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信息技术 必修1 :数据与计算
第一章 数据与信息
1.2 数据编码
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1.2.1 模拟信号与数字信号
【模拟信号】 模拟信号是指用连续变化的物理量所表达的信号。
模拟信号是传导能量的一种方式，其幅度、频率或相位随时间作连续变化。
常见的模拟信号应用：有线相连的电话和无线发送的广播电视。
1.2.1 模拟信号与数字信号
【模拟信号】模拟信号的波形可以是简单的，也可以是复杂的。其波形可以是仅仅包括一个单一频率，也可以是复杂波形，包含了许多不同频率的组合。模拟信号是传导能量的一种方式。例如，声波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。
多频率组合波形示意图
模拟信号的衰减示意图
单一频率波形示意图
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1.2.1 模拟信号与数字信号
【数字信号】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。
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】字长为2位的二进制数可表示00、01、10和11四种数字信号。
常见的数字信号应用：开关电路中输出电压和电流脉冲的信号。
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1.2.1 模拟信号与数字信号
【模拟信息与数字信号的优缺点】
名称 优点 缺点
模拟信号
数字信号
简单容易实现
保密性差，抗干扰能力弱
抗干扰能力强，保密性、可靠性强
技术实现复杂，占用频带宽
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1.2.2 编码的基本方式
计算机中所有的信息都是用“0”和“1”来表示的。
在实际中信息的形式是多种多样的，最常见的是文字、声音、图片等等。要用计算机来处理信息，就需要先把这些信息转化为“0”和“1”的数据形式，即信息数字化。
计算机中的文字、数字、声音、视频都是通过二进制编码来
表示的。只是表示信息类型不同，编码方案也不同。
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1.2.2 编码的基本方式
文字（字符）编码是效率相对较低的编码方式，有单字节码和双字节码两种。
ASCII码、莫尔斯码属于单字节码
国标码（GBK）、统一码（Unicode）属于双字节码。
【文字编码】
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A
0100
0001
1.2.2 编码的基本方式
【文字编码】：ASCII码
65
记住几个常见字符的ASCII码值：
A的编码为 01000001（十进制数65）
a 的编码为 01100001（十进制数97）
0 的编码为 00110000（十进制数48）
ASCII码是美国信息交换标准代码、用8位二进制码表示的基本字符编码系统
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ASCII码是美国信息交换标准代码、用8位二进制码表示的基本字符编码系统
常用的不可见控制符（33个）
ASCII码（英文字符编码）
以及标点符号、运算符号等33个
阿拉伯数字（10个）
英文字母（大小写52 个）
共27=128个字符
1.2.2 编码的基本方式
【文字编码】：国标码
为了使每个汉字有一个全国统一的代码而颁布了汉字编码的国家标准。每个汉字有个二进制编码，叫汉字国标码。 每个汉字使用2个字节，主要分为两部分：编号127之前的符号跟ASCII 码所表示的意义相同，属于单字节码；编号127之后的符号统一用两个字节表示，包含了几乎所有的简体中文字（中文编码高字节的最高位不为0）。
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1.2.2 编码的基本方式
【文字编码】：汉字编码
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【文字编码】：汉字编码
输入码
又叫“外码”，按照汉字的读音进行编码，例如：双拼、
智能ABC、微软拼音输入法、紫光拼音输入法；
按照形状进行编码，例如：五笔、二笔、郑码、
表形码；
机内码
用于存储汉字的编码
GB2312-80——简称GB码，由两个字节组成
（16位二进制数），即存储一个汉字2个字节，如：
11010100 11000110——云
11000100 11001111——南
含6763个汉字。
港台地区的BIG5码——繁体字。
近来我国用的GB1300编码，含20902个汉字。
字形码
又叫输出码或字模，是描述每个汉字形状的编码，即汉字显示的代码，如：点阵法和矢量法
16*16，24*24，32*32，48*48点阵
10*10编码
1.2.2 编码的基本方式
【文字编码与进制数的关系】
文字编码必须保证唯一性，即一个“码”只能表示一个“字符”。因此，由N位二进制数组成的编码，最多可以表示2N个字符。
例：两位二进制数编码最多能表示的字符数为22个字符，即4个字符
00 01 10 11
思考：GB码使用十六位二进制数编码，最多能表示多少个字符？
216个字符，即65536个字符
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1.2.2 编码的基本方式
