资源简介

1.2 数据编码
【学习目标】：
了解模拟信号与数字信号的优劣。
掌握不同数据类型编码的方式。
会计算文件的大小和声音存储空间。
【重点和难点】：
重点：
文字、声音和图片的编码方式
难点：
文件的大小和声音存储空间的计算
【学法提示】：自主探究，小组合作等
【课时安排】：2课时
第1课时
【检查复习】：
什么是数据？
（数据是现实世界客观事物的符号记录，是信息的载体，是计算机加工的对象。）
二进制与十进制的转换。
数据的基本特征。（二进制、语义性、分散性、多样性与感知性）
【课堂探究】：
科学探究一：模拟信号与数字信号
简单来说，自然界中各种事物变化，都是模拟信号，比如，随着时间的流逝，太阳缓缓升起，在这里，时间是连续变化的，太阳的位置也是连续变化的，每一个时间点，对应于一个太阳的位置。现在，为了研究太阳位置的变化规律，要将时间与太阳的位置变化关系交给计算机研究。
问题：时间是连续的，可以无限分下去的，同样的，太阳的位置点也可以有无穷多个，该如何把这么多的数据存储起来呢？并且，对于研究来说，真的需要将这么多的数据存储下来吗？
（进行离散化的处理，比如早晨8点到10点，每隔5分钟，记录一个太阳的位置，这样，储存的数据是不是大大减少了？现在，对于这个问题，时间变量，变成了每隔五分钟一个，太阳位置，也相对应的变成了离散化的，也就是说，时间是离散化的，幅值也是离散化的。变成了一个数字信号，也就可以交给计算机处理了。）
【精讲点拨】：
微课：模拟信号与数字信号
模拟信号
模拟信号：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。
模拟信号是一种不仅在时间上连续、数值上也连续的物理量，具有无穷多的数值，从自然界感知的大部分物理量都是模拟性质的，如速度、压力、温度、声音、重量等都是最常见的模拟信号。我们通常又把模拟信号称为连续信号。
模拟信号是传导能量的一种方式，在传播过程中，能量会不断被损耗而逐渐减弱。
模拟信号传输过程中,先把信息信号转换成几乎“一模一样”的波动电信号(因此叫“模拟”),再通过有线或无线的方式传输出去,电信号被接收下来后,通过接收设备还原成信息信号 。
实际生产生活中的各种物理量，如摄相机摄下的图像、录音机录下的声音、车间控制室所记录的压力、流t、转速、湿度等等都是模拟信号。
数字信号
数字信号：是离散时间信号的数字化表示，数字信号是不连续的、离散的，其自变量、因变量都是离散的，是对模拟信号进行采样得到。
数字信号抵抗电路本身干扰和环境干扰的能力强，有利于存储、加密和纠错，具有较强的保密性和可靠性。
总结：模拟信号与数字信号的优缺点
名称 模拟信号 数字信号
优点 1、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，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、模拟信号的处理过程更简单 1、抗干扰能力特别强 2、有利于存储、加密和纠错，具有较强的保密性和可靠性。
缺点 1、容易受到噪声影响； 2、长距离传输会因能量损耗而衰减。 1、算法复杂，技术要求高 2、数字信号是不连续的、离散的
模拟信号与数字信号之间的转换
我们要用计算机来探索现实世界的客观事物并表示出来，就要把基于现实世界客观事物的模拟信号与基于计算机的数字信号之间进行互相转换。
基本要求是：数据的表示、存放和传递要方便、可靠、易处理。显然，在计算机内部，数据只有经过数字化编码后才能表示、存放和传递。这就涉及到编码问题。
就如同下棋要有制作的棋子棋盘，打扑克打麻将也要有相应的扑克麻将，上下课有相应的课表时间表一样，编码就是一种人为的设定。
编码：是用预先规定的方法将文字、数字或其它对象编成数码，或将信息、数据转换成规定的电脉冲信号。是信息从一种形式或格式转换为另一种形式的过程。
为保证编码正确性，编码要规范化、标准化，即需要编码格式。常见的编码格式有：莫尔斯密码、 ASCII码、 GB2312码、位图图像编码、矢量图像编码等，也可以按类型分为:文字编码、图像编码、声音编码、视频编码等。
有了提前设定的编码，我们就可以将基于现实世界客观事物的模拟信号与基于计算机的数字信号之间进行互相转换。
总之，编码是数据在计算机中存储及其表现的基础，也是人们利用计算机认识世界的基础。
计算机中的数制
计算机存储的最小单位—— 二进制位，也叫比特（bit或b）
计算机存储的基本单位—— 字节（Byte或B）
1字节=8位 或 1B=8b
计算机中的单位
练习:
一、选择题
1．数字信号相对于模拟信号而言有许多优势，以下不属于数字信号优势的是（ ）
A．传输过程中不容易被干扰 B．方便存储
C．处理实时性强 D．方便压缩传输
2．比如汽车的速度、空气的温度等这些连续变化的信号称为（ ）
A．模拟信号 B．数字信号 C．数据信号 D．离散信号
3．下列有关信息的描述中正确的是（ ）
A．计算机以数字化的方式对各种信息进行处理
B．信息的数字化已逐步被模拟化技术所取代
C．数字化信息需要转化为模拟信息才能被计算机处理
D．所有的声音、图形、文字是数字化信息，都能被计算机直接处理
