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信号和噪声是通信技术发展过程中永恒的主题，就像一对欢喜冤家难舍难分。哪个通信工程师的嘴上不是天天挂着信噪比和误码率！甚至在一些特殊或关键通信系统中，噪声已成为工程师们挥之不去的梦魇！下面跟大家聊聊它们俩的那些事儿。
通信的根本任务是传递信息，但必须以传输信号为前提。比如，古时的烽火、抗战年代的消息树、军队中的冲锋号、信号弹、信号灯及信号旗等都是携带信息的信号实例。而近代一切通信系统都是把信息/消息转化为电压、电流或无线电波（光波）等信号形式，再利用各种传输手段进行传输，从而完成通信任务。
通过对上述信号实例的抽象及概括，可以给出信号的基本定义如下。
信号：可以携带消息的各种物理量、物理现象、符号及图形等 。
在现代通信系统中，信号主要指变化的电压、电流、无线电波或光波。
普通信号必须具有可观测性和可变化性，而用于通信的信号还必须具有可控制性。大家知道，信息的最终使用者是人或相关的机器设备。作为信息的物理载体，信号必须能被人的视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉感受到或被机器设备检测到，否则就失去了传输意义；而信号若不可变，则无法携带丰富多彩的信息；最后，信号必须能够人工控制或实现。比如，打雷和闪电具有信号的前两个特性，但无法由人控制、产生，因此它们不能作为通信信号使用。
信号可类比卡车（火车或飞机），消息就是卡车上的集装箱，信息则是集装箱中的货物。
通信信号有以下几个主要类型。
（1）根据消息载体的不同，信号可分为电信号和光信号两大类。电信号主要包括电压信号、电流信号和无线电信号等；而光信号则是利用光亮度的强弱或有无来携带信息。
（2）根据携带信息的种类不同，信号主要可分为声音（音频）信号、活动图像（视频）信号和数据信号等。音频信号指频率在20Hz～20kHz内的携带语音、音乐和各种声效的电信号，其中包含频率在300Hz～3.4kHz内的话音信号（电话系统专用术语）。视频信号指直接携带活动图像信息的0～6MHz的电信号。数据信号主要指携带0、1数据的数字电信号（通常以电脉冲序列形式出现），通常它不能直接携带信息，而需要根据协议通过编码技术赋予。
（3）根据频谱位置的不同，信号可分成基带信号和带通信号。通常，把频谱最低值 f L 小于频谱宽度 B = f H − f L 的信号称为基带信号，常见的基带信号是不经过调制处理的原始信号；而把 f L 大于频谱宽度 B = f H − f L 的信号称为带通信号，常见的带通信号就是经过调制处理的已调信号。两种信号频谱示意图见图1-13。
图1-13 基带信号频谱及带通信号频谱示意图
基带信号一般直接携带信息（比如音频和视频信号），收信端收到基带信号也就收到了信息；而已调信号虽然也携带信息，但收信端必须对接收到的已调信号进行解调处理才能还原原始信息。典型的基带信号通信系统是单位内部的有线广播系统，扬声器可直接将语音信号播放出来；典型的带通信号通信系统是无线电广播系统，收音机收到的是已调信号，虽然它也包含语音信息，但不能直接通过扬声器播放出来，必须经过解调才行。
（4）根据外在表现的不同，信号可分为模拟信号和数字信号两大类。
模拟信号：参量（因变量）取值随时间（自变量）的连续变化而连续变化的信号。
模拟信号如图1-14（a）所示。时间轴 t 上的任意一点都对应有 y 轴上的一个确定值。通俗地讲，波形为连续曲线的信号就是模拟信号。模拟信号的主要特点是在其出现的时间内具有无限个可能的取值，而正是这一特点使得模拟信号难以存储。现实生活中模拟信号的例子很多，如电话机话筒输出的信号和AM广播信号等。
