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(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,贝尔原来是一个语音专业的教授,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,由此激发了他用电磁波传递信号的梦想。

图1.1 贝尔

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。

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。

图1.2 1876年贝尔发明的电话机的核心部分

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。

图1.3 贝尔的第一架电话

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1.4 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1.11 数字信号的消噪处理

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

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