数字通信—数字通信原理

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1841年4月4日凌晨12:30，美国总统威廉·亨利·哈里森死于肺炎。

北卡罗来纳报纸于4月14日发表了这则消息。

但他的死亡讯息，直到7月23日才被洛杉矶的人们所知，也就是事件发生后110天。

小马的熵

在信息论中，熵表示的是不确定性的量度。信息论的创始人香农在其著作《通信的数学理论》中提出了建立在概率统计模型上的信息度量。他把信息定义为“用来消除不确定性的东西”。

在信息世界，熵越高，则能传输越多的信息，熵越低，则意味着传输的信息越少。

图1 小马的驿站系统

小马快车是由马匹、骑手和救援站组成的系统，从内布拉斯加州西端延伸到加州的萨克拉门托。

该系统允许信息在短短十天内传遍全国。

图2 中国古代早有的驿站

它需要157个“驿站”，以及体重不能超过125磅的骑手，以允许小马尽快携带它们。

如果平均每位骑手携带一封信，每封信大约100字，相当于640千字节的信息。在十天的时间里，这相当于大约每秒6比特的数据传输速率。

因为小马快车系统，亚伯拉罕·林肯在1860年发表就职演说的消息，在短短七天内完成了传递。

但小马快车在电报系统出现前十六个月就完成建立，在电报开通两天后就中断了。

五针电报

威廉库克和惠斯通建立了一个系统，使用模拟信号和指针。

图3 五针电报

这是历史上第一款具备一定实用价值的电报机。

它的工作原理是通过闭合由电池与双向开关构成的回路，利用线圈的电磁效应来控制磁针的偏转方向。

五针电报机，意思就是有五根磁针，这五根针排列在一个菱形刻度盘的中心线上。

刻度盘上画有字母。

图4 展览馆中的五针电报

发报者可以控制其中任意两根磁针的偏转，通过排列组合来指向特定字母。

这是一个相当巧妙的设想，可惜的是由于几何学上的限制，这个机器只能传送20个字母，J、C、Q、U、X、Z是没法表示的。

电报

五针电报可以使用，但终究被淘汰。取而代之的是连接世界的是莫尔斯电报。

图5 正在使用莫尔斯密码发报的女人

莫尔斯电报允许操作员按下一个键，通过电报线发送信号。

长按被解释为“破折号”，短按解释为“点”。

在早期的二进制编码形式中，这些点和破折号被翻译成字母表。

该系统简单、快速。

仅仅需要熟练的操作人员，需要最低的基础设施投资。

图6 不同的字母与数字对应的点与线

1844年，塞缪尔·莫尔斯发送了第一个远距离电报：从华盛顿特区的最高法院分庭发送到巴尔的摩的一个火车站。电报的内容是“上帝做了什么！”。

早期的电报是用继电器(relay)来完成的。

继电器是法拉第发明的。

继电器就是把一支笔缠上很多圈铜线。当给铜线两端通电时，铅笔两端就会产生磁吸现象，当断电，铅笔两端磁吸立即消失。

所以，早期的继电器具有开关效应。

图7 莫尔斯

摩尔斯开始铺设电报系统，在继电器的开关处连接一支钢笔。

在发报端开关时，另一端继电器通电，钢笔落到纸上写点(dot)或写划(dash)。

纸是移动的，发报端短促的按开关，接收端写点(dot)；

发报端慢按开关，接收端写划(dash)。

这样用了不久，人们感觉不是很方便。

后来摩尔斯进行了改进。

把钢笔去掉，在继电器一端接一个发声器。

这样，发报端，急促按两下开关，接收端发声器就发出快速的“嘀嗒”声，代表点(dot)；

发报端，慢一点按开关，接收端发声器就发出慢一点的“嘀-嗒”声，代表划(dash)。

这就是最早的电报。

发送电报，就要铺设电缆。如果实现远距离的发送，必然要面临跨越海洋。

第一次尝试制造能在水下运行的电缆，使用的是沥青和绳子。不幸的是，这些电缆既脆又不防水。

在1842年，一位苏格兰外科医生从印度进口了一种用于医疗设备的汁液。这种汁液被称为牙胶，现在被称为乳胶。

这种柔软、防水的材料成为第一根成功海底电缆的关键部件。

当与外层钢丝结合，以赋予电缆强度，这种绝缘电缆成为第一种跨越大西洋的电缆。

图8 早期海底电缆的横截面。外金属线是用来增强强度的。里面的黑色材料是牙胶绝缘材料。实际的信号是

虽然发现了橡胶，但阻抗匹配的原则并没有被发现，导致第一条电缆产生非常可怕的回声和干扰，第一条信息的传送花费了至少17个小时。

图9 现代的海底光缆

2016年，跨大西洋光缆每秒可传输40千兆比特。因此，在过去的一百五十年里，我们传递信息的能力大约提高了0倍。

baudot码

电报虽然很好，但它需要训练有素的操作员，他们的速度受到人类感知的限制。

即使对莫尔斯密码很熟悉，也很少能超过40个字/每分钟(记录是75.2)。

另外，电报只能在任何给定的电线上一次发送一条信息。

