第2章消息數(shù)字化與應(yīng)用

第2章消息數(shù)字化與應(yīng)用第一頁(yè)，共32頁(yè)。第二章消息的數(shù)字化

及應(yīng)用134一、為什么要數(shù)字化？二、二進(jìn)制代碼及數(shù)制三、數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)----A/D、D/A簡(jiǎn)介四、字符的數(shù)字化編碼五、語(yǔ)音的數(shù)字化編碼六、圖像的數(shù)字化編碼及應(yīng)用七、數(shù)字電視簡(jiǎn)介小結(jié)提綱第二頁(yè)，共32頁(yè)。一、為什么要數(shù)字化?（一）計(jì)算機(jī)操作的是二進(jìn)制數(shù)碼信號(hào)二進(jìn)制數(shù)碼的信號(hào)波形（二）只有數(shù)字信號(hào)才能精確表示物理量模擬萬(wàn)用表模擬量根據(jù)表的指針讀數(shù)，一般只能精確到三位數(shù)。數(shù)字萬(wàn)用表二進(jìn)制數(shù)字可表示物理量所要求的精度。目前可精確到10位數(shù)以上（對(duì)應(yīng)采用32位二進(jìn)制數(shù)碼表示一個(gè)數(shù)值）。邏輯電路有兩個(gè)狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)“1”和“0”，計(jì)算機(jī)通過(guò)邏輯電路實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。第三頁(yè)，共32頁(yè)。二進(jìn)數(shù)碼波形實(shí)際信號(hào)波形受干擾后的波形定時(shí)信號(hào)再生信號(hào)一、為什么要數(shù)字化（續(xù)1）（三）數(shù)字信號(hào)受干擾后可以再生，消除干擾影響受干擾后的信號(hào)經(jīng)再生定時(shí)判決可正確恢復(fù)。第四頁(yè)，共32頁(yè)。一、為什么要數(shù)字化（續(xù)2）（四）數(shù)字信號(hào)可采用時(shí)間復(fù)用提高傳輸效率例如：在閉路電視電纜上，原傳一路模擬電視信號(hào)的通道內(nèi)，可以同時(shí)傳4~8路數(shù)字電視節(jié)目（由于這涉及較多概念，在《通信原理》課程中才會(huì)詳細(xì)講授）。（五）數(shù)字電路性能穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)、維護(hù)、生產(chǎn)方便，體積小，重量輕數(shù)字電路高頻模擬電路第五頁(yè)，共32頁(yè)。

數(shù)字化優(yōu)點(diǎn)性能穩(wěn)定、生產(chǎn)方便（五）便于計(jì)算機(jī)操作（一）傳輸效率高（四）抗干擾

能力強(qiáng)（三）精確表示物理量（二）一、為什么要數(shù)字化（續(xù)3）第六頁(yè)，共32頁(yè)。二、二進(jìn)制代碼及數(shù)制十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表1）同一數(shù)值可表示為不同數(shù)制的數(shù)，它們之間可相互轉(zhuǎn)換。2）日常書面語(yǔ)言習(xí)慣用十進(jìn)制。計(jì)算機(jī)運(yùn)算用二進(jìn)制數(shù)。計(jì)算機(jī)程序書寫為簡(jiǎn)便，可用八進(jìn)制、十六進(jìn)制。3）數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換運(yùn)算方法請(qǐng)閱讀教材。第七頁(yè)，共32頁(yè)。三、數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)

---A/D、D/A簡(jiǎn)介（一）A/D轉(zhuǎn)換器原理A/D的原理簡(jiǎn)化框圖A/D是專用集成電路成熟產(chǎn)品，以A/D的位數(shù)標(biāo)明它能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。固定電話使用8位A/D，移動(dòng)通信使用13位A/D。由A/D實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)字化。目前高精度A/D可達(dá)32位。模擬量（信號(hào)）通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字量（信號(hào)）。第八頁(yè)，共32頁(yè)。三、數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)

---A/D、D/A簡(jiǎn)介（一）A/D轉(zhuǎn)換器原理（續(xù)）A/D的位數(shù)與量化電平數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：M=2n

其中M表示量化電平數(shù)，n表示位數(shù)。3位A/D對(duì)應(yīng)8個(gè)量化電平關(guān)系圖。A/D允許的輸入信號(hào)幅值一般為±5V，根據(jù)電平數(shù)即可計(jì)算出量化精度。第九頁(yè)，共32頁(yè)。三、數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)

---A/D、D/A簡(jiǎn)介（二）D/A轉(zhuǎn)換器原理由D/A完成由數(shù)碼到模擬信號(hào)的反變換。數(shù)碼變模擬信號(hào)的原理說(shuō)明簡(jiǎn)圖第十頁(yè)，共32頁(yè)。四、字符的數(shù)字化編碼（一）英文的字符編碼

