電子信息導論02

第二章消息的數字化及應用電子信息科學與技術導論第二章消息數字化及應用1342.1為什么要數字化？2.2二進制代碼及數制2.3模-數轉換和數-模轉換（ADC/DAC）簡介2.4字符的數字化編碼2.5語音編碼及應用2.6圖像編碼2.7圖像編碼的應用小結2.1為什么要數字化?一、計算機操作的是二進制數碼信號二進制數碼的信號波形二、只有數字信號才能精確表示物理量模擬萬用表模擬量根據表的指針讀數，一般只能精確到三位數。數字萬用表二進制數字可以表示物理量所要求的精度。目前可精確到10位數以上（對應采用32位二進制數碼表示一個數值）。邏輯電路有兩個狀態(tài)，分別對應“1”和“0”，計算機通過邏輯電路實現運算。二進數碼波形實際信號波形受干擾后的波形定時信號再生信號三、數字信號受干擾后可以再生，消除干擾影響受干擾后的信號經再生定時判決可正確恢復。2.1為什么要數字化?四、數字信號可采用時間復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的通道內，可以同時傳4~8路數字電視節(jié)目（由于這涉及較多概念，在《通信原理》課程中才會詳細講授）。五、數字電路性能穩(wěn)定可靠，設計、維護、生產方便，體積小，重量輕數字電路高頻模擬電路2.1為什么要數字化?數字化優(yōu)點便于計算機操作精確表示物理量抗干擾

能力強傳輸效率高性能穩(wěn)定、生產方便（五）（一）（四）（三）（二）一2.2二進數及數的表示十進制二進制八進制十六進制000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F十進制、二進制、八進制和十六進制數的對應關系表1）同一數值可表示為不同數制的數，它們之間可相互轉換。2）日常書面語言習慣用十進制。計算機運算用二進制數。計算機程序書寫為簡便，可用八進制、十六進制。2.3模-數及數-模轉換

（ADC/DAC）簡介模擬量（信號）通過A/D轉換器變?yōu)閿底至浚ㄐ盘枺?。一、ADC/DAC的主要性能參數1.分辨率：是指轉換器輸出二進制數碼的位數，位數多分辨率也就高。有4位、6位、8位、12位、13位、16位和32位多種分辨率的產品。2.轉換時間：指從信號輸入到完成轉換所需的時間。電流型轉換較快，一般在幾納秒（ns）到幾百ns之間。3.精度：指轉換后得到的數字信號電壓值與轉換前模擬電壓實際值之間的誤差。4.線性度：將ADC—DAC視為一個系統(tǒng)，測輸入---輸出之間的關系應為直線。模擬輸出偏離理想直線輸出的最大值稱為線性誤差。二、ADC/DAC原理簡述ADC的原理簡化框圖A/D是專用集成電路成熟產品，以A/D的位數標明它能達到的轉換精度。固定電話使用8位A/D，移動通信使用13位A/D。由A/D實現語音數字化。目前高精度A/D可達32位。1．A/D轉換器原理ADC的位數與量化電平數之間的對應關系是：M=2n

其中M表示量化電平數，n表示位數。3位A/D對應8個量化電平關系圖。ADC允許的輸入信號幅值一般為±5V，根據電平數即可計算出量化精度。由D/A完成由數碼到模擬信號的反變換。數碼變模擬信號的原理說明簡圖2．D/A轉換器原理數碼控制開關2.4字符的數字化編碼一、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碼二、漢字的字符編碼漢字編碼分為輸入碼、交換碼、機內碼和字形碼。目的是將漢字也用二進制編碼表示，并映射成ASCII碼。1．輸入碼

輸入碼將漢字影射到計算機鍵盤上的一組鍵盤符號。目前常用的輸入碼有拼音碼、五筆字型碼、自然碼、表形碼和電報碼等。不同的漢字輸入法，僅僅是輸入碼不同。計算機在處理漢字信息時需把不同的輸入碼轉換成國家規(guī)定的漢字的標準代碼。2．交換碼

