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第四讲 数据编码

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发表于 2019-10-6 16:15:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
第四讲 数据编码(上)
学习目标+ w0 Q: U6 C. o3 o6 h  l) f
1.知道模拟信号与数字信号的优缺点;
$ i- {3 F# N% m+ M% J2.知道数据编码的基本方式。0 p7 _6 T. L' t8 d3 r5 |3 P
学习内容
4 E5 ~. E% x1 |5 |9 P$ v/ w, R将现实世界的事物现象符号化、数据化,需要有一个理解、抽象、推理的过程,这个过程由计算机来完成。计算机将它们处理转换成0和1组成的二进制编码,进而采用基于二进制的算术运算和逻辑运算进行数字计算。
( s; `7 _1 K* B: M模拟信号与数字信号
, Q* M8 k8 z: z9 g1 @- X% x声、光信号是人的感官所能识别和接收的信号,而计算机是一种采用电信号进行运作的机器。要将人的感官所能识别的信号转换为计算机能够识别的信号,实现人机交互,就必须清楚计算机是如何处理这些信号的?
) R/ e( k# i. m$ h) K6 u) C1.模拟信号) |% j1 g* f2 b+ Y; x+ J! e$ A/ H
模拟信号是指用连续变化的物理量所表达的信息。其信号的幅度、频率或相位随时间作连续变化,如声音信号、图形信号等。模拟信号的波形可以是简单的,也可以是复杂的。例如,由单一钢琴定音器产生的声波,就是简单波形,仅仅包括一个单一频率;人类或管风琴的声音产生的声波,就是复杂波形,包含了许多不同频率的组合。
6 W! n" e, b3 E! }& T( O$ _9 L" M0 ~6 z/ |5 j. a6 J- s
单一频率波形示意图
0 s4 w7 t9 W/ N. p3 W6 K
  R+ Y; y9 ?: C* e7 [: H8 e多频率组合波形示意图
$ A8 ~2 w, ?0 K5 f8 N4 U+ q- [模拟信号是传导能量的一种方式。例如,声音通过空气等介质来向远处传送能量,在传播的过程中,能量会不断被损耗而逐渐衰减。7 C/ S% i; j2 f
2 o' F" ^5 Z# U% x8 o+ U. F. W
模拟信号的衰减示意图
1 r" c" g/ _* E, e2 m无论是有线相连的电话,还是无线发送的广播电视,都是通过模拟信号来传递信息的。& S" E: F' e! b! ^" I% a  L/ F
2.数字信号' B/ A$ j6 |) S
数字信号是离散时间信号的数字化表示。其信号的自变量、因变量都是离散的。例如,开关电路中输出电压和电流脉冲就是离散的信号。5 y) [+ [& X0 ~

