作者：丁奇,阳桢
出版社：人民邮电出版社
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大话移动通信试读：
前言
PREFACE对于踏入通信行业的人而言，通信的专业知识可谓绝大多数人的苦主。在学校里，我们要被《信号与系统》、《通信原理》、《电磁场与电磁波》等课程反复蹂躏。好不容易出了学校走进社会，以为工程实践知识好对付点吧，才发现GSM、WCDMA、LTE也没有一盏是省油的灯。
作者本人也在通信圈子里摸爬滚打，也常常为需要学习如此之多而又艰深的通信知识而头痛不已。作者也在图书馆或者网络上读过《OHM理工系列》、《编码的奥秘》、《笑傲江湖之三层交换》等书籍或文章，这些书籍或文章由浅入深，非常轻松活泼，很对作者胃口，于是希望通信的圈子里，也多一些这样的内容，而不都是一板一眼的写作方式。遗憾的是，这样的愿望也一直未能如愿。
于是，作者在学习和工作中也有所思有所想，在C114（通信人家园）上以《无线通信原理通俗解读》为主题进行连载，该帖子目前点击量已过百万，反响热烈超乎作者预期。后来该帖内容经过整理，汇成《大话无线通信》一书在人民邮电出版社出版，依然颇得读者好评，成了当当网2010年度最畅销的通信类图书，并获得了畅销图书奖。但《大话无线通信》是以GSM为主体来对无线通信进行描述的，很多读者希望了解WCDMA是怎么回事，与TD-SCDMA有什么区别，为什么LTE又放弃了CDMA的多址方式，转而投向了OFDM，这便是作者写作本书的初衷。
本书写作尽量坚持3个原则。第一是类比，接触一个不熟悉的知识，最为快捷而一针见血的做法就是将其类比为已经熟悉的知识；第二是通俗，尽量轻松活泼一些，晦涩生硬的文章会让读者看得打瞌睡；第三是知其然还要知其所以然，尽量避免先摆结论后论证的传统讲述方式，而是和读者一起去发现无线通信应用中都会出现哪些问题，然后我们可以采用怎样的方式来解决，这其实也是很多新技术出现的由来。
本书共分为10章。第1章用粗线条勾勒了一个通信系统的架构，主要的目的是告诉读者声音是如何变成比特流，比特流又是如何还原成声音的，这是通信最本质的东西。学习这些东西能体验到单纯学习工程技术知识所难以体会到的“美感”。应当说在第1章中我们告诉了大家两个对讲机是怎样工作的，但是这还不够，手机不是对讲机，它要复杂的多，第2章就是告诉大家手机比对讲机复杂在哪里。第3章讲解的是GSM网络。在这一章里，我们勾勒出了移动通信网的基本形状，大家很快会发现，其他无线通信网都脱胎于这个模子。第4章介绍了WCDMA网络。这一章介绍了码分多址的基本概念，这很重要，是三大3G标准的基础，而码资源的分配是另一个重要的命题。第5章和第6章分别介绍了TD-SCDMA和cdma2000。在这两章里，主要介绍了这两大标准与WCDMA的异同。3G三大标准有很多相似之处，对比起来学习会事半功倍。第7章和第8章介绍的当下正热的LTE和LTE-Advanced。LTE和LTE-Advanced使得无线下载速率分别达到100Mbit/s和1Gbit/s的量级，使得“无线的宽带化”成为可能。第9章介绍的是3GPP组织。从GPRS到EDGE，再从WCDMA、TD-SCDMA到LTE、LTE-Advanced，这个组织都功不可没，让我们来看看通信标准背后的推动力量。第10章介绍了一些初步的网规网优知识。这部分知识对于运营商的工作人员和希望了解运营商工作的人而言，都非常重要。
读者在阅读本书的时候，可以把全书分为4部分来阅读。第1章到第3章是无线通信的基本知识，可帮助读者弄清楚无线通信的基本构架和基本流程。第4章到第6章介绍的是3G，看起来复杂，其实核心理念就4个字母：CDMA。第7章到第8章介绍的是LTE及其后续演进，核心理念也是4个字母：OFDM。第9章到第10章属于全书的延伸阅读。
接下来是致谢。在这里，要感谢宁夏联通总经理彭胜军、湖南联通综合部经理肖智辉、岳阳联通副总经理刘文剑对我的关心与支持。感谢华为公司的技术专家陈爱军、王振世在技术方面给予的指点与切磋，感谢selena提出的一些宝贵意见。另外，也要感谢益阳联通李向东、刘鲲、蒋先遵、郑志强、廖坚强、符宾、旷亚宁、曾玲、张肯攀、罗小辉等诸位领导给予的支持。
最后要感谢我的编辑刘洋先生长期以来对我的支持和鼓励，以及对作品精益求精的态度，这使我从中获益良多。
由于作者水平有限以及时间仓促，书中错误和不当之处在所难免，敬请广大读者和同行专家批评指正。本书编辑邮箱：liuyang@ptpress.com.cn。作者第1章点对点的无线通信——从贝尔到莫尔斯