交換碼是計算機內部處理漢字信息的一種標準代碼。中國國家標準總局于1981年制定了中華人民共和國國家標準GB2312--80《信息交換用漢字編碼字符集--基本集》，即國標碼。國標碼的物理模型表現形式是區(qū)位編碼，即把國標GB2312--80中的漢字、圖形符號與一個94×94的方陣對應。

國標碼字符集中收集了常用漢字和圖形符號7445個，其中7445個漢字和圖形字符各占一個位置后，還剩下1391個空位，這1391個位置空下來保留備用。區(qū)位碼的物理模型圖：方陣包含的位置總數是94×94＝8836個，利用“區(qū)”、“位”的代號來編碼漢字，因而可以編碼8836個漢字與字符。（二）漢字的字符編碼（續(xù)2）3．機內碼

國標碼變換為二進制代碼需要兩個7位碼，一個7位（27=128）表示“區(qū)”，另一個7位表示“位”。但是這個代碼在計算機內部處理時會與ASCII碼發(fā)生沖突，為解決這個問題，把國標碼的每一個字節(jié)的首位上加1。由于ASCII碼只用7位（首位置0），所以，這個首位上的“1”就可以作為識別漢字代碼的標志，計算機在處理到首位是“1”的代碼時把它理解為是漢字的信息，在處理到首位是“0”的代碼時把它理解為是ASCII碼。4．漢字的字形碼

字形碼又稱漢字輸出碼。在計算機中用一組二進制數表示點陣，用0表示白點，用1表示黑點。漢字字形點陣有16×16、24×24、48×48幾種。點陣數越多對每個漢字的修飾作用就越強，打印質量也就越高。點陣是漢字圖形的數字化信息，又稱漢字字模?？梢赃x擇不同的字模，如“宋體”、“楷體”等來改變字體圖形。2.5語音編碼及應用一、語音的波形編碼波形編碼：是把語音信號波形幅度值變?yōu)槎M制數碼。方法是將連續(xù)語音波形“采樣”，再將每一個采樣值編碼。3位碼、8電平的采樣過程示意量化與編碼過程示意1，采樣—量化—編碼過程說明采樣定理：設取樣脈沖s(t)的重復頻率為fs=1/T，輸入模擬信號x(t)的頻譜中的最高頻率分量的頻率為fmax，只要fs滿足fs≥2fmax，則將采樣脈沖信號y(t)通過一截止頻率為fmax的低通濾波器就可以無失真地恢復原模擬信號x(t)。低通濾波器波形編碼的理論基礎是采樣定理。2，離散信號與模擬信號關系說明離散信號模擬信號通過低通濾波器還原重要參數語音的最高頻率：3400Hz，在固定電話系統(tǒng)中使用的采樣頻率=8KHz，采用8位二進制碼（256個量化電平）編碼，得固定電話中的碼速率：

碼速率=8×8KHz=64KHz

注1：1Hz等效于1b/s（1比特/秒），這一說法不嚴格，為什么？學到專業(yè)課時就能明白。

注2：VCD、DVD中的音樂編碼的A/D位數和采樣頻率都要高很多，以保證良好音質。二、語音的參量編碼語音參數，如：元音、輔音、清音、濁音、升調、降調和聲強等等。不同的語言可能有不同的參量。假設某種語言是由256個不同的參量組成，因為28=256，所以只需要用8比特就可以表示這256個不同參量了；又假設該語言語流的最快發(fā)音速度也不超過10個參量/秒，從而可以估算出所需的編碼數據速率是：8比特/參量×10參量/秒=80比特/秒。參量編碼：編碼的是語音參數，而不是波形。參量編碼優(yōu)于波形編碼。目前GSM和CDMA移動通信系統(tǒng)中所采用的語音編碼方案是以8千赫茲速率采樣，13比特A/D均勻量化編碼，每160個采樣點（20毫秒時長）為一組，用數字信號處理方法分析提取這20毫秒時長內的語音參量，再編碼傳輸，接收機依據語音參量再合成語音。因而移動通信中的語音數碼速率大大低于固定電話。

