信息与信号基础知识概述

信息是对事物运动状态和方式的描述，是人们认识世界和改造世界所必须获取的东西。例如，为了变革某个事物，首先必须获得关于该事物的信息，然后通过所获得的信息进行分析和处理，从而得到对该事物必要的认识，产生相应的判断，才能着手变革这个事物。

信息论是信息科学的理论基础，是运用数理统计方法研究信息的获取、变换、传输与处理的一门新兴学科。广义信息论已广泛地渗透于各种科学领域。将信息论引入工程测试领域，对于促进工程技术的发展，拓宽和深入理解工程技术的各种问题，具有十分重要的意义。

信息与信号是互相联系的两个不同的概念。信号不等于信息，它是信息的载体；而信息则是信号所载的内容。所谓测试过程，就是检测信号，并从信号中获取信息的过程。也就是说，通过测试得到电信号，再经过对电信号的分析和处理，最后从这些信号中获取所需要的信息。所以，首先了解一些信号和信息的基础知识是十分必要的。

一、信息的定义

信息比较抽象，有关信息的概念及其数学模型的研究，还在不断深入；有关信息的定义，也是一个值得进一步探讨的问题。

信息的定义有多种，但其中经典的、有代表性的定义有两条。其一是控制论的创始人之一，美国数学家维纳（N.Wiener）指出：“信息就是信息，不是物质也不是能量。”他的这个论断在信息与物质和能量之间划了一条界线。其二是另一位英国数学家、信息论的奠基人山农（C.E. Shannon）指出的：信息是“能够用来消除不定性的东西”。所谓不定性，就是“具有多种可能而难以确断”。熵是不定性程度的度量，熵的减少就是不定性的减少。山农的信息定义虽然得到了度量信息的方法，但是这个定义也有局限性，它只描述了信息的功能，并没有正面回答“信息是什么”的问题。后来，被波里昂（L.Brilloun）等人引申为“信息就是负熵”，并且他们进一步提出：“信息是系统有序性和组织程度的度量”。

随着对信息认识的不断深入，信息的定义也被推广。事物运动的状态和方式具有不定性。人们不知道事物处在什么运动之中，也不知道事物会以什么方式来运动。而要消除这种不定性，唯一的办法就是要了解事物运动的具体状态和方式，也就是说，要得到信息。因此，广义的信息定义为：描述事物运动的状态和方式。这种广义的定义，统一了维纳、山农等人的定义，既能从概念上抓住信息的本质，又能为定量描述和度量提供可行的方法。

二、信息的性质

由信息的定义，可以概括出信息具有以下一些重要的性质：

（1）信息来源于物质运动，又不等同于物质；

（2）信息与能量息息相关，又互相异质，获得信息需要能量，控制能量又需要信息；

（3）信息可以识别，可以通过人的感官直接识别，也可以通过各种探测器间接识别；

（4）信息可以转换，可以从一种形态转换成另一种形态，如语言、文字、图像、图表等信号形式，可以转换成计算机代码及广播、电视等电信号，而电信号和代码又可以转换成语言、文字、图像等；

（5）信息可以存储，人用脑神经细胞存储信息（称作记忆）；计算机用内存储器和外存储器存储信息；录音机、录像机用磁带存储信息等；

（6）信息可以传输，人与人之间的信息传输依靠语言、表情、动作，社会信息的传输借助报纸、杂志、广播，工程中的信息则可以借助机械、光、声、电等传输。

一般说来，信息是比较抽象的。虽然它很抽象，却可以被观察者（包括人、生物以及人造的仪器设备）所感知、检测、提取、识别、存储、传输、显示、分析、处理和利用，且为众多的观察者所共享。它是决策的依据，控制的基础和管理的保证。

三、信息科学(www.xing528.com)

信息科学是以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机为主要研究工具，以扩展人类的信息功能（特别是智力功能）为主要研究目标的综合性科学。

信息科学的研究范畴为：进一步探讨信息的本质；建立信息的完整描述和度量的方法；研究信息是如何产生，如何检测、提取、变换、传输、存储、处理、识别等规律和关系；揭示利用信息进行控制，实现组织最优系统的一般原理及方法。这个范畴包括了认识和利用两个方面的问题，其主体是信息论、控制论和系统论，以及由它们派生出来的人工智能。其中，信息论主要涉及信息的认识问题，控制论和系统论主要涉及信息的利用问题。显然，认识是基础，利用是目的，两者之间的有机结合就成为一门完整的科学。

