一级结构工程师职业资格考试辅导资料

一、基本概念1信息、消息与信号1 信息科学已渗透到所有现代自然科学和社会科学领域，现代工程技术人员必须对其有所了解。

通信的目的是传送包含消息内容的信息。

工业监控、地震预报、高效农业、交通监控、军事侦察、市场信息、股市分析、新闻传媒……信号与信息技术

消息、信息和信号三者的关系:

借助于某种信号形式，传送各种消息，使受信者获取消息中的信息。信源的作用是产生(形成)消息消息带有送给收信者的信息（通信最终目的是传递信息）信息是经加工为特定形式的数据，这种数据对接收者有意义，而且对当前和将来的行动或决策具有实际价值。可见:

①信息是一种被加工过的数据; ②信息对于决策是有价值的。

数据：把消息按一定规则结构形式表示出来，包括模拟与数字两种形式。数字数据是只取有限个离散值的数字序列。对于通信系统，数据是具有特定含义的电量或取值的信号序列，并能由数据通信系统进行传输。我们可以将以上关系比喻为： 信号是车，消息（媒体）是路，信息是货例如，北京园博会现场的记者用摄像机、话筒记录下现场实况的大量图像和声音—消息；官员的活动、各国场馆展现的界各地地域风光—信息；接下来发信者把图像、声音转换成电磁波等—电信号，通过卫星电视、广播等传送到世界各地。①、模拟信号与数字信号:模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度、频率或相位随时间连续变化;.模拟信号与数字信号的区别模拟信号(AnalogSignal)通常用一系列连续变化的电磁波或电压信号表示；

数字信号(DigitalSignal)通常用断续变化的电压脉冲来表示。模拟信号与数字信号之间的相互转换模拟信号通过PCM

(PulseCodeModulation)码调制法量化为数字信号，例如采用8位编码可将模拟信号量化为256个量级，数字信号一般通过对载波进行移相(PhaseShift)的方法转换为模拟信号。

2、信号的主要概念②.模拟信号的数字传输 PCM脉冲编码调制是目前用得比较广泛的模拟语音信号数字化的方法，主要包括抽样、量化与编码三个过程。抽样是把时间连续的模拟信号转换成时间上离散、幅度连续的抽样信号;量化是把时间离散、幅度连续的抽样信号转成时间离散、幅度离散的数字信号;编码就是把抽样并量化的量化值变换成一组二进制码组的过程，此时信号称为PM信号。编码后的二进制码组经数字信道传输，在接收端，经过译码和滤波，还原为模拟信号。模拟信号数字化的过程模拟信号抽样信号量化信号数字信号幅值随时间连续变化的连续时间信号幅值量化后用二进制代码表示的离散时间信号7信息技术基础8信息技术基础无论信号多么复杂，其数据可以表示成时间的函数，“信号”与“函数”常常相互通用。2.时间信号的分类信号

确定性信号

随机信号连续信号离散信号周期信号非周期信号正弦信号非正弦信号⑴、确定性信号和随机信号按信号是否可以预知划分确定性信号---可以表示成确定时间函数的信号如f(t)=2cos2πt

等。随机信号---只能知道在某时刻取某一数值的概率， 不能表示成确定时间函数的信号。9 通常除了专用设备发出的有规律的信号外，通信系统传输的信号都是随机信号。 本部分内容只涉及确定性信号。⑵、连续信号和离散信号②离散信号---在某些不连续时间有确定数值的信号，在 这些离散时刻以外的时间，信号是无定义的。信息技术基础11离散信号与数字信号的区别

离散信号---时间离散，幅值连续 数字信号---时间幅值均离散连续信号与模拟信号的区别

连续信号---时间连续，幅值可以不连续 模拟信号---时间幅值均连续①连续信号---在某一时间范围内，对于一切时间值除了 有限个间断点外都有确定函数值的信号f(t)。⑶、周期信号和非周期信号连续周期信号满足:离散周期信号满足:非周期信号是不满足周期信号特性、不具有重复性的连续或离散信号。当周期信号的周期为无穷大时，周期信号就变成了非周期信号。12信息技术基础按信号是否具有重复性划分不具有周期性的信号称为非周期信号。描述信号的常用方法 （1）函数表达式f(t) （2）波形图二、模拟信号了解基本信号特征，有助于分析复杂信号。⑴、直流信号

