現代通訊原理（一）：緒論
1、談談通訊發展的歷史
前些年做通訊講座, 都用一個笑話開頭：在通訊發展的歷史上，犯了兩個錯誤。第一個錯誤是，原以為電話應該是有線的，後來才發現其實是無線的。第二個錯誤是，原以為電視應該是無線的，後來才發現其實是有線的。 當然這個笑話也是我聽來的。笑話講完了，不管大家笑不笑，至少都會覺得是這麼回事。不過這兩年發現了第三個錯誤，就是我們原以為手機是用來打電話的，後來才發現是用來上網的。 用這個笑話開頭，是想說通訊系統的發展如此快，又是如此地出人意料，估計像儒勒凡爾納這樣的高人也沒法想象出來（不過亞瑟·克拉克的《太空漫遊》還是很牛呀，居然有電子閱讀器）。 回望歷史，還是讓我們看看最早的通訊系統是什麼樣的吧。雖然並非現代意義上的通訊系統，不過通訊原理的老師們都喜歡舉烽火臺這個例子。根據百度百科上的解釋，烽火臺又稱烽燧，是古時用於點燃煙火傳遞重要訊息的高臺，遇有敵情發生，則白天施煙，夜間點火，臺臺相連，傳遞訊息，是最古老但行之有效的訊息傳遞方式。在杜甫詩中有“烽火連三月，家書抵萬金”的句子，看來通訊和交通，真是古代兩件最有挑戰性的事情。 除了不像現代通訊系統一樣採用光或者電的形式傳輸，烽火臺具備了通訊系統幾乎所有的重要因素。有資訊（敵人入侵）、訊號（白天防煙，晚上點火）、發射端（邊關）、接收端（京城）。奇妙的是，它還是一種數字通訊系統，每次傳輸一個bit的資訊。 更神奇的是，作為一種無線通訊方式，烽火臺甚至還用了兩種4G關鍵技術，一是中繼技術，就是每個烽火臺看到前面烽火臺有煙或者火，就通過放出自己的煙或者火把訊號傳遞下去。中繼一般分成兩種形式，一種叫做放大中繼（amplify forward, AF），就是把訊號直接放大後轉發下去；第二種是轉發中繼（decoding forward, DF），就是把訊號恢復出來再重新發送出去。顯然烽火臺屬於轉發中繼。第二個關鍵技術是自適應傳輸技術，根據通道條件（白天或者晚上）選擇適當的傳輸方式（放煙或者點火）。 下面我們來看看現代意義下最早的通訊系統-有線電報的誕生。1831年，英國科學家法拉弟發現了電磁感應定律，這是一項具有劃時代意義的發現。這一定律的通俗解釋是：閉合電路的一部分導體在磁場裡做切割磁力線運動時，導體中就會產生電流。 在看過電流通過鐵塊會產生磁性表演之後，著名畫家莫爾斯產生了一個新奇的想法：如果讓電流沿導線傳遞訊號，豈不是在瞬息之間就將可以訊息傳到了千里之外？這一想法的出現使他再也不能平靜。他開始從頭學習電磁學知識，將自己的畫室改成了實驗室，開始夜以繼日地進行電報機的實驗。經過無數次的實驗與失敗，在度過了無數個不眠之夜後，一個全新的思想終於醞釀成熟。 莫爾斯在日記中寫道：“驟然切斷電流，就能夠產生電火花。電火花就是一種符號；沒有電火花則是另一種符號；沒有電火花的時間長短又是一種符號。這樣，就有三種符號可以組合起來，代表數字與字母。它們的適當組合，就可以代表全部字母。這樣，文字就能夠由電線傳送出去。其結果是我們就一定能夠創造出可以在相隔遙遠的兩地迅速地互通訊息的、可以記錄的新機器！” 莫爾斯的上述思想體現在他自己編制的莫爾斯電碼中。電碼由“點”和“劃”構成，所有英文字母都可以用“點”和“劃”的組合表示出來。莫爾斯對“點”和“劃”做了嚴格規定：以“點”的長度為基本單位，一個“劃”佔據三個“點”的長度，“點”與“劃”之間間隔一個“點”的長度，字母與字母之間的間隔為三個點的長度。為了使編碼儘量做到科學合理，他對報刊上的常用字作了大量統計，還向印刷工人請教，把最簡單的電碼組合分配給日常生活中使用頻率最高的英文字母。如字母“ｅ”用“．”表示，字母“ｔ”用“－”表示，字母“ａ”用“．－”表示，而那些使用率較低的字母則用較複雜的組合表示。 莫爾斯終於在1835年獲得了在實驗室內架設有線電報機的成功。1837年，莫爾斯在紐約大學的會議室裡，架設了518米長的導線，獲得通報實驗成功，電報機由此誕生。