信息科学还发展了一套独特的方法论，即以信息论为背景的信息分析综合法；以控制论为背景的功能模拟法；以系统论为背景的系统整体优化法。它们互相联系组成了有机的整体——信息科学方法论。

四、信息技术

按照对信息和信息科学的理解，可以认为，凡是能够扩展人的信息功能的技术，都是信息技术。信息技术中比较典型的代表，是传感器技术、通信技术和计算机技术。它们大体上相当于人的感觉器官、神经系统和思维器官。传感或信息收集技术、通信技术及计算机技术，是信息技术的核心。

五、信息的描述

通常对于信息论有三种理论：①狭义信息论，主要研究信息的测度、信道容量以及信源和信道编码理论等；②一般信息论，主要研究通信问题，但也包括噪声理论，信号滤波与预测，信号调制与信号处理等；③广义信息论，不仅包括上述内容，而且还包括与信息有关的领域，如心理学、遗传学、神经生理学、语言学，甚至包括社会学中有关信息的问题。

山农的贡献在于，运用概率论与数理统计学的方法，对信息给予了数学描述和从定量的角度去度量。从而使信息论作为一门科学建立起来。自1948年山农理论发表后，信息论被认为是二次世界大战后的一门新兴科学。

随着科学技术的发展，源于通信工程的信息论，已经广泛地渗透到其他科学技术领域中，超越了狭义的通信工程的范畴，形成为广义信息论。广义信息论中的通信系统是泛指所有信息流通的系统，如生物有机体的神经系统、人类社会的管理系统、工程物理系统等等。广义信息论中的信息来源，即信源，就是所研究的客观事物，其输出是随机性的，是不确定性的。这种不确定性是客观存在的，一旦信源的输出经过变换、传输、处理而被人们所理解，就消除了不确定性，获得了信息。如果事先已经知道信源的输出，那么就无信息可言。因此，山农信息理论的基本假设是信源的输出为随机变量，即随机信息量。其大小用被消除的不确定性的多少来衡量。而事物不确定性的大小，可以用概率分布来描述。

六、信息技术在工程测试中的应用

工程测试是为了获取有关研究对象的状态、运动和特征方面的信息。从信息论的观点出发，深入理解工程测试中的有关问题，对工程测试有很大的促进作用。20世纪60年代以来，信息论及信息技术逐步引入到测试技术领域。例如：用信息论中广义通信系统来分析、解释测试系统；传感器被认为是信息检测与转换的装置；用熵的概念，作为评价被测对象不确定性的尺度；用山农信道容量理论来分析测试系统的最佳信息传输条件；在信息处理中，采用时序建模方法的最大熵谱分析，以及用维纳滤波，等等。实践表明，在工程测试领域中，运用信息论、信息技术来认识、分析、处理问题是卓有成效的。

七、信息与信号

信号是信息的载体，是物质，具备能量；信息是信号所载的内容，不等于物质，不具备能量。同一个信息，可以用不同的信号来运载。例如，街道上的红灯，是用灯光信号来运载和表示交通的指挥信息的；而同样的信息也可以通过交通警的手势这样的信号来表示。甚至，这个信息还可以通过口令这种声音来表示。反过来，同一种信号也可以运载不同的信息。由此可见，信息和信号并不是同一概念。

信息是客观存在或运动状态的特征，它总是通过某些物理量的形式表现出来，这些物理量就是信号。从信号的获取、变换、加工处理、传输、显示、记录和控制等方面来看，以电量形式表示的电信号最为方便。所以本书所指测得的信号，一般为随时间而变化的电量——电信号。

被研究对象的信息量是非常丰富的。测试工作总是根据一定的目的和要求，获取有限的、观察者感兴趣的某些特定的信息。例如，研究单自由度的质量-弹簧系统，感兴趣的是该系统的固有频率和阻尼比，所以，可以通过系统中的质量块的位移-时间历程信号来提取信息，而对系统运动中弹簧的微观表现信息则可以舍去。测试工作总是要用最简捷的方法获取和研究与任务相联系的、最有用的、表征对象特性的有关信息，而不是企图获取该事物的全部信息。这样，就要求善于从信号中提取有用的信息。

为了存储、传输、读取或反馈有用信息，常常需要把信号作必要的变换，使得信息从信源点尽可能真实地传输到信宿。整个过程要求既不失真，也不受干扰。严格地说，就是要在外界严重干扰的情况下，能够提取和辨识出信号中所包含的有用信息。