无线通信的知识有两种，一种谓之“道”，另一种谓之“术”。“术”的层面的内容是广大工程师经常要用到的，我们敲打着冰冷的键盘，查看着GSM或是WCDMA网元的拓扑结构，处理单板故障，分析信令流程，我们手里捧着操作说明书、培训教材或是3GPP协议。其实在这些操作规则和通信协议的背后，都隐藏着一种叫做“道”的东西，它深刻揭露了通信的本质，展现了通信的美学。“道”又包含了两个层面的内容。一个层面的内容叫做“通信原理”，具体一点来说可以由大学里的若干门课程组成，比如“信号与系统”、“随机过程分析”、“电磁场与电磁波”、“无线通信原理”，这些课程告诉我们一些最本质的东西，如声音如何变成比特流、比特流如何承载在电磁波上、多宽频谱的电磁波在既定信噪比的情况下最多只能承载多少信息。另一个层面的内容叫做“管理”，管理的本质就是在既定约束资源的条件上追求最大产出，而放到无线通信上，那么就是要在既定带宽（比如200kHz或者5MHz）的情况下追求最多用户可以打电话或者下载东西的速率怎样做到更快。
本书的主要目的是介绍“术”，就是讲解如何快速了解一个通信系统，比如说GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA；但是介绍“术”的同时，如有可能，也尽量去揭示一下它背后隐藏的规律和蕴涵的智慧，无论是“原理”层面的还是“管理”层面的。
具体到第1章，就是想先介绍一下“原理”层面的内容，也就是讲述一下声音是如何通过本端“对讲机”转换为比特流并通过电磁波传送到对端“对讲机”的。大家注意一下，“对讲机”和“手机”是有本质区别的，前者只是一个点对点的通信，而后者中间可是有一个庞大的通信网络。但前者却是后者的基础，没有点对点的通信，就不会有移动通信网。所以我们的第1章，就从点对点的无线通信开始，这部分内容属于大学课程里“通信原理”的范畴，数学知识很多，非常复杂，本书为了方便读者阅读，只介绍最基础的内容，以便于读者能快速了解个梗概。1.1 古代通信的智慧与烦恼
纸笺墨香的时代正在悄然离我们远去，8毛一张的邮票也渐渐变成了收藏品。所以一提起“通信”这个词，在我们大脑中首先跳出来的词大概就是手机、3G、短信这些人们日常生活中用得最多的东西。但是在进入正题之前，我们不妨先来回溯一下中国历史上的一些通信手段。这样做有两个目的：一是可以了解一下通信系统是如何随着人类的生活半径而变化的。比如元谋人时代，是没有驿站的，因为大家都在周边打转；而现在，也没有银河系通信系统，因为人类的足迹最远也就到过月球。二来古人是很聪明的，连中继、加密等现代通信手段古人也早都用到了，我们也可以从中学到不少智慧。
最早的无线通信应当就是家里人之间的对话了，春秋时期的思想家老子为我们描述了一个理想的上古时代——“鸡犬之声相闻，老死不相往来”。也就是说，你平时的日常活动就局限于那一亩三分地了，跟邻里都没什么交道。说起通信的需求，也就是跟家里人说说话就可以了，都不用很大声，离“通信基本靠吼”都还有一段距离。
细究起来，这个“无线通信系统”和我们现代的无线通信系统还真有不少相似之处。说话的人可以看作发射机，听对方说话的人可以看作接收机，人和人之间采用的语言（汉语、英语乃至法语）可以看作信源编码，承载的物理媒介都是空气……
不同的是，人和人之间传递信号是通过声波而非电磁波。声波就传递这么远，也不需要进行调制，即使你想进行调制，你的声带和喉咙也不会答应，因为它们可没这功能。
另外，人和人之间交流也很少需要信道编码，因为你一般都能听清楚对方的说话。即使偶尔你的“解码”出现问题（你没听清楚对方说话），你的大脑也比那笨笨的接收机要聪明得多，根本不需要进行循环冗余校验（CRC，Cyclic Redundancy Check）就知道你接收的信息不完全、不充分、难以理解，然后你的大脑就丢弃这个信息包，并向发信方申请一个重传——“俺没听清楚，麻烦您再说一遍”。呃，这可是收发信机在数据链路层上经典的检错和纠错机制。
如果说时间就停在这里不再向前也就省事了，人与人之间天然的通信系统已经够用了，不用费尽脑筋再去开发那么多通信系统。然而老子的理想终究没有变成现实，人们不仅要跟邻里打交道，还要跟方圆百里，方圆千里，甚至地球上任何一个角落的人打交道，于是，通信的麻烦就来了！
话说春秋不仅有老子这样无为而治的圣人，也有时刻梦想着封侯拜相、开疆辟土的野心家，比如说吴起！他要建功立业，他要征伐四方，那他就得有军队，等他组建了军队，问题来了——他发现他嗓门不够大，想吼一嗓子让数平方千米上的几万人的军队都听到他的命令，根本就没有可能。于是，他不得不建立军队的通信系统，以保证每个人都能明白他的将令。于是乎，为了延展他的嗓门，有两种工具就被搬上历史舞台了，那就是金和鼓，大家都知道一句话“闻鼓而进，闻金而退”，这算是一种比较简单的指挥通信系统。但是这个通信系统的信息量太小（假如闻鼓而进用“1”表示的话，闻金而退就是“0”了，总共就1个比特的容量），不足以满足指挥作战的需要。假如说你要摆个八门金锁阵，根据敌军的变化来不断改变阵势，这个该怎么办？
对于这个问题，兵圣孙武同学早有见解，他在《孙子兵法》的第五篇《势篇》里有一句话——“孙子曰：凡制众如制寡，分数是也；斗众如斗寡，形名是也。”所谓“分数”，即是对部队进行编号，这样每条命令就能根据编号找到每个独立的作战小单元（这与现代通信有异曲同工之妙，移动通信中的每个通信单元，比如手机、BTS、BSC都有自己的编号）；所谓“形名”，指的就是旗语，用旗语指挥部队变阵和进行战斗，因为旗帜能往各个方向运动，排列组合无数种，信息量显然大大高于金和鼓。
