3、信息是信号变化的含义

信息的进一层意义可以表述为：根据信息接受者的需求信息是信号表达的对接受者有用的内容。生物从周围环境中接收到的各种信号中获取有用信息是生物进化获得的本能，这些本能的工作原理对人类来说其实还是一种非常深奥的知识。

人类的耳器官里面，首先把声音信号的机械振动转换成为神经系统的电信号，然后通过神经系统传递到大脑。通过大脑来识别声音信号中的有用信息。

而对于光信号的信息处理机理要复杂得多，到现在科学技术还不能完全说明。目前只能大概知道光在眼睛里聚焦后投射到有大量的视觉细胞的眼底视觉细胞区，每一个视觉细胞都把接收到的光信号变成相应的神经信号传输到大脑中。各个视觉神经信号在大脑中被组合成为完整的图像供大脑提取需要的信息。至于这个过程中是如何分辨不同的光的颜色和强度，如何识别图像中的形状、运动信息等信息获取方法，对人类都还是一些神秘的知识。

目前人类借鉴了一些对生物信息处理能力的研究成果，同时利用已经有的技术来代替这些信息处理的本能，完成有用信息获取的功能。采取一些人类已经掌握的一些比较特殊的处理技术（主要是电子技术）来帮助人类从各种信号中获取信息内容。下面简要地介绍最常用的声音信号，图像信号，语言和文字信号的人工机器信息处理技术的发展。

（3.1）、声音信号的信息处理技术的发展

人类最先实现的是声音信号的机器处理。1876年美国人贝尔发明了电话机，他用电磁方法把声音的机械振动转换成为波动的电信号，然后通过金属导线传输到远方。在接收地方再把电流波动信息还原成为机械振动的声音信号。由于电信号在金属导线中是以光速传递的，所以远方的接收者几乎是同时听到了声音。电话系统最先解决了人类最常使用的语音信息交流的距离问题，它可以把面对面的语音交流范围大大的延伸到几乎世界上任何地方。所以电话系统的应用发展非常迅速，很快成为世界范围的语音信息传输网络。

比电话技术的发明稍早几十年的还有一种电报信息传输技术，它同样是利用电信号来传输一种比较简单的信息编码表达的文字信息。早期的电报系统利用长短不同的编码（莫尔斯电码）来代表26个英语字母和一些标点符号。19世纪30年代在英国和美国发展起来的电报网络，用电信号的方式来实现了远距离信息通信方式。电报系统的信息传输量和方便性等都不如电话系统。但是这种最初用于文字信息的数据传输方式在数字技术发展成为信号的主要使用方式以后，以此为基础的数据信息通信方式成为通信的系统的基本工作方式。关于数据通信网络技术后面再做介绍。

直接的连续电信号传输的电话系统（也被称为模拟电话系统），随着传输距离的增加，通信线路的有限，信息传输的能力比较低，不能满足使用增长的需要。使用过老式模拟电话的人可能都会遇见通话质量差，等待时间长等一系列的麻烦。在数字通信技术出现以后，人们就希望利用先进的数字通信技术来改进电话系统。于是出现了数字电话系统。

用数字通信系统来传输声音信号首先要解决信号的数字化技术。这个问题的解决还要从19世纪初的物理和数学研究成果谈起。1807年，法国物理学家傅里叶在研究物体内的温度分布提出一种研究方法：“任何”周期信号都可以用一系列成谐波关系的正弦曲线来表示。下面这个公式称为周期为T的信号x（t）的傅里叶变换（复数形式）：

从理论上来说，只要信号是能量有限的（几乎所有的信号都可以满足这个条件），那么信号的傅里叶变换就是可以计算的。也就是说傅里叶频率分析方法可以适用于各种信号的描述。

如果性x（t）是方波，则它的傅里叶变换可以表达成为：

下面的图型表示方波信号可以看成一系列正弦谐波的叠加，也就是方波的频谱：

从理论上来说，需要无穷多个谐波的叠加才可以得到严格的方波。但是在实际的工程应用中用有限个正弦谐波一定可以满足要求的精度。信号频谱的意义在于变化信号有了另外一个重要描述方法：频域分析方法。通过频域分析方法我们可以用信号的频率成分（信号所包含的正弦波的频率、振幅、相位）来描述信号的变化。我们可以不去注意这些比较难记的数学公式，只要知道科学家通过傅里叶变换这个数学工具，找到了把声音信号数字化的方法。如果以对信号频带宽度2倍的速率对模拟声音信号（数学表达为连续函数）信号进行采样，那么得到一个离散信号（数学表达为间隔时间点的离散函数）可以完全代表原来声音信号的信息。这个采样定理是美国电信工程师H.奈奎斯特在1928年提出的。一般人耳可以听见的声音信号的频率范围低于20K赫兹，所以如果用高于40K赫兹的采样频率处理声音信号可以完整保留声音的信息（如一般CD音乐的采样频率为44100赫兹，16bit）。

然后对采样后的每一个采样时间点上的值（可能是一个电压、电流或者某种能量）进行二进制量化，用一个二进制数字来表示它，就完成了对声音信号的数字化处理。二进制量化一般使用一种A/D变换器（模拟/数字信号变换器）的电子器件来完成。这样就可以通过数字通信系统来传输模拟声音信号了。在接收方可以用D/A变换器（数字/模拟信号变换器）把这个一系列的数字重新转换成为模拟信号重新播放出来，原来声音信号的信息就可以恢复出来供我们使用了。

这个采样技术的意义不仅仅是把声音信号的传输可以用数字通信系统来完成，而且可以用数据的形式来记录，存储和复制声音信号。数据形式对声音信号具有记录可靠，复制无失真，也就是具有尽量保持声音信号的信息的优点。所以它已经广泛地用于我们对生活中，日常使用的CD音乐，高保真度的数字音乐（HIFI数字音乐），数字录音机，数字手机的通话功能，计算机声音文件等都是基于这个理论。

在此基础上，使用日益成熟的计算机智能化功能，对声音信号的进一步信息处理已经有了很大的发展。如用于对人的语音信号的文字化的识别；机器自动翻译；机器人的语言对话能力等等技术都是在此基础上进行的。