动图像又称为流媒体。像素点按视频图像即活动图像。在网络上传送的活动图像又称为流媒体。像素点按扫描光栅的时间顺序安排。扫描光栅的时间顺序安排。 偶数场偶数场奇数场奇数场电视图像奇偶光栅扫描示意电视图像奇偶光栅扫描示意六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（四）视频图像编码（续）（四）视频图像编码（续）流媒体流媒体VCDDVD数字电视视频编码应用：视频编码应用：六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（五）高清数字电视（五）高清数字电视ATSC（美国地面） DVB（欧盟）ISDB（日本地面）DVB-T（地面）DVB-C（电缆）DVB-S（卫）视频

22、编码方式MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2音频编码方式AC-3MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2复用方式MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2调制方式8VSBCOFDMQAMQPSKQPSK带宽（Hz）6M8M-27M高清晰度数字电视是广播电视、通信、信号处理、计算机和微电子等诸多高清晰度数字电视是广播电视、通信、信号处理、计算机和微电子等诸多领域高新技术的总成，是领域高新技术的总成，是现代图像编码、信道编码、信号调制技术成就于现代图像编码、信道编码、信号调制技术成就于一身的现代高科技的产品。一身的现代高科技的产品。1）三种国外数字电视标准：三种国外数字电视标

23、准：六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用2）中国的地面数字电视标准中国的地面数字电视标准-DMB-TH DMB-TH（Terrestrial Digital Multimedia TV/Handle Broadcasting）（五）高清数字电视（五）高清数字电视DMB-TH 在覆盖范围、抗干扰能力、接收性能、系统稳定性等方面比欧洲标准（DMB-T）有明显提高。DMB-TH 的技术核心是采用了MQAM/QPSK与时域同步正交频分复用（TDSOFDM）相结合的调制技术，使用了当前最先进的低密度奇偶校验信道编码LDPC（low density parity-check code）。

24、 该标准支持高清晰度电视、标准清晰度电视和移动电视(Mobile TV)、多媒体数据广播等。扫描方式：逐行扫描720P 图像宽高比：16：9图像分辨率（或者称有效像素）：1280720（ HDTV）我国将在我国将在2010年实现高清数字电视的普及，年实现高清数字电视的普及，2015年将全面取代现有的模拟年将全面取代现有的模拟电视系统。（当前推广使用的是标清数字电视）电视系统。（当前推广使用的是标清数字电视） 我国我国DMB-TH数数字电视标准的制定，以及字电视标准的制定，以及在北京奥运期间的试播成功，再一次说明了在北京奥运期间的试播成功，再一次说明了我国在电子信息技术方面的自主创新能力。我国在

25、电子信息技术方面的自主创新能力。这是继第三代移动通信标准这是继第三代移动通信标准TD-SCDMA之后之后的又一项重大电子信息技术科技成果。的又一项重大电子信息技术科技成果。 高清数字电视将带动电子信息技术的又一高清数字电视将带动电子信息技术的又一巨大产业群的成长巨大产业群的成长。六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（六）液晶和等离子显示器（六）液晶和等离子显示器 液晶液晶柱状液晶分子的排列可由电柱状液晶分子的排列可由电场控制，由薄膜晶体管产生场控制，由薄膜晶体管产生可变电场控制液晶分子排列，可变电场控制液晶分子排列，从而也

26、就控制了透过液晶光从而也就控制了透过液晶光的强弱，而构成图像。的强弱，而构成图像。 等离子等离子在很小的等离子管电极间加在很小的等离子管电极间加高压，离子管小容器中的气高压，离子管小容器中的气体产生紫外光，利用该紫外体产生紫外光，利用该紫外光激励红绿蓝（光激励红绿蓝（RGB）三基）三基色荧光粉发出可见光，而构色荧光粉发出可见光，而构造显示屏。造显示屏。(1)等离子的优势等离子的优势相比液晶电视，等离子电视的优势相比液晶电视，等离子电视的优势:价格相对便宜；等离子显示屏尺寸可价格相对便宜；等离子显示屏尺寸可做得很大；在视角、立体感、色彩还原等方面等离子优于液晶；在功耗做得很大；在视角、立体感、色彩还原等方面等离子优于液晶；在功耗方面，等离子电视在工作状态下，功耗是动态变化的，暗画面时因像素方面，等离子电视在工作状态下，功耗是动态变化的，暗画面时因像素不发光而几乎不耗电，而液晶电视由于背光灯的亮度恒定，无论画面亮不发光而几乎不耗电，而液晶电视由于背光灯的亮度恒定，无论画面亮暗，功耗始终恒定，因此实际使用