定义：1、模拟信号与信息15⑵、正弦信号定义： 放大器中，三级管集电极电流就是直流信号和交流信号的合成．作为电路的电源时，阶跃信号的作用相当于在t=0时接入单位直流电源，且保持不变。⑶、单位阶跃信号阶跃信号的物理实现即：函数在t=0处发生跃变，数值1为阶跃的幅度，若阶跃幅度为A，则可记为Aε(t)。延迟to后发生跃变的单位阶跃函数可表示为：在负时间域幅值恒定为1而在t=0发生跃变到零的阶跃信号可表示为:*、门信号

阶跃信号可以组成另一个有用的信号定义：注意：门信号的幅值恒定为1，门的宽度（又称脉宽），位置（t0）是可以任意选定的。门信号也可以用来截取信号，任意信号与门信号相乘以后都只保留了门信号中信号宽度部分。如图(b),(c)所示的门信号分别表示为：斜坡信号也可以借助阶跃信号简捷地表示为(4)、斜坡信号

定义：通常，斜坡信号是指从某一时刻开始随时间按比例增长的信号。*、单位冲激信号

近代信息技术中的重要信号。

物理现象：出现的时间极短，产生的函数值很大，但效能不变。冲激信号定义：仅存在于t=0的瞬间，幅度为无限大，在图像上用箭头表示；同时，积分结果为１，图象中用(1)表示。通常把该值称作“冲激强度”（即：与横轴围成的面积）。电容上的电荷应是电流的积分值，即：设：电容电压初始值为零，充电电流从起始值开始按指数规律下降。即：例如：RC串联电路接通直流电源的情形。这1库仑的电荷恰是曲线下的面积这意味着在t=0瞬间电源以无穷大电流给电容充电例如：RC串联电路接通直流电源的情形。(5)、指数信号

指数信号的表达式:

①、实指数信号式中为实数，波形与的大小有关。当时，信号随时间的增长而增长；当时，信号不随时间变化；当时，信号随时间的增长而衰减。信号f(t)和的波形有时是不同的。常用的实指数信号是单边的可以用阶跃信号和实指数信号相乘获得。，则成为虚指数信号;

若ω=0，则成为实指数信号。26②、复指数信号

将实指数函数中的因子更换为一个复数Ｓ时就得到了复指数：根据欧拉公式：

指数信号可以表示为：

27信息技术基础复指数函数的实部包含了信号的余弦分量；虚部包含了信号的正弦分量。当为等幅振荡；Ｓ的虚部表征了正弦和余弦振荡的角频率：当时Ｓ是实数，复指数就成了实指数信号。 的实部表征了正弦和余弦振荡随时间变化情况：当为减幅振荡；当时为增幅振荡；复指数信号虽然不能实际产生出来，但是他概括了多种情况，可以用它来描述各种基本信号。不仅如此，还可以利用复指数信号简化许多运算和分析。因此，在信号分析中，复指数信号是最重要的基本信号。根据的不同取值，复指数信号可表示为下列几种特殊信号：1．当时，为直流信号；不难证明是周期为的周期信号。3．当时，为正弦指数信号．2．当时为实指数信号复杂信号可用简单信号运算获得

①、相加与相乘

设有信号

二者之和为

任意时刻的值是两信号在该时刻值的和,可件见结果为门信号。30信息技术基础2、模拟信号的运算关系信息技术基础

设有信号

，

则二者之积为

32信息技术基础反转延时②、反转与延时

将信号的自变量t换为-t，可得到另一个信号，这称为信号的反转。 将信号的自变量t换为t±t0，可得到另一个信号，这称为信号的延时。③、压缩与扩展

若将信号的自变量t换为at（a为正实数），则信号将在时间尺度上压缩或扩展。

33信息技术基础a>1压缩a<1扩展④、微分与积分

设信号的微分表示为：

的积分表示为：34对于斜坡函数，其导数为阶跃函数反之单位阶跃函数的积分为斜坡函数：35信息技术基础。例如，对于图所示信号，可表示为：3、模拟信号的频谱本部分以正弦函数(余弦函数亦统称为正弦函数)为基本信号，分析常用的周期信号的频率特性表示方法。由于数学上的欧拉公式可知：

