1.1 通信的概念及其发展简史

从远古时代到现在高度文明发达的信息社会，人类的各种活动都与通信密切相关。进入信息时代，技术的进步极大地扩展了通信的功能，使人们可以随时随地通过各种通信技术与手段获取、交换各种信息。

1.1.1 通信的定义

一般地说，通信（communication）是指不在同一地点的双方或多方之间进行迅速有效的信息传递。我国古代的烽火传警、击鼓作战、鸣金收兵，以及古希腊用火炬位置表示字母等，就是人类最早利用光或声音进行通信的实例。当然，这些原始通信方式在传输距离的远近，以及速度的快慢等方面都不能和今天的通信相提并论。

各种各样的通信方式中，利用电磁波或光波来传递各种消息的通信方法就是我们通常所说的电信（telecommunication）。由于电信具有信息传递迅速、准确、可靠，而且几乎不受时间和空间距离限制等特点，电信技术得到了飞速发展和广泛应用。现在所说的“通信”在通常意义上都是指的“电信”，本书也是如此。因此，我们不妨在这里对现代通信的概念进行重新定义：利用光、电技术手段，借助光波或电磁波，实现从一地向另一地迅速而准确的信息传递和交换。

通信从本质上讲就是实现信息传递的一门科学技术。随着社会的发展，人们对信息的需求量日益增加，要求通信传递的信息内容已从单一的语音或文字转换为集声音、文字、数据、图像等多种信息融合在一起的多媒体信息，对传递速度的要求也越来越高。当今的通信网不仅能有效地传递信息，还可以存储、处理、采集及显示信息，实现了可视图文、电子信箱、可视电话、会议电视等多种信息业务功能。通信已经成为信息科学技术的一个重要组成部分。

1.1.2 通信的方式

信号在信道中的传输方式从不同的角度考虑，可以有许多种。按照信息在信道中的传输方向，可以把通信方式分为单工通信、半双工通信和全双工通信；按照通信双方传输信息的路数，通信方式又可分为串行通信和并行通信；按照信息在信道中传输的控制方式，通信的方式可分为同步传输和异步传输；根据信源、信宿之间不同的线路连接与信号交互方式，通信又可以分为点到点的通信、点到多点的通信，以及多点到多点的通信等，不一而足。下面就这些传输方式进行简单介绍。

1.1.2.1 单工传输、半双工传输和全双工传输

如果通信仅在两点之间进行，根据信号的传输方向与时间的关系，信号的传输方式可分为单工传输、半双工传输和全双工传输三类。

1.单工传输

信号只能单方向传送，在任何时候都不能进行反向传输的通信方式称作单工传输，如图1-1（a）所示。广播、电视系统就是典型的单工传输系统，收音机、电视机都只能接收信号，而不能向电台、电视台发送信号。

2.半双工传输

半双工传输时，信号可以在两个方向上传输，但时间上不能重叠，即通信双方不能同时既发送信号又接收信号而只能交替进行。即同一时间内一方不允许向两个方向传送，即只能有一个发送方，一个接收方，如对讲机。这种方式使用的是双向通道，如图1-1（b）所示。

3.全双工传输

全双工传输方式中，信号可以同时在两个方向上传输，如图1-1（c）所示。这种方式使用的也是双向通道，这种通信方式使用最多。

1.1.2.2 串行传输和并行传输

按照数字信息数据码元在信道中传递时是一个码元一个码元地依次传送还是一次同时并列地一起传几个码元，可将信号的传输方式分为串行传输和并行传输两类。

1.串行传输

在串行传输中，数据流的各个码元是一位接一位地在一条通道上传输的，如图1-2（a）所示。对采用这种通信方式的系统而言，同步极为重要，收发双方必须要保持位同步和字同步，才能在接收端正确恢复原始信息。串行传输中，收发双方只需要一条传输通道。因此，该传输方式实现容易，也是实际系统中比较常用的一种传输方式。

2.并行传输

在并行传输中，构成一个编码的所有码元都是同时传送的，码组中的每一位都单独使用一条通道，如图1-2（b）所示。并行传输通常用于现场通信，或计算机与外设之间的数据传输。

并行传输一次传送一个字符，收发之间不存在字同步问题。由于并行信道成本高，主要用于设备内部或近距离传输，长距离传输时一般多采用串行信道。所以串行传输存在着并/串、串/并变换问题，即发送端要将输入的字符通过并/串变换，形成一连串的单个字符才能进入串行信道；接收端再通过串/并变换，将收到的串行码元还原成原来的并行字符结构后输出。显然，并行传输的速率高于串行传输。

1.1.2.3 两点间直通传输、分支传输和交换传输

按照信息在通信网中的传递方式，可以将信息传输方式分为两点间直通传输、分支传输和交换传输三种，如图1-3所示。直通方式是通信网中最简单的一种形式，终端A与终端B之间的线路是专用的，可以直接进行信息交流。在分支方式中，它的每一个终端（如A、B、C、…、N等）经过同一个信道与转接站相互连接，各终端之间不能直通信息，而必须经过转接站转接，此种方式只在数字通信系统中出现。交换方式是终端之间通过交换设备灵活地进行线路交换的一种通信方式，既可以把要求通信的两个终端之间的线路（自动）接通，也可以通过程序控制，先把发来的消息储存起来，然后再转发至收方。这种消息转发可以是实时的，也可以是延时的。