将士卒整编成行伍队列，以旗语指挥队伍列阵和变阵，闻鼓则进，闻金则退，这就基本组成了一支军队指挥某次战斗的相对完善的通信系统。这个通信系统相比于人和人之间的对话，在通信距离上有了长足的进步，显而易见，无论是鼓点声、敲击金镝的声音，还是旗语，其能传播的范围比人和人之间的对话要大得多。
但是这个系统的缺点也是很明显的，那就是能覆盖的范围依然太有限了，一个再优秀的将领，即使在开阔的地形下，其有效指挥半径也很难超过5里路。这就不难理解，为什么古代大的战役几乎都发生在一个很小的区域，而不是像现代战争一样发生在一整条战线上。道理很简单，战争是需要快速做出判断和决策并根据实际情况不断变化的，战线拉长了，指挥系统受制于通信的能力够不着一线部队。所以指挥官为了有效指挥军队，其部队展开的宽度通常不会太宽。我们对比一下古代战争和现代战争就知道了。比如长平之战、巨鹿之战、昆阳之战，这些双方投入总兵力超过50万的古代著名战役都以某个地点命名，而到了现代，这个级别的战役往往以区域命名了，比如辽沈战役、淮海战役。通信的发展从某种程度上改变了战争的方式，这句话并不夸张。
这是一定空间范围内的通信，我们可以通过鼓点和旌旗，放大声音的音量和视觉标的的大小，来延展我们的通信距离。可是对于更远的距离，比如长安和雁门，视觉和听觉都无能为力。于是我们在神话中构造出了“千里眼”和“顺风耳”，不过那仅仅是神话，仅仅只能代表人类的一种美好的意愿而已。
在长安和雁门这种超长距离的信息交换中，就当年而言，最要命和最要紧的信息肯定是北方游牧民族入侵的消息。为了及时传递这种信息，烽火台应运而生，通过一站一站地燃起狼烟来完成自边关向都城的信息传递，“朔方烽火照甘泉，长安飞将出祁连”那是一幅怎样的景象啊。值得注意的是，烽火台和现代通信系统有一个共同的概念，那就是“中继”，光信号会随着距离而衰减，所以每隔一段距离就要建一个烽火台，重新燃起狼烟，相当于把衰减的信号重新放大一次，只有这样，入侵的信号才能从遥远的雁门传到西汉王朝的心脏——长安。与此类似，电磁信号在介质中的传播，无论是5类双绞线还是电缆，抑或是空气，都会有衰减和能量损失，因此隔一定的距离也同样需要中继。捣鼓过网络的人都知道，一根网线的距离不能超过100m，道理和烽火台类似，信号在网线中也是要衰减的，超过100m之后，信号衰减所带来的误码会使通信质量下降得令人难以接受。
就通信系统的健壮性和安全性而言，烽火台并不是百分之百值得信赖的。因为一连串烽火台组成的是一条单链，如果其中一个点出现问题，那么整个系统的可靠性将难以得到保障。《三国演义》都称关羽是大意失荆州，其实换个角度来说，他的情报系统（也可以理解为通信系统）是很有问题的，因为直到荆州多地失陷之后，他都并不知道，依然在前线和曹操打得不亦乐乎。情报系统的瘫痪，信息传递的不畅，这才是关羽失荆州的罪魁祸首，我们不妨来看看问题出在哪里。
关羽水淹七军之后，兵锋直指宛洛，曹操慌了，从后方调来了徐晃的援军。关羽为了与之匹敌，被迫将荆州的预备队调往前线。荆州的预备队调走之后，必须要防备东吴入侵，关羽的策略是通过烽火台来传递信息，一有入侵，及时从前线回援荆州即可。诸葛亮的隆中对砸就砸在关羽这一招上头了，因为那该死的烽火台，它居然是一条单链，居然出了问题没有任何保障！
此时的吕蒙已经是饱读诗书、诡计多端的吕蒙了，按他自己的说法，已不再是当年的愣头青“吴下阿蒙”了。这个情报系统的破绽他岂能看不出来。于是吕蒙及其士兵化妆成白衣商人，以躲雨为由进入了荆州防线的一个烽火台，手起刀落解决了守卫，结果荆州整个的预警系统就此失灵，吕蒙趁机攻占江陵，糜芳投降。荆州一丢，关羽进退失据，最终败走麦城。从这个例子我们不难看出，对于一个通信系统而言，出了问题能有备份措施是多么重要，所以现在光缆都提倡双路由，板件都提倡双备份，连操作人员都讲究互相备份，就是为了避免一个单点出问题，整个系统崩溃。
然而，烽火台并不是古代主流的远距离通信系统，虽然这种系统传播速度很快（光速是挺快的，点火也费不了多少时间）。不能成为主流的原因之一是其成本高昂（一是建设烽火台是件成本高昂的事情；二是到处找狼粪也不容易），路径固定且单一（烽火台可不是应急通信车，说开走就开走）。最要命的原因还是烽火台能够传递的信息量实在是太少了，就那么几堆狼粪，横竖排列组合就那么几种。虽然狼烟的原理和旗语颇有几分相似，但是你没法控制狼烟的运动，没法把狼烟搞得像旗语一样千变万化，那你就注定传递不了更多信息。
中国古代最主流的远距离通信系统毫无疑问是以驿站为基础的“邮局”系统，我们经常在古装影视剧中看到的所谓“八百里加急”就是这玩意儿。这个系统就是骑着马疯狂地赶路送信，遇着驿站就换马以保持行进的速度，看起来似乎没有什么可说的。值得注意的是，这么长的距离，你的信使是完全可能在半路上被劫杀的，这就引发了通信安全的问题。这个问题早在周朝就有解决方案，一为对发送信息进行加密，称为“阴符”；另一种方法和GSM中的跳频加密颇为相似，即将信息分为几份，通过不同的人采用不同的路径发送出去，到目的地再合为一起，就算其中一份被截，也不会泄密。以下内容来自太公姜子牙所著《六韬》一书。《阴符第二十四》
