關於通信那些事:什麼是「通信(Communication)」?

什麼是「通信（Communication）」？

簡單來說，通信就是傳遞信息。我把我的信息發給你，你把你的信息發給我，這就是通信。

通信的官方定義更加嚴謹一些——人與人，或人與自然之間，通過某種行為或媒介，進行的信息交流與傳遞，叫做通信。

也就是說，通信不僅限於人類之間的信息交換，也包括自然萬物。

還是從我們人類開始說起吧，畢竟在絕大部分通信場景中，人都是主體。

在人類誕生的那一刻起，通信就是生存的基本需求。新生的嬰兒，通過哭聲傳遞飢餓的信息，給自己的母親，索取母乳和關愛。參與圍獵的部落成員，通過呼吼聲，召喚同伴的支援和協助。這一切，都屬於通信的範疇。

隨著人類社會組織單位的不斷變大，通信的作用也越來越大。國家之間的合縱連橫，親人之間的思念關懷，都離不開通信。通信的手段，也由面談這種近距離方式，逐漸發展出烽火、旗語、擊鼓、鳴金等多種遠距離方式。

這些通信方式，主要是通過視覺或者聽覺來實現。這就要求通信雙方之間，是可視的，或者，是可以聽見的。客觀條件的約束，就限制了通信的範圍。

而如果採用驛站或信鴿等方式，雖然一定程度上解決了範圍和距離的問題，卻帶來了時效性的問題，無法在很快的時間內送達。

19世紀電磁理論出現並成熟。在此基礎上，莫爾斯發明了莫爾斯編碼和有線電報，貝爾發明了電話，馬可尼發明了無線電報，人類就此開啟了用電磁波進行通信的近現代通信時代。通信的距離限制，不斷被突破。與此同時，長距離通信的時延，也在不斷縮小。

時至今日，我們已經全面進入了資訊時代，對通信的需求和依賴變得前所未有的強烈。像手機這樣的現代通信工具，作為每個人保持社會聯繫的紐帶，變成了寸步難離的必需品。

不僅是個人，整個社會的運轉，都建立在對通信技術的依賴之上。通信技術的先進程度，成為衡量一個國家綜合實力的重要標誌之一。

我們無法想像，如果通信技術倒退回兩百年前，我們的世界將會是怎樣的混亂場景。

讓我們回到通信的本質。

任何通信行為，都可以看成是一個通信系統。而對於一個通信系統來說，都包括以下三個要素：信源、信道和信宿。

例如下課時，校工打鈴：校工就是信源，空氣就是信道，而老師和同學們，就是信宿。

那鈴聲是什麼呢？鈴聲是信道上的信號。這個信號帶有信息，信息告訴信宿：該下課了。

更具體一點，振鈴就是發送設備，老師和同學們的耳朵，就是接收設備。

是不是所有的消息（數據）都是信息呢？是不是消息越多，信息就越多呢？

不是的。

很多人認為，消息越多，數據越多，信息量就越大，這是一個誤區。

信息量的大小，和信息出現的概率，有直接關係。簡單來說，隨機事件發生的概率越小，信息量就越大。

舉個例子，如果我告訴你，「地球是圓的」，這句話，信息量就是0。簡而言之，我說的是一句廢話。

如果我告訴你，我在某地藏了一億美金的現金，那麼顯然，這個信息量就很大了。

通信技術的發展過程，說白了，就是研究如何在更短的時間，傳輸更大信息量的過程。

為了達到這個目的，信源側需要不斷升級自己的發送設備，信宿需要不斷升級自己的接收設備。而信道的介質，也在不斷升級。

根據信道介質的不同，我們將通信系統分為有線通信和無線通信。

顧名思義，採用網線、光纖、同軸電纜作為通信介質的，就是有線通信。而採用空氣甚至真空的，就是無線通信。

不管是有線還是無線，傳輸的都是電磁波——在有線電纜中，電磁波是以導行波的方式傳播，而在空氣（真空）中，電磁波是以空間波的方式傳播。

世界上沒有真正意義上的「完全」無線通信。無線通信系統中，除了信道部分會有無線環節之外，包括信源、信宿和大部分的信道，其實都是有線的。

就像我們現在使用的手機通信系統，它只有手機和基站天線之間是無線傳播，其它環節仍然是有線傳播，例如基站到機房，南京機房到上海機房，等等。

既然說到手機通信系統，那我們就多介紹一下。手機通信系統，也叫蜂窩通信系統，因為手機的通信依賴於基站，而基站小區的覆蓋範圍，看上去有點像蜂窩。

手機通信通常被稱為移動通信，移動通信屬於無線通信的一種。除了移動通信之外，Wi-Fi通信，對講機通信，衛星通信，微波通信，也都屬於無線通信。

用於無線通信的電磁波，看不見、摸不著、聽不到，卻速度極快（光也是一種電磁波，秒速30萬公裡）。但是想要利用好它，並不是那麼容易。

最開始有線電報的時代，我們通過電流脈衝的長短組合，來傳遞一個字母。例如字母a，就是：「· -」，一個點信號，一個長信號。發出一個完整的單詞，就要好幾秒甚至十幾秒的時間。

