資源簡介

數據編碼（上）
學習目標
知道數據編碼的基本方式。
學習內容.
將現實世界的事物現象符號化、數據化，需要有一個理解、抽象、推理的過程，這個過程由計算機來完成。計算機將它們處理轉換成0和1組成的二進制編碼，進而采用基于二進制的算術運算和邏輯運算進行數字計算。
模擬信號與數字信號
聲、光信號是人的感官所能識別和接收的信號，而計算機是一種采用電信號進行運作的機器。要將人的感官所能識別的信號轉換為計算機能夠識別的信號，實現人機交互，就必須清楚計算機是如何處理這些信號的？
1.模擬信號
模擬信號是指用連續變化的物理量所表達的信息。其信號的幅度、頻率或相位隨時間作連續變化，如聲音信號、圖形信號等。模擬信號的波形可以是簡單的，也可以是復雜的。例如，由單一鋼琴定音器產生的聲波，就是簡單波形，僅僅包括一個單一頻率；人類或管風琴的聲音產生的聲波，就是復雜波形，包含了許多不同頻率的組合。
單一頻率波形示意圖
多頻率組合波形示意圖
模擬信號是傳導能量的一種方式。例如，聲音通過空氣等介質來向遠處傳送能量，在傳播的過程中，能量會不斷被損耗而逐漸衰減。
模擬信號的衰減示意圖
無論是有線相連的電話，還是無線發送的廣播電視，都是通過模擬信號來傳遞信息的。
2.數字信號)
數字信號是離散時間信號的數字化表示。其信號的自變量、因變量都是離散的。例如，開關電路中輸出電壓和電流脈沖就是離散的信號。
在計算機中，數字信號的大小常用有限位的二進制數表示。例如，字長為2位的二進制數可表示00、01、10和11共四種數字信號。
盡管基于數字信號的數據通信才出現幾十年，但因其抵抗電路本身干擾和環境干擾的能力強，且數字信號有利于存儲、加密與糾錯，從而具有較強的保密性和可靠性。因此在現代技術的信號處理中，數字信號發揮的作用越來越大，覆蓋的范圍越來越廣。
模擬信號與數字信號比較!
模擬信號
優點：1.模擬信號的主要優點是其精確的分辨率，在理想情況下，它具有無窮大的分辨率。與數字信號相比，模擬信號的信息密度更高。由于不存在量化誤差，它可以對自然界物理量的真實值進行盡可能逼近的描述。2.模擬信號的另一個優點是，當達到相同的效果，模擬信號處理比數字信號處理更簡單。模擬信號的處理可以直接通過模擬電路組件（例如運算放大器等）實現，而數字信號處理往往涉及復雜的算法，甚至需要專門的數字信號處理器。
缺點：模擬信號的主要缺點是它總是受到雜訊（信號中不希望得到的隨機變化值）的影響。信號被多次復制，或進行長距離傳輸之后，這些隨機噪聲的影響可能會變得十分顯著。噪聲效應會使信號產生有損。有損后的模擬信號幾乎不可能再次被還原，因為對所需信號的放大會同時對噪聲信號進行放大。
數字信號.