1844年5月24日舉行了啟用儀式，莫爾斯在華盛頓國國會議事廳裡發出了世界上第一封電報，在巴爾的摩的助手維爾立刻就收到了電碼，將電碼譯成電文只有一句話：“上帝創造了何等的奇蹟！”。 莫爾斯電碼擁有其他編碼方案無法超越的長久的生命，在海事通訊中被作為國際標準一直使用到1999年。1997年，當法國海軍停止使用摩爾斯電碼時，傳送的最後一條訊息是：“所有人注意，這是我們在永遠沉寂之前最後的一聲吶喊！” 作為第一個以電為資訊載體的通訊系統，電報開啟了一個嶄新的時代。在那之後的100多年來，無線電報、有線電話、收音機、電視機、行動電話、網際網路，……，各種通訊系統一個接一個的出現，又一個接一個的消失，就好像一代一代的人，登上歷史舞臺，又走下歷史舞臺。就如行動電話，4G大規模商用，5G系統研發方興未艾，6G呼之欲出。 那麼，在飛速發展的通訊技術後面，到底有什麼樣的理論作為支撐呢？我們這門《現代通訊原理》課程，就是這些理論的起點，讓我們藉助訊號處理和資訊理論這兩個工具（其實說到底通訊的基本理論就是建立在這兩個分支之上的），來進入通訊理論與通訊技術這個飛速發展的領域吧。
2、到底什麼是通訊系統呢？
不知你有沒有想過什麼樣的系統稱之為通訊系統呢？我們常說現代意義上的通訊系統就是用光或者電訊號來傳輸資訊的系統。那麼我們家裡的用來傳輸電能的市電系統算不算通訊系統？我們用來照明的燈光是不是通訊系統呢？ 我們來想想，通訊系統為什麼會產生。是因為對於接收端來說，傳送端有些東西是它所不知道的。通過通訊，有些東西從傳送端傳到了接收端。是什麼東西呢？顯然不是電能，也不是光亮，而是，……，是什麼呢？是資訊。 對了，就是資訊。所以市電系統不是通訊系統。因為傳送端什麼也沒有告訴接收端，它的目的是把電能傳輸到用電器。並且我們知道波形是50Hz，220V的正弦波，如果接收端只是為了得到波形，它是可以把這樣的波形產生出來的，何必要傳輸呢？。照明系統也不是通訊系統。 所以，直覺上我們是不是應該想到了，資訊就是不知道的東西。而通訊系統就是把這樣不知道的東西從傳送端傳遞到接收端。不過怎麼傳遞呢？我們得把資訊放在一定的波形上面去傳輸，比如電波形或者光波形。比如，你給我打電話的時候，電話線把你的聲音轉換成電訊號傳遞到我的話筒上。而紅外遙控，是用紅外線把控制訊號傳遞給被控制器。 好，現在再來看這句話，“現代意義上的通訊系統是用光或者電訊號來傳輸資訊的系統”，是不是覺得好理解多了？記住通訊系統的目的就是傳輸資訊，而手段就是用光或者電訊號。 最後還得做個修正。其實第一個例子不太合適。現在已經非常成熟的電力線通訊（Power Line Communication，PLC）系統，就是利用供電系統在傳輸電能的同時，傳輸資訊。早期的電力線通訊主要用於傳輸比較低速率的業務，比如可以通過PLC讀取電錶、煤氣表的讀數，控制家電等。以前有同學做過用電力線傳輸音樂，把改造過的與音樂播放器相連的電源插頭往牆上一插，就可以到另外一個房間用音箱播放音樂了。現在的電力線介面卡已經可以做得非常好，通過電力線上網已經是非常成熟的技術。去百度上查查，可以看到很多相關產品的介紹。 第二個例子也不合適，因為現在已經有可見光通訊系統。就是把資訊利用LED光進行傳輸，在照明的同時，實現資訊傳輸。比如在房間裡，把燈開啟，就可以通過燈光上網，下載視訊，這樣的技術，已經有實驗系統出現。 所以說，通訊系統的發展，真是隻有想不到，沒有做不到呀……
3、通訊系統的基本模型
我們這門課經常打交道的東西稱為通訊系統模型（model），而我們經常用來描述系統模型的“語言”有兩種，一個是框圖（block diagram），另外一個是訊號變換式。“訊號變換”這種語言我們後面再說。先來看看系統框圖吧。
