电子信息导论02

第二章消息的数字化及应用电子信息科学与技术导论第二章消息数字化及应用1342.1为什么要数字化？2.2二进制代码及数制2.3模-数转换和数-模转换（ADC/DAC）简介2.4字符的数字化编码2.5语音编码及应用2.6图像编码2.7图像编码的应用小结2.1为什么要数字化?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、只有数字信号才能精确表示物理量模拟万用表模拟量根据表的指针读数，一般只能精确到三位数。数字万用表二进制数字可以表示物理量所要求的精度。目前可精确到10位数以上（对应采用32位二进制数码表示一个数值）。逻辑电路有两个状态，分别对应“1”和“0”，计算机通过逻辑电路实现运算。二进数码波形实际信号波形受干扰后的波形定时信号再生信号三、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定时判决可正确恢复。2.1为什么要数字化?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，可以同时传4~8路数字电视节目（由于这涉及较多概念，在《通信原理》课程中才会详细讲授）。五、数字电路性能稳定可靠，设计、维护、生产方便，体积小，重量轻数字电路高频模拟电路2.1为什么要数字化?数字化优点便于计算机操作精确表示物理量抗干扰

能力强传输效率高性能稳定、生产方便（五）（一）（四）（三）（二）一2.2二进数及数的表示十进制二进制八进制十六进制000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F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数制的数，它们之间可相互转换。2）日常书面语言习惯用十进制。计算机运算用二进制数。计算机程序书写为简便，可用八进制、十六进制。2.3模-数及数-模转换

（ADC/DAC）简介模拟量（信号）通过A/D转换器变为数字量（信号）。一、ADC/DAC的主要性能参数1.分辨率：是指转换器输出二进制数码的位数，位数多分辨率也就高。有4位、6位、8位、12位、13位、16位和32位多种分辨率的产品。2.转换时间：指从信号输入到完成转换所需的时间。电流型转换较快，一般在几纳秒（ns）到几百ns之间。3.精度：指转换后得到的数字信号电压值与转换前模拟电压实际值之间的误差。4.线性度：将ADC—DAC视为一个系统，测输入---输出之间的关系应为直线。模拟输出偏离理想直线输出的最大值称为线性误差。二、ADC/DAC原理简述ADC的原理简化框图A/D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。固定电话使用8位A/D，移动通信使用13位A/D。由A/D实现语音数字化。目前高精度A/D可达32位。1．A/D转换器原理ADC的位数与量化电平数之间的对应关系是：M=2n

其中M表示量化电平数，n表示位数。3位A/D对应8个量化电平关系图。ADC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。由D/A完成由数码到模拟信号的反变换。数码变模拟信号的原理说明简图2．D/A转换器原理数码控制开关2.4字符的数字化编码一、英文的字符编码

高3位低4位0000010100111001011101110000NULDELSP0@P.p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2"2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100DOTDC4$4DTdt0101ENGNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB'7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYIy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;K[k{1100FFFS,<L\l|1101CRGS-=M]m}1110SORS.>N↑n~1111SIUS/?O↓oDEL采用ASCII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制编码表示，并映射成ASCII码。1．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编码，即把国标GB2312--80中的汉字、图形符号与一个94×94的方阵对应。

国标码字符集中收集了常用汉字和图形符号7445个，其中7445个汉字和图形字符各占一个位置后，还剩下1391个空位，这1391个位置空下来保留备用。区位码的物理模型图：方阵包含的位置总数是94×94＝8836个，利用“区”、“位”的代号来编码汉字，因而可以编码8836个汉字与字符。（二）汉字的字符编码（续2）3．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

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16×16、24×24、48×48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。2.5语音编码及应用一、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。方法是将连续语音波形“采样”，再将每一个采样值编码。3位码、8电平的采样过程示意量化与编码过程示意1，采样—量化—编码过程说明采样定理：设取样脉冲s(t)的重复频率为fs=1/T，输入模拟信号x(t)的频谱中的最高频率分量的频率为fmax，只要fs满足fs≥2fmax，则将采样脉冲信号y(t)通过一截止频率为fmax的低通滤波器就可以无失真地恢复原模拟信号x(t)。低通滤波器波形编码的理论基础是采样定理。2，离散信号与模拟信号关系说明离散信号模拟信号通过低通滤波器还原重要参数语音的最高频率：3400Hz，在固定电话系统中使用的采样频率=8KHz，采用8位二进制码（256个量化电平）编码，得固定电话中的码速率：

