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第四讲 数据编码(上)

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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
! h+ E* P1 Q8 [( W+ g( i9 }知道数据编码的基本方式。6 a; y) o. D; v$ v& R) o+ P" q/ V
学习内容- X, U! m8 G# z$ X0 Z7 e/ `& p
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。
; r9 B+ ^6 g6 z; b- A, [( c- @; L3 u+ Z模拟信号与数字信号- v6 n( S' Q' H
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?8 k( D, }: y. x7 E0 w2 p3 e
1.模拟信号
* k# J% B  C: Q: ?% p2 Y8 Y+ b; T3 }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。
, Q: C' e+ ]. u! \/ E+ g7 _" P3 c9 s# y, j) G8 P$ ]
单一频率波形示意图
1 Q* J3 y) ]( t# f0 M3 n  C' _
0 M0 W4 `7 B/ L$ f2 ]$ _  f多频率组合波形示意图1 k# f2 F4 S! K" A/ F( _
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 U% i9 b3 w1 O4 ?' R- J% m' S8 S- c' H- ?6 U, p3 S
模拟信号的衰减示意图
" r% b5 L2 v! U0 q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。: d9 W( M3 {/ g% V% o9 w
2.数字信号
; ~: U! K' ]/ K- o& R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。
/ K6 {6 N# g0 ~/ T4 u' Z2 e; P2 b+ r6 Q
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。9 u! e) t$ U) T& f/ V% h: {
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。
6 P: Q7 G4 b+ \5 W模拟信号与数字信号比较
. t) M: r" G4 {% f! V, A9 ^4 ~模拟信号4 E9 x& w$ e& k
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。0 e3 j! S. y5 @4 W) ]0 m
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。
4 \" z$ ~& m% y' G5 @1 `3 ^数字信号% W6 Z4 P/ Q8 g1 W
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.
: c) r# f% {- w7 X0 j$ O8 y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。4 [: r: M2 N9 f- @9 s# K
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。
7 H' t7 t, L4 V7 e1 Q7 j实验
# L  r6 y$ x3 q" q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。
4 w7 u* F1 a1 V" B实验名称:用手电筒传递信息。
$ ~: ]$ z! J* N9 L: F- p实验目的:了解灯语的使用场景,理解数据编码的必要性8 W  P2 x: T, m7 C) @' r# |; g6 F: p
实验步骤:3 d7 C8 `4 o; w# |' E* }
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。
* v* b. F5 S, I, Jb.双方核对信息,多次重复实验。- {6 k8 t! \5 @# N1 R4 n) A. i
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。7 ?; `, P3 c" H% H* O
d.设计一套自己的灯语,用“密码”传送信息。9 f" r) |8 D5 q! P( B$ D; e3 F

/ x- F; G4 P$ ^* S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!
1 ?7 ~! J: s' G6 n% Q+ I4 R5 b
0 p7 h# n7 V1 {* A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9 r- B4 A& _$ u9 E, w& j8 R
6 F# q( `0 Y; f8 D) u5 {
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。  n% \- ]7 @/ F6 |

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