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通信2.0时代

数字通信——香农（Shannon )赋予通信数学之美

为了解决模拟系统中的根本缺陷，一种新技术应运而生，即数字通信技术。它同时也代表着以数字通信为核心的通信2.0到来。

所谓数字通信就是用简单的“1”和“0”来表示复杂的信息。古代的烽火通信其实就是一种简单的数字通信：烽火台的两种状态（亮和灭）就是 "1" 和 "0" ，这两种状态可以用来表示是否有敌袭。还 有沿用至今的摩斯密码( Morse code )，通过点、划的不同组合来表示不同字符，构成要传递的信息。这里的点、划也可以认为是 "1"和 "0" 的变形。

我们所说的通信 2.0 时代实际上指的是现代数字通信。1937 年，PCM (脉冲编码调制)的提出，为现代数字通信奠定了基础。随着 PCM 的不断发展和成熟，数字通信成为通信技术中的核心技术，一直沿用至今。

数字信号是在模拟信号基础之上进行采样、量化、编码得到的。模拟信号数字化实现了信号从连续到离散的转变，主要体现在时间维度和信号幅值两个层面。图 1-5 就是模拟信号数字化的示意图。首先，通过采样技术，信号在时间维度 上不再是连续的了。利用脉冲信号按照固定的时间间隔，抽取信号值作为该点的采样值，如图 1-5 实心点所示。在这一过程中，采样率(即采样间隔的倒数)是一个关键指标。显然，采样率越高，采样间隔越小，信号的质量就越高。其次，采样后的信号通过量化使信号在幅度上也离散化。数字信号是通过数码来表示每一个数值，根据不同的量化精度可以用不同位数的二进制数来表示一个采样点的数值大小，体现为不同的编码技术。图 1-5 中采用的是三位二进制，这意味着最多只能用 8 个数值来表示所有采样点的值，因此需要采用合理的量化方式，以保证误差尽可能小，这样在接收端才可以通过译码准确地还原出原始信号。

图1-5模拟信号数字化

通信技术发展到数字通信时代，我们不得不提到香农。这位美国科学家为世界通信技术的发展做出了巨大的贡献，他被称为数字通信时代的奠基人。他最大的贡献就是提出了信息论和信息熵的概念。他将千百年来定义模糊的“信息”进行了量化，变成一种可以度量的值，并进一步给出了信道能够传输的信息量上限，在通信领域具有划时代的意义。香农给出了信道容量的表达式。

信道容量成为衡量一项通信技术是否最优的参考值。随着信道容量的提出，数字通信技术不断地靠近信息传输的极限，越来越充分地利用着信道资源。

在数字通信发展的历史中，数字移动通信技术迅速发展起来，并逐渐形成了一个独立的分支。其中，欧洲提出的GSM (全球移动通信系统）和美国提出的CDMA (码多分址）最具代表性。相较于模拟通信，数字通信在一定程度上弥补了模拟通信时代的技术缺陷。首先，数字信号具有抗干扰能力强、无噪声积累的特点。通过合适的调制方式和信道编码以及对应的判决机制可以有效地降低噪声对信号的干扰。其次，数字信号的加密手段更加容易和灵活，可以更加有效地保证信号传输的安全性。随着硬件技术的不断发展以及数字电路的不断改进和优化，这一时代的终端设备体积大大减小，成本也进一步降低。

在数字通信技术的发展过程中，同样也有许多值得大家记住的历史时刻。

• 1837年，摩斯（Morse)发明了电报机，首次通过点、划的不同组合来代表字符实现信息传输，可以说是数字信号最初的体现。

• 1924年，哈利.奈奎斯特（Harry Nyquist)提出了采样定理，给出了采样频率和信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的重要理论依据。

