前言

“通信”的英文“communicate”有表达、交流、交际、传递之意，顾名思义，通信是人类走向社会化过程中信息交流的桥梁和中介。通信所要完成的功能是传递社会成员相互之间的思想和情感，即通常意义下的信息。从这个角度讲，通信系统如同一条道路，而在路上移动的是信息。道路越平坦、阻力越小，相当于传输信道上的噪声、干扰、衰减、损耗也越小，信息传输的出错概率就越小，质量会越高。因此，通信技术所要解决的问题本质上可看作信息传输的质量问题和容量问题。

忆昔抚今，我们不难发现，一部通信技术的发展史在某种意义上就是人类文明的进步史。通信技术由简单到成熟的发展过程，伴随着人类从原始走向文明的演绎过程。

据考古推断，早在几百万年前，地球上就出现了南方古猿。南方古猿表达思想、情感的方式与现在的动物没有太大区别，即只能以简单的频率和幅度变化的叫声或一些肢体动作来传递信息，这些信息是不能被记录和保存的。这种通信方式下，信息被传输后就消失了，而且能表达和传递的信息量很少，知识很难积累，因此人类进步非常缓慢。经过几百万年的漫长进化后，在距今几十万年前人类开始“说话”，经过长久的积累后逐渐开始使用语言，从而能够更好、更多地传递情感、交流思想、传授知识，促进了人类对知识的继承和传播。但语言只能口口相传，在部落内和相近年代传播信息，知识积累依然很慢，其结果是人类进步依然迟缓。由于语言通信无法记录、存留，人们至今无法得知几万年前人类是如何生存、劳作的，只能通过考古遗迹进行一些推断。公元前3500年左右，古埃及人开始使用象形文字，这使知识可以异地传播并长时间保存。我国曾用竹简、棉帛记载信息，成本很高，知识的普及依然受到制约。直到公元105年我国的东汉时代，蔡伦改进了被称为四大发明之一的造纸术，才使知识可以用纸张记录下来。用低成本、易携带的轻便纸张记录事件，使信息可以跨地域传播，促进了世界范围内不同国家、不同民族之间的知识共享和传承，使人类可以学习、继承、发扬前人思想，能够做到“秀才不出门，全知天下事”。以纸上文字传播进行通信，比用语言效率更高，信息的承载量大大增加，从而使人类文明进程开始加速。

向近代通信转变的关键，始于1831年法拉第制造出世界上第一台电磁感应发电机，以电为基础诞生了电报、电话、电话交换机、有线长途通信、无线长途通信。其中一个重要的里程碑式进步在于1844年有线电报的发明，它解决了信息的实时远程传输问题，但普通人不能直接读懂电报内容，需要由译码员将其翻译成人们可以理解的文字。而1875年电话的发明实现了实时直接语音远距离传输。随着1895年无线电报的诞生，人类实现了越洋通信和移动情况下的通信。在此基础上诞生的传真、广播、电视，又带来了新闻媒体的革命，新闻的快速传播不仅提供休闲、娱乐，也使人们能够即时了解世界动态，从而进一步推动了社会文明传播的进程。

近代通信向现代通信转变的重要标志是1946年名为ENIAC的第一台计算机的出现和1969年名为ARPA的第一个计算机网络的诞生，在此基础上发展出了今天的互联网、云计算、大数据、量子计算、区块链、人工智能，提升了人类获取、加工、存储信息的能力，以应对信息的爆发式增长，全面进入信息时代。

与此同时，雷达、卫星通信的出现更是延伸了人类的感知能力，促使了射电天文学的诞生，将人类的感知范围拓展到了广袤的宇宙，使人类进入探索宇宙通信的时代；伴随着深海通信技术的发展，人类的触觉延伸到了深不可测的海洋；物联网的出现，将地球上所有的物体同人类联系在一起，实现人与物的通信，使人类进入超感知的时代；人工智能技术的出现，使大量工作由智能机器完成，人类工作效率大大提高，能有更多的时间享受生活和解决更加复杂的科学问题。

通信技术正以前所未有的势头对人类生产和生活方式产生颠覆性的影响。4G改变生活、5G改变社会，通信改变世界确有一定的道理。4G使人们快速连通，5G+AI、5G+物联网、5G+医疗、5G+影视、5G+教育、5G+交通、5G+农业、5G+工业、5G+金融等，前景无限。通信改变人类社会、通信颠覆世界面貌、通信铸造未来梦想。难以想象的通信应用场景即将拉开大幕之际，许多人在问，通信是什么？通信能做什么？为什么是这样？

对此，本书将从收发信号的通信终端、交换信号的通信节点、传输信号的有线电和无线电信道，对通信领域的基本问题进行讨论，并在此基础上对基于终端、节点、信道三要素组织起来的各种通信网络进行介绍。本书共6章，其中，第1章为“回溯冷兵器时代的通信”，介绍了原始的声波通信、图像文字通信和远程中继接力通信，这些原始通信体现了人类的早期智慧；第2章为“有线电信道的前世今生”，介绍了电、电报和电话的发现或发明过程，以及常用有线电传输信道的工作原理，主要讨论的是有线电通信技术；第3章为“无线电通信的来龙去脉”，介绍了无线电波的发现、集成电路的诞生、广播电视的兴起、微波和雷达通信的问世、水下通信和地下通信的基本原理，主要讨论的是无线电通信技术；第4章为“万人通话共信道的奥妙”，介绍了奠定通信基础的定理及实现信道共享的频分复用、时分复用、空分复用和码分复用方式的内在本质，主要讨论的是为提高信道传输效率所采用的技术；第5章为“无处不在的通信网”，介绍了电话网、分组数据网、骨干网中数据的交换转接过程和网络的组织方式，主要讨论的现代通信网络技术；第6章为“憧憬奥妙无垠的未来通信”，介绍了5G/6G、区块链、量子通信、人工智能、物联网、智联网等最新的和未来可能出现的通信技术，主要讨论的是通信前沿技术。

由于书中涉猎通信领域众多技术，知识范围较广，许多概念相互交织，相关名词出现的先后次序不同，可能有些后面才讲的概念在前面章节中出现，这些内容可以先行跳过等读完全书后再去理解。

作为一本科普读物，书中穿插了大量技术的发明、发现、研究背景，讴歌那些为通信事业做出杰出贡献的先驱们的感人事迹，没有他们的付出就没有今天的便捷通信。让我们向他们致敬，同时学习他们孜孜探索的开拓精神。从这个意义上讲，本书很适合培养学生的科学热情，引导学生的创新思维，激励他们发扬穷究科学奥妙与真谛的奋发精神。

最后，感谢机械工业出版社的编辑们为本书出版所做的辛勤付出。感谢对本书给予大力支持的其他老师和同学。由于编者水平有限，不妥之处在所难免，望各位读者不吝指正。

陈金鹰 于成都