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我们在实际生产生活中接触到的各种信号，如耳朵听到的声音信号、电话机送出的语音电流信号、摄像机输出的图像信号、车间控制室记录下的压力、流量、转速、温度、湿度等等信号都是模拟信号。由于它在时间或取值上往往是连续的，即在一定的时间间隔或取值幅度内有无限多个值，或者说它们的取值是连续的时间函数，因此，模拟信号通常又称为连续信号。
例如，电话是利用送话器把声音变成电流的。人对着送话器讲话时，送话器中的碳粒电阻就会随着声振动而改变，因此也就改变了送话器上的电流。这电流的变化与声振动相一致，反映着声音的信息，我们就把这种电流叫做声音的电信号。由于它“模拟”着声音的变化，所以我们称它为“模拟信号”。这种信号在时间和幅度上都是连续的。
然而，模拟信号存在一个很大的缺点，即由于受外部环境或电路本身的影响，在外界于扰、仪器老化、多次复制、或长途传输的情况下，容易产生失真。怎样才能避免信号的失真呢？人们想出了用数字技术来表示实际的模拟信号的办法。
那么，什么是数字技术？它怎样表示模拟信号？数字技术有什么优点呢？
数字技术是用离散的、不连续的值表示信号的技术。用数字技术表示的信号叫数字信号，也叫数码信号。
在用数字技术表示信号时，一般使用的是二进制数。二进制是“逢二进一”的计数制，它只有“0”和“1”这两个数字符号。为什么要使用二进制数呢？因为它具有许多优点，一是设备容易实现，它的“l”和“0”两个值，正好对应着设备的开、关或电位的高、低或脉冲的有、无这两个状态，这在电路上实现起来非常方便。二是它运算简单，二进制数的所有的运算都可以简单地归结为少数几条规则：0＋0=0，0＋1=l，1＋1=10，0*0=0，0*1=0，1*1=1等，在利用电子计算机处理信号时非常简捷，能够高速率的处理和传送信息。
那么，实际信号怎样用数字技术来表示，即取值连续的模拟信号怎样用不连续的0、l两个值来表示呢？
从模拟信号转换成数字信号，这叫“模／数转换”，也叫“A／D转换”。这种转换是经过“采样”、“量化”和“编码”来完成的。见图2－21。它表示的是将模拟信号转换成数字信号的过程。为简单起见，假定采用3位二进制编码。图中横坐标表示时间，纵坐标表示信号的幅度，图中曲线即为一个模拟信号。
①采样：
“采样”就是对模拟信号每隔一个固定的时间间隔取一个样本值。好比在拍摄电影时，不必要也不可能用胶片把演员的连续动作全部拍摄下来，只是按一定的时间间隔拍摄下一幅一幅不连续的离散的画面，每幅画面只是取出了演员动作在某一瞬间的“样子”，这就是“取样”。只要取样的时间间隔足够短，如每秒取样不少于24幅，那么，在放映时，由于人的眼睛有视觉暂留的特性，在银幕上看到的就不是一幅一幅离散的画面，而是连续的动作了。与此类似，要传输一个声音信号，不必像传送模拟信号那样把信号各个瞬时的声波幅度都连续地送出去，而只需要每隔一定的时间间隔对信号取一个瞬时值传送出去就可以了。如图2－21（a）每隔一定的时间间隔取一个值（叫样本值），这样得到的一系列值在时间上就是不连续的了。
显然，采样时间间隔越短，所取的一系列值就越能精确的反映原来的模拟信号。否则，采样时间间隔太长，就会使原信号失真。每秒钟采样的次数叫做采样率。采样率越高即采样时间间隔越短，采样率越低即采样时间间隔越长。那么，采样率要达到多高才能较好地反映出原来的声音呢？根据理论分析和实践证明：为不使原波形产生“半波损失”，采样率至少应为信号最高频率的两倍，这就是著名的采样定理Nyquist（奈奎斯特）定理。音乐录音常用的采样率为22。05kHz、44。1kHz、48kHz等，采样率越高声音质量越好。与音乐相比，人类语言和电话信号的最高频率相对较低，可以经济的选用较小的采样率。
