一文解析如何精通信號處理設計小Tips？

本文作者maxfiner，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，擁有信號與信息處理專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位。maxfiner曾供職于華為通信技術(shù)公司無(wú)線(xiàn)通信部門(mén)，擁有多年的工程項目研發(fā)經(jīng)驗，同時(shí)兼備算法理論研究，仿真驗證，以及對應的硬件設計實(shí)現能力;具備通信物理層開(kāi)發(fā)設計各個(gè)方面的實(shí)戰經(jīng)驗...

本文屬第一講《精通信號處理設計小Tips(1)：信號和信息》。

電信作為全球傳統的五大行業(yè)(能源、鋼鐵、汽車(chē)、農業(yè)、電信)，與其他四個(gè)行業(yè)相比，一直表現著(zhù)朝氣蓬勃的發(fā)展態(tài)勢。其核心技術(shù)與電有關(guān)。與電有關(guān)的學(xué)科大概分為通信工程，電子工程，計算機，電磁場(chǎng)與電磁波，微電子、電力、工業(yè)自動(dòng)化等諸多方向。

關(guān)于電的研究和應用領(lǐng)域，通常有強電和弱電之分。粗略的分，電力、電網(wǎng)、電動(dòng)基本屬于強電領(lǐng)域。通信、計算機屬于弱電領(lǐng)域。我們看到，一些公司叫做某某電子技術(shù)公司，或者信息技術(shù)公司，基本都屬于弱電范疇，若叫某某電氣，基本屬于強電范疇，比如通用電氣。

現在我們專(zhuān)門(mén)討論弱電領(lǐng)域的一個(gè)分支——信號與信息處理及應用實(shí)現。這屬于電子工程專(zhuān)業(yè)的一個(gè)方向，經(jīng)常和另一個(gè)方向并列，即電路與系統。關(guān)于信號與信息處理到底是干什么用，具體實(shí)踐中如何體現，可以參考拙文《我眼中的信號與信息處理》。經(jīng)常碰到這么個(gè)問(wèn)題：信號和信息有什么區別，又有什么聯(lián)系。它們又是如何在具體應用中表現出來(lái)的?根據我的粗淺理解和個(gè)人經(jīng)歷，嘗試做一些分析和比較。

信號更屬于物理范疇，通常以?xún)煞N方式表現出來(lái)，一種是空間的電磁波，一種是電路上的電壓或者電流。在當前的日常生活中，我們引用“信號”這個(gè)詞最多的一個(gè)情況就是下面一句話(huà)：我這里手機信號不太好。這時(shí)的信號就是以電磁波的形式來(lái)體現出來(lái)的。與信號緊密相關(guān)的一個(gè)概念就是噪聲。物理世界的信號都是混雜有噪聲的，理想的沒(méi)有干擾的信號，只在教科書(shū)的理論分析中體現。噪聲與信號的比值越大，信號質(zhì)量越差，信號越不容易被檢測到，越不容易被識別和辨別。對此，專(zhuān)業(yè)的術(shù)語(yǔ)叫做信噪比，是信號處理中一個(gè)非常重要的概念。關(guān)于噪聲中信號的檢測，是一個(gè)理論性較強的學(xué)科方向，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)叫信號的檢測與估值，有時(shí)也叫統計信號處理。

信號的另一種表現形式即為電壓或者電流，從事硬件電路設計的工程師會(huì )有更深刻的體會(huì )，尤其是用示波器觀(guān)測電路某個(gè)節點(diǎn)的時(shí)候，可以看到方波，鋸齒波，正弦波等各種信號形式，這也是信號的一種體現形式。

那么，信息又是什么呢?相對于信號來(lái)說(shuō)，距離物理實(shí)現的電路層，信息屬于更高一個(gè)層面，屬于一個(gè)相對抽象的概念。簡(jiǎn)單的可以認為，信號是信息的載體，信息是信號所要表示的內容或含義，具體什么含義，完全由人來(lái)決定。比如硬盤(pán)中的海量數據，當讀取硬盤(pán)中的數據時(shí)，信號表現在電路走線(xiàn)上的都是高低電平形式的波形，電平的高低表示0或1比特，這一段高低電平序列，可以表示一段MP3音樂(lè )，也可以表示一幅圖片，還可以表示包含一部小說(shuō)的文本文件。信號以在電腦主板上的硬盤(pán)數據線(xiàn)中傳輸的高低電平序列形式體現。信息以音樂(lè )，圖片，文本等形式體現。

對于通信工程或電子工程領(lǐng)域的工程師來(lái)說(shuō)，信號和信息可能都會(huì )打上交道。對于計算機軟件工程師來(lái)說(shuō)，基本主要和信息打交道，和信號打交道的機會(huì )不會(huì )太多。因為軟件工程師的處理對象，比如變量，數組，結構體，鏈表，對象等等，基本都是信息和數據的表現形式。行走在計算機電路內部的信號基本被CPU和操作系統掩蓋住了。

信號與信息處理專(zhuān)業(yè)中的信號處理，更多的是指數字信號，而不是電路板上的電壓、電流，或者空間中的電磁波。這種信號，是對模擬的信號進(jìn)行采樣后的結果。通常為等時(shí)間間隔的采樣。在時(shí)間維度上做等間隔劃分——通常稱(chēng)之為采樣，在幅度上做等間隔劃分——通常稱(chēng)之為量化。嚴格的說(shuō)，只是在時(shí)間上進(jìn)行采樣的信號稱(chēng)之為離散信號，同時(shí)在幅度上進(jìn)行量化后才稱(chēng)之為真正的數字信號。對這個(gè)數字信號進(jìn)行分析和處理，稱(chēng)之為數字信號處理，簡(jiǎn)稱(chēng)信號處理。具體形式為頻譜分析，傅立葉變換，數字濾波等等。

那么，信息處理和信號處理又有什么區別呢?還是以應用為例進(jìn)行說(shuō)明吧。比如蘋(píng)果手機的指紋識別，就是典型的信息處理。指紋傳感器捕獲的模擬形式的信號，被AD轉換器件采樣成數字形式的數字信號后，采用精心設計的分類(lèi)和識別算法，對指紋信息進(jìn)行判別，以判斷當前這個(gè)指紋是否屬于主人的，這就屬于信息處理。這屬于識別和分類(lèi)，屬于信息處理的一大應用。另一大應用即為檢索，在海量信息和數據中，找到感興趣的內容，這是百度和谷歌的主要工作，也屬于信息處理的范疇。原始語(yǔ)音的數據量很大，原始的數字圖像更大，數字視頻更是驚人，不論是存儲也好，還是傳輸也好，都非常麻煩，也很不劃算，那怎么辦呢?開(kāi)發(fā)一套算法，在不影響感官和允許微小失真的前提下，基于數據本身的冗余，進(jìn)行壓縮，可以成百上千倍的降低語(yǔ)音、圖像、視頻的數據量。信息的壓縮，這也是信息處理的一大應用。

以粗略的舉例的形式，談了談信號與信息的區別和聯(lián)系，以及對應的信號處理和信息處理，希望能夠澄清一些人的困惑。后續有機會(huì )共同交流信號和信息處理的具體原理和在通信等領(lǐng)域中的應用。