模拟信号和数字信号

/*****出自新概念模拟与对话*****/

任何一段音乐，都是一个随时间连续变化的信号，如图 1(a)所示。它本身具有如下特点：第一，在时间轴上，信号是连续的，即每一个时间位置都具有确定性的信号存在。第二，在纵轴上也是连续的，即其任何一点的实际信号值都是无限精细的。这种信号，我们称之为模拟信号。世上任何客观存在的信号，都是模拟信号。 

将这样的信号，用机器压制到一个塑料唱片上，就形成了对音乐信号的记录。将这个唱片放入留声机中，唱针位置不动而唱片匀速运动，就导致唱针上下运动，引起喇叭发出 与音乐完全相同的声音信号，如图 1(b)。理论上这个记录、重现的过程，是完全保真的。

但是这种方法的弊端也是巨大的：随着唱片播放次数的增加，唱针对唱片上的形状会 带来磨损，导致一些原本尖锐的形状就会变得圆滑，使得声音的高频分量越来越小。 

现今能够保存模拟音乐信号的媒介只有唱片和磁带，都存在上述弊端。

如果能够将音乐信号用数字记录在纸上或者其它数字媒介上，那么它将永远不会被磨损。记录方法是：以固定采样率，比如 10μs 一次，对音乐信号进行采样，获得每个采样点 音乐信号的量化值，按照顺序记录这些量化值，就永久性的保存了音乐信号。图 1(c)中， 红色样点在外形上基本与原始音乐信号吻合，记录成数据依次为：0，99，189，255，190， 101，0，……-44，0。这些被记录的数字，就是数字信号。

数字信号有两个特点：第一在时间轴上，它是离散的；第二，在纵轴上，它是被量化的。如果在时间轴上的离散点特别细密，比如由10μs 采样一次改为1ns 采样一次，并且在纵轴上的量化是无限精细的，比如图中的99 变为98.8547823，那么它可以非常接近原始信号。当然，这样的后果是，原本两行数字就可以完成的信号记录，就会写满几十页纸。

没有人会把数字信号记录在纸上，这太费事了。实际上，数字信号可以用多种媒介保存，比如计算机的存储器、硬盘、U 盘、SD 卡、光盘等。大家广泛使用的 MP3 播放器， 就是利用数字信号存储和回放的。它以192ksps 的采样率，16 位以上的量化分辨率对音乐信号进行数字化，基本可以保证音质不受影响。当然，如果你想听到更加逼真的音乐效果， 可以采用更高的采样率，更高位数分辨率，使其时间轴和纵轴均非常细密，这样的话，一 首几分钟的歌曲，可能会占用多达 GB 的存储容量，而现在一般的 MP3 歌曲，一首歌只有 大约几 MB 的存储容量。

将原本连续的模拟信号转变成离散、量化的数字信号，虽然可能带来一些微弱的失真， 但是由此引发的好处是非常多的。第一，它不会被磨损，数字信号是以二进制 0、1 的形式 保存的，当一个 1 被磨损的快要变成 0 时，你可以轻松把它重新写为 1。第二，可以使用 各种各样的算法对原始数字信号进行后期处理，比如手机中的魔音技术，可以将男人说话 的声音变为女人说话的声音。第三，它可以被精准访问。在录音机中要想准确从某个句子 开始重复读音，困难很大。但是数字 MP3 播放器，可以精准定位在某个确定的位置。

正因为如此，越来越多的的电子设备开始采用数字化技术。其核心是先用一种叫做 ADC（模数转换器）的部件，将模拟信号转变成数字信号，处理器按照设计者的意愿，对 这些数字信号进行各式各样的复杂处理，然后再通过一种叫 DAC（数模转换器）的部件， 将数字信号转变成模拟信号，驱动喇叭发出声音。