经过取样后，信号就成为时间上离散的、不连续的了。但它仍然是模拟信号，样本的大小仍然是连续的，仍有无限多个可能取值。作为模拟信号，它没有也不必要将各个瞬时的大小用数字表示出来，只要将这些大小输送出去或储存下来就行了，而作为数字信号，还必须用数字表示出来，数字则一般采用二进制数码。为此，必须进行量化。
②量化：
由于检测器的灵敏度有限和传输中噪声的干扰，没有必要传送一个个样本值的准确大小，只要按照容许的误差将样本大小进行量化分层近似即可。首先要把样本的无限多个连续的取值可能变为有限个间断的取值可能。如图2－21（b），将纵坐标上幅度的最大变化范围对应3位二进制数码分为23=8个层级。即0、1、2、3、4、5、6、7。然后用四舍五入的方法将样本大小用其接近的分层级来代替，这个过程叫做“量化”。如图2-21（b）中对应于时刻t1、t2、t3、t5、t6、t7的样本值分别代替为2、2、0、3、7、6、3。模拟信号经过抽样、量化，在时间、幅度上都离散化了，不连续了。
显然，所分的层数越多，即二进制码的位数越多，则对原模拟信号反映的精度就越高，对于声音信号来说，记录的声音质量就越好。图2－21采用3位二进制编码，只分23个层级，其精度只有1／23，即1／8；如用8位二进制编码，则可分28个层级，精度可达1／28，即1／256。而用16位记录的声音质量又比8位记录的声音质量好得多。当然，二进制码位数的多少受到技术上的限制，常用8位、12位、16位、32位、64位等，现在已能达到128位了。
③编码：
将经过抽样、量化后的样本值用二进制的代码表示，如图2－22（C）中的样本值2、2、0、3、7、6、3用二进制数码表示就是010、010、000、011、1ll、110、01l，并按一定规则顺序排列形成脉冲序列，这就是“编码”。这样就生成了以数字信号表示的信息。当然，也可以用多进制的代码表示，但设备实现起来及运算时不如二进制方便。
在实际过程中量化和编码是同时进行的。量化、编码过程有多种方法，这里举一种叫做“串行编码”的方法。
若采用N位二进制码表示，则总层数为2N，量化和编码电路中会产生一组按二进制递减的电流值2N／2、2N／4、2N／8、……4、2、1，用作与样本值作比较的“砝码”。并将样本值与这些“砝码”作比较，根据结果做出0或1的判断。
第一次取“砝码”的值为总层数的一半，即2N／2，将样本值与它比较，产生第一位码：若样本值大于或等于砝码值，则输出高电位，即第一位码为“1”，并且从样本值里减去此砝码的值后，进行第二次比较；若样本值小于此砝码值，则输出低电位，即第一位码为“0”，接着进行第二次比较。
第二次取“砝码”的值为第一次砝码的一半，即2N／4，将第一次比较后剩下的样本值与它比较，产生第二位码：若剩下的样本值大于或等于第二次砝码值，则输出高电位“1”，并且从剩下的样本值里减去第二次砝码值后，进行第三次比较；若剩下的样本值小于第二次砝码值，则输出低电位“0”，接着进行第三次比较。
第三次取“砝码”的值为第二次砝码的一半，即2N／8，将第二次比较后剩下的样本值与它比较，产生第三位码。
这样逐次下去，直到最后一次砝码变为1，多次比较产生多位码。
例如，假设某样本值为5，采用3位二进制码，总层数为23=8因此“砝码”值依次为4、2、1，共3次比较。第一次与4比较，5大于4，得第一位编码为“1”，井减去4，剩下的值为5大于4=1；第二次与2比较，l小于2，得第二位编码为“0”；第三次与1比较，它等于1，得第三位编码为“l”。编码完毕，得到用二进制数码表示的样本值“101”。