分解工具是傅里叶级数(对周期信号)和傅里叶积分(对非周期信号)。利用信号的正弦分解思想，系统的响应可看作各不同频率正弦信号产生响应的叠加由于在信号分析中所用的独立变量是频率，故称为频域分析。(1).周期信号的频谱分析周期信号是定义在(-∞，∞)区间内，每隔一定周期T按相同规律重复变化的信号，它们可一般地表示为：当周期信号满足狄里赫利条件时，可用傅里叶级数表示为三角函数：傅里叶级数还可以写成：其中：不同周期信号的谐波构成情况是不相同的，例如图示的典型周期信号经过傅立叶级数分解后的谐波分量描述形式分别为:图8-2-4方波信号的谐波叠加随着谐波次数k的增加，方波信号各个谐波的幅值按照的规律衰减，而它们的初相位却保持不变。结论:周期信号频谱是离散的频谱。信号的幅度频谱随着谐波次数的增高而迅速减小。⑵、非周期信号的频谱

非周期性函数不能直接用傅氏级数表示。但是把非周期函数看作一种在周期趋于无限大的周期函数时，求出其极限形式的傅氏级数展开式，就得到了表示这种非周期函数的傅氏积分公式。根据傅式级数的指数式其中：

的频谱是的函数，且为线状的，其相邻间隔(频率差)为当T越来越大时，Ck的值及相邻谱线的间隔就越来越小，谱线就变成连续的，即Ck为的连续函数。而其幅度，将趋于无限小。我们定义：当T→∞时，，而相邻谐波之间的频率差也越来越小，而相邻谐波之间的频率差也越来越小，现在可以把看作是一个连续变量ω。这样取极限时上式可以写成傅里叶积分正变换傅里叶积分反变换非周期函数傅里叶变换对43信息技术基础①、门函数的频谱

对gr(t)进行傅立叶变换

令：44信息技术基础②、冲击信号的频谱

可见，冲击函数的频谱是连续的均匀频谱。从而有变换对：45信息技术基础③、直流信号的频谱为t的偶函数，则可以表示为单位直流信号的频谱是结论⑴、非周期信号的频谱是连续频谱。(2)、若信号在时域中持续时间有限，则其频谱在频域将延伸到无限，这可简单地称为时间有限，频域无限。(3)、信号的脉冲宽度越窄则信号的带宽越宽。习题１：周期信号中的谐波信号是(A)离散时间信号 (B)数字信号(C)采样信号 (D)连续时间信号习题２：周期信号中的谐波信号频率是(A)固定不变的 (B)连续变化的(C)按周期信号频率的整倍数变化 (D)按指数规律变化习题３：周期信号的频谱是(A)离散的 (B)连续的(C)高频谐波部分是离散的，低频谐波部分是连续的(D)有离散的有连续的无规律可循(D)(C)(A)4、模拟信号的处理信号是信息的载体，信号的处理服从于信息处理的需要， 信号的放大处理为的是信息的增强； 信号之间的算术运算、微分积分运算等是信息的变换； 信号的滤波、整形等则在于信息的识别和提取。(1)、模拟信号增强（放大）的要求—重点克服几个问题：①非线性问题器件本身的非线性特性无法严格保持信号放大过程的线性变换关系，这导致信号放大之后出现波形的畸变(失真)。②频率特性问题储能元件的影响，不能保证信号中的各次谐波成分获得同等比例的放大效果，这导致放大后信号的谐波组分或频谱结构发生改变。③噪声与干扰问题电路内部的噪声和外部的干扰信号导致放大后的信号中夹杂着其他的信号，严重时会淹没放大信号本身，导致无法对信号进行识别和应用。2/6/2023BGD--xuyisheng(2)、模拟信号滤波从模拟信号中滤除部分谐波信号叫做滤波。滤波是从模拟信号中消除无用信的重要手段。按照滤波电路的工作频带命名： 分为低通滤波器(LPF) 高通滤波器(HPF)、 带通滤波器(BPF) 带阻滤波器(BEF)(3)、模拟信号变换在模拟系统中，信号的相加、相减、比例、微分及积分变换是常见的几种信号变换。从信息处理的角度看，信号变换是从信号中提取信息的重要手段，例如：信号加减提取信息，通过比例变换增强信息，微分变换提取信号时间变化率信息，从积分变换提取信号对时间的累积信息等等。(4)、模拟信号识别从信息的角度讲，信号识别是剔除夹杂在信号中的各种伪信息并保留原来的信息。各种滤波器特性都是非理想的，所以对于与信号频率相近的夹杂信号，滤波方法无能为力。增强有用信号自身的强度，也是一种信号识别的常用方法。但是，对于微弱信号，由于电子噪声信号也随着信号的增强而增强，这种方法的效果是有限的。模拟信号识别的实际系统图a：原始的调幅信号图b：经过单向导处理后 的调幅信号图c：滤波器滤除高 频载波信号后的信 号图d：滤除直流信号 提取出来的真实信 号。（2009年）91、图a所示电压信号波形经电路A变换成图b波形，在经电路B变换成图c波形，那么，电路A和电路B应依次选用：（A）低通滤波器和高通滤波器（B）高通滤波器和低通滤波器（C）低通滤波器和带通滤波器（D）高通滤波器和带通滤波器生物医学信号处理应用举例滤波以前干扰严重滤波以后干扰去除三、数字信号与信息

