1.1 通信的基本概念
什么是通信？通信就是信息传输或消息传输。从古到今，人类的社会活动总离不开消息的传递和交换，古代的消息树、烽火台和驿马传令，以及现代社会的文字、书信、电报、电话、广播、电视、遥控、遥测等，这些都是消息传递的方式或信息交流的手段。人们可以用语言、文字、数据或图像等不同的形式来表达信息。但是这些语言、文字、数据或图像本身不是信息而是消息，信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。因此，通信的根本目的在于传输含有信息的消息，否则，就失去了通信的意义。基于这种认识，“通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。
实现通信的方式很多，随着社会的需求、生产力的发展和科学技术的进步，目前的通信越来越依赖利用“电”来传递消息的电通信方式。由于电通信迅速、准确、可靠且不受时间、地点、距离的限制，因而近百年来得到了迅速的发展和广泛的应用。当今，在自然科学领域涉及“通信”这一术语时，一般均是指“电通信”。广义来讲，光通信也属于电通信，因为光也是一种电磁波。本书中的通信均指电通信。
1.1.1 通信的发展
一般认为，电通信是从1837年摩尔斯发明了有线电报开始的，同时标志着数字通信系统的诞生。摩尔斯电报是一种变长的二进制代码。每个英文字母由一组滴答序列（码字）构成，其中常用字母用短码字表示，非常用字母用长码字表示。因此，摩尔斯码是最早的变长信源编码方法。这种编码方法具有平均每个二进制代码的信息量最大的优点。
1864年，麦克斯韦提出了电磁场理论，证明了电磁波的存在，并于1887年被赫兹用实验证实，为无线通信打开了大门。
1866年，跨接欧美的海底电报电缆敷设成功。
1876年，贝尔发明了有线电话，开辟了人类通信新纪元，使得通信逐渐进入千家万户。
1897年，马可尼实现了横贯大西洋的无线电通信，第一次用无线电实现与横跨英吉利海峡的船舶之间的联络，证明了运动中的无线通信的可能性。
1924年，奈奎斯特对带限电报信道上无码间串扰的最大可用信号速率问题进行了研究。奈奎斯特要在给定W（Hz）带宽内设计最佳脉冲形状，要求此脉冲在取样时刻k/T（k=0，±1，±2，…）无码间串扰，且比特速率达到最大。他的设计结果是：最佳脉冲形状为（sin2πWt）/2πWt，此脉冲在取样时刻是无码间串扰的；最大脉冲速率是（1/T）max=2W（单位：脉冲/s）。现在将此速率称为奈奎斯特速率。奈奎斯特的研究结果给出了在给定信道带宽的条件下，可靠（无码间串扰）传输信号码元的最大传输速率（有效性）。给出了可靠性与有效性之间的联系。
1928年，Hartley在奈奎斯特研究结果的基础上，研究了多电平传输问题。Hartley的研究结论告诉人们：在可靠传输条件下，可以不断提高传输的有效性直至达到有效性的极点——最大数据速率。他为人们提高通信的有效性提供了奋斗目标。
1936年，英国广播公司开始进行商用电视广播。
1939年和1942年，在通信发展史上，另一重大发展的标志是Kolmogorov（1939）和Wiener（1942）的工作。他们研究讨论的问题是：在信道中存在加性噪声n（t）的情况下，如何根据观察到的接收信号r（t）=s（t）+n（t）估计所发送的信号s（t）。Kolmogorov和Wiener引用了数理统计理论中的最小均方误差准则，设计出了一种滤波器，从r（t）=s（t）+n（t）中获得了所需信号s（t）的近似波形。所得到的滤波器称为最佳线性（Kolmogorov-Wiener）滤波器。
1946年，美国发明了第一台电子计算机。
1948年，香农（Shannon）提出了著名的香农定理，开创了信息论与统计通信理论，为通信技术的飞速发展奠定了坚实的理论基础和明确的奋斗目标。他证明了：发射功率、带宽、（加性）噪声将限制信息的传输速率，这种限制可与信道联系起来并且可以用单一的参数信道容量来表示。例如，在存在加性高斯白噪声的条件下，一个带宽为W的带限信道的信道容量（bit/s）为
