一文解析如何精通信號(hào)處理設(shè)計(jì)小Tips？

本文作者maxfiner，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，擁有信號(hào)與信息處理專業(yè)碩士學(xué)位。maxfiner曾供職于華為通信技術(shù)公司無線通信部門，擁有多年的工程項(xiàng)目研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)兼?zhèn)渌惴ɡ碚撗芯浚抡骝?yàn)證，以及對(duì)應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能力;具備通信物理層開發(fā)設(shè)計(jì)各個(gè)方面的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)...

本文屬第一講《精通信號(hào)處理設(shè)計(jì)小Tips(1)：信號(hào)和信息》。

電信作為全球傳統(tǒng)的五大行業(yè)(能源、鋼鐵、汽車、農(nóng)業(yè)、電信)，與其他四個(gè)行業(yè)相比，一直表現(xiàn)著朝氣蓬勃的發(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(jì)算機(jī)，電磁場與電磁波，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(yīng)用領(lǐng)域，通常有強(qiáng)電和弱電之分。粗略的分，電力、電網(wǎng)、電動(dòng)基本屬于強(qiáng)電領(lǐng)域。通信、計(jì)算機(jī)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(qiáng)電范疇，比如通用電氣。

現(xiàn)在我們專門討論弱電領(lǐng)域的一個(gè)分支——信號(hào)與信息處理及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。這屬于電子工程專業(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(tǒng)。關(guān)于信號(hào)與信息處理到底是干什么用，具體實(shí)踐中如何體現(xiàn)，可以參考拙文《我眼中的信號(hào)與信息處理》。經(jīng)常碰到這么個(gè)問題：信號(hào)和信息有什么區(qū)別，又有什么聯(lián)系。它們又是如何在具體應(yīng)用中表現(xiàn)出來的?根據(jù)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(hào)更屬于物理范疇，通常以兩種方式表現(xiàn)出來，一種是空間的電磁波，一種是電路上的電壓或者電流。在當(dāng)前的日常生活中，我們引用“信號(hào)”這個(gè)詞最多的一個(gè)情況就是下面一句話：我這里手機(jī)信號(hào)不太好。這時(shí)的信號(hào)就是以電磁波的形式來體現(xiàn)出來的。與信號(hào)緊密相關(guān)的一個(gè)概念就是噪聲。物理世界的信號(hào)都是混雜有噪聲的，理想的沒有干擾的信號(hào)，只在教科書的理論分析中體現(xiàn)。噪聲與信號(hào)的比值越大，信號(hào)質(zhì)量越差，信號(hào)越不容易被檢測到，越不容易被識(shí)別和辨別。對(duì)此，專業(yè)的術(shù)語叫做信噪比，是信號(hào)處理中一個(gè)非常重要的概念。關(guān)于噪聲中信號(hào)的檢測，是一個(gè)理論性較強(qiáng)的學(xué)科方向，專業(yè)術(shù)語叫信號(hào)的檢測與估值，有時(shí)也叫統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理。

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

那么，信息又是什么呢?相對(duì)于信號(hào)來說，距離物理實(shí)現(xiàn)的電路層，信息屬于更高一個(gè)層面，屬于一個(gè)相對(duì)抽象的概念。簡單的可以認(rèn)為，信號(hào)是信息的載體，信息是信號(hào)所要表示的內(nèi)容或含義，具體什么含義，完全由人來決定。比如硬盤中的海量數(shù)據(jù)，當(dāng)讀取硬盤中的數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)表現(xiàn)在電路走線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，也可以表示一幅圖片，還可以表示包含一部小說的文本文件。信號(hào)以在電腦主板上的硬盤數(shù)據(jù)線中傳輸?shù)母叩碗娖叫蛄行问襟w現(xiàn)。信息以音樂，圖片，文本等形式體現(xiàn)。

對(duì)于通信工程或電子工程領(lǐng)域的工程師來說，信號(hào)和信息可能都會(huì)打上交道。對(duì)于計(jì)算機(jī)軟件工程師來說，基本主要和信息打交道，和信號(hào)打交道的機(jī)會(huì)不會(huì)太多。因?yàn)檐浖こ處煹奶幚韺?duì)象，比如變量，數(shù)組，結(jié)構(gòu)體，鏈表，對(duì)象等等，基本都是信息和數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式。行走在計(jì)算機(jī)電路內(nèi)部的信號(hào)基本被CPU和操作系統(tǒng)掩蓋住了。

信號(hào)與信息處理專業(yè)中的信號(hào)處理，更多的是指數(shù)字信號(hào)，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(hào)，是對(duì)模擬的信號(hào)進(jìn)行采樣后的結(jié)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——通常稱之為采樣，在幅度上做等間隔劃分——通常稱之為量化。嚴(yán)格的說，只是在時(shí)間上進(jìn)行采樣的信號(hào)稱之為離散信號(hào)，同時(shí)在幅度上進(jìn)行量化后才稱之為真正的數(shù)字信號(hào)。對(duì)這個(gè)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析和處理，稱之為數(shù)字信號(hào)處理，簡稱信號(hào)處理。具體形式為頻譜分析，傅立葉變換，數(shù)字濾波等等。

那么，信息處理和信號(hào)處理又有什么區(qū)別呢?還是以應(yīng)用為例進(jìn)行說明吧。比如蘋果手機(jī)的指紋識(shí)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(hào)，被AD轉(zhuǎn)換器件采樣成數(shù)字形式的數(shù)字信號(hào)后，采用精心設(shè)計(jì)的分類和識(shí)別算法，對(duì)指紋信息進(jìn)行判別，以判斷當(dāng)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(shí)別和分類，屬于信息處理的一大應(yīng)用。另一大應(yīng)用即為檢索，在海量信息和數(shù)據(jù)中，找到感興趣的內(nèi)容，這是百度和谷歌的主要工作，也屬于信息處理的范疇。原始語音的數(shù)據(jù)量很大，原始的數(shù)字圖像更大，數(shù)字視頻更是驚人，不論是存儲(chǔ)也好，還是傳輸也好，都非常麻煩，也很不劃算，那怎么辦呢?開發(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(shù)據(jù)本身的冗余，進(jìn)行壓縮，可以成百上千倍的降低語音、圖像、視頻的數(shù)據(jù)量。信息的壓縮，這也是信息處理的一大應(yīng)用。

以粗略的舉例的形式，談了談信號(hào)與信息的區(qū)別和聯(lián)系，以及對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理和信息處理，希望能夠澄清一些人的困惑。后續(xù)有機(jī)會(huì)共同交流信號(hào)和信息處理的具體原理和在通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用。