分支方式及交换方式均属于网络通信的范畴。和点到点的直通方式相比，这两种网络通信方式既存在信息控制问题，也有网同步的问题。尽管如此，网络通信的基础仍是点到点的通信，因此，本篇主要讲述点到点的通信方式。

1.1.2.4 异步传输和同步传输

按照信息传输过程中，采取不同的同步方式，可将信号的传输方式分为异步传输和同步传输两类。

1.异步传输

异步传输也叫起止式传输，它是利用起止法来达到收发同步的。异步传输每次只传送一个字符，用起始位和停止位来指示被传输字符的开始和结束。

在异步传输中，字符的传输由起始位（如逻辑电平1）引导，表示一个新字符的开始，占一位码元时间。在每个传送的信息码之后加一个停止位（如逻辑电平0），表示一个字符的结束，通常取停止位的宽度为1、1.5或2位码元宽度，可根据不同的需要选择。这样，接收端在收到下一个字符的起始位前，线路一直处于逻辑0状态，接收方就可以根据特定宽度的逻辑电平从0到1的跳变来识别一个新字符的开始，如图1-4所示。

异步传输方式中每个字符的发送都是独立和随机的，以不均匀的速率发送，所以这种方式被称为异步传输。该传输方法简单，但每传输一个信码都要增加2～3位的附加位，故传输效率较低。例如，传输一个ASCII码字符，每个ASCII码有7位，若停止位用2位，再加上1位奇偶校验位和1位起始位，共计11位。11位传输码中只有7位是有用信息，其传输效率只有64%。

2.同步传输

同步传输不是以一个字符而是以一个数据块为单位进行信息传输的。为了使接收方能准确地确定每个数据块的开始和结束，需在数据块的前面加上一个前文（preamble），表示传输数据块的开始；在数据块的后面再加上一个后文（postamble），表示数据块的结束，通常把这种加有前文和后文的一个数据块称为一帧（frame）。前文和后文的具体格式视传输控制规程而定。图1-5画出了面向字符型和面向比特型的帧结构。面向字符型的方案中，每个数据块以一个或多个同步字符SYN作为开始，后文是一确定的控制字符。面向比特型的方案中，若采用高级数据链路控制（HDLC）规程，则前文和后文都采用标志字段01111110，以区分一帧的开始和结束。

同步传输方式中，数据的传输是由定时信号控制的。定时信号可由终端设备产生，也可由通信设备（如调制解调器、多路复用器等）提供。在接收端，通常由通信设备从接收信号中提取定时信号。

实际通信过程中，常将同步传输称为同步通信，异步传输称为异步通信。显然，同步通信的效率要比异步通信的效率高，因此同步通信方式更适用于高速数据传输的场合。

1.1.3 通信发展史

人类进行通信的历史由来已久，从远古时代的人类利用表情和动作进行信息交换，到现在的卫星通信、4G通信，可以说自从有了人类，就开始有通信。

在漫长的劳动进化过程中，人类创造了语言和文字，进而用它们进行消息传递，如古代的烽火狼烟、飞鸽传信、驿马邮递等。这一方式一直保留至今，如现代社会中的交警指挥手语、航海旗语等。这些通信方式所依靠的是人的视觉与听觉，都无法完成较远的两地间及时、准确的消息传递。

1800年伏特（Votta）发明了电源，开启了利用电磁波进行通信的历史，用电信号作为信息传递的载体，人类的通信终于开始脱离对视觉、听觉的依赖，传说中的“顺风耳”、“千里眼”都成为了现实，进入一个新的通信时代——现代通信时代。

下面我们从两个方面介绍现代通信的发展历程。

1.1.3.1 有线通信发展史

1837年，美国人塞缪乐·莫尔斯（Samuel Morse）成功研制出世界上第一台电磁式电报机，通过导线中电流的有无来代表区别传号和空号（即点、划、空格），并利用这些点、划、空格编码成英文字母和数字，从而实现了长途电报通信，揭开了远距离有线传输的新篇章。

1850年，世界上第一条海缆由约翰和雅各布·布雷特兄弟俩在法国的格里斯—奈兹海角和英国的李塞兰海角之间的公海里铺设，并成功实现了电报拍发。

1875年，苏格兰青年亚历山大·贝尔（A.G.Bell）发明了世界上第一台电话机，用电信号进行语音传输，并于1876年获得专利。1878年，在相距300公里的波士顿和纽约两个城市之间，人类首次进行了长途电话实验并获得成功。