優點：1.抗干擾能力強、無噪聲積累。在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號傳輸過程中及時對衰減的傳輸信號進行放大，信號在傳輸過程中不可避免地疊加上的噪聲也被同時放大。隨著傳輸距離的增加，噪聲累積越來越多，以致使傳輸質量嚴重惡化。對于數字通信，由于數字信號的幅值為有限個離散值(通常取兩個幅值)，在傳輸過程中雖然也受到噪聲的干擾，但當信噪比惡化到一定程度時，即在適當的距離采用判決再生的方法，再生成沒有噪聲干擾的和原發送端一樣的數字信號，所以可實現長距離高質量的傳輸。
2.便于加密處理。信息傳輸的安全性和保密性越來越重要，數字通信的加密處理的比模擬通信容易得多，以話音信號為例，經過數字變換后的信號可用簡單的數字邏輯運算進行加密、解密處理。
3.便于存儲、處理和交換。數字通信的信號形式和計算機所用信號一致，都是二進制代碼，因此便于與計算機聯網，也便于用計算機對數字信號進行存儲、處理和交換，可使通信網的管理、維護實現自動化、智能化。
4.設備便于集成化、微型。數字通信采用時分多路復用，不需要體積較大的濾波器。設備中大部分電路是數字電路，可用大規模和超大規模集成電路實現，因此體積小、功耗低。5.便于構成綜合數字網和綜合業務數字網。采用數字傳輸方式，可以通過程控數字交換設備進行數字交換，以實現傳輸和交換的綜合。另外，電話業務和各種非話業務都可以實現數字化，構成綜合業務數字網。
缺點：占用信道頻帶較寬。一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數字電話約占64kHz。隨著寬頻帶信道(光纜、數字微波)的大量利用(一對光纜可開通幾千路電話)以及數字信號處理技術的發展(可將一路數字電話的數碼率由64kb/s壓縮到32kb/s甚至更低的數碼率)，數字電話的帶寬問題已不是主要問題了。
實驗
在航海燈語系統中，燈語是一種通信手段，用燈光一明一暗的間歇做出長短不同的信號來傳遞信息。在古代，燈語對人們之間的交流起到很大的幫助。隨著科技的發展，燈語已經通過計算機網絡實現了燈光信號的自動發送、獲取和識別。
實驗名稱：用手電筒傳遞信息。
實驗目的：了解燈語的使用場景，理解數據編碼的必要性。
實驗步驟：
a.兩人一組，一人控制手電筒開關，按照莫爾斯碼發送一組字母，另一人觀察手電筒發出的光信號，記錄數據，并使用莫爾斯碼譯出這組字母。
b.雙方核對信息，多次重復實驗。
c.通過分析實驗數據，總結該方法傳遞信息的利弊，提出改進方法。
d.設計一套自己的燈語，用“密碼”傳送信息。
微視頻1：沈夢辰帶來帥氣航海員，現場演示解釋燈語，用摩斯密碼打成燈光！
微視頻2：海軍練習燈語，新兵直接寫答案遭質疑，最后他卻讓人無話可說
在現代技術的信號處理中，數據基本上是通過編碼將模擬信號轉換為數字信號進行存儲和傳輸，文字、圖像、聲音等類型的數據都可經過編碼進行存儲和傳輸。數據編碼（下）
學習目標
知道數據編碼的基本方式。
學習內容
在現代技術的信號處理中，數據基本上是通過編碼將模擬信號轉換為數字信號進行存儲和傳輸，文字、圖像、聲音等類型的數據都可經過編碼進行存儲和傳輸。
文字編碼
文字（字符）編碼是效率相對較低的編碼方式，有單字節碼和雙字節碼兩種。其中，ASCII碼、莫爾斯碼屬于單字節碼，國標碼（GBK）、統一碼（Unicode）屬于雙字節碼。
1.ASCII碼
1960年，香農創立了數字計算機的基本字符編碼系統，簡稱ASCII碼(
American
Standard
Code
for
Information
Interchange)，用7位二進制碼為所有的英文字母(大小寫52個)、阿拉伯數字(10個)和常用的不可見控制符(33個)以及標點符號、運算符號等(33個)建立了轉換碼，第一次將符號轉換為“0”和“1”構成的編碼。
2.國標碼
由于ASCII碼只包含英文、數字和一些控制符號，并不能表示漢字，因此，我國設計了用于處理漢字的簡體中文的GB碼和用于繁體中文的BIG5碼(大五碼)。
1980年發布的《信息交換用漢字編碼字符集》(GB2312)一共收錄了7445個字符，包括6763個漢字和682個其他符號。GB2312主要分為兩部分：編號127之前的符號跟ASCII碼所表示的意義相同，屬于單字節碼；編號127之后的符號統一用兩個字節表示，包含了幾乎所有的簡體中文字(中文編碼高字節的最高位不為0)。