离散信号：在时间上离散取值的信号。
离散信号如图1-14（b）所示。可见， t 取0、1、2、3等离散值，而 y 的取值随函数的关系而定，即为离散自变量所对应的函数值，是多少就是多少，没有做任何限制，可以连续，也可以离散。它与模拟信号的主要区别是自变量的取值不连续。
图1-14 不同信号示意图
在“信号与系统”课程中，自变量离散，因变量取值个数有限的信号叫数字信号。在通信领域，除了这种常见的具有高低两种电平被叫作数字基带信号的数字信号外，还有一种以模拟信号形式出现、携带数字消息的数字信号，可称为“数字带通信号”，如后面要讲到携带0和1数据的ASK、FSK和PSK等。可见，“信号与系统”课程中数字信号的定义就不够宽泛了。因此，在通信领域，可以认为
数字信号：用一个参量的有限个取值携带数字消息的信号。
这里的参量指信号的幅度、频率和相位。按照这个定义，数字信号包含数字基带信号和数字带通信号两种，见图1-14（c）和图1-14（d）。通常，数字信号多指数字基带信号。
（5）根据变化规律的不同，信号可分为确知信号和随机信号两大类。确知信号的变化规律是已知的，比如正弦型信号、指数信号等；随机信号的变化规律是未知的，比如人们打电话时的语音信号、电视节目中的图像信号及各种噪声等。
显然，各种分类可以重叠，也就是说，一个信号可以分属不同的类型，比如话筒输出的信号就是模拟、基带、随机、声音、电信号。
噪声（noise），是生活中出现频率颇高的一个词，也是通信领域中与信号齐名的专业术语。但通信领域中所谓的噪声不同于大家所熟悉的以音响形式反映出来的各种噪声，如交通噪声、风声、雨声、人们的吵闹声、建筑工地的机器轰鸣声等。噪声可定义如下。
噪声：一种不携带有用信息的电信号，是对除有用信号外其他信号的统称。
简言之，不携带有用信息的信号就是噪声。显然，噪声是相对于有用信号而言的。
根据来源的不同，噪声可分为以下类型。
（1）自然噪声。存在于自然界的各种电磁波，如闪电、雷暴及其他宇宙噪声。
（2）人为噪声。来源于人类的各种活动，如电焊产生的电火花、车辆或各种机械设备运行时产生的电磁波和电源的波动，尤其是为某种目的而特制的干扰源（如下述的电子对抗）。
（3）内部噪声。通信设备内部由元器件本身产生的热噪声、散弹噪声及电源噪声等。
根据表现形式的不同，噪声可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。
（1）单频噪声。一种以某一固定频率出现的连续波噪声，如50Hz的交流电噪声。
（2）脉冲噪声。一种随机出现的无规律噪声，如闪电、车辆通过时产生的噪声。
（3）起伏噪声。主要指系统的内部噪声，它也是一种随机噪声，其研究方法必须运用概率论和随机过程知识。因为它普遍存在且对通信系统有着长期影响，所以是噪声研究的主要对象。另外，元器件本身的热噪声、散弹噪声都可看成无数独立的微小电流脉冲的叠加且服从高斯分布，即热噪声、散弹噪声都是高斯过程，因此，这类噪声也被称为“高斯噪声”。
除了用概率分布描述噪声的特性外，还可用功率谱密度加以描述。若噪声的功率谱密度在整个频率范围内都是均匀分布的，类似于包含所有可见光光谱的白色光光谱，则称其为“白噪声”。不是白噪声的噪声被称为“带限噪声”或“有色噪声”。通常，把统计特性服从高斯分布、功率谱密度服从均匀分布的噪声称为“高斯白噪声”。图1-15是噪声实例。
图1-15 噪声实例
与噪声紧密相关的一个概念是干扰（disturb）。
干扰：一类不携带信息的电信号或由噪声引起的对通信产生不良影响的效应。
干扰通常指来自通信系统内、外部的噪声对接收信号造成的骚扰或破坏。或者说在接收所需信号时，由非所需能量造成的扰乱效应。简言之，干扰就是能够降低通信质量的噪声。
