信號(hào)與信息

前言

由于研究電子對(duì)抗的技術(shù)問(wèn)題，我開始考慮人們利用電子信號(hào)進(jìn)行對(duì)抗的實(shí)質(zhì)到底是什么，進(jìn)而想歸納人們利用各種電子信號(hào)的活動(dòng)到底有什么根本性的東西。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在電子對(duì)抗這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，我們對(duì)信號(hào)的利用效率非常低。于是，考慮把這方面的思考總結(jié)出來(lái)，或許不僅有益于電子對(duì)抗專業(yè)的發(fā)展，而且可能會(huì)使人們把電子信號(hào)與信息活動(dòng)關(guān)聯(lián)起來(lái)，進(jìn)而推動(dòng)產(chǎn)生創(chuàng)新的思維。自從電被人類認(rèn)識(shí)以來(lái)，它對(duì)人類的生活、生產(chǎn)、科研和軍事等產(chǎn)生了巨大的作用，這甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們最初的預(yù)期。人們利用電，可以分為兩大類。一類是利用電本身所具有的能量，我們稱之為強(qiáng)電。另一類則利用電信號(hào)能夠攜帶、傳遞信息的能力，我們稱之為弱電。從路的觀點(diǎn)看，電具有一定的電壓和電流，它們的乘積代表功率。從場(chǎng)的觀點(diǎn)看，對(duì)應(yīng)的是場(chǎng)強(qiáng)，表示場(chǎng)具有能量。電能可以由化學(xué)能和機(jī)械能等轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)，同時(shí)又可以轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，被人們利用。由于電能具有傳輸方便的特點(diǎn)，使之成為一種很好的能量傳輸方式。電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換裝置、電能與電能的轉(zhuǎn)換裝置、電能的傳輸及控制裝置就成為人們研究以強(qiáng)電形式使用電的主要內(nèi)容。與其他形式的能量相比，我們知道，電能在遠(yuǎn)距離傳送時(shí)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，其速度是光速，其效率明顯高于其他所有形式的能量。然而，僅僅利用電信號(hào)攜帶信息，把具有微弱能量的電信號(hào)作為信息的載體，給人類帶來(lái)了更多的具體應(yīng)用。由于人類的各種活動(dòng)，無(wú)不與信息有關(guān)，我們把與信息有關(guān)的產(chǎn)業(yè)叫做信息產(chǎn)業(yè)。幾乎所有的人都認(rèn)識(shí)到，這個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展太驚人了。于是，我們不得不從根本上考慮，當(dāng)我們把電看成信息的載體時(shí)，應(yīng)當(dāng)怎樣看待信號(hào)與信息，我們可能用什么辦法讓信號(hào)承載信息，又可能用什么辦法把信息從信號(hào)中提取出來(lái)。本書就是試圖為解決這方面的問(wèn)題而寫的。人類對(duì)信息最初并沒(méi)有深刻的認(rèn)識(shí)，甚至沒(méi)有把信息當(dāng)成一種客觀實(shí)體，不認(rèn)為信息可以計(jì)量，沒(méi)有把信息當(dāng)成我們研究的對(duì)象。自從香農(nóng)確定信息理論的基礎(chǔ)以來(lái)，事情發(fā)生了一些根本性的變化。首先，我們把信息定義為事件發(fā)生前后我們所掌握的熵的變化，這是一個(gè)與事件的概率大小有關(guān)的量，于是信息可以被計(jì)量。信息計(jì)量的具體定義為：如果一個(gè)事件發(fā)生為不同狀態(tài)的概率為pi，那么，在它確定發(fā)生以前，我們認(rèn)為事件含有一定總量的熵，其度量可以被定義為I =??pi.log(pi) 。而一旦它已經(jīng)發(fā)生，就已經(jīng)沒(méi)有任何不確定性，熵的總量將下降到0。因此，我們就把前者定義為事件的信息量。特別是，當(dāng)我們用2作為對(duì)數(shù)的底時(shí)，所得到的信息量的計(jì)量單位為比特，即I =??pi.log2(pi)（比特）。由于有了這樣一個(gè)對(duì)信息計(jì)量的定義，我們就可以具體地研究一個(gè)信號(hào)究竟包含多少信息、能夠攜帶多少信息等。于是，我們又發(fā)現(xiàn)了信號(hào)與信息之間的一個(gè)最基本的關(guān)系，那就是攜帶一定量的信息，需要一定的信號(hào)功率、時(shí)間和頻帶寬度。本書將在第2章中詳細(xì)論述這一點(diǎn)。既然發(fā)現(xiàn)了信號(hào)與信息的基本關(guān)系，我們想問(wèn)，當(dāng)利用信號(hào)攜帶信息時(shí)，是否也存在一些最基本的規(guī)律，從而使我們可能從根本上理解、解釋、優(yōu)化使用信號(hào)的過(guò)程。本書正是全面地論述了這個(gè)方面的考慮。希望它給讀者帶來(lái)啟發(fā)，使我們可以自覺(jué)地、更好地使用信號(hào)，也可以讓我們開發(fā)出新的應(yīng)用方式和實(shí)際用途。作者所以想寫這本書，是受了很多思路的啟發(fā)。比如說(shuō)，人們研究了很多壓縮信息的辦法，這等于告訴人們，當(dāng)信號(hào)用來(lái)攜帶信息時(shí)，我們往往沒(méi)有有效地使用信號(hào)，因此，在功率、帶寬或時(shí)間方面，有很多潛力可以挖掘。又比如說(shuō)，GPS采用擴(kuò)譜信號(hào)，使得信號(hào)處理可以有50dB以上的增益，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)非常高的靈敏度。又比如說(shuō)，采用合成孔徑原理，從信號(hào)的時(shí)延和頻移中提取目標(biāo)反射的距離和速度信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的成像。所有這些，似乎告訴人們，信號(hào)與信息之間的關(guān)系，非常有意思，但是在人們構(gòu)造一個(gè)具體的應(yīng)用時(shí)，有些規(guī)律很可能并沒(méi)有完全被認(rèn)識(shí)清楚。如果我們能夠從本質(zhì)上看清問(wèn)題，就有可能更有效地利用信號(hào)，并且開拓新的使用信號(hào)的途徑。因此，書寫本書在一定意義上也是一個(gè)學(xué)習(xí)和總結(jié)，或者說(shuō)，本書力圖從簡(jiǎn)單的、容易接受的一些事實(shí)出發(fā)，提出信號(hào)和信息之間最本質(zhì)的關(guān)系。要寫一本專業(yè)技術(shù)書籍是很困難的。能夠鼓勵(lì)我繼續(xù)思考，完成這個(gè)短作，是西南電子設(shè)備研究所這個(gè)群體。如果沒(méi)有應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展對(duì)理論的需求，如果沒(méi)有這個(gè)群體在自身的活動(dòng)中對(duì)發(fā)展的渴望，根本就沒(méi)有人向我提出需要考慮信號(hào)與信息的基本關(guān)系，也不可能有環(huán)境支持我把這個(gè)問(wèn)題想下去，因此也就不可能有這本書的誕生。盡管問(wèn)題的提出不是直接的，但我認(rèn)為這是技術(shù)發(fā)展的規(guī)律。所以，我還想大聲地呼吁，很多技術(shù)問(wèn)題還在等待著從事于技術(shù)開發(fā)、研究的人們?nèi)タ偨Y(jié)；我也想由衷地感謝，我們豐富的科研活動(dòng)，它們是這些新觀點(diǎn)的源泉。初稿完成以后，重讀一遍，發(fā)現(xiàn)有些地方不夠嚴(yán)密，再由于時(shí)間的推移，覺(jué)得有些提法也不盡合理，于是不得不做稍大一點(diǎn)的修改。這樣一來(lái)，這本小冊(cè)子的完成就幾乎經(jīng)歷了7個(gè)年頭。同時(shí)，由于作者從事的是電子對(duì)抗專業(yè)，最初似乎是想總結(jié)偵察和干擾的基本理論，但是實(shí)際上，本書所論述的問(wèn)題，顯然并不局限于電子對(duì)抗，它可能帶來(lái)的應(yīng)用，或許會(huì)大大地超越電子對(duì)抗的范疇。