其中，P是在发射信号功率给定条件下信道输出端最大的信号平均功率；N0是加性高斯白噪声的单边功率谱密度。信道容量C的含义是：如果信源的信息速率R不大于C，那么在理论上存在一种方法可使信源的输出能够以任意小的差错概率通过信道传输到接收端。另一方面，如果R>C，那么，无论在收发设备中采用何种处理方法，都无法实现可靠的传输。关于信道容量的详细说明可参阅第3章。
1950年，汉明将近世代数引入信道编码领域，在差错检测和差错控制编码方面有重大突破。汉明的工作激励了人们，此后的许多年中信道编码有了极大的发展。表1-1给出了一些研究成果，其中有些已超出本课程讨论的范围，但是它仍然告诉我们，只有不断引入新的理论，通信理论和通信系统的性能才有可能有质的飞跃。
1960年，第一个卫星发射并于1962年开启了实用卫星通信的时代。
1983年，第一代蜂窝状移动通信网首先在美国投入使用，多址接入方式为FDMA，以模拟通信为特征。我国在1987年开始使用模拟式蜂窝电话通信，1987年11月，第一个移动电话局在广州开通。
表1-1 信道编码发展大事记
1983年，美国国防部将阿帕网（ARPANET）分为军网和民网，后者逐渐发展为今天的互联网。
1990年代，第二代蜂窝移动通信系统在全世界得以广泛应用，多址接入方式为TDMA，以数字通信为特征，可实现话音和数据通信。
2000年代，第三代蜂窝移动通信系统在全世界得以广泛应用，多址接入方式为CDMA，可实现移动终端上网。
2010年代，第四代蜂窝移动通信系统在全世界得以广泛应用，多址接入方式为CDMA，移动终端上网速度大大提升，可实现高质量视频图像的传输。
2020年，第五代蜂窝移动通信开始在全球部署，以大带宽、超低时延高可靠、超大规模连接为主要特征，中国及全世界已踏入5G移动通信和人工智能时代。
1.1.2 消息、信息与信号
消息（message）：消息是信息的载体，是通信系统传输的对象。例如语言、文字、数据或图像等。消息可分为两类：离散消息（消息是可数的或有限的，如文字、符号、数据等）和连续消息（消息的状态连续变化或不可数，如语音、图像等）。
信息（information）：信息是消息的内涵或有效内容，即消息中所包含的受信者原来不知而待知的内容。信息与消息的关系可以理解为：消息是信息的物理表现形式，而信息是消息中所包含的有效内容，消息中有可能包含信息也有可能不包含信息。通信的根本目的在于传输含有信息的消息。基于这种认识，“通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。
信号（signal）：信号是消息的传输载体。在电通信系统中传输的是电信号，即消息的传递是通过它的物质载体——电信号来实现的，通常的做法是把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。与消息相对应，可将信号分为两大类：模拟信号和数字信号。
模拟信号（analog signal）：代表信息或消息的参量取值连续或无穷多个值，且直接与连续消息相对应。例如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。模拟信号有时也称连续信号（见图1-1a），这里连续的含义是指代表信息的参量连续变化，在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如图1-1b中所示的抽样信号（PAM信号）。
数字信号（digital signal）：代表信息或消息的参量只能取有限个值，例如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。最典型的数字信号是只有两种取值的信号，如图1-2a所示的二进制双极性信号信号。数字信号在时间上不一定是离散的，如图1-2b所示的二进制相位调制信号（2PSK信号）。
图1-1 模拟信号波形
a）连续信号 b）抽样信号（PAM信号）
图1-2 数字信号波形
a）二进制双极性信号 b）2PSK信号
综上所述，通信就是信息（或消息）的传输和交换。实现通信的方式很多，利用“电信号”来传递消息的方式称为“电通信”，本书中简称通信。
二维码1-1