干扰一定来自噪声，而噪声不一定产生干扰。
从通信的角度上看，干扰是一件坏事，应尽量避免和消除。但在军事上却有一种叫作“电子对抗”的技术专门制造或产生各种干扰，以破坏敌方的无线通信，借以取得战争的主动权。
信号在通信系统中传输时，通常会受到两类干扰。
第一类干扰是由系统或信道本身特性不良而造成的。比如，各种线性、非线性畸变，交调畸变和衰落畸变等系统不良特性对信号的干扰，这类干扰可类比为坡度、弯度、平整度等道路本身特性不良对交通的不利影响。
第二类干扰是指通信系统内部和外部噪声（信道噪声）对接收信号造成的干扰或破坏，或者说，在接收所需信号时，由非所需能量造成的扰乱效应。比如导线内部的热噪声和系统外部的雷电噪声都会干扰通信，影响通信质量；又比如大家通过收音机正在收听新闻，忽然有一个其他电台的音乐窜了进来，影响了收听新闻，这个音乐也是一种干扰。这类干扰可用车道中的人力车、畜力车及横穿马路的行人或突降的雨雪对行车的影响类比。
两类信道干扰可用图1-16类比。
图1-16 信道干扰类比图
根据在信道中的表现形式，噪声通常可分为乘性噪声和加性噪声两种。
若设信道输入信号为
，输出信号为
，则信道输入与输出的关系可描述为
式中，
表示信道对输入信号的变换，即输入信号
通过信道发生变化后的波形，
f
表示某种变换关系。为讨论方便，设
可表示为
，则式（1-1）就变成
式中，
k
（
t
）和
n
（
t
）各表示一种信道噪声。由于
相乘，所以称为乘性噪声，也就是上述的第一类干扰；因为
是相加的关系，故称为加性噪声，即上述的第二类干扰。这样，就把不同信道对信号的干扰抽象为乘性和加性两种。也就是说，站在抗干扰的角度上看，所谓信道的不同，其实质就是
n
（
t
）与
k
（
t
）的不同。
抗干扰是通信系统要研究的主要问题之一。除了在理论与方法上寻求解决之外（比如角调制比幅度调制抗干扰性好，数字通信系统比模拟通信系统抗干扰性好），在实用技术上也有很多措施，比如屏蔽、滤波等。
注意：在通信原理中，通常认为“噪声”与“干扰”同义且多用“噪声”。
（1）信号的本质是随时间变化的波形。记住： 不变化，无信息！
（2）噪声的本质也是随时间变化的波形，但不携带人们感兴趣的信息。
（3）在一个通信系统中，一种信号的出现相对于另一种信号可能是噪声。
蛋蛋
老师，根据您对基带信号的介绍，我觉得在生活中，常见的原始信号应该大都是基带信号，比如：声音信号、视频信号、键盘输出信号等，换句话说，鲜有原始信号是带通信号的，对吗？
皮皮
嗯，可以这么理解。
静静
老师，如果我想用水管运送水，那么这条水流是否可以比喻为模拟信号？
皮皮
嗯，不错，比喻挺形象！
壮壮
老师，如果我用桶提水运送，那么，一桶桶水是不是就类似数字信号？
皮皮
你倒挺会触类旁通的。但桶是消息，水是信息，而提桶的人才是数字信号。
圆圆
老师，如果我们排队进教室比喻为信号的话，那么，蛋蛋突然从路边横穿打乱了队伍，蛋蛋就是噪声或干扰，对吗？
皮皮
对！
蛋蛋
老师，按“信号与系统”的定义，数字基带信号的波形应该是谱线形式，而常见的数字基带信号波形自变量
t
并不离散，比如图
1-27
（
c
）所示，这如
何解释呢？
皮皮
问得好！其实，让波形连续有利于传输。因为在实际传输时，每个中继节点都需要在规定时刻对波形抽样，如果信号值在一段时间内保持，则抽样时刻就不必非常精确，否则，很容易漏抽。另外，一旦抽样成功，则只有抽样时刻的信号值是有用的，其余时间的信号值没有用，从这个意义上讲，自变量是离散的。这也就是为什么说模拟通信是“波形通信”，而数字通信是“状态传输”的主要原因了。
蛋蛋
嗯，明白了！老师。