信号与系统的发展及应用

2024年3月28日发(作者：名校压轴一数学试卷2023)

信号与系统的发展及应用

信号与系统的发展及应用

摘要：“信号与系统”是与通信、信息、电气工程、计算机及自动控制等专业有关的一门基

础学科。随着科技与时代的进步，该学科知识将得到更广泛的应用。本文主要对“信号与系统

“的发展历史及应用前景做主要介绍。

关键词：信号与系统；发展历史；应用和前景

1.信号与系统的概述

信号与系统在中国高等教学中兴起的时间还不长，但它却是电子类专业必修的核心基础

课，而该课程主要以数学分析为基础，其中所涉及的数学物理方法、概念等在通信、信号与信

息处理、电子、计算机科学与技术、自动控制、电路与系统等许多领域被广泛应用。而该课程

中涉及的相关概念和分析方法是它的主要研究领域。在信号与系统中，我们主要通过建立相应

的数学模型，然后根据数学模型分析求解，从而给所得结果加以物理解释并赋予相应的物理意

义。

2.信号与系统的发展历史

2.1 信号与系统的概念

信号用来传递信息，是信息的载体。而系统是由若干相互关联或者相互作用的事物按一定

规律组合成具有特定功能的整体。在数字信号处理的理论中，人们把能变换、加工数字信号的

实体称为系统。

信号的概念和系统的概念相互关联。一般来说，信号在系统中不是不变的，而是会以一定

的规律运动、变化，而系统则是在输入信号的驱动下对它进行“加工”、“处理”并发送输出信

号。在抽象意义上，系统和信号都可以被看作是序列。

2.2 信号与系统的发展

2.2.1 《信号与系统》的发展

最初，在我国的教育教学中，并没有《信号与系统》这一课程，它是由文化大革命前的

《无线电基础》和《电工基础》结合而来。由于十年动乱，高校的教学秩序、教学进程、教学

革新等各个方面都受到了极大的破坏，教学内容也停滞不前。因此，在文化大革命结束以后，

这些课程已经不能满足时代发展的需要。因而，在国家教育部的指导下，将电工教学内容进行

整合，成为一门系统的课程——《电路信号与系统》。而到1980年，为了更细化相关专业的

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教学，《电路信号与系统》又被分为了更为具体的两门课程，分别为《电路分析》和《信号与

