3、信息是信號(hào)變化的含義

信息的進(jìn)一層意義可以表述為：根據(jù)信息接受者的需求信息是信號(hào)表達(dá)的對(duì)接受者有用的內(nèi)容。生物從周圍環(huán)境中接收到的各種信號(hào)中獲取有用信息是生物進(jìn)化獲得的本能，這些本能的工作原理對(duì)人類來說其實(shí)還是一種非常深?yuàn)W的知識(shí)。

人類的耳器官里面，首先把聲音信號(hào)的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成為神經(jīng)系統(tǒng)的電信號(hào)，然后通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到大腦。通過大腦來識(shí)別聲音信號(hào)中的有用信息。

而對(duì)于光信號(hào)的信息處理機(jī)理要復(fù)雜得多，到現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)還不能完全說明。目前只能大概知道光在眼睛里聚焦后投射到有大量的視覺細(xì)胞的眼底視覺細(xì)胞區(qū)，每一個(gè)視覺細(xì)胞都把接收到的光信號(hào)變成相應(yīng)的神經(jīng)信號(hào)傳輸?shù)酱竽X中。各個(gè)視覺神經(jīng)信號(hào)在大腦中被組合成為完整的圖像供大腦提取需要的信息。至于這個(gè)過程中是如何分辨不同的光的顏色和強(qiáng)度，如何識(shí)別圖像中的形狀、運(yùn)動(dòng)信息等信息獲取方法，對(duì)人類都還是一些神秘的知識(shí)。

目前人類借鑒了一些對(duì)生物信息處理能力的研究成果，同時(shí)利用已經(jīng)有的技術(shù)來代替這些信息處理的本能，完成有用信息獲取的功能。采取一些人類已經(jīng)掌握的一些比較特殊的處理技術(shù)（主要是電子技術(shù)）來幫助人類從各種信號(hào)中獲取信息內(nèi)容。下面簡要地介紹最常用的聲音信號(hào)，圖像信號(hào)，語言和文字信號(hào)的人工機(jī)器信息處理技術(shù)的發(fā)展。

（3.1）、聲音信號(hào)的信息處理技術(shù)的發(fā)展

人類最先實(shí)現(xiàn)的是聲音信號(hào)的機(jī)器處理。1876年美國人貝爾發(fā)明了電話機(jī)，他用電磁方法把聲音的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成為波動(dòng)的電信號(hào)，然后通過金屬導(dǎo)線傳輸?shù)竭h(yuǎn)方。在接收地方再把電流波動(dòng)信息還原成為機(jī)械振動(dòng)的聲音信號(hào)。由于電信號(hào)在金屬導(dǎo)線中是以光速傳遞的，所以遠(yuǎn)方的接收者幾乎是同時(shí)聽到了聲音。電話系統(tǒng)最先解決了人類最常使用的語音信息交流的距離問題，它可以把面對(duì)面的語音交流范圍大大的延伸到幾乎世界上任何地方。所以電話系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展非常迅速，很快成為世界范圍的語音信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。

比電話技術(shù)的發(fā)明稍早幾十年的還有一種電報(bào)信息傳輸技術(shù)，它同樣是利用電信號(hào)來傳輸一種比較簡單的信息編碼表達(dá)的文字信息。早期的電報(bào)系統(tǒng)利用長短不同的編碼（莫爾斯電碼）來代表26個(gè)英語字母和一些標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。19世紀(jì)30年代在英國和美國發(fā)展起來的電報(bào)網(wǎng)絡(luò)，用電信號(hào)的方式來實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離信息通信方式。電報(bào)系統(tǒng)的信息傳輸量和方便性等都不如電話系統(tǒng)。但是這種最初用于文字信息的數(shù)據(jù)傳輸方式在數(shù)字技術(shù)發(fā)展成為信號(hào)的主要使用方式以后，以此為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息通信方式成為通信的系統(tǒng)的基本工作方式。關(guān)于數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后面再做介紹。

直接的連續(xù)電信號(hào)傳輸?shù)碾娫捪到y(tǒng)（也被稱為模擬電話系統(tǒng)），隨著傳輸距離的增加，通信線路的有限，信息傳輸?shù)哪芰Ρ容^低，不能滿足使用增長的需要。使用過老式模擬電話的人可能都會(huì)遇見通話質(zhì)量差，等待時(shí)間長等一系列的麻煩。在數(shù)字通信技術(shù)出現(xiàn)以后，人們就希望利用先進(jìn)的數(shù)字通信技術(shù)來改進(jìn)電話系統(tǒng)。于是出現(xiàn)了數(shù)字電話系統(tǒng)。