电磁波的发现促使了图像传播技术的诞生。1907年11月8日，法国发明家爱德华·贝兰在法国摄影协会大楼里表演了他的研制成果——相片传真。

1922年美国中学生菲罗·法恩斯沃斯设计出第一幅电视传真原理图，被裁定为电视机发明第一人。1928年美国的兹沃尔金发明了光电显像管，并与人合作实现了电视信号的扫描、发送和传输。1935年，美国纽约帝国大厦设立了一座电视台，次年就成功地把电视节目发送到70公里以外的地方。1946年，美国人罗斯·威玛发明了高灵敏度摄像管，同年日本八本教授解决了家用电视机接收天线问题，电视技术就迅速普及开来。

1956年，在英国和加拿大之间的大西洋海底铺设完成了电话电缆，使远距离的大陆之间电话通信成为现实。

1965年，第一部由计算机控制的程控电话交换机在美国问世，标志了程控电话通信时代的开始。随着世界上第一部程控数字交换机于1970年在巴黎开通，数字电话通信技术开始了全面投入使用的垄断时期。

1969年，美国国防部高级研究计划署（ARPA）提出了研制ARPA网的计划，并于同年建成投入运行，计算机通信开始进入人类的生活。

1.1.3.2 无线通信发展史

1864年，英国物理学家麦克斯韦（J.C.Maxwell）建立了一套电磁理论，预言了电磁波的存在，说明了电磁波与光具有相同的性质，两者都是以光速传播的。

1888年，德国青年物理学家海因里斯·赫兹（H.R.Hertz）用电波环进行了一系列实验，发现了电磁波的存在，他用实验证明了麦克斯韦的电磁理论。这个实验轰动了整个科学界，成为近代科学技术史上的一个重要里程碑，导致了无线电的诞生和电子技术的发展。

电磁波的发现导致了无线通信的产生，其后不到6年，俄国的波波夫、意大利的马可尼分别发明了无线电报，实现了信息的无线传播。1904年英国电气工程师弗莱明发明了二极管，1906年美国物理学家费森登成功地研究出无线电广播技术。1920年，美国无线电专家康拉德在匹兹堡建立了世界上第一家商业无线电广播电台，广播事业从此在世界各地蓬勃发展。

20世纪初，幅度调制（AM）技术出现，它用消息的电信号控制高频正弦信号的振幅，使通信内容由单一的语音变为集语音、文字、图像于一体的多媒体信号，点对点通信发展为点对面通信（如广播、电视等）。

1936年，频率调制（FM）技术诞生，它克服了AM信号易受干扰的缺点，不仅改善了通信的质量，还推动了移动通信的发展。AM和FM技术的应用，标志着20世纪30年代是模拟通信的鼎盛时期。

1937年，瑞维斯（A.H.Reeves）发明脉冲编码调制（PCM）技术，使信号传输由频分复用（FDM）发展到时分复用（TDM），模拟通信开始向数字通信发展。但由于器件限制，当时未能实现这一系统。直到1948年晶体管出现后，贝尔实验室才于1950年试制出第一台实用PCM设备。通过PCM技术，模拟信号被数字化传送，进一步提高了抗干扰能力，并实现了人与机器、机器与机器之间的通信和数据交换，为现代通信网的产生和发展奠定了基础。

1954年7月，美国海军利用月球表面对无线电波的反射进行了地球上两地电话的传输试验。并于1956年在华盛顿和夏威夷之间建立了通信业务。

随着通信容量的增加和通信范围的扩大，1955年皮尔斯（Pierce）提出了卫星通信的设想。1960年，人类历史上第一颗通信卫星（TELSTAR）发射成功，为国际通信开辟了通道。这一技术的发展与大规模集成电路（LSI）的出现有着密切的关系。集成电路的出现，使通信设备小型化，可靠性提高，对空间通信有极大的促进作用。

20世纪60年代起，电缆电视、激光通信和雷达的产生，推动了计算机网络技术、光电处理技术和射电天文学的飞速发展；大规模/超大规模集成电路、商用卫星通信和程控数字交换机、微处理技术的出现，极大地促进了移动通信、光纤通信的迅猛发展和应用；综合业务数字网迅速崛起，高清彩色数字电视技术不断成熟，全球定位系统（GPS）得到广泛应用。

早期的移动通信系统由于采用大区制，容量极为有限，完全不能满足商用的需求。1978年，贝尔试验室研制成功先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，实现了频率再用，大大提高了系统容量，解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。随着蜂窝移动通信网于1983年在芝加哥的商用，蜂窝移动通信系统迅速成为全球范围的实用系统，开始了移动通信大发展的时期。

无论有线还是无线，现代通信技术的发展与相关基础理论的发展是密不可分的。19世纪提出的傅里叶级数、Z变换、拉普拉斯变换、线性系统理论、状态空间方法等定理，为现代通信技术奠定了数学理论基础。20世纪40年代至50年代，诞生了滤波和预测理论、香农公式和不失真编码原理、纠错编码原理、信号和噪声理论、调制原理，以及信号检测理论等，使通信的有效性和可靠性研究出现了质的突破，推动通信技术跃变为一门成熟学科，并不断地朝着更高更新的目标进步。