还有一种“计数式编码”的方法。用一个斜坡电压发生器依次产生1、2、3、4、5、6、7、8……等台阶式的电压值，用以逐步逼近样本值，在逼近期间用二进制计数器记录上升台阶的次数，当斜坡电压上升到与样本值相等时，二进制计数器停止并输出记录次数的脉冲编码。就这样，完成了编码。
与模拟信号比较，数字信号有许多优点。数字信号有抗外界于找的优点。信号在传输或复制过程中会混入一些干扰，对于声音信号则会增加噪声。而在数字电路中，由于数字信号只有1和0两个值，对应着有矩形脉冲和没有脉冲（零脉冲），这种简单的波形很容易识别。即使受到干扰，波形“走样”，我们也不必关心波形的精确形状，只要处理电路能识别原信号中的两种状态，就可以把原信号再生出来，而不会将噪波传给下一个媒体。见图2－22。
数字信号还有在信号处理中失真小的优点。模拟电路处理的是连续变化的物理量，随着元件本身的老化或气候环境变化，电路质量会下降，使信号出现失真。而数字技术电路处理的是二进制（0、l）信号，对应着电路的开关、电位的高低或脉冲的有无这两个状态，只要电路的逻辑关系正确，就能保证电路正确值的复现，因而，避免了信号的失真。
数字信号还有能压缩的优点。为了提高播放速度和节约存储空多间，数字技术还可以对数字信号进行“压缩”，利用信号中的相关性和人的感觉的掩盖性，通过计算压缩冗余的信息，保留主要的信息，减少了数据量。正如将茶叶压缩成袋泡茶一样，兑上开水就能恢复原味。数字信号压缩后，可以传送更多的和清晰度更高的声音和图像。如，“MP3”就是采用国际标准MPEG中的一种音频编码格式对声音信号以12：1的压缩比进行压缩的一种方法。采用MP3，一张光盘可以记录600多分钟音乐或170多首歌曲，是CD光盘的12倍，而音质与CD光盘一样。随着压缩算法的不断研究进展，压缩比还在不断扩大。
数字信号还有调制简单、防止交叉干扰、保密性强、能与计算机结合通用性好、设备成本低等优点。
要把数字化声音信号还原成声音，需要将数字信号转换为模拟信号，这叫做“数／模转换”，也叫“D／A转换”，即用计算机将声音数据编码进行“译码”，变成模拟信号，再送到喇叭里输出声音。
但是，数字技术也有“信息丢失”的缺点。前面说过，在对原始模拟信号进行数字化的过程中，要通过采样、量化、编码的技术措施，其中采样过程中就有个采样时间间隔的问题，采样时间间隔越短精度越高；在量化过程中还有个二进制数码的位数的问题，二进制数码的位数越多，读取的精度就越高。然而采样时间间隔和二进制码位数都是有限的，所以从严格的意义上说，总会有一些信息丢失。如收听激光唱盘时，有时会觉得两位不同歌手的音色很相像，这就是表达音质的一部分信息丢失造成的。而模拟信号是将声音原原本本地记录下来，则可以保存其“原汁原味”。
那么，实际信号怎样用数字技术来表示，即取值连续的模拟信号怎样用不连续的0、1两个值来表示呢？
从模拟信号转换成数字信号，这叫“模／数转换”，也叫“A／D转换”。这种转换是经过“采样”、“量化”和“编码”来完成的。见图2－21。它表示的是将模拟信号转换成数字信号的过程。为简单起见，假定采用3位二进制编码。图中横坐标表示时间，纵坐标表示信号的幅度，图中曲线即为一个模拟信号。
①采样：
“采样”就是对模拟信号每隔一个固定的时间间隔取一个样本值。好比在拍摄电影时，不必要也不可能用胶片把演员的连续动作全部拍摄下来，只是按一定的时间间隔拍摄下一幅一幅不连续的离散的画面，每幅画面只是取出了演员动作在某一瞬间的“样子”，这就是“取样”。只要取样的时间间隔足够短，如每秒取样不少于24幅，那么，在放映时，由于人的眼睛有视觉暂留的特性，在银幕上看到的就不是一幅一幅离散的画面，而是连续的动作了。与此类似，要传输一个声音信号，不必像传送模拟信号那样把信号各个瞬时的声波幅度都连续地送出去，而只需要每隔一定的时间间隔对信号取一个瞬时值传送出去就可以了。如图2－21（a）每隔一定的时间间隔取一个值（叫样本值），这样得到的一系列值在时间上就是不连续的了。