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碼第十一頁(yè)，共32頁(yè)。四、字符的數(shù)字化編碼（二）漢字的字符編碼漢字編碼分為輸入碼、交換碼、機(jī)內(nèi)碼和字形碼。目的是將漢字也用二進(jìn)制編碼表示，并映射成ASCII碼。1．輸入碼

輸入碼將漢字影射到計(jì)算機(jī)鍵盤上的一組鍵盤符號(hào)。目前常用的輸入碼有拼音碼、五筆字型碼、自然碼、表形碼和電報(bào)碼等。不同的漢字輸入法，僅僅是輸入碼不同。計(jì)算機(jī)在處理漢字信息時(shí)需把不同的輸入碼轉(zhuǎn)換成國(guó)家規(guī)定的漢字的標(biāo)準(zhǔn)代碼。2．交換碼

交換碼是計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理漢字信息的一種標(biāo)準(zhǔn)代碼。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)總局于1981年制定了中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2312--80《信息交換用漢字編碼字符集--基本集》，即國(guó)標(biāo)碼。國(guó)標(biāo)碼的物理模型表現(xiàn)形式是區(qū)位編碼，即把國(guó)標(biāo)GB2312--80中的漢字、圖形符號(hào)與一個(gè)94×94的方陣對(duì)應(yīng)。

第十二頁(yè)，共32頁(yè)。國(guó)標(biāo)碼字符集中收集了常用漢字和圖形符號(hào)7445個(gè)，其中7445個(gè)漢字和圖形字符各占一個(gè)位置后，還剩下1391個(gè)空位，這1391個(gè)位置空下來(lái)保留備用。四、字符的數(shù)字化編碼區(qū)位碼的物理模型圖：方陣包含的位置總數(shù)是94×94＝8836個(gè)，利用“區(qū)”、“位”的代號(hào)來(lái)編碼漢字，因而可以編碼8836個(gè)漢字與字符。（二）漢字的字符編碼（續(xù)1）第十三頁(yè)，共32頁(yè)。四、字符的數(shù)字化編碼（二）漢字的字符編碼（續(xù)2）3．機(jī)內(nèi)碼

國(guó)標(biāo)碼變換為二進(jìn)制代碼需要兩個(gè)7位碼，一個(gè)7位（27=128）表示“區(qū)”，另一個(gè)7位表示“位”。但是這個(gè)代碼在計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理時(shí)會(huì)與ASCII碼發(fā)生沖突，為解決這個(gè)問(wèn)題，把國(guó)標(biāo)碼的每一個(gè)字節(jié)的首位上加1。由于ASCII碼只用7位（首位置0），所以，這個(gè)首位上的“1”就可以作為識(shí)別漢字代碼的標(biāo)志，計(jì)算機(jī)在處理到首位是“1”的代碼時(shí)把它理解為是漢字的信息，在處理到首位是“0”的代碼時(shí)把它理解為是ASCII碼。4．漢字的字形碼字形碼又稱漢字輸出碼。在計(jì)算機(jī)中用一組二進(jìn)制數(shù)表示點(diǎn)陣，用0表示白點(diǎn)，用1表示黑點(diǎn)。漢字字形點(diǎn)陣有16×16、24×24、48×48幾種。點(diǎn)陣數(shù)越多對(duì)每個(gè)漢字的修飾作用就越強(qiáng)，打印質(zhì)量也就越高。點(diǎn)陣是漢字圖形的數(shù)字化信息，又稱漢字字模?？梢赃x擇不同的字模，如“宋體”、“楷體”等來(lái)改變字體圖形。第十四頁(yè)，共32頁(yè)。五、語(yǔ)音的數(shù)字化編碼（一）語(yǔ)音的波形編碼波形編碼：是把語(yǔ)音信號(hào)波形幅度值變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)碼，見圖。方法是將連續(xù)語(yǔ)音波形“采樣”，再將每一個(gè)采樣值編碼。3位碼、8電平的采樣、編碼過(guò)程示意圖第十五頁(yè)，共32頁(yè)。五、語(yǔ)音的數(shù)字化編碼（一）語(yǔ)音的波形編碼（續(xù)）采樣定理：設(shè)取樣脈沖s(t)的重復(fù)頻率為fs=1/T，輸入模擬信號(hào)x(t)的頻譜中的最高頻率分量的頻率為fmax，只要fs滿足fs

≥2

fmax，則將采樣脈沖信號(hào)y(t)通過(guò)一截止頻率為fmax的低通濾波器就可以無(wú)失真地恢復(fù)原模擬信號(hào)x(t)。低通濾波器波形編碼的理論基礎(chǔ)是采樣定理。在《信號(hào)與線性系統(tǒng)》或《通信原理》課程中將證明采樣定理原理。第十六頁(yè)，共32頁(yè)。重要參數(shù)語(yǔ)音的最高頻率：3400Hz，在固定電話系統(tǒng)中使用的采樣頻率=8kHz，采用8位二進(jìn)制碼（256個(gè)量化電平）編碼，得固定電話中的碼速率：