重要參數GSM移動通信系統(tǒng)中傳送語音的數據速率是13Kb/s。CDMA移動通信系統(tǒng)中傳送語音的最低數據速率是1.2Kb/s.移動通信中的語音編碼方案明顯優(yōu)于固定電話，但較復雜。注：移動電話和固定電話通話時要進行語音編碼方式的轉換！一、圖像的數字化56×56個像素點“人頭像”用3位碼編碼的人頭像圖像的數字化：是將每一個像素點的“灰度”值編碼(二進制數碼)。圖像信息處理技術的重要性將隨著工業(yè)信息化建設的推進顯得日益重要。2.6圖像編碼二、彩色電視原理所有的顏色都可以由幾種基本的彩色按一定比例調配而成。彩色電視中選的3種基本顏色是：R（紅色）、G（綠色）和B（藍色）。考慮到利用黑白電視機要能收看彩色電視節(jié)目信號，因而在設計彩色電視體制時又將三種彩色相加合成出一個亮度信號Y，亮度信號的組成比例是：Y=0.30R＋0.59G＋0.11B彩色電視在傳送亮度信號的同時再傳送兩個色差分量信號Pr、Pb，保持三個信號通道。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編碼Y、

Pr、Pb

三個分量的信號。接收端再通過解碼，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》課程中會詳細講述實現原理、技術。三、靜止圖像的編碼格式靜止圖像的編碼與活動圖像的編碼有很大不同。靜止圖像的編碼主要用在照像機中。1.RAW圖像格式：RAW主要用于記錄數碼相機獲取圖像的原始信息和相機數據（諸如IS0的設置、快門速度、光圈值、白平衡等）的文件。RAW是無損壓縮。2.JPEG圖像格式：JPG,意思是聯合圖像專家組（JointPhotographicExpertsGroup）的縮寫。支持有損和無損壓縮。3.JPEG2000圖像格式：是JPEG標準的升級。4.TIFF圖像格式：是TaggedImageFileFormat。TIFF是一種無失真的壓縮格式。5.GIF圖像格式：GIF是英文GraphicsInterchangeFormat的縮寫。圖像的像素資料不會被丟失，用來顯示簡單圖形及字體。6.BMP圖像格式：是英文Bitmap（位圖）的簡寫，它是Windows操作系統(tǒng)中的標準圖像文件格式，幾乎不進行壓縮.四、視頻圖像編碼視頻圖像即活動圖像。在網絡上傳送的活動圖像又稱為流媒體。像素點按掃描光柵的時間順序安排。

偶數場奇數場電視圖像奇偶光柵掃描示意視頻圖像編碼標準及類型數字圖像編碼己應用到人們日常生活、生產和社會活動的各個領域。3MPEG-4標準

網絡電視移動電視視頻監(jiān)控活動圖像編碼

數碼像機圖書出版資源遙感1JPEG標準固定圖像編碼類型標準應用領域2MPEG標準數字電視數碼攝像機DVD活動圖像編碼Mpeg-4兼容型流媒體VCDMpeg-1Mpeg-2DVD數字電視視頻編碼類型：五、流媒體標準流媒體(StreamingMedia)：是在互聯網上按時間先后次序傳輸和播放的連續(xù)音/視頻數據流。特點：邊傳送，邊播放。1，ISMA

MP4標準：

ISMA是（Internet

Streaming

Media

Alliance）的簡稱，是基于

MP-4標準為適應流媒體的一種標準改進。2，

QuickTime

：Apple公司開發(fā)的一種工業(yè)標準。符合

MPEG-4標準，支持ISO/ISMA

MPEG4標準。3，

Windows

Media

Technologies

（含

Windows

Media

9

Series

Platform

和Windows

Media

Video

9（WMV

9））。4，

RealNetworks的RealVideo技術

。5，

DivX

MP4

：

MPEG-4的一種版本，畫質好、容量?。徊シ怒h(huán)境簡單方便。是當前最好的流媒體格式。發(fā)送端：編碼，即把原始的電視信號數據進行編碼，轉化成適合Internet傳輸的流媒體數據形式，然后通過互聯網傳送。接收端：解碼，通過電腦或是電視播放。1，IPTV系統(tǒng)原理