武王问太公曰：引兵深入诸侯之地，三军猝，有缓急，或利或害。吾将以近通远，从中应外，以给三军之用。为之奈何？
太公曰：主与将，有阴符，凡八等。有大胜克敌之符，长一尺。破军杀将之符，长九寸。降城得邑之符，长八寸……
这一段就通信保密而言很经典，武王深入重地，想和大后方传递消息，就问太公咋办。姜子牙说好办啊，咱们对信源重新搞一套编码就是了，比如你杀了对方大将，就不要写“破军杀将”4个字的小纸条传给俺了，直接让信使送俺一块9寸长的木板就行了，这个加密方式只有你和俺知道，不怕泄密。
我们很快就发现，阴符和烽火台一样，面临一个致命的弱点，就是能够传递的信息量太少，或者说编码太少。阴符只能传递8种消息，而且很不详细，对于纷繁复杂的战地情况而言显然是不够的。这个时候还没有发明计算机，没有二进制，没有ASCII编码，也没有指数和对数，想对每个汉字进行加密简直是个不可能完成的任务。
聪明的周武王很快发现了阴符的弱点，心里开始打鼓，虽说将在外君命有所不受，但是这帮大将领兵在外每天不请示不汇报俺心里实在不踏实，要请示汇报的话8个符号实在不够，如之奈何？于是清清嗓子跟太公说我很思念前线的将领，如果想跟他们多说说话，你有没有好的办法呢？（《阴书第二十五》武王问太公曰：引兵深入诸侯之地……其事繁多，符不能明；相去辽远，语言不通，为之奈何？）
姜子牙可是《孙子兵法》里标榜的“上智”人物，何等聪明的人啊，他马上想到了办法，就是仍然用书信，但是将一封书信分成3份，由3个不同的人通过不同的路线传递，内容分离3个人互相不知道内情，即使路上被拦截掉一份，也不会出现泄密的问题，最后这3份书信都会传到一个将领手里，这就叫阴书。（《阴书第二十五》太公曰：当用书，不用符……书皆一合再离，三发而一知，此谓阴书。敌虽圣智，莫之能识。）
我们看到，中国古代的人们因为生产生活的需要，随着活动区域的增加逐渐延展了通信系统的距离，从金、鼓、旗语到狼烟、驿站，在通信系统的及时性（烽火中继、八百里加急）、安全性（加密、跳频）、系统性（编号）等方面都有出色的表现。
这些通信系统其所展示的智慧是毋庸置疑的，但是它们也明显存在成本、及时性、传递范围、安全性等多方面的问题。人们一直希望能有一种通信方式，能传播千里，覆盖神州的每一个角落；能传播迅速，如雷鸣闪电一样快，并把这种愿望幻化成了神话，那就是“千里眼”和“顺风耳”。可惜的是，人们一直没有找到这样的通信方式，远方的亲人要通信，依然不得不走驿站或者托人转寄这种高成本的方式。高昂的成本、低效的信息传递造成音讯阻隔，亲人们相思难了，因此杜甫不禁感慨“家书抵万金”。
人们梦想中的通信方式直到1864年才初现端倪，在这一年里，麦克斯韦预言了世界上存在这样一种东西，它存在于广袤的天地之间，以光速传播，这种东西被命名为电磁波！麦克斯韦预言电磁波的存在，最终也遭到了学者的怀疑。毕竟电磁波是如此玄妙，无形无影，无法琢磨。
直到1887年，赫兹通过实验证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言，一个崭新的电磁世界的大门才向人们打开。但是赫兹只是一位纯粹的科学家，他没有看到这种以光速传播的电磁波所蕴涵的巨大的商业价值——作为话音远距离无线传送的载体。不过人们并没有等太久，1895年，马可尼发明无线电报机，人类正式进入无线通信时代！1.2 从“贝尔电话”解剖现代通信系统架构
虽然本书讲述的主要内容是移动通信，第1章的主旨也是点对点的无线通信的过程。但是在本节及接下来的章节中，作者依然打算从固定电话入手，勾勒出一个现代通信系统的整体框架。因为固定电话相对移动电话而言比较简单，其实现机理也有很多相似之处。我们首先对整体的架构有个系统的认识，接下来对于具体细节的学习才不至于迷失方向，才不至于陷入盲人摸象的尴尬。1.2.1 电话之父——贝尔
通信经历了一个从模拟通信到数字通信的发展过程，说起模拟通信，就不能不先提到贝尔（如图1.1所示）。亚历山大·格雷厄姆·贝尔是公认的电话之父，以他的名字命名的贝尔实验室更是因为一直引领通信潮流而享誉世界。值得注意的是，贝尔原来是一个话音专业的教授，对发声原理有着深刻的认识，这对他后来发明电话或许不无裨益。有趣的是，发明电报的莫尔斯也非电磁专业的科班出身。莫尔斯41岁时还只是一个画家，他有一次在大西洋中航行的一艘邮船上，听到另一个在电磁学领域同样不靠谱的美国医生杰克逊给旅客们激情澎湃地讲解电磁铁原理，由此激发了他用电流的变化来传递信号的梦想。
12年后的1844年，莫尔斯电报在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅诞生。俺的神啊，真是有梦想谁都了不起，这个世界太疯狂了！值得注意的是，最早的莫尔斯电报是用有线（电报线）传播的，而并不是像后来一样被广泛用于无线通信领域。图1.1 贝尔