码速率=8×8KHz=64KHz

注1：1Hz等效于1b/s（1比特/秒），这一说法不严格，为什么？学到专业课时就能明白。

注2：VCD、DVD中的音乐编码的A/D位数和采样频率都要高很多，以保证良好音质。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。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话。

重要参数GSM移动通信系统中传送语音的数据速率是13Kb/s。CDMA移动通信系统中传送语音的最低数据速率是1.2Kb/s.移动通信中的语音编码方案明显优于固定电话，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！一、图像的数字化56×56个像素点“人头像”用3位码编码的人头像图像的数字化：是将每一个像素点的“灰度”值编码(二进制数码)。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。2.6图像编码二、彩色电视原理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=0.30R＋0.59G＋0.11B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=R－Y=0.7R－0.59G－0.11BPb=B－Y=－0.30R－0.59G＋0.89B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《彩色电视原理》课程中会详细讲述实现原理、技术。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照像机中。1.RAW图像格式：RAW主要用于记录数码相机获取图像的原始信息和相机数据（诸如IS0的设置、快门速度、光圈值、白平衡等）的文件。RAW是无损压缩。2.JPEG图像格式：JPG,意思是联合图像专家组（JointPhotographicExpertsGroup）的缩写。支持有损和无损压缩。3.JPEG2000图像格式：是JPEG标准的升级。4.TIFF图像格式：是TaggedImageFileFormat。TIFF是一种无失真的压缩格式。5.GIF图像格式：GIF是英文GraphicsInterchangeFormat的缩写。图像的像素资料不会被丢失，用来显示简单图形及字体。6.BMP图像格式：是英文Bitmap（位图）的简写，它是Windows操作系统中的标准图像文件格式，几乎不进行压缩.四、视频图像编码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。

偶数场奇数场电视图像奇偶光栅扫描示意视频图像编码标准及类型数字图像编码己应用到人们日常生活、生产和社会活动的各个领域。3MPEG-4标准

网络电视移动电视视频监控活动图像编码

数码像机图书出版资源遥感1JPEG标准固定图像编码类型标准应用领域2MPEG标准数字电视数码摄像机DVD活动图像编码Mpeg-4兼容型流媒体VCDMpeg-1Mpeg-2DVD数字电视视频编码类型：五、流媒体标准流媒体(StreamingMedia)：是在互联网上按时间先后次序传输和播放的连续音/视频数据流。特点：边传送，边播放。1，ISMA

MP4标准：

ISMA是（Internet

Streaming

Media

Alliance）的简称，是基于

MP-4标准为适应流媒体的一种标准改进。2，

QuickTime

：Apple公司开发的一种工业标准。符合

MPEG-4标准，支持ISO/ISMA

MPEG4标准。3，

Windows

Media

Technologies

（含

Windows

Media

9

Series

Platform

和Windows

Media

Video

9（WMV

9））。4，

RealNetworks的RealVideo技术

。5，

DivX

MP4

：

MPEG-4的一种版本，画质好、容量小；播放环境简单方便。是当前最好的流媒体格式。发送端：编码，即把原始的电视信号数据进行编码，转化成适合Internet传输的流媒体数据形式，然后通过互联网传送。接收端：解码，通过电脑或是电视播放。1，IPTV系统原理

IPTV是将个人电脑、手机或电视机等设备作为显示终端，通过机顶盒或计算机接入宽带网络，实现数字电视、时移电视、互动电视等服务。网络电视的出现给人们带来了一种全新的电视观看方法，它改变了以往被动的电视观看模式，实现了电视按需观看、随看随停。

2.7视频图像编码的应用一、网络电视IPTVIPTV运营平台结构IPTV的关键技术视频编解码技术流媒体技术内容分发技术数字版权管理技术IPTV的关键技术IPTV机顶盒：基于IPTV机顶盒平台的网络电视，机顶盒可通过Modem经电话线上网，利用电视作为显示终端。手机平台（笔记本电脑或移动电视）：是PC网络的子集和延伸，它通过移动网络传输视频节目，收看网络电视。2，IPTV系统的终端形式创维IPTV机顶盒UT斯达康IPTV机顶盒中兴IPTV机顶盒注：目前己开通的IPTV（深圳）的图像质量比数字电视（DVD质量）稍差，但频道多，可点播，可看到近3天的一些重要内容。PPLive

PPStream

QQLive

UUSee3，流行的IPTV软件PPLivePPStreamUUSeeCMMB是我国于2006年提出的具有自主知识产权的移动广播电视系统，它采用数字编码，经过无线发射，利用S波段卫星和地面广播频谱向终端进行点到多点的多媒体业务传送。CMMB能够广泛地支持移动接收，在信号覆盖范围内，支持各类七寸以下的小尺寸、小屏幕、移动便携手持式终端随时随地接收新闻、资讯、娱乐等电视广播节目，诸如手机、PDA、MP4、GPS、USB接收棒、独立接收机等等，充分满足现代信息社会“信息无处不在”的需求。

