到底什么是數字化？

CCTV的一則廣告詞是“數字新時(shí)代，美好新未來(lái)”。數字經(jīng)濟、數字中國、企業(yè)數字化、辦公數字化、文物保護數字化等，有關(guān)數字和數字化的說(shuō)法不勝枚舉。數字經(jīng)濟主要包括數字化、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、大數據、云計算、區塊鏈和人工智能等，數字化是其基礎技術(shù)支撐，它是物理世界和數字化虛擬世界的交匯點(diǎn)，或者接口。到底什么是數字化？要明白這個(gè)概念，首先要了解什么是模擬量，什么是數字量，然后才能明白什么是數字化。

現實(shí)世界中，大多數物理量是連續變化的，例如海拔高度的變化、丘陵連綿起伏的變化、聲音的大小、溫度的高低、車(chē)速的快慢等。這種隨時(shí)間或者位置變化而連續變化的量稱(chēng)為模擬量，人們一般用曲線(xiàn)來(lái)表示模擬量連續變化的特征。例如：海拔高度隨著(zhù)所處位置的不同而變化，海拔高度就是一個(gè)模擬量(圖1左)；人體溫度一天時(shí)間里是不斷變化的，溫度也是一個(gè)模擬量(圖1右)。

圖1.海拔高度和人體溫度模擬量
(紅色曲線(xiàn))

數字量是模擬量曲線(xiàn)上某一點(diǎn)的測量數值。詳見(jiàn)圖2，人體溫度是一個(gè)模擬量，不管人們測量不測量它，這個(gè)物理量都是存在的，而且是按時(shí)間不斷變化的。如果要監控人體溫度，按雙數整點(diǎn)來(lái)測量體溫的話(huà)，就可得到12個(gè)溫度測量值(圖2籃箭頭所示)，用T2、T4、T6……T20、T22、T24來(lái)表示，這些都是數字量。

圖2.用一組順序數字量近似表示模擬量曲線(xiàn)

如果把測量時(shí)間間隔縮短，每小時(shí)測量一次，就可得到24個(gè)溫度測量值，可用T1、T2、T3、……T22、T23、T24來(lái)表示。如果進(jìn)一步縮短時(shí)間間隔來(lái)測量，會(huì )得到更多的溫度數字量。這些順序數字量就近似表達了這條曲線(xiàn)的變化，測量的次數越多，順序數字量表達曲線(xiàn)就越準確。

對連續的模擬量進(jìn)行密集的等間距的測量，得到一組順序數字量的過(guò)程稱(chēng)為模擬量的數字化。測量的時(shí)間間隔也稱(chēng)為采樣間隔，也叫采樣周期。間隔越小密度越高，對曲線(xiàn)的數字化表示越準確，數字化質(zhì)量越高。

現實(shí)世界中的萬(wàn)事萬(wàn)物都有其內在自然規律，物理學(xué)定義了各種物理量和測量單位，用來(lái)研究和揭示這些自然規律。物理量包括長(cháng)度、重量、時(shí)間、電壓、電流、亮度等。這些量如果隨時(shí)間不斷變化，它們就是模擬量，如果要用計算機對這些模擬量進(jìn)行測量、儲存、計算、網(wǎng)絡(luò )傳輸等處理，就要先對它們進(jìn)行數字化。

數字化一般通過(guò)傳感器、模擬/數字轉換器（簡(jiǎn)稱(chēng)模/數轉換器、ADC）和計算機來(lái)實(shí)現。具體過(guò)程簡(jiǎn)述如下，首先要用傳感器把物理量變成電壓模擬量，再用模擬/數字轉換器把電壓模擬量變成一個(gè)個(gè)的電壓數字量，然后保存到計算機中，并進(jìn)行相應的數據處理(例如求最大值、最小值、平均值、繪制曲線(xiàn)等)。

圖3.真實(shí)世界與數字化和網(wǎng)絡(luò )化的

虛擬世界的數字化接口

例如，您要用手機錄制一首歌聲，手機會(huì )先用傳感器(麥克風(fēng))把歌聲變換成變化的電壓模擬量，再進(jìn)行模/數轉換，把電壓模擬量轉換成一個(gè)個(gè)數字量,并按照MP3的格式儲存在手機里。反過(guò)來(lái)，如果要把手機里的MP3音樂(lè )播放出來(lái)，就要把MP3文件中一個(gè)個(gè)數據送到數字/模擬轉換器（簡(jiǎn)稱(chēng)數/模轉換器、DAC）中，變成電壓模擬量后，驅動(dòng)職能器(揚聲器)播放出歌聲(參見(jiàn)圖3上)。

數字量在計算機里都是用二進(jìn)制表達的，因此，我們可把模/數轉換器（ADC）和數/模轉換器（DAC）看作是模擬世界和數字世界的數字化接口(圖3下)。這個(gè)接口一邊是模擬世界，另一邊是數字世界，而且是二進(jìn)制的數字世界。

在今天的集成電路(芯片)大家族中，傳感器芯片、ADC芯片和DAC芯片是非常重要的芯片種類(lèi)。ADC和DAC芯片的技術(shù)指標中，轉換精度和轉換速度是十分重要的指標。圖4和圖5是這類(lèi)芯片的一些例子。

圖4.一些傳感器芯片舉例

圖5.一些ADC芯片和DAC芯片舉例

物聯(lián)網(wǎng)所說(shuō)的萬(wàn)物互聯(lián)，不是簡(jiǎn)單的直接互聯(lián)，而是經(jīng)過(guò)數字化轉換以后的互聯(lián)。萬(wàn)物的物理量(由模擬量表示)首先要經(jīng)過(guò)上述的模擬/數字接口，轉換為萬(wàn)物的數字量，再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)。在下圖所示的物聯(lián)網(wǎng)世界中，大部分物體的物理量是模擬量，經(jīng)過(guò)模擬-數字接口接入物聯(lián)網(wǎng)，少部分物體具有數字接口可直接連接到物聯(lián)網(wǎng)。所以萬(wàn)物互聯(lián)是數字世界的互聯(lián)，而且是二進(jìn)制數字世界的互聯(lián)。

圖6.萬(wàn)物互聯(lián)需要模擬-數字轉換

才能實(shí)現

這里介紹一些日常生活中數字化的例子。舊的電影膠片、照片、音樂(lè )磁帶、手寫(xiě)的資料和文件、敦煌壁畫(huà)、故宮的字畫(huà)等，都是保存在自然材料和介質(zhì)上的信息，它們不易長(cháng)久保存，很容易造成損壞、變質(zhì)或性能變差。因此，人們就借助數字化技術(shù)，把電影膠片變成數碼電影，照片變成數字照片，音樂(lè )磁帶變成數碼歌曲，手寫(xiě)的資料和文件掃描成了電腦文檔以后，就可以永久保存了。

隨著(zhù)傳感器、芯片、計算機、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，數字化涉及的方面越來(lái)越多，滲透的經(jīng)濟和社會(huì )活動(dòng)越來(lái)越廣，極大地改變了人類(lèi)社會(huì )的樣貌?？梢哉f(shuō)，數字化開(kāi)辟了人類(lèi)信息化、智能化世界的新紀元。

審核編輯 ：李倩