牛顿说过，他能取得这么多成就是因为他站在巨人的肩膀人。贝尔同样如此，在他之前，欧洲已经有很多人在进行这方面的设想和研究。早在1854年，电话原理就已由法国人鲍萨尔设想出来了，6年之后德国人赖伊斯又重复了这个设想。原理是：将两块薄金属片用电线相连，一方发出声音时，金属片振动，变成电，传给对方。但这仅仅是一种设想，问题是如何构造送话器和受话器，怎样才能把声音这种机械能转换成电能，并进行传送。
贝尔遇到的第一个挑战——怎样把声波转化为电信号？
最初，贝尔试图用电磁开关来形成一开一闭的脉冲信号，但是我们知道，声波的主要频率分布于20～3400Hz，对于这样高的频率，企图用机械式的电磁开关来实现信号的转换显然是行不通的。道理不难理解，凡是机械运动必有惯性，要改变物体的运动方向或运动方式必定需要时间，要设计一个每秒以非均匀方式“开—关—开”3400次的机械开关，未免太骇人听闻了。
最后的成功源于一个偶然的发现，1875年6月2日，在一次试验中，他把金属片连接在电磁开关上，没想到在这种状态下，声音奇妙地变成了电流。分析原理，原来是金属片因声音而振动，在其相连的电磁开关线圈中感生了电流。
图1.2就是1876年贝尔发明的电话机核心部分的素描简图，椭圆形圆圈所示的部分即电磁信号与声波信号的转换部分，我们可以清晰地看到那片薄薄的金属片。
这个电话显然与我们脑海中对固定电话的印象大相径庭，图1.2中所示的部分既没有送话器（话筒）也没有受话器（听筒），这怎么打电话啊。
其实贝尔的设计中是有听筒和话筒的，要不然也不能将其称为电话了。不过样子委实怪异（如图1.3所示），您肯定认不出它是电话来，您非要说它是广播，那俺也没办法，谁让它弄了个那么大的话筒呢。
贝尔发明了电话，另一位大发明家爱迪生也没有闲着。1876年爱迪生发明了炭精式送话器，也获得了发明专利权。炭精式送话器比贝尔永磁式送话器更灵敏。故现代的电话机（如图1.4所示），基本上是爱迪生送话器与贝尔受话器的结合。图1.2 1876年贝尔发明的电话机的核心部分图1.3 贝尔的第一架电话图1.4 现代电话
我们在探讨贝尔电话的时候并没有提到调制，也并没有提到多路电话之间的交换，而这恰恰是现代通信系统中非常重要的环节。之所以不涉及这部分内容，是因为贝尔发明的电话最初用于的是点对点的专线通信，距离也并不长，既不需要调制也不需要进行程控交换，所以我们把这部分内容放到后面的环节来阐述。1.2.2 解剖固定电话——模拟通信系统架构
这一节我们希望能从贝尔电话这个具体案例中提炼出更具有一般性的东西，这比生硬地先给出一个框图或许更容易理解。我们把具有连续的随时间变化的波形信号称为模拟信号，话音信号是个典型的模拟信号。通常情况下，影像信号也是模拟信号，当你举起摄像机进行摄影时，通过凹凸镜成像的光学信号的变化当然也是连续的和随着时间变化的。
传输模拟信号的通信系统就可以叫做模拟通信系统，这些系统其实有蛮多的相通性。在本小节中，我们不妨以固定电话为例，对它的五脏六腑进行解剖，看看其内在的运行机理到底是怎样的。
首先，无论是哪种模拟信号，不管是声波也好光学信号也罢，如果你想把它从一个城市实时地传送到另一个城市，你几乎无可避免地都会遭遇“贝尔挑战”，即如何把它转变为对应的电信号。
你或许在老师指导的物理课上自制过“电话”，说话的双方各拿一个纸杯既充当听筒又充当话筒，杯底打一个小洞用于系棉线，这根棉线就充当电话线了。把棉线拉得直直的，这两个纸杯还真能凑合当小电话用。
理论源自生活固然不错，如果你凭此就认为声波信号或者光影信号可以直接用于通信，电话可以改名为“声话”或者“光话”的话，那么贝尔估计会气得从地底爬起来，拉上哆啦A梦用时光机把你拖到1876年，让你捣鼓个“光话”给他用用。
至少人类到目前为止依然没有跳出贝尔的窠臼，遇到任何信号，只要是打算用通信系统将其发送出去并在接收端有效还原为原来的信号，那么第一个遇到的问题依然是“如何将它转化为电信号？”
讲到这里，我们渐渐对模拟通信系统的架构有了一个比较清晰的概念。在这样一个系统里，我们首先需要一个输入信号变换器，将模拟信号转换为电信号，就如电话的话筒一样，话筒把话音信号转换为电流信号；通过中间的信道（比如电话线）传输到接收端，又需要把电信号转化为模拟信号，以便于人理解，就如电话的听筒一样，听筒把电磁信号转变为声波信号，因此我们在接收端还需要一个变换器。
由此，我们可以勾勒出一个模拟通信系统的基本框架，如图1.5所示。图1.5 模拟通信系统功能框图（不含调制解调）
图1.5所示的模型源于贝尔电话的雏形，并没有考虑到调制，实际上，低频信号并不利于传输，需要将其调制到高频信号上去。具体的原因我们在后面的章节中再进行详细叙述，我们将图1.5修正为如图1.6所示。图1.6 模拟通信系统功能框图（含调制解调）
图1.6也还并不是一个完整的通信系统架构图，因为没有考虑到信道乃至发射机、接收机本身产生的噪声。噪声是一个通信系统不得不考虑的因素。噪声与通信系统如影随行，虽然很令人讨厌，但是却不得不接受它的存在。我们把噪声这个因素考虑进来，就形成了一个相对完整的通信系统架构，如图1.7所示。图1.7 模拟通信系统功能框图1.2.3 “0”和“1”的时代——数字通信系统架构
