第1章 引言
“信号与系统”的理论和分析方法,潜在的和实际的应用范围不断地在扩大着,几乎渗透到各个科学技术领域之中。那么,什么是信号(signal)?什么是系统(system)呢?为什么要把信号与系统这两个概念联系在一起呢?这是首先必须弄清楚的问题。
1.信号的定义及应用
“信号”来源于拉丁文“signum(记号)”一词,其含义甚广。“信号”这一术语不仅出现于科学技术领域之中,而且在日常生活之中每时每刻几乎都与信号打交道,人们对信号并不陌生。上课的铃声就是一种信号,火车、船舶的汽笛声,汽车的喇叭声也都是一种信号,这些都是声信号。道路交叉路口和铁路轨道旁设置的红绿灯光是一种信号,发射信号弹的闪烁亮光也是一种信号,这些都是光信号。收音机和电视机天线从天空中接收到的电磁波是一种信号,它们每一级电路的输入、输出电压(voltage)或电流(current)也是信号,这都是电信号。除此之外,还有电视机和计算机显示器屏幕上的图像文字信号,交警指挥的手势信号,军舰使用的旗语信号,等等。所有这些五花八门的信号,虽然它们的物理表现形式各不相同,但是它们却存在两个共同特点:无论是声信号、光信号、电信号,还是其他形式的信号,其本身都是一种变化着的物理量,或者说是一种物理体现,这个特点是显而易见的。而另一个特点则表现为,信号都包含有一定意义,也就是说,信号是载有信息(information)的。例如上课的铃声信号,表示上课时间到了的信息;雷达荧光屏上的光点信号,表示有飞机出现的信息;生物细胞中DNA的结构图案信号,表示了一定的遗传信息等。因此我们可以说,信号就是用于描述、记录或传输的信息的任何对象的物理状态随时间的变化过程。简单而言,信号就是载有一定信息的一种变化着的物理量。也可以说,信号就是载有一定信息的一种物理体现。信号是信息的表现形式,信息则是信号的具体内容。人们相互问询、发布新闻、广播图像或传递数据,其目的都是要把信息借助于一定形式的信号传递出去。
自古以来,人们就在不断地寻求各种方法,将信息转化为信号,以实现信息的传输、记忆与处理。我国古代利用烽火台的狼烟报警,希腊人利用火炬位置表示字母符号,就是利用光信号进行信息传递的早期范例。击鼓鸣金报送时刻或传达命令,是利用声信号进行信息传递的例证。以后出现了信鸽、驿站和旗语等传送信息的各种方法。然而,这些方法无论在距离、速度还是在有效性与可靠性方面,都没有得到较满意的解决。19世纪初叶之后,人们开始研究如何利用电信号进行信息的传送,使人类在信息传输、记忆与处理等诸多方面取得了显著的进步和满意的效果。
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