A-level 物理學 (進階物理學)/數字化
訊號的數字化是指將模擬訊號轉換為數字訊號的過程。
讓我們考慮一下麥克風的電壓輸出。進入麥克風的訊號（聲音）是模擬訊號 - 它可以是任何潛在的無限範圍的值，並且可能看起來像這種波形（來自人造（MIDI）鋼琴）。
當麥克風將此訊號轉換為電訊號時，它會對訊號進行多次取樣，並傳輸該點處的訊號電平。下圖顯示了取樣時間（黑色垂直線）和傳輸訊號（紅色線）。
當我們想要聽聲音時，數字訊號必須被重建。樣本之間的間隙被填補，但正如你所看到的，重建的訊號與原始聲音不同。
對模擬訊號進行數字化時的取樣率定義為每秒的取樣次數，並以赫茲 (Hz) 為單位進行測量，因為它是一種頻率。你可以使用以下公式計算取樣率。
取樣率越高，重建的訊號越接近原始訊號，但不幸的是，我們受到可用頻寬的限制。理論上，原始訊號最高頻率的兩倍的取樣率將導致完美的重建訊號。在上面給出的示例中，取樣率過低，因此資訊丟失了。
另一個可能限制重建訊號質量的因素是用於編碼訊號的位數。例如，如果我們使用每樣本 3 位，我們只有 8 (23) 個電平，因此，在取樣時，我們必須取這些電平之一表示的最接近的值。這會導致量化誤差 - 當樣本不等於給定取樣點處原始訊號的值時。
1. 每 0.1 毫秒對以下訊號進行取樣，然後生成重建的訊號。它與原始訊號有何不同？
2. 一個訊號以 20 kHz 的取樣率取樣 5 秒。總共採集了多少個樣本？
3. 人類語音產生的大多數聲音（除了“ss”和“ff”）的最高頻率為 4 kHz。低質量電話的合適取樣率是多少？
4. 使用 20 kHz 的取樣率和 3 位，對以下訊號進行取樣，然後生成重建的訊號。使用此取樣率可以完美重建的最高頻率是多少？