计算机的出现改变了世界，包括通信。计算机及其数字化的信息世界以迅猛的速度发展并席卷全球，这让通信也不得不重新审视一下自己的未来，这个“0”和“1”的世界有那么大魅力么，我是不是也需要把它融合到我的系统里面来呢？
如果要和数字信息技术进行融合，那么首先要解决的就是模拟信号的数字化转换。大家都知道，人类发出的声音是模拟信号，大自然的光和影是模拟信号，那么该怎样把它转换成数字信号呢？
模拟的消息是可以通过数字调制后再进行发送的，所谓调制，就是把一段连续的波形映射成一个或几个数字，比如说把一段一定幅度和相位的正弦波映射成比特“0”。接收端收到这段信号之后，需要对其进行解调，所谓解调，就是另一个映射的过程，也就是收到的“0”映射成上面那段有一定幅度和相位的正弦波，这样就还原成了模拟信号。数字通信系统相对模拟通信系统，无非是在发送端和接收端都增加了一个“模拟—数字”转换模块。这个模块在日常的数码产品中很难用肉眼看到，不像进行“声—电”转换的话筒和听筒那样能给人留下直观的印象。
幸运的是，有一种家电的“模拟—数字”转换模块是独立的，那就是数字机顶盒（如图1.8所示）。我们原来的电视都是模拟电视，广电在闭路有线电视线上传输的也是模拟信号，现在正大力推广数字电视，而我们的电视终端却不能直接支持数字信号，所以不得不再在电视上叠加一个数字机顶盒，完成从数字信号到模拟信号的转化。其实在中国，最初推广数字机顶盒的并非是广电而是盛大网络，陈天桥与唐骏当年推出了雄心勃勃的“盛大盒子”计划，然而其产品后来却没有能够得到消费者的认可，最终成了一堆泡影。图1.8 数字机顶盒
综上所述，我们给模拟通信系统增加一个“模拟—数字”转换模块，也就是俗称的“编码模块”，这成了数字通信系统的雏形，如图1.9所示。图1.9 数字通信系统初步功能框图
在数字编码器这个功能模块上，有很多东西其实颇值得玩味。我们希望编码尽量简洁，不要啰唆，尽量减少冗余信息，对这一块内容的研究，我们称之为信源编码。然后，我们发出去的编码一路上会受到噪声的干扰，也许会丢失不少信息。到了目的地后，我们希望接收端可以根据编码所包含的一些内容，对信息的完整性作出一个判断，尽量恢复还原原来的信息，对这一块内容的探讨，我们称之为信道编码。我们就这样把数字编码器拆成了信源编码和信道编码两个功能模块，于是对图1.9再进行修正，如图1.10所示。图1.10 数字通信系统功能框图
调制、信源编码和信道编码都是数字通信中非常重要的概念，在这里，我们只是一笔带过，详细的内容留待后面讨论。1.2.4 数字通信为何独领风骚
也有人唏嘘模拟通信的辉煌时代已经过去，认为模拟通信才是连续的、无失真的通信。这番话或许不无道理，因为我们知道，模拟信号变为数字信号，第一个关键步骤在于采样。奈奎斯特定理已经证明了当采样频率大于两倍带限信号带宽时，信号可以完全由其采样样本来恢复。然而我们知道，冲激采样在物理上是不可实现的，即使是零阶保持采样也不可能真正实现，因此在采样环节上不可避免地存在失真。其次，采样之后得到的电平值，还必须经过量化，数字通信系统是无法处理无限多个电平值的，必须要将其按区间划分，变成有限多个电平值，才能转变为数字。在量化这个环节，也同样不可避免地存在失真。
实际上，在我们的生活中，也的确存在模拟通信系统优于数字通信系统的情况。比如说，电影一般而言是采用胶片拍摄的，胶片能够更加细腻地体现场景的细节和氛围，在色彩、光线变化、影调等各个方面都比数码能包容的程度更高。光学摄像机就是典型的模拟通信系统，它的原理是通过凸透镜将光信号在胶片上成像。优质胶片的成像质量目前还是优于数码产品的，只是它们的价格十分高昂。
然而在现代社会中，数字技术的应用却远远超过了模拟技术。大哥大被小巧的GSM手机踢进了博物馆，磁带被CD扔进了垃圾堆，就连模拟电视也即将被数字电视所取代。我们不禁要问，数字通信系统到底有什么好，为何俨然有一统江湖之势？
数字通信相对于模拟通信，其最大的一个优点在于噪声的处理。数字信号的码流只有高低两个电平，容易进行区分，同时可以在信道编码的过程中插入很多冗余的信息来提高信道传输的可靠性，而模拟通信技术由于不具备信道编码技术，在差错控制方面和数字技术差距较大。
数字通信的这个优点在长距离通信时显得尤其重要。数字传输允许对数字信号进行再生处理，这样就可以在每个再生节点消除噪声的影响（如图1.11所示）。而与此相反，长距离传输中叠加到模拟信号上的噪声会随着模拟信号电平的周期性放大而逐次累积（如图1.12所示）。图1.12 模拟信号噪声的累积
数字系统的另一大优点是便于保密，我们可以对基带信号进行人为的扰乱以实现加密。比如说面对“00110100110001”这么一长串二进制比特，我们可以对其和一串伪随机序列“01011100101001”进行逻辑运算。如果第三方要知道原来的信息，他就必须知道所采用的算法和伪随机序列，这个难度是很大的。.当然这里的加密算法仅仅是一个二进制加法，未免显得过于简单，实际应用中的加密算法比这个要复杂得多。
了解了模拟通信系统和数字通信系统的梗概之后，我们从电话机的话筒开始，再来看一点更具体的东西，为了简单起见，下面的章节中就把这个受话器称为“贝尔话筒”。为什么从这里开始？因为它是一个话音信号历经整个通信系统过程中的起点。1.3 “贝尔话筒”的工作之一——接收信号