显然，采样时间间隔越短，所取的一系列值就越能精确的反映原来的模拟信号。否则，采样时间间隔太长，就会使原信号失真。每秒钟采样的次数叫做采样率。采样率越高即采样时间间隔越短，采样率越低即采样时间间隔越长。那么，采样率要达到多高才能较好地反映出原来的声音呢？根据理论分析和实践证明：为不使原波形产生“半波损失”，采样率至少应为信号最高频率的两倍，这就是著名的采样定理Nyquist（奈奎斯特）定理。音乐录音常用的采样率为犯22。05kHZ、44。1kHZ、48kHZ等，采样率越高声音质量越好。与音乐相比，人类语言和电话信号的最高频率相对较低，可以经济的选用较小的采样率。
经过取样后，信号就成为时间上离散的、不连续的了。但它仍然是模拟信号，样本的大小仍然是连续的，仍有无限多个可能取值。作为模拟信号，它没有也不必要将各个瞬时的大小用数字表示出来，只要将这些大小输送出去或储存下来就行了，而作为数字信号，还必须用数字表示出来，数字则一般采用二进制数码。为此，必须进行量化。
量化：
由于检测器的灵敏度有限和传输中噪声的干扰，没有必要传送一个个样本值的准确大小，只要按照容许的误差将样本大小进行量化分层近似即可。首先要把样本的无限多个连续的取值可能变为有限个间断的取值可能。如图2－21（b），将纵坐标上幅度的最大变化范围对应3位二进制数码分为23=8个层级。即0、1、2、3、4、5、6、7。然后用四舍五入的方法将样本大小用其接近的分层级来代替，这个过程叫做“量化”。如图2-21（b）中对应于时刻t1、t2、t3、t5、t6、t7的样本值分别代替为2、2、0、3、7、6、3。模拟信号经过抽样、量化，在时间、幅度上都离散化了，不连续了。
显然，所分的层数越多，即二进制码的位数越多，则对原模拟信号反映的精度就越高，对于声音信号来说，记录的声音质量就越好。图2－21采用3位二进制编码，只分23个层级，其精度只有1／23，即1／8；如用8位二进制编码，则可分28个层级，精度可达1／28，即1／256。而用16位记录的声音质量又比8位记录的声音质量好得多。当然，二进制码位数的多少受到技术上的限制，常用8位、12位、16位、32位、64位等，现在已能达到128位了。
编码：
将经过抽样、量化后的样本值用二进制的代码表示，如图2－22（C）中的样本值2、2、0、3、7、6、3用二进制数码表示就是010、010、000、011、1ll、110、01l，并按一定规则顺序排列形成脉冲序列，这就是“编码”。这样就生成了以数字信号表示的信息。当然，也可以用多进制的代码表示，但设备实现起来及运算时不如二进制方便。
在实际过程中量化和编码是同时进行的。量化、编码过程有多种方法，这里举一种叫做“串行编码”的方法。
若采用N位二进制码表示，则总层数为2N，量化和编码电路中会产生一组按二进制递减的电流值2N／2、2N／4、2N／8、……4、2、1，用作与样本值作比较的“砝码”。并将样本值与这些“砝码”作比较，根据结果做出0或1的判断。
第一次取“砝码”的值为总层数的一半，即2N／2，将样本值与它比较，产生第一位码：若样本值大于或等于砝码值，则输出高电位，即第一位码为“1”，并且从样本值里减去此砝码的值后，进行第二次比较；若样本值小于此砝码值，则输出低电位，即第一位码为“0”，接着进行第二次比较。