) i  c0 a* W1 }. a6 V在计算机中,数字信号的大小常用有限位的二进制数表示。例如,字长为2位的二进制数可表示00、01、10和11共四种数字信号。3 {  L. i9 A6 Y9 C  O; D
尽管基于数字信号的数据通信才出现几十年,但因其抵抗电路本身干扰和环境干扰的能力强,且数字信号有利于存储、加密与纠错,从而具有较强的保密性和可靠性。因此在现代技术的信号处理中,数字信号发挥的作用越来越大,覆盖的范围越来越广。
9 Y' T. j# e* l0 e# m$ J1 _模拟信号与数字信号比较' y- w  _6 u% m* d4 w4 v3 i
模拟信号# J8 L7 y0 p: ^: k0 G! ]
优点:1.模拟信号的主要优点是其精确的分辨率,在理想情况下,它具有无穷大的分辨率。与数字信号相比,模拟信号的信息密度更高。由于不存在量化误差,它可以对自然界物理量的真实值进行尽可能逼近的描述。2.模拟信号的另一个优点是,当达到相同的效果,模拟信号处理比数字信号处理更简单。模拟信号的处理可以直接通过模拟电路组件(例如运算放大器等)实现,而数字信号处理往往涉及复杂的算法,甚至需要专门的数字信号处理器。. g9 {1 W, B4 ~# }+ h3 k$ y+ @
缺点:模拟信号的主要缺点是它总是受到杂讯(信号中不希望得到的随机变化值)的影响。信号被多次复制,或进行长距离传输之后,这些随机噪声的影响可能会变得十分显著。噪声效应会使信号产生有损。有损后的模拟信号几乎不可能再次被还原,因为对所需信号的放大会同时对噪声信号进行放大。) `9 |# l* }. L; V  M1 X) [0 B
数字信号
2 ~* d* ~7 [2 c0 \' r6 Y/ V优点:1.抗干扰能力强、无噪声积累。在模拟通信中,为了提高信噪比,需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大,信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大。随着传输距离的增加,噪声累积越来越多,以致使传输质量严重恶化。对于数字通信,由于数字信号的幅值为有限个离散值(通常取两个幅值),在传输过程中虽然也受到噪声的干扰,但当信噪比恶化到一定程度时,即在适当的距离采用判决再生的方法,再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号,所以可实现长距离高质量的传输。2.便于加密处理。信息传输的安全性和保密性越来越重要,数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多,以话音信号为例,经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。3.便于存储、处理和交换。数字通信的信号形式和计算机所用信号一致,都是二进制代码,因此便于与计算机联网,也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换,可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。4., H9 _# D( e& p3 B, N3 B
设备便于集成化、微型。数字通信采用时分多路复用,不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路,可用大规模和超大规模集成电路实现,因此体积小、功耗低。5.便于构成综合数字网和综合业务数字网。采用数字传输方式,可以通过程控数字交换设备进行数字交换,以实现传输和交换的综合。另外,电话业务和各种非话业务都可以实现数字化,构成综合业务数字网。; \6 {5 c$ h2 x, H* w
缺点占用信道频带较宽。一路模拟电话的频带为4kHz带宽,一路数字电话约占64kHz。随着宽频带信道(光缆、数字微波)的大量利用(一对光缆可开通几千路电话)以及数字信号处理技术的发展(可将一路数字电话的数码率由64kb/s压缩到32kb/s甚至更低的数码率),数字电话的带宽问题已不是主要问题了。+ C9 l1 c6 K8 h
实验1 Q9 \5 d$ v/ |
航海灯语系统中,灯语是一种通信手段,用灯光一明一暗的间歇做出长短不同的信号来传递信息。在古代,灯语对人们之间的交流起到很大的帮助。随着科技的发展,灯语已经通过计算机网络实现了灯光信号的自动发送、获取和识别。: d( a- F  o" ?1 g  d& y+ D! n
实验名称:用手电筒传递信息。) z, S! F1 |4 [/ H! r
实验目的:了解灯语的使用场景,理解数据编码的必要性
# A" F$ q4 R  n& E$ X( W实验步骤:+ s& ?! N6 ~1 m3 T2 V, M
a.两人一组,一人控制手电筒开关,按照莫尔斯码发送一组字母,另一人观察手电筒发出的光信号,记录数据,并使用莫尔斯码译出这组字母。
- \: {, X) Y* z) Q0 g  c( E- wb.双方核对信息,多次重复实验。: ~  V& c& r9 O8 k/ t+ X
c.通过分析实验数据,总结该方法传递信息的利弊,提出改进方法。1 O, D+ Q5 w- M- @' Z2 F
d.设计一套自己的灯语,用“密码”传送信息。% B. W) C$ U4 V! ~. S

/ Y% s/ V9 J3 Z( ^微视频1:沈梦辰带来帅气航海员,现场演示解释灯语,用摩斯密码打成灯光!
; O5 S# {" g' C1 `3 |7 c7 U6 c6 [. g
微视频2:海军练习灯语,新兵直接写答案遭质疑,最后他却让人无话可说* f0 A" ]: k- h6 t6 W5 F! a1 R3 x

: ]  v9 e  D' Z1 ^! K在现代技术的信号处理中,数据基本上是通过编码将模拟信号转换为数字信号进行存储和传输,文字、图像、声音等类型的数据都可经过编码进行存储和传输。
. V2 m* a" F+ D7 h* e

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