说起来，“贝尔话筒”的工作其实也非常简单，就是接收我们的话音信号，然后对这个信号进行分析，要是数字手机，比如GSM或者WCDMA的任意一款手机，那就还需要把模拟信号转换为数字信号。但是在了解信号的分析过程和“模拟—数字”转换过程之前，我们必须得明白什么是信号，信号有什么特点，然后才谈得上分析和转换。1.3.1 何谓信号——从狼烟到电磁波
几乎所有与通信有关的教材类书籍的开篇都是讲“信号”。如果不是，那么一定会在前言里注明——“本书的读者应当具备‘信号与系统’的相关知识”。以“信号”作为通信最基础的知识是很自然的，信号承载了人们所要传递的信息，可谓“无信号，不系统”，如果都没有信号要传递，那么现代的各种通信系统也就失去它的意义了。
那么什么是信号？什么是系统？很简单，通信系统承载的信息流就是信号。“鸿雁传书”，鸽子腿上绑着的情书就是信号，这识路的鸽子就是这对情侣的通信系统：“烽火连三月”，烽火台上燃起的狼烟所代表的入侵信息就是信号，这一站接一站的烽火台就是古代特殊的战争通信系统。所谓的信号与系统既不神秘也不新鲜，莫尔斯发明电报、贝尔发明电话之前，通信系统（八百里加急）乃至无线通信系统（烽火狼烟）照样存在。现代通信系统如此迅速地发展应当归功于电磁波的传播速度，光速传播的魅力让其他通信系统相形见绌，也最大限度地满足了人们对于沟通实时性的要求。
下面就回到本节的正题——电磁信号。电磁信号是一个时间的函数，这很好理解，不同的时间里它都有不同的值。同时，电磁信号还可以表示为频率的函数。也就是说，一个信号是由不同的频率成分组成的，这个观点并不好理解，因为我们的日常生活中通常都是以时间的观点来解读信号的。古有沙漏、日晷，今有手机、手表，无论是二十四节气表还是列车时刻表，都说明了人们已经习惯用时间来衡量与标记这个世界。如果谁想用频率来作为刻度，那简直就和用二进制来做加法一样显得有点奇怪。
然而，从频域的观点来理解信号对于一个从事通信技术工作的人来说又是如此重要，以至于缺乏这种意识就寸步难行。从奈奎斯特采样定理到香农理论，从GSM到WCDMA，通信的每一寸土地每一个角落都渗透着频率的思想，它如氧气一般，无处不在，且不可或缺！
其实我们的日常生活中对于频率也不是完全没有直观的认识。相信大家都看过男女声合唱，一个高八度一个低八度，在这里，这个所谓的高八度与低八度指的就是声带的振动频率。1.3.2 信号的时域概念
现在我们就以时域的观点和频域的观点来对信号做一番介绍，这或许要用到一点数学知识，还好这并不困难。
从时间函数的观念来看，一个信号或者是模拟的或者是数字的。如果一段时间内，信号的强度变化是平滑的，没有中断或者不连续，那么这种信号就称为模拟信号（analog signal）。如果一个信号在某一段时间内信号强度保持某个常量值，然后在下一时段又变化为另一个常量值，这种信号就称为数字信号（digital signal）。模拟信号和数字信号的区别可以很容易地从图形上看出来，图1.13所示为这两种信号的例子。这里的模拟信号可能代表了一段噪声，而数字信号则代表了二进制的0和1。图1.13 模拟信号和数字信号波形
最为简单的信号当然是周期信号。何谓周期信号？周而复始不断重复的信号就叫周期信号。比如我们说“做一天和尚撞一天钟”，和尚撞钟念佛，天天如此，你也不妨把它理解为周期信号。周期信号为啥简单啊，每天一样能不简单么。凡分析事情，一般习惯从简单的入手，我们对信号进行分析，也往往从周期信号开始。
也可以从数学上来理解周期信号，当且仅当信号s（t＋T）＝s（t）时，信号s（t）才是周期信号，这里的常量T是信号周期。如果不满足这个等式，那么信号就是非周期的。
图1.14示出了两个典型的周期信号，一个为正弦波，另一个为方波。图1.14 周期信号示例
正弦波是最基本的模拟周期信号，简单正弦波可以用以下3个参数表示，即幅度（A）、频率（f）和相位（θ）。振幅（amplitude）是指一段时间内信号的最大值。频率（frequency）是指信号循环的速度（通常用Hz表示）。频率的倒数是周期（period）T，T＝1/f，它是指信号重复一周所花的时间。相位（phase）是指一个周期内信号在不同时间点上的相对位置。
一般的正弦波可如下表示：
S（t）＝Asin（2πft＋θ）
我们可以看一下振幅、频率和相位分别取不同值时的情况，如图1.15和图1.16所示。图1.15 正弦波S（t）＝Asin（2πft＋θ）幅度变化图1.16 正弦波S（t）＝Asin（2πft＋θ）相位变化1.3.3 信号的频域概念
频域的概念对于通信而言非常重要，属于非掌握不可的内容。
我们在1.3.2小节中对正弦波做了一番简单的介绍，然而通常一个电磁信号会由多种频率组成，而非单一的频率，比如说下面的信号：
这个信号的组成成分只有频率为f和频率为3f的正弦波，如图1.17所示。
这种频率成分的叠加会形成一个有意思的现象，如果我们给予每个谐波分量一个合适的系数，然后把这些谐波分量叠加起来，那么叠加的图形会越来越接近一个方波。
