什么是信号？

说到信号，我们首先想到的往往是光信号电信号，这些的确是我们常用的信号，那信号的实质是什么呢？信号是用来干什么的？一种通用的解释是，信号是消息的载体。也可以参考维基百科对信号的解释：

In communication systems, signal processing, and electrical engineering, a signal is a function that “conveys information about the behavior or attributes of some phenomenon”.
A signal may also be defined as an “observable change in a quantifiable entity”.（可被观察的物理量的变化）

从这些定义出发，我们试着重新去思考最开始的这个问题——什么是信号？什么可以作为信号？基于当下的技术水平，其中哪些能被我们所用？它们的适用范围有哪些？……

先 谈谈最简单的问题吧，什么是信号，什么可以作为信号。我们最常用的光、电、声，是从什么方面出发所使用的？如果通信的主题是蚂蚁，他们会选择光和声作为它们的通用信号么？ ¹ 这就引申出一个有趣的问题，我们之所以选用声和光作为我们最基本的通信载体，是不是由我们的感官决定的呢？如果是这样，那人的五感（形、声、闻、味、触）是不是都可以派上用场呢？先别急着否定，我们讨论的通信范围不只是机器之间的通信，是广义的通信，人与人，人与机器，人与自然等等，这之间由万千通信场景，耐心想想总是能有用得上的。

让我们继续拓宽思路，除了常见的声光电，自然界中还有什么是可以用来运载信息的呢？看得见的，一片云，一座山，一片草地，一块石头；看不见的，分子、原子、质子、中子、量子；看不见又摸不着的，各种波、各种力场，如电磁波、声波、引力波²…… 万物皆可通信，为什么我们更倾向于用那些看不见或摸不着的东西进行通信呢？是因为效率高么？可是声波的效率好像挺低的呀？³理论上量子的通信范围和速度最远保密性最高，怎么当初没有优先研究量子通信呢？

让我们把眼光放回到现代通信系统中最常用到的电信号上。我们一般所使用的电信号，比如在电路和模电课上接触的，都是随时间变化的电信号(time-varying)，用图表述的时候横轴是时间，纵轴是幅度。那么问题又来了，为什么要这样表示呢？横轴就不能是频率、空间，弄点什么frequency-varying, space-varying，因为它们是相对固定的东西么，那我来个weather-varying又怎么说？太玄学了，那看一下纵轴吧，能不能来点幅度以外的东西，比如频率、能量、空间、调制方式⁴、 电磁波极化方向……是的，这的确可以，纵轴不同构成了各种各样不同的调制方式，如幅度调制(AM)，频率调制(FM)等等。只有想不到，没有做不到。

电信号是最好的么？我们现代通信系统几乎都是用的电信号，是否表示它就是最完美的，它就是上帝？这得看不同的应用场景，比如在水中，它就是个弟弟。而且它还经常撞墙，撞着撞着就把自己撞没了。从保密角度来说，电磁波飘在空中，任何人都能接收到，好像也没这么安全……

最后再留一个开放性的问题吧：在《全频段阻塞干扰》⁵所描绘的信息战中，为了平衡双方的实力，弱势一方使用了一种刺激的方式（不剧透）对对整个战场内电磁波的可通信频段进行了阻塞干扰，使得无法再使用电磁波进行通信。在这种情况下，应该怎么办？如果要使用大批量导弹对特定区域进行协同轰炸，它们之间可以怎么通信？

p.s.这篇文章只谈到了一维信号，实际使用时还可以有二维以上的信号，比如图像，这就是另外一个更神奇的世界了~

1. 一篇很好玩的科幻小说，《白垩纪往事》/《当恐龙遇上蚂蚁》，刘慈欣 ↩︎

2. 《三体》中飞船与地球进行远距离通信所使用的一种信号 ↩︎

3. 刘慈欣《乡村教师》：“上尉，你是个白痴吗？！”舰队统帅大怒，“你是想告诉我们，一种没有记忆遗传，相互间用声波进行信息交流，并且是以令人难以置信的每秒１至１０比特的速率进行交流的物种，能创造出５Ｂ级文明？！ ↩︎

4. “做研究的就是要天马行空嘛，所有有不确定性的东西都可以携带信息，比如在这个OFDM里面，我们甚至可以设想用不同的调试方式来表示不同信息，用调制方式来通信”，某节通信原理课上吴绍华老师如是说。 ↩︎

5. 没错，这又是一本刘慈欣的科幻小说 ↩︎