A-level 物理学 (进阶物理学)/数字化
信号的数字化是指将模拟信号转换为数字信号的过程。
让我们考虑一下麦克风的电压输出。进入麦克风的信号（声音）是模拟信号 - 它可以是任何潜在的无限范围的值，并且可能看起来像这种波形（来自人造（MIDI）钢琴）。
当麦克风将此信号转换为电信号时，它会对信号进行多次采样，并传输该点处的信号电平。下图显示了采样时间（黑色垂直线）和传输信号（红色线）。
当我们想要听声音时，数字信号必须被重建。样本之间的间隙被填补，但正如你所看到的，重建的信号与原始声音不同。
对模拟信号进行数字化时的采样率定义为每秒的采样次数，并以赫兹 (Hz) 为单位进行测量，因为它是一种频率。你可以使用以下公式计算采样率。
采样率越高，重建的信号越接近原始信号，但不幸的是，我们受到可用带宽的限制。理论上，原始信号最高频率的两倍的采样率将导致完美的重建信号。在上面给出的示例中，采样率过低，因此信息丢失了。
另一个可能限制重建信号质量的因素是用于编码信号的位数。例如，如果我们使用每样本 3 位，我们只有 8 (23) 个电平，因此，在采样时，我们必须取这些电平之一表示的最接近的值。这会导致量化误差 - 当样本不等于给定采样点处原始信号的值时。
1. 每 0.1 毫秒对以下信号进行采样，然后生成重建的信号。它与原始信号有何不同？
2. 一个信号以 20 kHz 的采样率采样 5 秒。总共采集了多少个样本？
3. 人类语音产生的大多数声音（除了“ss”和“ff”）的最高频率为 4 kHz。低质量电话的合适采样率是多少？
4. 使用 20 kHz 的采样率和 3 位，对以下信号进行采样，然后生成重建的信号。使用此采样率可以完美重建的最高频率是多少？