这个结论或许不是那么重要，但我们将它引申一下，提出一个思考题。作为周期信号的方波可以近似地用正弦信号及其谐波信号来表示，那么其他周期信号是否也具有同样的性质呢？图1.17 频率成分的叠加（T＝1/f）图1.17 频率成分的叠加（T＝1/f）（续）1.4 “贝尔话筒”的工作之二——分析信号
我们在上节对简单的正弦波做了介绍，但是这对实际工作的作用是非常有限的。因为无论是电磁信号还是声波信号，都不会是一个简单的正弦函数。上节所介绍的正弦函数的波形及一些性质，面对如图1.18所示的信号就会显得束手无策。图1.18 20ms的话音信号
图1.18所示的是20ms的话音信号。在一般的话音通信系统中，通常以20ms为单位对信号进行抽取然后编码。分析这样的信号对目前的我们来说是困难的，因为我们还没有掌握分析信号的工具，就像手里没有斧子就砍不了大树一样。图1.19 抖绳子的示例图
这个毫无规律的信号看得我们头都大了，很不爽，总得先找个有点规律的开始研究，嗯，咱还是拿周期信号开刀，这样比较简单。
对周期信号的分析研究，最早来自1748年欧拉对振动弦进行的研究工作。我们把绳子一头系在墙上，另一头拿在手里，然后用力抖绳子。那么在绳子上就会形成一个又一个的波，抖得越快的话，那么波浪就会越多，这样的生活体验相信大家都有过，如图1.19所示。1.4.1 始于欧拉，成于傅里叶
欧拉就这么一个看似简单的振动弦的运动的分析，日后竟然演化成了傅里叶变化和傅里叶分析，成了现代通信理论最重要的基石理论——信号与系统。
欧拉对振动弦的问题继续分析下去，发现所有的振荡模式都是x的正弦函数，并成谐波关系。欧拉得出的结论是：如果某一时刻振动弦的形状是其谐波的组合，那么在其后任何时刻，振动弦的形状也都是这些振荡谐波的组合。
欧拉的结论很深奥，咱们用一句通俗的话说，那就是在绳子上滚动的信号，总可以表示为图1.20所示的一堆正弦波的叠加，至于每个正弦波所占的比重也就是系数咱另说。正弦函数和余弦函数统称三角函数，在信号与系统中，往往习惯叫三角函数。
1753年，伯努利声称一根弦的实际运动都可以用振荡谐波的线性组合来表示。
1759年，拉格朗日提出了反对意见，他批评了使用三角级数来研究振动弦的主张，认为这个没多大用处。因为实际的信号往往是有中断点的，不像绳子一样从头到尾都是完整的。那么有间断点的信号就像一根断了的绳子，你还能用三角级数来分析吗？图1.20 例1.1中x（t）作为谐波关系的正弦信号的线性组合来构成的图解说明图1.20 例1.1中x（t）作为谐波关系的正弦信号的线性组合来构成的图解说明（续）
这时候轮到我们的主人公傅里叶登场了。1807年，傅里叶在进行热力学研究的时候发现，表示一个物体温度分布的时候，成谐波关系的正弦函数级数是非常有用的。这时候他提出了一个大胆的猜想：“任何”周期信号都可以用成谐波关系的正弦函数级数来表示？！
这个论述非常有意义，因为它适用范围非常广。傅里叶本人并没有给出详细的数学论证，这个命题后来是由狄里赫利给出完整的证明：在一定的条件下，周期信号可以用成谐波关系的正弦函数级数来表示。
另外，傅里叶还给出了非周期信号的表达方式：不是成谐波关系的正弦信号的加权和，而是不全成谐波关系的正弦信号的加权积分。1.4.2 周而复始的信号有啥特点——傅里叶级数
刚才我们说了在满足狄里赫利条件下，周期信号可以用成谐波关系的正弦函数来表示。我们知道，如果一个信号是周期的，那么对于一切t，存在某个正值的T，即
现在我们来考虑周期复指数信号（因为它在信号与系统中应用最广泛），即
我们很容易看出复指数信号是周期的，而且其基波频率为ω，0基波周期为T＝2π/ω。那么与它成谐波关系的信号的频率就应该是0它的k倍。可以得出式（1.2）中的复指数信号的一个成谐波关系的信号的集合，如下表示：
这些信号都有一个基波频率，它是ω的倍数。因此每一个信号0对周期T来说都是周期的。于是，由傅里叶的推论和狄里赫利的证明，可以得出一个由成谐波关系的复指数线性组合形成的信号，如下表示：
在上式中，a就是欧拉所说的加权系数，就是欧拉所说的k谐波信号。k＝0这一项就是一个常数，k＝+1和k＝-1这两项都有基波频率等于ω，两者合在一起称为基波分量或一次谐波分量。k＝+2和0k＝-2这两项也是周期的，其周期是基波分量周期的1/2，频率是基波频率的2倍，称为二次谐波分量。一般来说，k＝+N和k＝-N的分量称为第N次谐波分量。一个周期信号表示成式（1.4）的形式，称为傅里叶级数。
我们在这里举一个例子来说明傅里叶级数到底有什么用途（如图1.20所示）。
例1.1 假设有一个周期信号x（t），其基波频率为2π，只要其满足狄里赫利条件，我们就可以把这个周期信号写成式（1.4）的形式，则为：
其中a＝1，a＝a＝1/2，a＝a＝1/3，a＝a＝1/4。01-12-23-3
我们将式（1.5）中具有同一基波频率的谐波分量合在一起以便
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]