师：同学们好，今天我们一起来学习必修一第三单元数据编码的第一课时。本节课的学习目标有四点：一、知道模拟信号与数字信号；二、能够解释声音的数字化过程，理解声音数字化过程中影响音频声音质量的因素；三、能够计算无压缩音频占用的存储空间。
我们先回顾一下，第一单元讲过数据的表现形式，有数字、文本、图像、声音、视频等等。在日常学习生活中，我们经常需要采集和处理各种数据，比如办理身份证时，要到指定地点录入信息、拍照等，身份证管理系统会收集我们的姓名、身份证号、照片等数据。
除了这些，生活中还有哪些数据可以采集，又该如何采集呢？请看表格内容。由于数据表现形式不同，采集设备和计算机处理数据的方法也不一样。这些数据如何进入计算机，在计算机内部又如何存储呢？因为计算机只能存储和处理二进制数值，所以这些数据需要经过编码，用预先规定的方法编成能存储在计算机里的数值。下面我们以声音数据为例，分析计算机采集及处理过程。
在手机或计算机传输数据时，都有模拟信号转为数字信号的过程。什么是模拟信号，什么是数字信号呢？这幅图代表模拟信号，右边这幅代表数字信号。观察可见，模拟信号随时间连续变化，波形光滑；数字信号随时间变化是非连续的，波形如台阶。用传感器直接获得的信号一般为模拟信号，如声音、温度、电压等。模拟信号的值称为模拟数据，数字信号的值即数字数据，直接用计算机能识别的二进制表示。
左边这幅图是通过话筒的声音传感器获得的语音信号模拟数据，右边是语音信号的数字数据。比如选中一段波形不断放大，会看到波形变成一个个实心点，这些点就是声音数字信号。那么声音的模拟信号如何转换为数字信号呢？要把模拟信号精确存储到计算机中，最容易想到的办法是依次记下曲线中每个点的坐标，但曲线中的点无穷多，我们只能记录有限个点，怎么办？答案是在横轴上按一定时间间隔取瞬时值，也就是采样。如右图所示，间隔多长时间取一个瞬时值好呢？1 秒？0.1 秒？这个时间间隔的倒数称为采样频率，即 1 秒内对声音信号的采样次数，单位是赫兹。
对比左右两幅图，波形相同，但采样次数不同，右边采集点是左边的两倍，可见它们采样频率不一样。对比可知，在一定时间内采集的信号样本越多，对纵轴刻度划分越细密，对信号波形的表示就越精确。那采样频率不同，会不会对音频声音质量有影响呢？请观看老师录制的视频，看看能得出什么结论。
在打开的 GoldWave 软件中，打开某音频文件，其采样频率是 44.1kHz，先听一下效果：“明月究竟在哪方？秋至渐凉夜晚路漫长，光辉普照世间上。晚朝著，平日又朝。”现在修改这个音频文件的采样频率，在效果菜单选择重取样，把采样频率由 44.1kHz 降为 5.5kHz，再听修改后的效果：“究竟在哪方？错，夜晚路毫无光辉。捧照世间善，满招损谦受益。”很明显，采样频率降低后，音质不如原来好，也就是说在声音数字化过程中，采样频率越高，声音还原效果越真实。现在对降低采样频率的音频进行保存，与修改前的文件比较大小。
可以看到修改前文件大小是 38160KB，修改后文件大小只有 4760KB，这说明采样频率越高，采样点越多，需要保存的数据越多，所占空间也就越大。正因如此，我们需要在声音还原效果与存储数据量之间找到平衡点。一般录制音频时都使用 44.1kHz 的采样频率，其音效已达到高保真效果。
采样后要对每个声音采样点的瞬时值进行量化，将信号波形的纵轴划分为若干区间，落到某一区间的采样点，按四舍五入规则取整选值，如图所示。在量化过程中，我们用量化位数来区分精确度。所谓量化位数，就是指每个采样点用多少二进制位数表示数据范围。不同量化位数可记录的声音数据范围不一样，如图表所示，显然，量化位数越大，可记录的数值越多，音频声音质量越好，但相对应所需存储空间也越大。