內(nèi)容概要

本書圍繞信號(hào)與信息展開討論，指出信號(hào)攜帶信息的基礎(chǔ)是信號(hào)能量，并進(jìn)一步討論了信號(hào)攜帶信息的為數(shù)不多的一些基本辦法，以及人們?cè)诮邮盏叫盘?hào)后試圖提取所攜帶的信息的基本辦法，指出信息可能是在發(fā)射時(shí)就攜帶的，也可能是在傳輸過(guò)程中攜帶的。全書共分為五章，分別論述信號(hào)的描述、信號(hào)攜帶信息的能力、信號(hào)攜帶信息的基本方式、從信號(hào)中提取信息的基本方式以及某些具體工程問(wèn)題的總體考慮，并試圖能夠給讀者一些考慮問(wèn)題的啟發(fā)。

書籍目錄

第1章 信號(hào)的描述  　1.1 信號(hào)的基本描述  　1.2 內(nèi)積、投影和正交  　　1.3 信號(hào)的一般描述  　1.4 對(duì)信號(hào)的變換  　1.5 對(duì)信號(hào)的濾波和壓縮  　1.6 信號(hào)的雙域描述  　1.7 信號(hào)的統(tǒng)計(jì)描述  第2章 信號(hào)的信息能力  　2.1 信息基礎(chǔ)知識(shí)  　2.2 信號(hào)的信息能力  　2.3 獲取信號(hào)能力的條件  　2.4 通信狀態(tài)下的信號(hào)能力  　2.5 探測(cè)狀態(tài)下的信號(hào)能力  第3章 信息的攜帶  　3.1 發(fā)射信號(hào)時(shí)信息的攜帶  　3.2 信號(hào)傳輸中信息的攜帶  　3.3 多用途狀態(tài)下信息的攜帶  第4章 信息的提取  　4.1 對(duì)發(fā)射時(shí)攜帶信息的提取  　4.2 對(duì)傳輸中攜帶的信息的提取  　4.3 非配合信號(hào)樣板的提取  第5章 若干應(yīng)用問(wèn)題討論  　5.1 最佳信號(hào)波形問(wèn)題  　5.2 通信信號(hào)波形分析  　5.3 目標(biāo)探測(cè)信號(hào)波形分析  　5.4 信號(hào)發(fā)射時(shí)攜帶的源位置信息  　5.5 關(guān)于應(yīng)答方式的應(yīng)用  　5.6 接收機(jī)靈敏度  　5.7 長(zhǎng)時(shí)間相關(guān)積累的考慮  　5.8 多次融合問(wèn)題  　5.9 關(guān)于信號(hào)波形安全

章節(jié)摘錄

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《信號(hào)與信息》是由電子工業(yè)出版社出版的。

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