领悟《信号与系统》之 信号与系统概论

在《信号与系统》中，这个学科把真实的物理情况抽象出来了两个概念，为了简化数学模型和工程的简便计算，产生了： 信号- 系统 两个概念。
信号和系统是密不可分的， 信号 是存有某种信息的，而 系统 便是来从信号中提取出有用的信息。真实的 信号 是不能直接被我们知道信息的，只有通过 系统 处理才能得到我们想要的 信息。

• 总结：信号-系统：其中信号可用以传递某种信息，如日常生活中的手机信号可以传送语音信息，而系统则是为了实现某种需要而对信号进行加工处理的体系。

一、信号与系统基本概念

0. 信息是什么？

信息 是人类社会和自然界中需要传送、交换、存储和提取的 抽象内容。它存在于一切事物之中，事物的一切变化和运动都伴随着信息的交换和传送。各种各样的社会活动、无线电波的传播、计算机的运算等都是信息交换和传输的过程。由于信息是抽象的内容，为了传送和交换信息，必须通过声、光、电等物理量的方式将它表现出来。这样，信息的交换、传送、存储和提取就需借助于信号的传输、存储和处理才得以完成。

• 总结：信息 是人想要表达给其他人，或其他人要表达给你的的东西，就像 my name is zhangshan 里面的信息就是 我名字叫张珊，表现的形式是英文。

信号和信息关系如下：

信号中可能有很多无关信息的东西，信息在信号中也会存在一些

1. 信号是什么？

信号是带有信息的某种物理量，是信息的表现形式。 信号可以用数学表达式等多种方式来描述，但信号所含的信息通常利用其波形来表达。因为我们要用现实物理的信号来表示信息。而现实世界的 声、光、电等物理量 基本都是波形方式。

如：声音是一种信号，不同的语音相应有不同的声压（声波对空气的压力）变化波形，下图所示的语音信号可以表示为声压随时间变化的函数，图中给出的是发声时声压信号随时间的变化图。我们就可以把别人说话的 信息 转换为声波 然后被 传感器转换为 电波 然后通过 麦克风 输出再转化为 声波 最后被我们人耳听到，大脑就知道 别人说的话 里面的 信息 了。
其实我们都可以把耳朵看成一个传感器负责给大脑传信号，大脑来解析耳朵听到声音的信号啦，

2. 系统是什么？

信号是物理量，它的获取、传输、存储和处理需要依赖物理设备来实现，具备这些功能的设备就称为系统。
系统：定义为一个能对信号进行控制和处理，以实现某种功能的整体。

• 系统是一个整体：可以看成黑盒子
• 具有信号处理的功能

系统 是个极为宽泛的概念，实际上可以将众多的，与我们生活工作相关的事件抽象为一个系统。
常见的系统多为电路系统。实际上而言，从基本原子到河外星系甚至整个宇宙，从班级小组到人类社会，从动物奔跑（运动系统）到人类思维（大脑神经网络）等等，都可以归结在系统的范畴下。但限于篇幅及分析的方便性，本笔记讲解的系统都限于 电路及控制领域，以电信号及电系统为主要内容。

• 系统不能够脱离信号而独立存在
• 分析系统是分析经过系统处理、加工或者变换后的信号来实现的
• 系统的组成和特性是由携带信息的信号来体现的

3. 信号与系统学的什么？

学的便是：

• 信号类型、特性、用处
• 系统类型、特性、用处、如何处理信号等
• 如何把信号与系统结合解决实际工程

二、常见的信号与系统实例

信号与系统应用于范围极为广泛的各种领域中，例如在通讯、航空与航天、电路设计、声学、地震学、能源生产和分配系统、化学过程控制及语言处理等方面。
虽然在各个不同的领域中所出现的信号与系统的物理性质各不相同，但都具有两个基本的共同点：

• 信号总是一个或几个独立变量的函数，该函数一般都包含了关于某些现象性质的信息
• 而系统总是对给定的信号作出响应，传递信号或产生出另外的信号
• 总结：涉及到通信、控制类都要用这相关知识

常见信号与系统实例

• 例1： 电路系统
  电路中的电压或电流波形是最常见的一类信号，在理论和实际模型分析中极其重要。
  电路中作为时间函数的电压和电流就是信号 的例子，而一个 电路本身就是一个系统 的例子，该电路对外加电压或电流作出响应。
  （电流电压是信号）-> 电路系统 -> （输出电流电压）

• 例2： 通信系统
  通信是从一个地方向另一个地方传输信息的过程。在通信系统中，系统的功能是通过信道以可靠的方式将携带有信息的信号传输至目的地。其输入信号多种多样，如语音信、文本、图像等数据，而输出信号则是在接收目的地还原出的原始语音、原文本、图像等数据。基本的通信模式有两种
  -1）广播：使用单个高功率的发射机和大量较便宜的接收机，携带信息的信号是单向传送的。
  -2）点对点通信：通信产生在指定的发射机和指定的接收机之间，如果发生通信的两个或几个点都具有发射机和接收机，则携带信息的信号通常是双向传送的。电台广播和电视广播就是广播通信的一个典型例子。而电话则是点对点通信模式的典型应用。
  通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统，从信号处理的角度来看，模拟通信系统相对比较简单。典型通信系统如图所示，至少需要一个信息源、一个发射机、一个接收机、以及发射机和接收机之间某种形式的传输媒介（连接路径）。发射机将信息源产生的携带信息的信号转换成适合于在特定信道中传输的发射信号。传输媒介（信道是将两者联系在一起的物理媒介）可以是有线的方式，如一段光纤、一条电缆；也可以是无线的方式，如一个卫星信道或移动电话信道。信号通过信道传输给接收机，由于信道的物理特性等方面的因素，信号在传输过程中会产生失真。

橙色框内的便是 系统
信息信号、噪声便是 输入信号
含噪信息信号 是 输出信号

这便满足信号与系统的基本结构

• 输入信号 -》系统 -》 输出信号

三、信号与系统分析的意义

从某种意义上说，信号处理类似于“沙里淘金”，我们需要把有用的信息（如同“金子”）从数量庞大的各种噪声、干扰环境（如同各种沙粒）中提取出来，变换可以利用的信息特征（如同“金条”）。如果不进行这样的处理和加工，信息虽然存在，但始终是无法利用的，就像散落在沙中的金子无法为人类直接利用一样。
对 信号进行加工或变换的目的是削弱信号中的多余内容，滤除混杂的噪声和干扰，或者是 将信号变换成容易分析与识别的形式，便于估计和选择它的特征参量。

• 例1：当领航员与地面空中交通控制塔通话时，通话就可能受到驾驶舱内背景噪声的影响。在这种或很多其它类似情况下，要求设计的通信系统能够保留有用的信号（这时就是领航员或空中交通控制塔指挥人员的声音），而抑制掉（至少是近似地抑制掉）不需要的背景噪声信号。
• 例2：可以在旧式唱片声音恢复技术的应用。早期唱片录制时，是采用一种机械方式将音调高低不同的待录制信号（例如某歌唱家的声音）在唱片上刻出深浅不同的槽纹，这种唱片一方面在录制时就容易产生较大失真，另一方面也容易受损。因此，设计一个信号处理系统，能将受损唱片的音质恢复到能与现今录制的唱片效果相媲美的话，对抢救老艺术家留下的瑰宝，提高人们欣赏音乐的质量很有意义。

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