精通信号处理设计小Tips（1）：信号和信息

　　本文作者maxfiner，毕业于西安电子科技大学，拥有信号与信息处理专业硕士学位。maxfiner曾供职于华为通信技术公司无线通信部门，拥有多年的工程项目研发经验，同时兼备算法理论研究，仿真验证，以及对应的硬件设计实现能力；具备通信物理层开发设计各个方面的实战经验...

　
　　本文属第一讲《精通信号处理设计小Tips（1）：信号和信息》。
　　电信作为全球传统的五大行业（能源、钢铁、汽车、农业、电信），与其他四个行业相比，一直表现着朝气蓬勃的发展态势。其核心技术与电有关。与电有关的学科大概分为通信工程，电子工程，计算机，电磁场与电磁波，微电子、电力、工业自动化等诸多方向。

　　关于电的研究和应用领域，通常有强电和弱电之分。粗略的分，电力、电网、电动基本属于强电领域。通信、计算机属于弱电领域。我们看到，一些公司叫做某某电子技术公司，或者信息技术公司，基本都属于弱电范畴，若叫某某电气，基本属于强电范畴，比如通用电气。

　　现在我们专门讨论弱电领域的一个分支——信号与信息处理及应用实现。这属于电子工程专业的一个方向，经常和另一个方向并列，即电路与系统。关于信号与信息处理到底是干什么用，具体实践中如何体现，可以参考拙文《我眼中的信号与信息处理》。经常碰到这么个问题：信号和信息有什么区别，又有什么联系。它们又是如何在具体应用中表现出来的？根据我的粗浅理解和个人经历，尝试做一些分析和比较。

　　信号更属于物理范畴，通常以两种方式表现出来，一种是空间的电磁波，一种是电路上的电压或者电流。在当前的日常生活中，我们引用"信号"这个词最多的一个情况就是下面一句话：我这里手机信号不太好。这时的信号就是以电磁波的形式来体现出来的。与信号紧密相关的一个概念就是噪声。物理世界的信号都是混杂有噪声的，理想的没有干扰的信号，只在教科书的理论分析中体现。噪声与信号的比值越大，信号质量越差，信号越不容易被检测到，越不容易被识别和辨别。对此，专业的术语叫做信噪比，是信号处理中一个非常重要的概念。关于噪声中信号的检测，是一个理论性较强的学科方向，专业术语叫信号的检测与估值，有时也叫统计信号处理。

　　信号的另一种表现形式即为电压或者电流，从事硬件电路设计的工程师会有更深刻的体会，尤其是用示波器观测电路某个节点的时候，可以看到方波，锯齿波，正弦波等各种信号形式，这也是信号的一种体现形式。

　　那么，信息又是什么呢？相对于信号来说，距离物理实现的电路层，信息属于更高一个层面，属于一个相对抽象的概念。简单的可以认为，信号是信息的载体，信息是信号所要表示的内容或含义，具体什么含义，完全由人来决定。比如硬盘中的海量数据，当读取硬盘中的数据时，信号表现在电路走线上的都是高低电平形式的波形，电平的高低表示0或1比特，这一段高低电平序列，可以表示一段MP3音乐，也可以表示一幅图片，还可以表示包含一部小说的文本文件。信号以在电脑主板上的硬盘数据线中传输的高低电平序列形式体现。信息以音乐，图片，文本等形式体现。

　　对于通信工程或电子工程领域的工程师来说，信号和信息可能都会打上交道。对于计算机软件工程师来说，基本主要和信息打交道，和信号打交道的机会不会太多。因为软件工程师的处理对象，比如变量，数组，结构体，链表，对象等等，基本都是信息和数据的表现形式。行走在计算机电路内部的信号基本被CPU和操作系统掩盖住了。

　　信号与信息处理专业中的信号处理，更多的是指数字信号，而不是电路板上的电压、电流，或者空间中的电磁波。这种信号，是对模拟的信号进行采样后的结果。通常为等时间间隔的采样。在时间维度上做等间隔划分——通常称之为采样，在幅度上做等间隔划分——通常称之为量化。严格的说，只是在时间上进行采样的信号称之为离散信号，同时在幅度上进行量化后才称之为真正的数字信号。对这个数字信号进行分析和处理，称之为数字信号处理，简称信号处理。具体形式为频谱分析，傅立叶变换，数字滤波等等。

那么，信息处理和信号处理又有什么区别呢？还是以应用为例进行说明吧。比如苹果手机的指纹识别，就是典型的信息处理。指纹传感器捕获的模拟形式的信号，被AD转换器件采样成数字形式的数字信号后，采用精心设计的分类和识别算法，对指纹信息进行判别，以判断当前这个指纹是否属于主人的，这就属于信息处理。这属于识别和分类，属于信息处理的一大应用。另一大应用即为检索