解决方案是某种数字代码，您可以将字母映射到较少的比特，然后可以更快地通过电线发送。

第一个流行代码是由埃米尔·波多特在1870年发布的。

它将字母映射到五位，这些字母是用一个特殊的五个按钮键盘键入的：

图10 baudot键盘码

控制器单元将每秒几次从键盘读取当前按下的字符。

直到今天，一条线路上的信号速度被称为波多的“波特”。

Baudot的一个变体叫做ita 2(国际电报字母表)，几乎所有电报和电传打字机都使用它，直到1963年ascii码发明。

即使如此，ascii仍然缺乏对许多国际和特殊字符的支持，这意味着在电传打字机的整个生命周期中，特殊用途字符集仍在使用。

图11 国际电报字母表

Baudot代码的固定时间采集键入的字符，意味着可以在同一条电报线路上“存在”许多打字员和打印机，这是一个巨大的技术进步。

物理控制器单元依次旋转、检查和发送每个键盘上的当前字符。另一方面，类似旋转的控制器会将每个字符发送到适当的打印机。

图12 旋转的控制器

可以传输数据的电话

大家会对调制解调器非常熟悉。

调制解调器是一种计算机硬件，它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的模拟信号 ，而这些模拟信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收，并译成计算机可懂的语言。这一简单过程完成了两台计算机间的通信。

一般人的语音频率范围是300-3400Hz，为了进行话音信号在普通的电话系统中传输，在线路上给它分配一定的带宽，国际标准取4KHz为一个标准话路所占用的频带宽度。

在这个传输过程中:语音信号以300-3400Hz频率输入，发送方的电话机把这个语音信号转变成模拟信号，这个模拟信号经过一个频分多路复用器进行变化，使得线路上可以同时传输多路模拟信号，当到达接收端以后再经过一个解频的过程把它恢复到原来的频率范围的模拟信号，再由接收方电话机把模拟信号转换成声音信号。

图13 modem可以转换数字与模拟信号

计算机内的信息是由"0"和"1"组成数字信号，而在电话线上传递的却只能是模拟电信号。

不采取任何措施利用模拟信道来传输数字信号必然会出现很大差错(失真)，故在普通电话网上传输数据，就必须将数字信号变换到电话网原来设计时所要求的音频频谱内(即300Hz-3400Hz)。

调制解调器就是起到这个作用！

图14 调制解调器的出现

电话调制解调器的速度最终达到每秒56 kbit。

以太网

图15 以太网结构

施乐是个神奇的地方(美国施乐公司)。

其中的科学家发明了我们今天使用的大量网络技术，包括你正在阅读的图形用户界面，以及这个页面上javascript用来渲染它的模型-视图-控制器架构。

计算机网络有点简单，当你只想把两个设备连接在一起，来自一个设备的信号会到达另一个设备。

当你想把十几台，或者一百到一百万台计算机连接到千里之外的时候，它就变得更加复杂了。

现有的解决方案包括令牌环系统，每台计算机都会轮流持有“令牌”

当它持有令牌时，它可以通信。

简单点理解就是，大家要想发信息就必须取得一个叫令牌的东西，令牌总线把总线形或树形网络中的各个工作站按一定顺序（如按接口地址大小）排列形成一个逻辑环，只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。

图16 令牌环网

这个系统是有问题的，因为只有当每个节点都等概率的需要发送数据时，它才是非常有效率的；

而且，如果计算机链中的一个环节被破坏，整个系统就会崩溃。

然而，梅特卡夫在上大学的时候发现有机会建立一个系统，让每台电脑都能连接到一辆普通的“公共汽车”。

他称其为“以太网”。就是指总线型网络，它的名字是从光学上得来的（科学家幻想出一中叫以太的物质）网络中大家共用，一条信息通道，大家要传输数据就要等，只有网络空闲时才可以发送信息。

图17 以太网

在实际情况下，以太网实现了近98％的吞吐量，远远高于令牌环可以实现的。

随着计算硬件变得越来越便宜，以太网的碰撞检测实际上变得越来越不重要。在大多数现代网络中，每台计算机都有自己的“交换机”连接。交换机对每个数据包需要放在哪里进行智能决策，以使网络不发生冲突。

总结

驿站、电报的通信发式，启发了后续的发明创造。

例如今天的条形码和二维码都是摩尔斯编码发展而来，思想原理是一样的，只是做法不同；

驿站有如现在4G5G通信中的基站节点一样，今天的蜂窝通信与互联网就是电报能力的扩展；

为了提升电报的发送效率，当时提出的各种编码，启发了后人，发明了各类存储信息的内存、硬盘、磁盘、光盘等，进行二进制编码存储。

开关电路，启发计算机中央处理器的发明。