1995年公布的《漢字內碼擴展規范》(GBK1.0)收錄了21886個符號，分為漢字區和圖形符號區，漢字區包括21003個字符。)
圖像編碼
圖像編碼是指在滿足一定保真度的條件下，對圖像數據進行變換、編碼和壓縮，以較少比特數表示圖像或圖像中所包含的信息的技術。
(1)位圖圖像編碼
位圖，最小單位為光柵點(或稱像素)，因而也叫作點陣圖(或像素圖)。
位圖采用位映射存儲格式，即將每一個像素映射為一個數據，存放在以字節為單位的矩陣中。如下圖所示的黑白圖像中，共有32×2個像素，如果將黑、白像素分別映射為1和0，就表示11111111,00000110,10000110,11111111,10000001,01100011,01111100,10000001，這就是黑白圖像的二進制編碼。通常圖像編碼采用16進制編碼
(2)位圖文件大小
在計算機二進制數系統中，每個0或1就是一個位(bit，數據存儲的最小單位)，8個位就稱為一個字節(Byte)。
黑白圖像，每一個像素有2種可選顏色(黑，白)，稱為1位圖像。因此，上圖所包含的圖形數據為32×2÷8=8個字節。
16色圖像，每一個像素有16種可選顏色，稱為4位圖像(24=16)；256色圖像稱為8位圖像(28=256)；24位圖像的可選顏色更豐富，為224種。
實際上，一個位圖文件除了包含圖形數據，還包括文件頭、位圖信息頭、顏色信息、圖形數據等幾部分。
①文件頭：包含文件的類型、大小和位圖起始位置等信息，共14個字節。
②位圖信息頭：用于說明位圖的尺寸等信息，占40個字節。
③顏色信息：用于說明位圖中的顏色，有若干個表項，每一個表項定義一種顏色。當圖像量化位數為1、4、8時，分別有2、16、256種顏色，每個顏色表項占4字節：當圖像量化位數為24時，沒有顏色表項。
④圖形數據：記錄位圖的每一個像素值，其記錄順序先從左到右，再從下到上。
一般情況下，位圖文件所占用的空間可按以下公式計算：
文件的大小=文件頭+信息頭+顏色表項+圖像分辨率x圖像量化位數÷8
其中，圖像分辨率=圖像x方向的像素數x圖像y方向的像素數。圖像量化位數，也叫圖像深度，是指圖像中每個像素點記錄顏色所用二進制數的位數。
思考
1.有一幅24位的位圖圖像，像素為1024x800。試確定其數據文件的大小。
2.若將上述圖像另存為256色位圖圖像，則文件大小為多大?
聲音編碼
對聲音進行數據編碼，必須經過前期的數據采樣和數據量化。
(1)采樣。采樣就是把輸入的模擬信號按適當的時間間隔得到各個時刻的樣本值，使其轉換為時間上離散、幅度上連續的脈沖信號。
根據奈奎斯特(
Harry
Nyquist，物理學家,1889-1976)采樣定理，如果以一定時間間隔對某個信號f(t)進行采樣，并且采樣頻率高于該信號最高頻率的兩倍，則采樣值包含了原信號的全部信息，如下圖所示。
奈奎斯特采樣定理示意圖'
對于音頻信號，常用的采樣頻率有三種:44.1kHz、22.05kHz和11.025kHz。
(2)量化。量化是把樣值信號的無限多個可能的取值，近似地用有限個數的數值來表示。首先是將采樣信號幅度劃分為若干量化等級(國標聲音量化等級分為256個，即28個)，然后將采樣后的信號幅度與所劃分的各個量化等級進行比較，向下取最接近的量化等級的數值。
(3)編碼。編碼是將量化后的采樣值用二進制數碼表示，并轉換為由二進制編碼0和1組成的數字信號。模擬信號采樣后可用8位二進制數表示，最高位表示符號，正數為0，負數為1。
編碼時采用的二進制位數越多，數據量越大，占用的存儲空間也越大。其存儲空間遵循如下公式：
聲音存儲空間=采樣頻率x量化位數x聲道x時間÷8例如，采樣頻率為44.1kHz、量化位數為16位的立體聲,1秒聲音所需字節數為44.1×1000×16×2×1÷8=1764(KB)。
編碼后的信號可以實現無差錯的數據傳輸。實際上，不僅文字、圖像、聲音等類型的數據可以被編碼，視頻等數據也都可以被碼成數據文件。
程序設計，簡稱編程，也屬于編碼，是運用程序設計語言，實現人機交互，提高計算機應用效率，為實現操作程序化要求所進行的編碼。總之，編碼是數據存儲及其表現的基礎，也是人們認識世界的基礎。

展開更多......

收起↑