4．模拟信号与数字信号可以相互转换，以下关于模拟信号转换为数字信号过程说法正确的是（ ）
A．从模拟信号到数字信号转换的主要设备是DAC。
B．该转换过程中首先要对模拟信号进行采样。
C．采样间隔越长，采样频率越高。
D．采样频率一定是越高越好。
第2课时
【课前资料准备】：摩斯密码
摩尔斯电码由两种基本信号组成：
“滴”：短促的点信号“·”
“嗒”：一定时间的长信号“—”
间隔时间：
滴=1t，嗒=3t，滴嗒间=1t
字符间=3t，单词间=7t
例：SOS的摩斯密码：滴-滴-滴-哒---哒---哒---滴-滴-滴-
尝试：利用摩斯密码发送信息吧
【检查复习】：
什么是模拟信号？什么是数字信号？
模拟信号与数字信号的优缺点？
【课堂探究】：
视频：有摩斯密码的电影视频片断
利用摩斯密码发送
【精讲点拨】：
1、文字编码
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。其中，ASCII码、莫尔斯码属于单字节码，国标码（GBK）码、统一码属于双字节码。
ASCII码
ASCII码（American Standard Code for Information Interchange）是美国信息交换标准代码，用8位二进制为所有的英文字母（大小写52个）、阿拉伯数字（10个）和常用的不可见控制符（33个）以及标点符号、运算符等（33个）建立了转换码，将符号转换为“0”和“1”构成的编码。
例：A 编码为01000001（65）10
a 编码为01100001（97）10
国标码
由于ASCII码只包含英文、数字、和一些控制符号，并不能表示汉字，因此我国设计了用于处理汉字的简体中文的GB码和用于繁体中文的BIG5码（大五码）。
1980年发布的《信息交换用汉字编码字符集》（GB 2312）一共收录了7445个字符，包括6763个汉字和682个其他符号。GB 2312主要分为两个部分：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。
1995年公布的《汉字内码扩展规范》（GBK 1.0）收录了21 886个符号，分为汉字区和符号区，汉字区包括21 003个字符。
统一码
统一码，也叫万国码、单一码（Unicode）是计算机科学领域里的一项业界标准，包括字符集、编码方案等。Unicode 是为了解决传统的字符编码方案的局限而产生的，它为每种语言中的每个字符设定了统一并且唯一的二进制编码，以满足跨语言、跨平台进行文本转换、处理的要求。
【小结】：
2、图像编码
微课视频：图像编码
（1）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。
（2）位图，最小单位为光栅点（或称像素），也叫作点阵图（或像素图）。
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。
因为文件头14个字节，位图信息头40个字节，每个颜色表项占4个字节（每一个表项定义一种颜色），当图像的量化位数为24时没有颜色表项，没占用空间相对较小，很多时候计算的位图大小仅仅指的是数据文件的大小。
位图数据文件大小=图像分辨率×图像量化位数÷8
X方向的像素数是16，
Y方向的像素数是6，
图像的分辨率是16×6
黑白图 像的量化位数为1
文件的大小：14+40+4×2+16×6×1÷8
【探索实践】：
（1）有一幅24位的位图图像，分辨率为1024*800。其数据文件的大小是多少？
位图文件大小＝14+40+1024×800×24÷8=2457654B
≈1024×800×24÷8
≈2457600B
若将上图像另存为256色位图图像，则文件的大小为多大？
位图文件大小＝14+40+4×256+1024×800×8÷8= 821302B
≈1024×800×8÷8
≈819200B
声音编码
微课视频：声音编码
声音编码的三部曲：采样、量化、编码。
（1）采样。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。常用的采样频率有三种：44.1 kHz、22.05 kHz和11.025 kHz。
（2）量化。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。国标声音量化等级分为256个，即28 个。
（3）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。例如，采样值48的二进制编码为00110000，-100的二进制编码为11100100。
1、声音的数字化过程
模拟信号与数字信号：
在时间和幅度上都是连续的信号称为模拟信号。
在时间和幅度上都是离散的信号称为数字信号。
2、声音文件的大小
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（双声道），1秒声音所需字节数为
44.1×1000×16×2×1÷8=176.4（KB）。
【总结】：

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