IPTV是將個人電腦、手機或電視機等設備作為顯示終端，通過機頂盒或計算機接入寬帶網絡，實現數字電視、時移電視、互動電視等服務。網絡電視的出現給人們帶來了一種全新的電視觀看方法，它改變了以往被動的電視觀看模式，實現了電視按需觀看、隨看隨停。

2.7視頻圖像編碼的應用一、網絡電視IPTVIPTV運營平臺結構IPTV的關鍵技術視頻編解碼技術流媒體技術內容分發(fā)技術數字版權管理技術IPTV的關鍵技術IPTV機頂盒：基于IPTV機頂盒平臺的網絡電視，機頂盒可通過Modem經電話線上網，利用電視作為顯示終端。手機平臺（筆記本電腦或移動電視）：是PC網絡的子集和延伸，它通過移動網絡傳輸視頻節(jié)目，收看網絡電視。2，IPTV系統(tǒng)的終端形式創(chuàng)維IPTV機頂盒UT斯達康IPTV機頂盒中興IPTV機頂盒注：目前己開通的IPTV（深圳）的圖像質量比數字電視（DVD質量）稍差，但頻道多，可點播，可看到近3天的一些重要內容。PPLive

PPStream

QQLive

UUSee3，流行的IPTV軟件PPLivePPStreamUUSeeCMMB是我國于2006年提出的具有自主知識產權的移動廣播電視系統(tǒng)，它采用數字編碼，經過無線發(fā)射，利用S波段衛(wèi)星和地面廣播頻譜向終端進行點到多點的多媒體業(yè)務傳送。CMMB能夠廣泛地支持移動接收，在信號覆蓋范圍內，支持各類七寸以下的小尺寸、小屏幕、移動便攜手持式終端隨時隨地接收新聞、資訊、娛樂等電視廣播節(jié)目，諸如手機、PDA、MP4、GPS、USB接收棒、獨立接收機等等，充分滿足現代信息社會“信息無處不在”的需求。

1，CMMB概述CMMB是通過無線廣播電視覆蓋網向各種便攜式終端設備提供數字音視頻和信息服務，以滿足移動視頻用戶的需求的系統(tǒng)和技術正在普及。二、移動電視CMMB模塊可以用在，如PND、PDA、PMP、手機、車載電視以及USBDongle等系統(tǒng)中世健系統(tǒng)有限公設計的通用CMMB接收模塊手機電視手機電視我國CMMB的體制先進性在北京奧運期間己得到證實。2，CMMB系統(tǒng)構成CMMB系統(tǒng)構成框圖復蓋網方案特點：1，用S波段（2~4GHZ）、U波段（0.3~3GHZ）無線信號頻率復蓋全國。這是由于電波傳播原因，便移動視頻終端接收。2GHZ以下頻段己劃分給移動通信，頻率再高將影響信號復蓋。；：利用CMMB衛(wèi)星和地面增補網協(xié)同覆蓋，主要用于中央節(jié)目的全國廣播。2，地面復蓋，多網并存，提高復蓋率。地面雙向網U波段地面復蓋網S波段衛(wèi)星廣播S波段地面增補網中國大地、海洋、高山、湖泊全復蓋3，廣播上行、廣播下行分發(fā)采用Ku（10.95GHZ~14GHZ）波段。由于Ku波段頻帶寬，效率高、性能好。廣播上行廣播下行KuKu地面雙向網絡：利用移動通信網絡、互聯網絡等構成回傳通道，終端通過回傳通道向中央、地方兩級節(jié)目播出平臺發(fā)送信息，從而實現交互業(yè)務。三、高清數字電視

ATSC（美國地面）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復用方式MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2調制方式8VSBCOFDMQAMQPSKQPSK帶寬（Hz）6M8M--27M高清晰度數字電視是廣播電視、通信、信號處理、計算機和微電子等諸多領域高新技術的總成，是現代圖像編碼、信道編碼、信號調制技術成就于一身的現代高科技的產品。1.國外高清數字電視標準2）中國的地面數字電視標準----DMB-TH