数字信号。在电路中，它往往表现为突变电压或电流，并且只有两个可能的状态（高电位１低电位０）。数字电路中的二极管和三极管多数工作在开关状态。利用导通和截止两种不同的工作状态，代表不同的数字信息，完成信号的传递和处理任务。研究对象是输入信号和输出信号之间的逻辑关系。需要使用新的代码和数学工具，即逻辑代码和逻辑代数。2/6/2023BGD--xuyisheng信息技术基础㈠、数制和代码1几种常用进制2.代码

8421码、 2421码、 5211码、

余3码、余3循环码 ASCII码数制（由低位向高位进位的规则）十进制Decimal、二进制Binary、十六进制Hexadecimal、八进制Octal2023/2/6BGD--xuyisheng十进制数可以表示：N进制数可以表示成：十进制：以十为基数的记数体制，逢十进一例如：123.45=1×102+2×101+3×100+4×10-1+5×10-2系数基数权十六进制：二进制：Ｋ＝0,1(101.11)2=1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-2=(5.75)10(2B.6F)16=2×161+11×160+6×16-1+15×16-2=(43.43359)10

2023/2/6BGD--xuyisheng3、数制转换⑴、二－十转换例：(1101.01)2=1×23+1×22+0×21+1×20

+0×2-1+1×2-2=(13.25)10

例1:将(25.8125)10转换为二进制数解:分别转换(25)10＝(11001)2

；除法

(０.8125)10＝(0.1101)2 ; 乘法⑵、十－二转换2023/2/6BGD--xuyisheng⑶、十六进制数与十进制数的转换

十六进制转换为十进制

十进制转换为十六进制：通过二进制转化或者按照公式转换。例2、(8FB.C5)16=8×162+15×161+11×160

+12×16-1+5×16-2

=(2299.7695)10

2023/2/6BGD--xuyisheng⑷二进制数和十六进制数的转换从低位开始，每4位二进制数可以写成1位十六进制数。从低位开始，每1位十六进制数可以写成4位二进制数。例3：10101001011B=8AH=10001010B

54BH在数的表示方面，常用十六进制数表示二进制数，使之更加简练。2023/2/6BGD--xuyisheng60、(70)10的二进制数是（ ）

A、(0011100)2

Ｂ、(1000110)2

Ｃ、(1110000)2

Ｄ、(0111001)2

61、将(10010.0101)2转换成十进制数是（ ）

A、36.1875 B、18.1875

C、18.3125 D、36.3125

62、将(11010010.01010100)2表示成十六进制数是（）

A、(D2.54)H B、D2.54

C、(D2.A8)H D、(D2.54)BBCA2023/2/6BGD--xuyisheng4、二进制数运算无符号数：全部位表示真值。默认为正数。1）有符号数与无符号数

