一文解析如何精通信號處理設(shè)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，擁有多年的工程項目研發(fā)經(jīng)驗，同時兼?zhèn)渌惴ɡ碚撗芯?，仿真驗證，以及對應(yīng)的硬件設(shè)計實現(xiàn)能力;具備通信物理層開發(fā)設(shè)計各個方面的實戰(zhàn)經(jīng)驗...

本文屬第一講《精通信號處理設(shè)計小Tips(1)：信號和信息》。

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，計算機，電磁場與電磁波，微電子、電力、工業(yè)自動化等諸多方向。

關(guān)于電的研究和應(yīng)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(xiàn)在我們專門討論弱電領(lǐng)域的一個分支——信號與信息處理及應(yīng)用實現(xiàn)。這屬于電子工程專業(yè)的一個方向，經(jīng)常和另一個方向并列，即電路與系統(tǒng)。關(guān)于信號與信息處理到底是干什么用，具體實踐中如何體現(xiàn)，可以參考拙文《我眼中的信號與信息處理》。經(jīng)常碰到這么個問題：信號和信息有什么區(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”這個詞最多的一個情況就是下面一句話：我這里手機信號不太好。這時的信號就是以電磁波的形式來體現(xiàn)出來的。與信號緊密相關(guān)的一個概念就是噪聲。物理世界的信號都是混雜有噪聲的，理想的沒有干擾的信號，只在教科書的理論分析中體現(xiàn)。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，專業(yè)的術(shù)語叫做信噪比，是信號處理中一個非常重要的概念。關(guān)于噪聲中信號的檢測，是一個理論性較強的學(xué)科方向，專業(yè)術(shù)語叫信號的檢測與估值，有時也叫統(tǒng)計信號處理。

信號的另一種表現(xiàn)形式即為電壓或者電流，從事硬件電路設(shè)計的工程師會有更深刻的體會，尤其是用示波器觀測電路某個節(jié)點的時候，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(xiàn)形式。

那么，信息又是什么呢?相對于信號來說，距離物理實現(xiàn)的電路層，信息屬于更高一個層面，屬于一個相對抽象的概念。簡單的可以認為，信號是信息的載體，信息是信號所要表示的內(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，信號表現(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)。

對于通信工程或電子工程領(lǐng)域的工程師來說，信號和信息可能都會打上交道。對于計算機軟件工程師來說，基本主要和信息打交道，和信號打交道的機會不會太多。因為軟件工程師的處理對象，比如變量，數(shù)組，結(jié)構(gòu)體，鏈表，對象等等，基本都是信息和數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式。行走在計算機電路內(nèi)部的信號基本被CPU和操作系統(tǒng)掩蓋住了。

信號與信息處理專業(yè)中的信號處理，更多的是指數(shù)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，是對模擬的信號進行采樣后的結(jié)果。通常為等時間間隔的采樣。在時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。嚴格的說，只是在時間上進行采樣的信號稱之為離散信號，同時在幅度上進行量化后才稱之為真正的數(shù)字信號。對這個數(shù)字信號進行分析和處理，稱之為數(shù)字信號處理，簡稱信號處理。具體形式為頻譜分析，傅立葉變換，數(shù)字濾波等等。

那么，信息處理和信號處理又有什么區(qū)別呢?還是以應(yīng)用為例進行說明吧。比如蘋果手機的指紋識別，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(zhuǎn)換器件采樣成數(shù)字形式的數(shù)字信號后，采用精心設(shè)計的分類和識別算法，對指紋信息進行判別，以判斷當(dāng)前這個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，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，談了談信號與信息的區(qū)別和聯(lián)系，以及對應(yīng)的信號處理和信息處理，希望能夠澄清一些人的困惑。后續(xù)有機會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(yīng)用。