系统》。

而最初的关于信号与系统方面的教材，是我国电子学教育家管致中教授在1979年是编写

的《电路信号与系统》，并在南京工程学院（现东南大学）第一次开设了这门课程。而在

1980年进行第二版修订时，才被称为《信号与系统》。该教材对原来课程中的一些与信号分

析和系统分析有关的内容进行了系统的整理、归纳和总结。之后不断对其改进和充实，先后又

出现了不同作者编写的不同版本的教材。如：由于慧敏主编的《信号与系统》的第二版；由刘

百芬，张利华主编的《信号与系统》第二版；由马金龙主编的《信号与系统》第二版；由王宝

祥主编的《信号与系统》第三版；由曾禹村主编的《信号与系统》第三版；由郑君里主编的

《信号与系统》第三版；吴大正主编的《信号与线性系统》第四版等。

随着现在科学技术的发展进步和需要，这门课程已经从电子信息工程类专业基础课发展为

众多电类专业的专业基础课程，甚至在很多非电专业中也有设置。同时，它的内容也发生了很

大的变化，已经不仅仅涉及电系统的分析，更扩展到许多非电系统的分析。而随着现代社会的

需要，其内容也在进行着不断地删减和补充。由于大规模集成电路的迅速发展与应用，数字技

术已进入到科技的各个领域。为了适应时代的变化发展，目前，电路、通信、信号与系统的研

究重点普遍注意转向了离散的、数学的方面。将连续系统与离散系统联系起来，一起研究。而

由于信号与系统理论主要以数学方法为基础，并且它的发展越来越多的运用到现代数学的方法

和概念。所以在分析信号与系统问题时，总是先把物理问题转化为数学表述，运用现代数学的

概念。使其不仅具有很强的理论性，同时具有很强的实用性。

2.2.2 信号的发展

在有悠久历史的中国，人类进行通讯的历史也同样悠久。千百年来，人们一直的通信方式

在不断地进步，从图符到文字，从烟火到无线电......人类的通信手段在不断地变化发展。众所

周知，中国历史上周幽王烽火戏诸侯的故事。而这个故事就是古代的人们应用光信号的见证。

它通过有光和无光传递有或则是无“敌情”的信息。而以上这些语言、图符、钟鼓等承载信息的

载体就是我们所说的信号。同样，在生活中，我们听到打雷，看到闪电就会知道快要下雨了，

这其中的雷声和闪电就是声信号和光信号，它承载了下雨的信息。在现代社会中，交通警察的

指挥手语、哑语老师的手语、航海中的旗语、学校的铃声等都是由古老的通信方式进一步发展

的结果。而这些信息传递的方式基本都是依靠人的视觉和听觉。然而，随着科技的发展，承载

信息的载体已不仅仅是简单的光信号、声信号。19世纪，随着电话、电报的应用以及电磁波

的发现，人类通信领域发展迅猛。在中国几千年的历史文化中，只有在神话中才出现的“千里

眼”、“顺风耳”变成了现实。从此，人类的信息传递方式脱离了常规的声音信号和光信号，而

是用电信号作为了新的信息载体。而意大利工程师马可尼对在1901年发明了火花隙无线发报

机，并且成功发射了穿越大西洋的长波无线电信号，此后无线电信号得到了应用。随后，无线

广播、电视机、光电显像管、频分复用技术、集成电路等的发明与应用使得模拟信号、数字信

号等得到了极大的发展与应用。

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3.信号与系统的应用

3.1 信号的应用

3.1.1 信号的分类

信号的分类方法很多。按所具有的时间特性划分可分为：模拟信号，数字信号，确定性信

号与随机信号、抽样信号等。按实际用途划分可分为：通信信号、视频信号、手机信号、图像

信号、雷达信号等。

3.1.2 信号的传输

信息是抽象的，所以在传送信息时，必须通过某些具体的媒质。就好像当两个人说话时，

产生的声波需要通过空气来传送，那么这两个人之间的空气就是传送的媒质。我们把这种媒质

叫做介质。而在信息传送时，我们把这种传送信息的媒质（物理性通道）叫做信道。信道连接

发送端和接收端的通讯设备，并将信号从发送端传送到接收端。

3.1.3 信号的实际应用

在现代社会中，我们主要运用的是模拟信号和数字信号。然而，它们各有优缺点，模拟信

号直观且容易实现，但保密性差，抗干扰能力弱；而数字信号则保密性强，抗干扰能力强且能

构建综合数字通信网，但是它占用的频带较宽，技术要求复杂，进行数模转换时具有量化误

差。在生活中，几乎人人都在用电话，而目前在通信网中主要使用的就是模拟信号，用户终端

也大多都是模拟电话机；但在交换网络中使用的是数字的程控交换机，所以这里既有模拟信号

又有数字信号的应用。在电学中，模拟信号最普遍的物理媒介是电压，当然，其他的一些物理

量也可以用来表达模拟信号，如：电容、电导、频率等。不过，在经典力学、气动力学、水力

学等学科也会使用模拟信号。当然，除了模拟信号的应用，在现代社会中，数字信号也有广泛

的应用。它被应用于滤波与变换、通信、语言语音、电子、图形图像、工业控制与自动化、医

疗、军事等领域中。同时，其在数字汇聚、远程会议、数字图书馆、多媒体通信等新兴业务中

也有广泛的应用。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号。当然，二者之间

可以根据相应的方法进行转换。如果模拟信号要转化为数字信号，它可以通过 （下转第页）

（上接第页）PCM脉码调制量化的方法，并且不同幅度的模拟信号对应的二进制值不

同；数字信号要转换为模拟信号，则需要通过对载波进行移相的方法。

3.2 系统的应用

3.2.1 系统的分类与描述

系统可以根据不同的数学模型进行分类，如：连续系统和离散系统；动态系统与即时系

统，因果系统与非因果系统；稳定系统和非稳定系统等。要分析些不同特性的系统，首先要根

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据系统特性建立相应的数学模型，然后用数学方法（或计算机仿真等）求出它的解，并对所得

结果赋予实际含义。而通常对与系统的描述采用的数学模型有针对连续系统的微分方程和针对

离散系统差分方程。

3.2.2 系统的应用

人们在自然科学（如物理、化学、生物）以及工程、经济、社会等许多领域中，广泛地引

用了“系统”的概念、理论和方法，并根据各学科自身的规律，建立与其相关的数学模型，研究

各自的问题。因此，系统的属性与规律根据系统的不同的而不同。系统被广泛的应用于电类

（控制、信号处理、信号检测、计算机等）、非电类（机械、热力、磁学、光学等），以及社

科领域（股市分析、人口统计等）。比如安卓系统在手机通信中的应用；CAVE系统在医学领

域中的应用；分布式光纤测温系统在消防领域中的应用；而通信系统的任务是传输信息（如语

言、文字、数据、指令、图像等）。而为了使信息的传输变得简便，我们先把转换信息按一定

规律变换为相对应的信号，再经过与其相适应的信道，将信号传送到接收方，再通过输出转换

装置转换为文字、声音、图像等。而通信设备中的滤波器可以看成一个简单系统，由同步卫星

和地面接收站等构成一个庞大的复合系统。

4. 信号与系统的联系

现在，信号与系统的概念已经应用到生活的方方面面。在现代社会中，电脑、电视、手

机、通信网、计算机网等已成为人们生活必备的工具和设备，而这些工具和设备就可以看作为

一个系统，其中这些设备传送的语音、图片、视频、文字等都可以看成信号。而信号一定是通

过系统产生、发送、传输与接收的。因此，不可能有离开系统而孤立存在的信号；而系统的重

要功能就是对发送设备发送的各种信号进行接收、加工、变换和处理等。因此，没有信号的系

统也没有实际意义。然而，在分析属性各异的各类具体的系统时，常常抽去系统中物理的或社

会的含义而用理想化的方法，把它抽象化的看作理想化的模型，将系统中不断变化的物理量统

称为信号，只宏观地将信号作用于系统的运动变化规律作为研究对象，从而揭示出系统具有的

一般性能，而不去关心它内部的各种细节。

5.小结

信号与系统的发展与应用随着社会经济的发展，时代的进步，它已经渗透到社会的各个领

域。它以数学方法为基础，将物理问题与其数学表述和理论紧密结合，再根据具体情况解决各

种问题。因此，在现代社会中，信号与系统的发展与应用与人们的生活间的联系将更加频繁、

紧密。

参考文献：

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[8]陆继剑，赵文阳，杨晓婷.系统框图与系统方程转化方法探索[J]-科技信息，2009

基金项目：

1. 虚拟仪器技术在软件锁相环中关键技术的研究[项目编号：黔教合KY字[2014]285号]贵

州省教育厅自然科学重点项目

2.微纳半导体与介观物理创新团队“贵州省教育厅科研创新团队（201329）资助项目”

3.黔南民族师范学院2015年院级项目“基于二维码（QR Code）的数字水印技术研究”

作者简介：

杨娜（1983.01-），女，汉，河北唐山人，硕士，讲师，主要研究方向：数字水印技术，

黔南民族师范学院物理与电子科学学院。