• 1937年，脉冲编码调制的提出，使模拟信号向数字信号的转变成为可能，这一概念的提出奠定了现代数字通信的基础。

• 1947年，美国贝尔实验室（Bell Laboratory)研制出供实验用的24路电子管脉码调制装置，证实了 PCM的可行性。

•20世纪50年代，数字微波通信处于起步阶段，70年代初小容量、低频段数字微波通信系统成为第一代数字微波系统，美国、澳大利亚、加拿大、法国、意大利和日本的主干路由都使用了4GHz (吉赫）的数字微波接力系统。

•20世纪80年代，第二代数字微波系统投入使用。第一代、第二代数字微波都属于PDH (准同步数字系列）传输体制。PDH设备存在上下业务复杂、维护管理能力弱、通道利用率低等一系列问题，在应用中有一定的局限性。

• 20世纪80年代中期，又诞生了一种新的SDH (同步数字系列）传输体制，它使数字微波跨入了第三代。1988年，国际电信联盟在美国SONET (同步光纤网络）的基础上，提出了SDH传送网标准。与PDH相比，SDH传送网标准统一了欧洲和北美的标准，使国际在STM-1 (第1级同步传递模块）及其以上速率上实现互通成为可能。

SDH具有更高的频谱利用率和传输质量，也具备较高的可靠性和可用性。新一代SDH微波与PDH微波相比，在比特率、帧结构、信号复接和分接、频率配詈、接口与网络管理等方而有明显的优越性。SDH 可以与光纤构成回路，或作为光纤通路的保护通道，也可以自成网络或链路，等等。 SDH 微波系统在 20 世纪 90 年代得到了迅速的发展。

• 20 世纪 80 年代中期，第二代移动通信系统崛起。数字移动通信最主要的标准就是欧洲的 GSM和美国的CDMA ，它们先后在不同国家和领域的广泛应用标志着无线数字通信技术的成熟。

GSM起源于欧洲，早在 20 世纪 70 年代初，一些欧洲发达国家就着手考虑数字移动系统的开发。1991 年，GSM 900MHz (兆赫) 数字蜂窝移动通信系统在欧洲问世，从此，移动通信跨入通信 2.0 时代。随着设备的开发和数字蜂窝通信网的建立，GSM的一个突出特点是具有严密的、开放的、统一标准的接口技术规范，各种接口协议清晰明确。1988 年，美国高通公司 (Qualcomm) 独辟蹊径，提出了CDMA 技术方案，让全球移动通信的专家眼前一亮。CDMA 是在数字通信技术的分支——扩频通信的基础上发展起来的。从技术 角度而言，GSM与CDMA各有优劣：GSM 起步早、应用广泛，积累了丰富的运营经验 ，相对比较成熟 ；CDMA在频率资源的利用方面有独到之处，保密性能出众。单纯从技术的角度考虑，CDMA 的优势比较明显，但是骄傲的美国人没有考虑全球漫游的问题，只考虑 在美国本士的漫游。

另一方面 ，我国的通信技术在变革中也经历了长足的进步。

• 1979年，我国建设了第一条PDH微波电路（京汉电路，由原电力部从国外引入)。

• 1989年，我国建设了京沪6GHz 140Mbps PDH微波电路。

• 1992年，我国在浙江嘉兴开通了第一个GSM数字蜂窝移动通信系统。

• 1993年9月19日，我国第一个数字移动电话通信网在嘉兴市首先开通。

随着市场的普及、用户数量不断增加，原有的网络技术已经逐渐凸显出能力的不匹配。传统的基于TDM (时分复用）的通信网容量较低、承载能力差，很难满足数量庞大的用户。网络可支持的业务类型也不断增加，最初这种只为传输语音而设计的网络显然不能很好地支持多样化的业务，因此迫切需要一种新型的网络出现。这种新型网络可以在保证用户服务质量的同时承载更多的用户、支持多种业务、简化网络结构并降低网络成本。对这种新型网络的强烈 需求预示着通信技术的又一次变革。

主要来源：通信4.0重新发明通信网 李正茂

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