有符号数：用最高位表示符号,其余表示真值。

0——+（正）； 1——-（负）例4：用8位二进制有符号数表示下列数

+38=-73=00100110B=26H11001001B=C9H2023/2/6BGD--xuyisheng2）有符号数的原码

用符号+真值的方式表示:[X]原3）有符号数的反码[X]反对于正数，[X]反=[X]原对于负数，符号不变其余各位取反 （01，10）。对于n位二进制数，反码的范围是

（1-2n-1

）——（2n-1-1）如，n=8,则反码范围是 -127—127（10000000—01111111）2023/2/6BGD--xuyisheng4）补码的运算补码运算，可以将减法变为加法运算，使运算更为简单。运算规则：2023/2/6BGD--xuyisheng补码运算：负数的补码=数值位逐位求反(反码)+1

如+5=（00101）

-5=（11011）通过补码，可以将减法运算转化为加法运算。即：减去一个数用加上该数的补码来实现2023/2/6BGD--xuyisheng例5：用补码运算25+（-46）=（25）补=00011001（-46）补=（10101110）补

=(11010010)B00011001+1101001011101011（11101011）补

=10010101=-21-212023/2/6BGD--xuyisheng例：用二进制补码运算求出13＋10

、13－10、－13＋10、－13－10结论：将两个加数的符号位和来自最高位数字位的进位相加，结果就是和的符号解：2023/2/6BGD--xuyisheng6）运算中的溢出问题溢出：当运算结果超过了数的表示范围，使 符号发生了变化，称为产生了溢出。例6：-23-123=-146<-128-----8位二进制数有溢出

[-23]补+[-123]补=

111010011000010101101110X2023/2/6BGD--xuyisheng溢出的判断——双进位法设次高位向最高位的进位为Cs， 最高位向上一位进位为Cs+1， 溢出为“OV”，则有：OV=CsCs+1规律：同号相减或异号相加无溢出；同号相加或异号相减可能有溢出也可 能无溢出。1110100110000101011011102023/2/6BGD--xuyisheng例7：1110100110000101101101110[-23]补+[-123]补Cs+1=1Cs=0OV=CsCS+1=01=1结论：有溢出，应增加位数。2023/2/6BGD--xuyisheng不同的数码可用来表示不同的事物。这些数码并不表示数量大小，只是表示不同事物的代号而已。为了便于记忆和处理，在编制代码时总要遵循一定的规则，这些规则就叫做码制。在4位二进制数码表示1位十进制数的0-9这十个状态时，就有多种不同的码制。通常将这些代码称为二—十进制代码，简称BCD(BinaryCodedDecimal)代码。5.数字信号的代码

2023/2/6BGD--xuyisheng⑴.几种常用的BCD码十进制数8421码余3码2421码5211码余3循环码0123456789000000010010001101000101011001111000100100110100010101100111100010011010101111000000000100100011010010111100110111101111000000010100010101111000100111001101111100100110011101010100110011011111111010102023/2/6BGD--xuyisheng8421BCD码

8421BCD码是有权码。各位的权值分别为8、4、2、1，虽然8421BCD码的权值与四位自然二进制码的权值相同，但二者是两种不同的代码。8421BCD码只是取用了四位自然二进制代码的前10种组合。余3码 余3码是8421BCD码的每个码组加0011形成的。余3码各位无固定权值，故属于无权码。

★如果将两个余３码相加，和数为１０时，正好等于１６进制的１０Ｈ，于是便从高位自动产生进位信号。

★在余三码中0-9,1-8,2-7,3-6,4-5互为反码，便于求对于１０的补码。

2023/2/6BGD--xuyisheng5211码

恒权代码。学了计数器的分频作用后可以发现，如果按8421码接成十进制计数器，触发器输出脉冲对于计数脉冲的分频比从低位到高位依次为5:2:1:1。这种对应关系在构成某些数字系统时很有用。余3循环码变权代码，每一位的1在不同代码中并不代表固定的数值。特点是相邻的两个代码之间仅有一位的状态不同。因此，按余3循环码接成计数器时，每次状态转换过程中只有一个触发器翻转，译码时不会发生竞争冒险现象。2421码