第二次取“砝码”的值为第一次砝码的一半，即2N／4，将第一次比较后剩下的样本值与它比较，产生第二位码：若剩下的样本值大于或等于第二次砝码值，则输出高电位“1”，并且从剩下的样本值里减去第二次砝码值后，进行第三次比较；若剩下的样本值小于第二次砝码值，则输出低电位“0”，接着进行第三次比较。
第三次取“砝码”的值为第二次砝码的一半，即2N／8，将第二次比较后剩下的样本值与它比较，产生第三位码。
这样逐次下去，直到最后一次砝码变为1，多次比较产生多位码。
例如，假设某样本值为5，采用3位二进制码，总层数为23=8因此“砝码”值依次为4、2、1，共3次比较。第一次与4比较，5大于4，得第一位编码为“1”，井减去4，剩下的值为5大于4=1；第二次与2比较，l小于2，得第二位编码为“0”；第三次与1比较，它等于1，得第三位编码为“l”。编码完毕，得到用二进制数码表示的样本值“101”。
还有一种“计数式编码”的方法。用一个斜坡电压发生器依次产生1、2、3、4、5、6、7、8……等台阶式的电压值，用以逐步逼近样本值，在逼近期间用二进制计数器记录上升台阶的次数，当斜坡电压上升到与样本值相等时，二进制计数器停止并输出记录次数的脉冲编码。就这样，完成了编码。
与模拟信号比较，数字信号有许多优点。数字信号有抗外界于找的优点。信号在传输或复制过程中会混入一些干扰，对于声音信号则会增加噪声。而在数字电路中，由于数字信号只有1和0两个值，对应着有矩形脉冲和没有脉冲（零脉冲），这种简单的波形很容易识别。即使受到干扰，波形“走样”，我们也不必关心波形的精确形状，只要处理电路能识别原信号中的两种状态，就可以把原信号再生出来，而不会将噪波传给下一个媒体。见图2－22。
数字信号还有在信号处理中失真小的优点。模拟电路处理的是连续变化的物理量，随着元件本身的老化或气候环境变化，电路质量会下降，使信号出现失真。而数字技术电路处理的是二进制（0、1）信号，对应着电路的开关、电位的高低或脉冲的有无这两个状态，只要电路的逻辑关系正确，就能保证电路正确值的复现，因而，避免了信号的失真。
数字信号还有能压缩的优点。为了提高播放速度和节约存储空多间，数字技术还可以对数字信号进行“压缩”，利用信号中的相关性和人的感觉的掩盖性，通过计算压缩冗余的信息，保留主要的信息，减少了数据量。正如将茶叶压缩成袋泡茶一样，兑上开水就能恢复原味。数字信号压缩后，可以传送更多的和清晰度更高的声音和图像。如，“MP3”就是采用国际标准MPEG中的一种音频编码格式对声音信号以12：1的压缩比进行压缩的一种方法。采用MP3，一张光盘可以记录600多分钟音乐或170多首歌曲，是CD光盘的12倍，而音质与CD光盘一样。随着压缩算法的不断研究进展，压缩比还在不断扩大。
数字信号还有调制简单、防止交叉干扰、保密性强、能与计算机结合通用性好、设备成本低等优点。
要把数字化声音信号还原成声音，需要将数字信号转换为模拟信号，这叫做“数／模转换”，也叫“D／A转换”，即用计算机将声音数据编码进行“译码”，变成模拟信号，再送到喇叭里输出声音。
但是，数字技术也有“信息丢失”的缺点。前面说过，在对原始模拟信号进行数字化的过程中，要通过采样、量化、编码的技术措施，其中采样过程中就有个采样时间间隔的问题，采样时间间隔越短精度越高；在量化过程中还有个二进制数码的位数的问题，二进制数码的位数越多，读取的精度就越高。然而采样时间间隔和二进制码位数都是有限的，所以从严格的意义上说，总会有一些信息丢失。如收听激光唱盘时，有时会觉得两位不同歌手的音色很相像，这就是表达音质的一部分信息丢失造成的。而模拟信号是将声音原原本本地记录下来，则可以保存其“原汁原味”。
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