圖1給出了可能是世界上最簡單的通訊系統框圖，它就包括五個部分，也叫五個模組（block）。發信者也叫信源（source），傳送裝置或者發射機（transmitter），通道（channel），接收裝置或者接收機（receiver），信宿（destination）。各部分的解釋隨便找本通訊原理教材都有，我這裡就不再贅述了。我們來看兩個例子吧。
第一個例子是你用手機撥打了我的手機，當你的聲音通過聽筒傳遞到我的耳朵裡面的時候，我們來看看通訊系統是如何構成的。首先信源是什麼呢？儘管說話的是你，不過在通訊系統中所指的信源一般是與電有關的，所以這裡的信源是把你聲音的震動轉變為電訊號的話筒，也就是說話筒產生了準備傳送的訊號。同樣道理，信宿也不是我，而是把電訊號轉變為我能夠聽得見的聲波訊號的聽筒。這裡的通道是什麼？你會說我們沒有看到什麼物理媒質呀？其實就是我們所處的這個空間，我們稱之為無線通道。
現在的問題是，信源產生的電訊號能夠直接在無線通道上傳輸嗎？答案是不行。
為什麼不行？如果要把電訊號輻射到空間裡面，一般來講天線長度等於波長的1/4。一般音訊訊號最高頻率也就是20kHz吧，我們就算是30kHz。根據，其中分別為波長、頻率和光速，可以算出來m。2.5km長的天線，好像不太現實呀。
因此我們必須把訊號變得可以在無線通道上傳輸，這樣的變換裝置就叫做transmitter。顯然在接收端，來自無線通道的訊號也無法直接變成聲波訊號，我們還需要對其進行變換，這樣的裝置就叫做receiver。
再看一個例子。你的計算機準備通過USB把影象傳遞到印表機上。顯然信源和信宿分別是計算機與印表機啦。不過來自計算機的二進位制訊號需要通過USB介面卡變成USB訊號，這樣計算機的USB口就是transmitter；USB線顯然就是channel；而印表機上的USB口就是receiver啦。
說句實話，圖1給的框圖實在是太巨集觀了，它可以用來描述所有的通訊系統。對於通訊系統，我們會經常說“從上到下”。這個框圖可以看作是最上面的，我們可以把每個模組象盒子一樣開啟，看看裡面有些什麼。其實裡面的東西還是用框圖表示，也是有很多的模組構成，而框圖中的每個模組可能還可以開啟，就這樣一層層就可以深入下去，最後我們就知道一個系統是如何構成的了。
好吧，可能現在很難理解這是什麼含義，那就先理解最基本的通訊系統模型就是由五個模組組成的吧。
我們再看看夏農在他1948年那篇跨時代的論文"A Mathematical Theory of Communications"給出的模型是什麼樣吧。
4、跟噪聲初次見面
說到噪聲，突然想起一句詩：人生若只初相見。是呀，剛剛接觸通訊系統，一切都還那麼美好。發射機只要把訊號傳出去，接收機就能把訊號收到，就算髮送距離遠訊號功率有衰減，隨著科學技術的發展，器件靈敏度不斷提高，我們可以做到只用很小的功率就可以傳輸很遠的距離…… 然而殘酷的現實是，所有通訊系統中都有噪聲(noise)的存在，而且跟資訊一樣，噪聲也是未知的。以後我們會講到噪聲從何而來，如何描述它，現在我們只需要知道，噪聲會與我們有用的訊號疊加起來，接收機再也無法把它們分開，只能努力去減少噪聲的影響，而如果訊號的功率太小，接收機的任何努力可能都是徒勞的，訊號徹底被淹沒在噪聲裡而無法被提取出來。 多少通訊系統的設計者為了應對噪聲衣帶漸寬終不悔呀，通訊系統的發展史可以說就是一段與噪聲搏鬥血淚史…
5、資訊、訊息和訊號
這小節來看三個術語：資訊，訊息和訊號。它們的定義大家看看書或者查查百度吧。 通俗點說，資訊就是我們前面說的，接收端不知道的東西。比如，你不知道明天的天氣如何，所以現在需要傳輸的資訊就是明天的天氣情況。但資訊得以某種形式具體化。比如，如果你聽收音機，天氣資訊是放在語音裡面的；如果你接收簡訊，天氣資訊是一段文字；你還可以看電視，天氣資訊可能是一幅畫面。這樣的訊息還得放在訊號上傳給你，比如利用收音機的無線電波，或者短訊息訊號，又或者是電視訊號。 現在你應該知道資訊、訊息和訊號的區別了吧，如果還覺得不清楚，就試著自己再找幾個例子。