【图像编码】
1.2 数据编码
图片
图形
图像
是真实物体的模型化、抽象化和线条化的表现方式。
真实地再现了一个物体的原形
位图
矢量图
位图，最小单位为光栅点（或称像素），也叫作点阵图（或像素图）。可以用“画图”软件创建、数码相机获取等。
由一组指令集合描述，可以用“Flash、CorelDRAW”等软件创建。
位图与矢量图的区别：位图缩放以后会失真， 矢量图缩放以后不会失真。
1.2.2 编码的基本方式
【图像编码】
1.2 数据编码
图像编码是指在满足一定保真度的条件下，对图像数据进行变换、 编码和压缩，以较少比特数表示图像或图像中所包含的信息的技术。
0 1 0 0 0 0 0 1
每个0或1就是一个位（bit 比特）
8个比特称为1个字节（Byte） 1B=8b
1024B=1KB 1024KB=1MB 1024MB=1GB 1024GB=1TB
1个英文字母占一个字节 1个汉字占两个字节
1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1
1.2.2 编码的基本方式
【图像编码】：位图图像编码
1.2 数据编码
【例】在如图所示的黑白(2色图，也称1位图像)图像中，共有32×2个像素，如果将黑、白像素分别映射为1和0。
15(F)
15(F)
0
6
8
6
0
6
8
1
6
3
7
12(C)
8
1
通常图像编码采用16进制编码，因而上图的编码为“FF，06，86，FF，81，63，7C，81”。
: 0 : 1
8bit(1字节)
该图的数据大小= 32×2×1÷8=8字节
1.2.2 编码的基本方式
【图像编码】：位图图像编码
1.2 数据编码
【例】在如图所示的灰4色图（也称2位图像)图像中，共有4×4个像素，如果将4色的白、浅灰、深灰、黑像素分别映射为00、01、10、11。
01 01 10 01
11 00 10 11
10 00 11 00
01 11 00 10
2色图也称1位图（21=2）
4色图也称2位图（22=4）
16色图也称4位图（24=16）
256色图也称8位图（28=256）
24位图（224=16777216）
8bit(1字节)
该图的数据大小= 4×4×2÷8=4字节
1.2.2 编码的基本方式
【图像编码】：图像颜色
1.2 数据编码
（1）、单色图像（黑白）
单色图像中，一个像素点只需要一个二进制位（1bit）来记录，可以表示出两种颜色，黑像素用“0”表示，白像素用“1”表示。
2 = 2
1
1.2.2 编码的基本方式
【图像编码】：图像颜色
1.2 数据编码
（2）、灰度图像
每个像素用一个字节（8位）来表示，一字节可以表示256种不同的灰度。
2 = 256
8
1.2.2 编码的基本方式
【图像编码】：图像颜色
1.2 数据编码
彩色图像即RGB模式：真彩色模式，以红绿蓝为基本颜色，每个分量由8位二进制数表示。可以用3个字节来表示，每个字节分别表示此像素中的红、绿、蓝成分。
（3）、彩色图像
1.2.2 编码的基本方式
【图像编码】：位图文件大小
1.2 数据编码
位图文件所占用的空间，可按以下公式计算：
文件的大小=文件头+信息头+颜色表项+图像分辨率×图像量化位数÷8
其中，图像分辨率=图像x方向的像素数×图像y方向的像素数。
(14字节)+(40字节)+(4字节)
图形数据大小=图像分辨率×图像量化位数÷8（单位：字节）
1.2.2 编码的基本方式
【声音编码】：采样
1.2 数据编码
采样就是把输入的模拟信号按适当的时间间隔得到各个时刻的样本值， 使其转换为时间上离散、幅度上连续的脉冲信号。
根据奈奎斯特（Harry Nyquist，物理学家，1889—1976）采样定理，如果以一定时间间隔对某个信号f（t） 进行采样，并且采样频率高于该信号最高频率的两倍，则采样值包含了原信号的全部信息。
常用的采样频率有三种：44.1 kHz、22.05 kHz和11.025 kHz。
1.2.2 编码的基本方式
【声音编码】：量化
1.2 数据编码
量化是把样值信号的无限多个可能的取值，近似地用有限个数的数值来表示。首先是将采样信号幅度划分为若干量化等级（国标声音量化等级分为256个，即28个），然后将采样后的信号幅度与所划分的各个量化等级进行比较，向下取最接近的量化等级的数值。
1.2.2 编码的基本方式
【声音编码】：编码
1.2 数据编码
编码是将量化后的采样值用二进制数码表示，并转换为由二进制编码0和1组成的数字信号。模拟信号采样后可用8位二进制数表示，最高位表示符号，正数为0， 负数为1。
模拟量 26 45 48 40 14
编码 00011010 00101101 00110000 00101000 00001110
模拟量 -51 -100 -50 44 127
编码 10110011 11100100 10110010 00101100 01111111
模拟量 125 105 90 78 65
编码 01111101 01101001 01011010 01001110 01000001
声音信号的数据编码表
1.2.2 编码的基本方式
【声音编码】：声音存储空间
1.2 数据编码
编码时采用的二进制位数越多，数据量越大，占用的存储空间也越大。以声音信息为例，其存储空间遵循如下公式：
声音存储空间=采样频率×量化位数×声道数×时间÷8
【例】采样频率为44.1 kHz、量化位数为16位的立体声，1秒声音所需字节数为44.1×1000×16×2×1÷8=176400（B）。
编码后的信号可以实现无差错的数据传输。
数字信号的传送图
1.2.2 编码的基本方式
【视频编码】？
1.2 数据编码
讨论一下视频的编码方式

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