恒权代码它的0-9,1-8,2-7,3-6,4-5也互为反码，这一点与余3码相仿。2023/2/6BGD--xuyisheng⑵.BCD码与ASCII码 都属于编码问题1）BCD码 用二进制表示十进制数。 形式上是二进制数，本质上是十进制数。 例如：58D=01011000B=58H26D=00100110B=26H 58+26=84=10000100B=84H2023/2/6BGD--xuyisheng注意：因为本质上是十进制所以：有十个有效码： 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9 在用二进制或16进制表示时，出现A，B，C，D，E，F都属于非法码。在运算中，遵循逢十进一的原则。在运算中出现非法码需要修正。2023/2/6BGD--xuyishengBCD码的表示常用8421码表示。BCD码用两种基本形式： 压缩BCD码和非压缩BCD码. 压缩BCD码:用4位二进制表示一位BCD码。 例如：123=000100100011 非压缩BCD码：用8位二进制表示一位BCD码 例如： 123=0000000100000010000000112023/2/6BGD--xuyisheng(2009年）88、七段显示器的各段符号如图所示，那么，字母“E”的共阴极七段显示器的显示码abcdefg应该是：（A）1001111（B）0110000（C）10110111（D）100010012023/2/6BGD--xuyishenggfedcba

半导体数码管

由七段发光二极管构成a

b

c

d

e

f

g

01100001101101低电平时发光高电平时发光共阳极接法abcgdef+dgfecbagfedcba共阴极接法abcdefg2023/2/6BGD--xuyishengASCII码ASCII是AmericanNationalStandardCodeforInformationInterchange美国国家信息交换标准代码的简称。常用于通讯设备和计算机中。它是一组八位二进制代码，用1～7这七位二进制代码表示十进制数字、英文字母及专用符号。第八位作奇偶校验位（在机中常为0）。2023/2/6BGD--xuyishengASCII码DELo_O?/USSI1111~n^N>.RSSO1110}m]M=-GSCR1101|l\L<,FSFF1100{k[K;+ESCVT(home)1011zjZJ:*SUBLF(linefeed)1010yIYI9)EMHT(tab)1001xhXH8(CANBS1000wgWG7’ETBBEL(beep)0111vfVF6&SYNACK0110ueUE5%NAKENQ0101tdTD4$DC4EOT0100scSC3#DC3ETX0011rbRB2”DC2STX0010qaQA1!DC1SOH0001p`P@0SPDLENUL(null)0000111110101100011010001000b4b3b2b1b7b6b52023/2/6BGD--xuyisheng6数字信号的存储

数字信号的存储问题简单的说就是只要将0或5V信号数字电压按原来的顺序保持在一个电路中即可。当前数字系统中普遍采用的信息存储器正是根据这种简单的方案设计制作的。（市场上：ROM、RAM…)便于存储是数字信号得到广泛应用的一个重要原因。相比之下，模拟信号由于是连续取值的信号，它的存储在技术上十分困难，这个问题尚未得到理想的解决方法。2/6/2023BGD--xuyisheng信息技术基础四、模拟信号与数字信号的相互转换模拟信号真实地反映原始形式的物理信号，是信息处理的主要对象，而数字信号是信息的编码形式，可以用电子电路或电子计算机方便、快速地对它进行传输、存储和处理。将模拟信号转换为数字信号，从而将模拟信号问题转化为数字信号处理，是现代信息技术中的一项重要内容。现代数字化信息系统的基本组成。2/6/2023BGD--xuyisheng信息技术基础采样信号是一种可连续取值的离散时间信号。

采样过程在采样脉冲的控制下进行，它的基本原理如图示：2/6/2023BGD--xuyisheng信息技术基础1、信号的采样与采样定理

采样信号是一种可连续取值的离散时间信号。

采样过程在采样脉冲的控制下进行，它的基本原理如图示：采样脉冲的频率称为采祥频率。采样定理：采样频率为被采样信号带宽的2倍以上通常在采样之前需要对模拟信号进行预处理，包括滤波、放大等，以消除经过传感器变换或其他系统噪音带来的干扰，并增强模拟信号的幅值;在采样之后也要对离散的采样信号进行滤波处理。以保证采样后的信号不丢有用信息的重要措施。2/6/2023BGD--xuyisheng信息技术基础2、数字/模拟转换

(D/A:Digital-to-Analog)