1，CMMB概述CMMB是通过无线广播电视覆盖网向各种便携式终端设备提供数字音视频和信息服务，以满足移动视频用户的需求的系统和技术正在普及。二、移动电视CMMB模块可以用在，如PND、PDA、PMP、手机、车载电视以及USBDongle等系统中世健系统有限公设计的通用CMMB接收模块手机电视手机电视我国CMMB的体制先进性在北京奥运期间己得到证实。2，CMMB系统构成CMMB系统构成框图复盖网方案特点：1，用S波段（2~4GHZ）、U波段（0.3~3GHZ）无线信号频率复盖全国。这是由于电波传播原因，便移动视频终端接收。2GHZ以下频段己划分给移动通信，频率再高将影响信号复盖。；：利用CMMB卫星和地面增补网协同覆盖，主要用于中央节目的全国广播。2，地面复盖，多网并存，提高复盖率。地面双向网U波段地面复盖网S波段卫星广播S波段地面增补网中国大地、海洋、高山、湖泊全复盖3，广播上行、广播下行分发采用Ku（10.95GHZ~14GHZ）波段。由于Ku波段频带宽，效率高、性能好。广播上行广播下行KuKu地面双向网络：利用移动通信网络、互联网络等构成回传通道，终端通过回传通道向中央、地方两级节目播出平台发送信息，从而实现交互业务。三、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一身的现代高科技的产品。1.国外高清数字电视标准2）中国的地面数字电视标准----DMB-TH

DMB-TH（TerrestrialDigitalMultimediaTV/HandleBroadcasting）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（TDS－OFDM）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（lowdensityparity-checkcode）。该标准支持高清晰度电视、标准清晰度电视和移动电视(MobileTV)、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）：1280×720（HDTV）我国将在2010年实现高清数字电视的普及，2015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）

我国DMB-TH数字电视标准的制订，以及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。这是继第三代移动通信标准TD-SCDMA之后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巨大产业群的成长。3.3D高清电视（1）3D电视原理3D电视是利用人的双眼观察物体的角度有差异，把左右眼所看到的影像分离，形成立体视觉。3D电视有两种：（2）3D电视面临的挑战（a）成本：3D电视整机的价格将比同尺寸普通电视贵一倍左右。

（b）节目源：除了要拥有3D高清电视设备，还必须有3D高清片源、3D高清信号，这是整个电视系统设备的更新。

（c）市场因素：估计推出一个3D电视频道需要数亿元的投入，投资回报周期则要长达数十年。

（d）健康和安全：由于3D立体影像是“人造的”，人的左右眼会迅速地来回交换，容易造成眼睛疲劳，这是否有害健康？有待研究。

3D液晶电视主要是通过在液晶面板上加上特殊的精密柱面透镜屏，将经过编码处理的3D视频影像分别独立送入人的左右眼而形成的一种视觉效果。专用眼镜观看的3D高清电视裸眼3D高清电视四、平板电视平板电视的演进：CRT液晶、等离子LED

CRT（CathodeRayTube）阴极射线显像管。

LED（LightEmittingDiode）发光二极管CRT显示液晶、等离子液晶侧视LED侧视立方体电视平板电视

1，液晶（LCD）显示原理液晶是一种具有规则分子排列的有机化合物，液晶本身不发光，是通过控制柱状液晶分子的偏光排列控制液晶透光强弱，而构成图像。柱状液晶分子的排列可由电场控制，由薄膜晶体管产生可变电场控制液晶分子排列，从而也就控制了透过液晶光的强弱，而构成图像。RGB的颜色是由滤光片产生的。2．等离子（PDP）显示原理等离子显示屏PDP(PlasmaDisplayPanel）是利用气体放电原理构成的等离子管作为发光元件的显示图像，大量的等离子管排列在一起而构成屏幕。等离子管是一个十分小的容器单元，容器内都充有氖氙气体。在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小容器中的气体会产生紫外光，利用该紫外光激励红绿蓝（RGB）三基色荧光粉发出可见光，而构造显示屏。每个离子管是一个像素点，由这些像素的明暗和颜色变化组合产生各种灰度和色彩的图像。这与传统阴极射线管CRT（CathodeRayTube）彩色显像管相似。等离子结构图小容器（a）等离子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，暗画面时因像素不发光而几乎不耗电，而液晶电视由于背光灯的亮