碼速率=8×8kHz=64kHz

注1：1Hz等效于1bit/s（1比特/秒），這一說(shuō)法不嚴(yán)格，為什么？學(xué)到專業(yè)課時(shí)就能明白。

注2：VCD、DVD中的音樂(lè)編碼的A/D位數(shù)和采樣頻率都要高很多，以保證良好音質(zhì)。提示第十七頁(yè)，共32頁(yè)。五、語(yǔ)音的數(shù)字化編碼（二）語(yǔ)音的參量編碼語(yǔ)音參數(shù)，如：元音、輔音、清音、濁音、升調(diào)、降調(diào)和聲強(qiáng)等等。不同的語(yǔ)言可能有不同的參量。假設(shè)某種語(yǔ)言是由256個(gè)不同的參量組成，因?yàn)?8=256，所以只需要用8比特就可以表示這256個(gè)不同參量了；又假設(shè)該語(yǔ)言語(yǔ)流的最快發(fā)音速度也不超過(guò)10個(gè)參量/秒，從而可以估算出所需的編碼數(shù)據(jù)速率是：8比特/參量×10參量/秒=80比特/秒。參量編碼：編碼的是語(yǔ)音參數(shù)，而不是波形。參量編碼優(yōu)于波形編碼。目前GSM和CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中所采用的語(yǔ)音編碼方案是以8千赫茲速率采樣，13比特A/D均勻量化編碼，每160個(gè)采樣點(diǎn)（20毫秒時(shí)長(zhǎng)）為一組，用數(shù)字信號(hào)處理方法分析提取這20毫秒時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的語(yǔ)音參量，再編碼傳輸，接收機(jī)依據(jù)語(yǔ)音參量再合成語(yǔ)音。因而移動(dòng)通信中的語(yǔ)音數(shù)碼速率大大低于固定電話。第十八頁(yè)，共32頁(yè)。

重要參數(shù)GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)中傳送語(yǔ)音的數(shù)據(jù)速率是13kbit/s。CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中傳送語(yǔ)音的最低數(shù)據(jù)速率是1.2kbit/s。移動(dòng)通信中的語(yǔ)音編碼方案明顯優(yōu)于固定電話，但較復(fù)雜。注：移動(dòng)電話和固定電話通話時(shí)要進(jìn)行語(yǔ)音編碼方式的轉(zhuǎn)換！提示第十九頁(yè)，共32頁(yè)。六、圖像的數(shù)字化編碼

及應(yīng)用（一）圖像編碼的應(yīng)用領(lǐng)域及類型數(shù)字圖像編碼已應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)和社會(huì)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。3MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)

網(wǎng)絡(luò)電視移動(dòng)電視視頻監(jiān)控活動(dòng)圖像編碼

數(shù)碼像機(jī)圖書出版資源遙感1JPEG標(biāo)準(zhǔn)固定圖像編碼類型標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用領(lǐng)域2MPEG標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視數(shù)碼攝像機(jī)DVD活動(dòng)圖像編碼第二十頁(yè)，共32頁(yè)。六、圖像的數(shù)字化編碼

及應(yīng)用（二）圖像的數(shù)字化56×56個(gè)像素點(diǎn)“人頭像”用3位碼編碼的人頭像圖像的數(shù)字化：是將每一個(gè)像素點(diǎn)的“灰度”值編碼二進(jìn)制數(shù)碼。圖像信息處理技術(shù)的重要性將隨著工業(yè)信息化建設(shè)的推進(jìn)顯得日益重要。第二十一頁(yè)，共32頁(yè)。六、圖像的數(shù)字化編碼

及應(yīng)用（二）圖像的數(shù)字化所有的顏色都可以由幾種基本的彩色按一定比例調(diào)配而成。彩色電視中選的3種基本顏色是：R（紅色）、G（綠色）和B（藍(lán)色）?？紤]到利用黑白電視機(jī)要能收看彩色電視節(jié)目信號(hào)，因而在設(shè)計(jì)彩色電視體制時(shí)又將三種彩色相加合成出一個(gè)亮度信號(hào)Y，亮度信號(hào)的組成比例是：Y=0.30R＋0.59G＋0.11B彩色電視在傳送亮度信號(hào)的同時(shí)再傳送兩個(gè)色差分量信號(hào)Pr、Pb，保持三個(gè)信號(hào)通道。色差方程是：Pr=R－Y=0.7R－0.59G－0.11BPb=B－Y=－0.30R－0.59G＋0.89B彩色圖像的編碼是同時(shí)編碼Y、