用數(shù)字通信系統(tǒng)來傳輸聲音信號(hào)首先要解決信號(hào)的數(shù)字化技術(shù)。這個(gè)問題的解決還要從19世紀(jì)初的物理和數(shù)學(xué)研究成果談起。1807年，法國物理學(xué)家傅里葉在研究物體內(nèi)的溫度分布提出一種研究方法：“任何”周期信號(hào)都可以用一系列成諧波關(guān)系的正弦曲線來表示。下面這個(gè)公式稱為周期為T的信號(hào)x（t）的傅里葉變換（復(fù)數(shù)形式）：

      從理論上來說，只要信號(hào)是能量有限的（幾乎所有的信號(hào)都可以滿足這個(gè)條件），那么信號(hào)的傅里葉變換就是可以計(jì)算的。也就是說傅里葉頻率分析方法可以適用于各種信號(hào)的描述。

如果性x（t）是方波，則它的傅里葉變換可以表達(dá)成為：

   下面的圖型表示方波信號(hào)可以看成一系列正弦諧波的疊加，也就是方波的頻譜：

      從理論上來說，需要無窮多個(gè)諧波的疊加才可以得到嚴(yán)格的方波。但是在實(shí)際的工程應(yīng)用中用有限個(gè)正弦諧波一定可以滿足要求的精度。信號(hào)頻譜的意義在于變化信號(hào)有了另外一個(gè)重要描述方法：頻域分析方法。通過頻域分析方法我們可以用信號(hào)的頻率成分（信號(hào)所包含的正弦波的頻率、振幅、相位）來描述信號(hào)的變化。我們可以不去注意這些比較難記的數(shù)學(xué)公式，只要知道科學(xué)家通過傅里葉變換這個(gè)數(shù)學(xué)工具，找到了把聲音信號(hào)數(shù)字化的方法。如果以對(duì)信號(hào)頻帶寬度2倍的速率對(duì)模擬聲音信號(hào)（數(shù)學(xué)表達(dá)為連續(xù)函數(shù)）信號(hào)進(jìn)行采樣，那么得到一個(gè)離散信號(hào)（數(shù)學(xué)表達(dá)為間隔時(shí)間點(diǎn)的離散函數(shù)）可以完全代表原來聲音信號(hào)的信息。這個(gè)采樣定理是美國電信工程師H.奈奎斯特在1928年提出的。一般人耳可以聽見的聲音信號(hào)的頻率范圍低于20K赫茲，所以如果用高于40K赫茲的采樣頻率處理聲音信號(hào)可以完整保留聲音的信息（如一般CD音樂的采樣頻率為44100赫茲，16bit）。

       然后對(duì)采樣后的每一個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)上的值（可能是一個(gè)電壓、電流或者某種能量）進(jìn)行二進(jìn)制量化，用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字來表示它，就完成了對(duì)聲音信號(hào)的數(shù)字化處理。二進(jìn)制量化一般使用一種A/D變換器（模擬/數(shù)字信號(hào)變換器）的電子器件來完成。這樣就可以通過數(shù)字通信系統(tǒng)來傳輸模擬聲音信號(hào)了。在接收方可以用D/A變換器（數(shù)字/模擬信號(hào)變換器）把這個(gè)一系列的數(shù)字重新轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)重新播放出來，原來聲音信號(hào)的信息就可以恢復(fù)出來供我們使用了。

這個(gè)采樣技術(shù)的意義不僅僅是把聲音信號(hào)的傳輸可以用數(shù)字通信系統(tǒng)來完成，而且可以用數(shù)據(jù)的形式來記錄，存儲(chǔ)和復(fù)制聲音信號(hào)。數(shù)據(jù)形式對(duì)聲音信號(hào)具有記錄可靠，復(fù)制無失真，也就是具有盡量保持聲音信號(hào)的信息的優(yōu)點(diǎn)。所以它已經(jīng)廣泛地用于我們對(duì)生活中，日常使用的CD音樂，高保真度的數(shù)字音樂（HIFI數(shù)字音樂），數(shù)字錄音機(jī)，數(shù)字手機(jī)的通話功能，計(jì)算機(jī)聲音文件等都是基于這個(gè)理論。

在此基礎(chǔ)上，使用日益成熟的計(jì)算機(jī)智能化功能，對(duì)聲音信號(hào)的進(jìn)一步信息處理已經(jīng)有了很大的發(fā)展。如用于對(duì)人的語音信號(hào)的文字化的識(shí)別；機(jī)器自動(dòng)翻譯；機(jī)器人的語言對(duì)話能力等等技術(shù)都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的。