DMB-TH（TerrestrialDigitalMultimediaTV/HandleBroadcasting）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準（DMB-T）有明顯提高。DMB-TH的技術核心是采用了MQAM/QPSK與時域同步正交頻分復用（TDS－OFDM）相結合的調制技術，使用了當前最先進的低密度奇偶校驗信道編碼LDPC（lowdensityparity-checkcode）。該標準支持高清晰度電視、標準清晰度電視和移動電視(MobileTV)、多媒體數據廣播等。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）我國將在2010年實現高清數字電視的普及，2015年將全面取代現有的模擬電視系統(tǒng)。（當前推廣使用的是標清數字電視）

我國DMB-TH數字電視標準的制訂，以及在北京奧運期間的試播成功，再一次說明了我國在電子信息技術方面的自主創(chuàng)新能力。這是繼第三代移動通信標準TD-SCDMA之后的又一項重大電子信息技術科技成果。高清數字電視將帶動電子信息技術的又一巨大產業(yè)群的成長。3.3D高清電視（1）3D電視原理3D電視是利用人的雙眼觀察物體的角度有差異，把左右眼所看到的影像分離，形成立體視覺。3D電視有兩種：（2）3D電視面臨的挑戰(zhàn)（a）成本：3D電視整機的價格將比同尺寸普通電視貴一倍左右。

（b）節(jié)目源：除了要擁有3D高清電視設備，還必須有3D高清片源、3D高清信號，這是整個電視系統(tǒng)設備的更新。

（c）市場因素：估計推出一個3D電視頻道需要數億元的投入，投資回報周期則要長達數十年。

（d）健康和安全：由于3D立體影像是“人造的”，人的左右眼會迅速地來回交換，容易造成眼睛疲勞，這是否有害健康？有待研究。

3D液晶電視主要是通過在液晶面板上加上特殊的精密柱面透鏡屏，將經過編碼處理的3D視頻影像分別獨立送入人的左右眼而形成的一種視覺效果。專用眼鏡觀看的3D高清電視裸眼3D高清電視四、平板電視平板電視的演進：CRT液晶、等離子LED

CRT（CathodeRayTube）陰極射線顯像管。

LED（LightEmittingDiode）發(fā)光二極管CRT顯示液晶、等離子液晶側視LED側視立方體電視平板電視

1，液晶（LCD）顯示原理液晶是一種具有規(guī)則分子排列的有機化合物，液晶本身不發(fā)光，是通過控制柱狀液晶分子的偏光排列控制液晶透光強弱，而構成圖像。柱狀液晶分子的排列可由電場控制，由薄膜晶體管產生可變電場控制液晶分子排列，從而也就控制了透過液晶光的強弱，而構成圖像。RGB的顏色是由濾光片產生的。2．等離子（PDP）顯示原理等離子顯示屏PDP(PlasmaDisplayPanel）是利用氣體放電原理構成的等離子管作為發(fā)光元件的顯示圖像，大量的等離子管排列在一起而構成屏幕。等離子管是一個十分小的容器單元，容器內都充有氖氙氣體。在等離子管電極間加上高壓后，封在兩層玻璃之間的等離子管小容器中的氣體會產生紫外光，利用該紫外光激勵紅綠藍（RGB）三基色熒光粉發(fā)出可見光，而構造顯示屏。每個離子管是一個像素點，由這些像素的明暗和顏色變化組合產生各種灰度和色彩的圖像。這與傳統(tǒng)陰極射線管CRT（CathodeRayTube）彩色顯像管相似。等離子結構圖小容器（a）等離子的優(yōu)勢相比液晶電視，等離子電視的優(yōu)勢:價格相對便宜；等離子顯示屏尺寸可做得很大；在視角、立體感、色彩還原等方面等離子優(yōu)于液晶；在功耗方面，等離子電視在工作狀態(tài)下，功耗是動態(tài)變化的，暗畫面時因像素不發(fā)光而幾乎不耗電，而液晶電視由于背光燈的亮