Pr、Pb

三個(gè)分量的信號(hào)。接收端再通過(guò)解碼，還原出R、G、B原三色，以合成出彩色圖像。

注：在《彩色電視原理》課程中會(huì)詳細(xì)講述實(shí)現(xiàn)原理、技術(shù)。第二十二頁(yè)，共32頁(yè)。六、圖像的數(shù)字化編碼

及應(yīng)用（三）靜止圖像的編碼格式靜止圖像的編碼與活動(dòng)圖像的編碼有很大不同。靜止圖像的編碼主要用在照像機(jī)中。（見教材）（四）視頻圖像編碼視頻圖像即活動(dòng)圖像。在網(wǎng)絡(luò)上傳送的活動(dòng)圖像又稱為流媒體。像素點(diǎn)按掃描光柵的時(shí)間順序安排。

偶數(shù)場(chǎng)奇數(shù)場(chǎng)電視圖像奇偶光柵掃描示意第二十三頁(yè)，共32頁(yè)。六、圖像的數(shù)字化編碼

及應(yīng)用（四）視頻圖像編碼（續(xù)）Mpeg-4兼容型流媒體VCDMpeg-1Mpeg-2DVD數(shù)字電視視頻編碼應(yīng)用：第二十四頁(yè)，共32頁(yè)。六、圖像的數(shù)字化編碼

及應(yīng)用（五）高清數(shù)字電視

ATSC（美國(guó)地面）DVB（歐盟）ISDB（日本地面）DVB-T（地面）DVB-C（電纜）DVB-S（衛(wèi)）視頻編碼方式MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2音頻編碼方式AC-3MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2復(fù)用方式MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2調(diào)制方式8VSBCOFDMQAMQPSKQPSK帶寬（Hz）6M8M--27M高清晰度數(shù)字電視是廣播電視、通信、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)和微電子等諸多領(lǐng)域高新技術(shù)的總成，是現(xiàn)代圖像編碼、信道編碼、信號(hào)調(diào)制技術(shù)成就于一身的現(xiàn)代高科技的產(chǎn)品。1）三種國(guó)外數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)：第二十五頁(yè)，共32頁(yè)。六、圖像的數(shù)字化編碼

及應(yīng)用2）中國(guó)的地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)----DMB-TH

DMB-TH（TerrestrialDigitalMultimediaTV/HandleBroadcasting）（五）高清數(shù)字電視DMB-TH在覆蓋范圍、抗干擾能力、接收性能、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面比歐洲標(biāo)準(zhǔn)（DMB-T）有明顯提高。DMB-TH的技術(shù)核心是采用了MQAM/QPSK與時(shí)域同步正交頻分復(fù)用（TDS－OFDM）相結(jié)合的調(diào)制技術(shù)，使用了當(dāng)前最先進(jìn)的低密度奇偶校驗(yàn)信道編碼LDPC（lowdensityparity-checkcode）。該標(biāo)準(zhǔn)支持高清晰度電視、標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視和移動(dòng)電視(MobileTV)、多媒體數(shù)據(jù)廣播等。掃描方式：逐行掃描720P圖像寬高比：16：9圖像分辨率（或者稱有效像素）：1280×720（HDTV）我國(guó)將在2010年實(shí)現(xiàn)高清數(shù)字電視的普及，2015年將全面取代現(xiàn)有的模擬電視系統(tǒng)。（當(dāng)前推廣使用的是標(biāo)清數(shù)字電視）第二十六頁(yè)，共32頁(yè)。

我國(guó)DMB-TH數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的制定，以及在北京奧運(yùn)期間的試播成功，再一次說(shuō)明了我國(guó)在電子信息技術(shù)方面的自主創(chuàng)新能力。這是繼第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA之后的又一項(xiàng)重大電子信息技術(shù)科技成果。高清數(shù)字電視將帶動(dòng)電子信息技術(shù)的又一巨大產(chǎn)業(yè)群的成長(zhǎng)。六、圖像的數(shù)字化編碼

及應(yīng)用第二十七頁(yè)，共32頁(yè)。六、圖像的數(shù)字化編碼

及應(yīng)用（六）液晶和等離子顯示器液晶柱狀液晶分子的排列可由電場(chǎng)控制，由薄膜晶體管產(chǎn)生可變電場(chǎng)控制液晶分子排列，從而也就控制了透過(guò)液晶光的強(qiáng)弱，而構(gòu)成圖像。等離子在很小的等離子管電極間加高壓，離子管小容器中的氣體產(chǎn)生紫外光，利用該紫外光激勵(lì)紅綠藍(lán)（RGB）三基色熒光粉發(fā)出可見光，而構(gòu)造顯示屏。第二十八頁(yè)，共32頁(yè)。(1)等離子的優(yōu)勢(shì)相