顯然，這種速度是無法接受的，既費時又費力。

「別提了，這破玩意差點害死我」

後來，人們開始用「波」來承載信息。

如果按波的振幅來表達0或1，振幅大的代表1，振幅小的代表0，就是調幅（AM）。

如果按波的頻率來表達0或1，波形密集的代表1，波形稀疏的代表0，就是調頻（FM）。

AM和FM，眼熟了吧？收音機上就是這麼標的。

很顯然，每秒鐘發送的波形越多，傳輸的0和1就多，信息量就大。換言之，頻率越高，速率越快。

很多人問，為什麼我們現在要使用高頻信號傳輸信息。上述就是主要原因之一。

不管是AM調幅還是FM調頻，都屬於我們經常說的調製。解調呢？就是在信宿那端，將信息從已調信號裡提取出來。

我們以前上網用的貓（Modem），就是數據機，幹這個事情的。現在到處熱議的手機晶片裡面的基帶晶片，說白了，也是幹這個事情的。

我們目前使用的通信系統，基本上都是數字通信系統，傳輸的都是數位訊號。

數位訊號的常用調製方式，就是書上常說的幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK），還有正交幅度調製，也就是大名鼎鼎的QAM。我們的LTE，還有即將到來的5G，都是用的QAM。

這種很多點的圖，叫做星座圖

傳輸數據，就像汽車運貨，如果想要運輸更多貨物，一方面，可以讓馬路變寬，另一方面，也要想辦法讓自己減重。

有價值的貨物當然不能丟，但是，可以減少無價值的載重。就像人與人之間說話，要挑重點的話說，少說廢話。

這裡，就涉及到編碼的技術。

編碼分為兩種，第一種是信源編碼。

我們聽到的聲音，是音頻信號，看到的場景，是圖片或視頻信號。不同的信號，都有自己的編碼方式。

對於音頻信號，我們常用的是PCM編碼和MP3編碼等。在移動通信系統中，以3G WCDMA為例，用的是AMR語音編碼。

對於視頻信號，常用的是MPEG-4編碼（MP4），還有H.264、H.265編碼。在政府企業常用的視頻會議電話系統（也是通信系統的一種）中，現在普遍開始採用的，就是H.265編碼。

除了信源編碼之外，就是信道編碼了。

信源編碼是刪除冗餘信息，而信道編碼恰好相反，是增加冗餘信息。

為什麼呢？

這裡，就要說到無線信道的複雜性了。

相對於有線信道的可靠和穩定，無線信道的問題要多很多。

無線信號在空氣中的傳輸，隨著傳輸距離的增加，本身就會有損耗。這種損耗，也叫做路徑損耗（路損）。

傳輸的過程中，遇到障礙物，如果穿透它，也會產生損耗，叫穿透損耗。

損耗和無線信號傳輸的幾種效應有密不可分的關係。例如陰影效應、多徑效應、遠近效應，還有大家一定聽說過的都卜勒效應。限於篇幅和理解難度，不多做介紹。

除了這些電磁波特性造成的衰耗之外，無線通信還容易遇到各種幹擾和噪聲。例如電磁幹擾和頻段擠佔等。

信道編碼，目的就是要對抗信道的各種不利影響。

增加冗餘信息，就像在貨物邊上塞保護泡沫，保護貨物的正確運輸。如果路上遇到顛簸，發生碰撞，貨物的受損概率會降低。

去年鬧得沸沸揚揚的聯想5G標準投票事件，華為主推的Polar碼，還有高通主推的LDCP碼，說的都是信道編碼。3G/4G時代處於核心地位的Turbo碼，也是信道編碼。

對抗衰弱的辦法，除了信道編碼之外，還有分集技術和均衡技術。像現在備受關注的MIMO（多天線收發技術），就屬於空間分集技術中的一種。簡單來說，就是一個不夠就用兩個，兩個不夠就用四個。

說完了調製和編碼，我們最後再來說說復用和多址。

前面我們所說的，是一對一的通信模型。但實際生活中，我們不可能一個通信系統只給兩個人用。我們會儘可能讓更多的人可以同時使用它。這就需要用到多址技術。

說到多址，大家一定聽說過這麼幾個詞：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA、OFDMA……

沒錯，這些都是多址技術，分別是：

FDMA：頻分多址

TDMA：時分多址

CDMA：碼分多址

SDMA：空分多址

OFDMA：正交頻分多址 

多址，就是Multiple Access（多接入）。

簡單舉例，我們把頻率資源想像成一個房間，如果把房間分割成不同的空間，不同的用戶在不同的房間聊天，這就是頻分多址（FDMA）。

如果這個房間裡，某一時間讓某一個人說話，下一時間段，讓另一個人說話，就是時分多址。

如果大家都用各自的語言說話，有的人說英語，有的人說法語，有的人說中文，那就是碼分多址。

利用天線的朝向來區分不同用戶，叫空分多址。（不好意思，房間的例子不適用這個）

把空間劃分成不同房間，房間和房間之間有重合，以便塞下更多的房間，這個叫做正交頻分多址。

而復用（Multiplexing）又是什麼呢？復用和多址的區別，就是復用針對資源，而多址針對用戶。

舉個例子，將10MHz的頻率資源，劃分成5個2MHz，作為子信道，這種做法，叫復用。不同的用戶使用這些子信道，每個子信道變成了用戶的「址」，這叫多址。

好啦，以上就是今天文章的所有內容。相信並不難懂吧？

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