数字化的基本概念

2．3．1　数字化的基本概念

1）模拟信号和数字信号

模拟信号是指各种振幅随时间连续变化的信号。不论是声音的变化、电压电流的变化、灯光亮度的变化、图像的明暗和色彩的变化等都是连续变化的信号，属于模拟信号。长期以来，在通信、音响、照明和视频等领域中，人们都是把声音、色彩、亮度和电压电流等信号在原来的模拟状态下，直接进行传送、记录、重放以及进行其他加工处理，这些都属于模拟技术的范畴，被分别称为模拟音频技术、模拟通信技术、模拟视频技术、模拟灯光控制技术等。模拟信号能真实地反映自然界的本质，但不易控制和处理。

随着信息技术的进步，数字技术得到发展，最先是应用在通信领域，随后在音频、视频和照明等许多领域中都开始了数字化的进程，并获得飞速的发展。数字化获得迅速发展的主要原因在于数字化信息与模拟化的信息相比，在存储、检索、处理、传输和利用等各个方面都有着无可比拟的优越性。例如在音频技术中，数字音频系统的频响、动态特性、信噪比等指标远远优于模拟音响系统，而且可以方便地实现多路传输。而在照明控制技术中，数字调光控制系统在减少传输线的数量、提高抗干扰能力和调光精度以及实现遥控、自控等方面的性能也远优于模拟调光控制系统。

2）模拟信号的数字化

把模拟信号转换成数字信号并采用数字化方法进行传送、记录、重放及其他加工处理的技术，称为数字技术。例如数字通信技术、数字音频技术、数字视频技术和数字灯光控制技术等。

信息数字化包含两个方面的内容:一方面是把模拟信息转换成数字化信息，即模－数转换（A／D转换）；另一方面是把数字化信息还原为模拟的信息，即数－模转换（D／A转换）。

把模拟信号转换成数字信号的方法很多，其中脉冲编码调制（PCM）是数字化最基本的技术。所谓PCM，简单地说是把连续变化的模拟信号，每隔一定时间切取一段，将切取的值用一组二进制数（0和1）编成的码表示，从而将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。

3）A／D转换

模拟信号数字化转换过程（即PCM）的步骤有三个，即采样、量化、编码。

下面以声音信号的数字化为例，说明模拟信号数字化的三个步骤。灯光控制技术的数字化由于其工作频率与音频较接近，频率更低，所以情况基本相同。

（1）采样（sampling）:又称抽样或取样。把声音在时间上连续变化的信号波形每隔一定时间观察、记录一次，形成具有时间上不连续的分散的观察值，这个观察值称为样本采样值，用这些样本采样值替换原来连续信号波形的过程称为采样。每秒采样的次数越多，亦即采样频率越高，则样本采样值之间的间距越窄，此时D／A转换后的波形越接近于原来的连续信号波形。

（2）量化（uantization）:把幅度连续变化的样本采样值变换为以一定间距数表示的有限样本采样值的过程称为量化。量化是按四舍五入原则对采样后的样本采样值进行计量的。量化的分层数越多（即量化级差Δ越小），则D／A转换后的波形越接近原来的连续信号波形。

（3）编码（coding）:把量化了的样本采样值转换为二进制码的过程，称为编码。把编码后的数字信号恢复为原来的模拟信号的过程称为解码（decode）。

从上面介绍可知，增加每秒采样的次数（提高采样频率）和加大量化位数（量化的分层数增多），都可以提高波形数字化的精度。但记录、重放设备的频带宽度也成比例地增大，从而增加了成本和技术难度。