通信历史和原理科普：电话和手机是如何打通的？

引子

语言是意识与世界的连接，语言的产生是人类诞生的最重要标志。语言促进了沟通，沟通塑造了人类社会。沟通涉及到语言本身，也涉及到沟通的载体。

在电话和电报发明之前，沟通有三个层次：

• 近距离即时通信（面对面）

• 远距离即时通信（烽火）

• 远距离非即时通信（驿马、鸽子、船只）

今天，沟通有五个层次：

• 面对面

• 电话

• 短信息（短信和即时消息）

• 长信息（邮件）

• 社媒

除了第一个层次之外，都属于或依赖通信产业。通信产业是第四产业的脊骨，是现代生活与古代生活的分水岭。车、马、邮件都慢的日子一去不回头。

本文围绕电话和手机是如何打通的这个话题，科普一下通信的历史和原理，也借以纪念一下这个风光已逝的行业。（全文15,000字，阅读最快30分钟。）

我们从电报和电话的发明谈起。

电报

人类的科学史中，充斥着各种偶然，似乎也包含着某种必然。今天我们视为理所当然的各种物品中，包含着前人的聪明才智和不断探索。品味科技史，也是一件很好玩的事。

18世纪，欧洲的科学家开始研究电的各种特质。1753年，一名英国人便提出使用静电来拍发电报。他的设想是使用26条电线分别代表26个英文字母。发电报的一方按文本顺序在电线上加以静电。接收的一方在各电线接上小纸条。当纸条因静电而升起时，便能把文本誊录。

首条真正投入使用营运的电报线路于1839年在英国最先出现。它是大西方铁路（Great Western Railway）装设在两个车站之间作通讯之用。这条线路长13英里，属指针式设计，由查尔斯·惠斯通（Charles Wheastone）及威廉·库克（William Cooke）发明。

电报机的发报机把制成凹凸不平的字母板排列起来拼成文章，然后让字母板慢慢活动，触动开关断断续续发出信号；收报机把不连续的电流通过电磁铁，牵动摆尖左右摆动的前端与铅笔连接，在移动的纸带上划出波状的线条，经译码之后便还原成电文。

图1：最早的电报机

在美国，萨缪尔·摩尔斯在接近同一时间同时发明了电报。摩尔斯还发展出一套将字母及数字编码以便拍发的方法，称为摩尔斯电码。

莫尔斯电报机分为莫尔斯人工电报机和莫尔斯自动电报机（简称莫尔斯快机）。莫尔斯人工电报机是一种最简单的电报机，由三个部分组成：电键、印码机构和纸条盘。发报主要利用电键拍发电报信号，按键的时间短就代表点，按键的时间长（点的三倍长）就代表“划”，手抬起来不按电键就代表间隔。收报则通过听声音的长短的办法来区分“点”、“划”，既可进行人工抄收，也可用纸条记录器把不同长短的符号记录下来，后者比人工抄收更为可靠，可作为书面根据，便于查对。

图2：莫尔斯电报机

在莫尔斯电码中，不同的长短组合代表不同的字母。把字母变成长短组合的过程，成为编码。把长短组合变成字母的过程，成为译码。

图3：莫尔斯电码

整体来看，电报中包含了四个过程：编码，发送，接收，译码。这是一个最基本的电通信系统。

电话

电报的发明，把人们想要传递的信息以每秒30万公里的速度传向远方。这是人类信息史上划时代的创举。但久而久之，人们又有点不满足了。因为发一份电报，需要先拟好电报稿，然后再译成电码，交报务员发送出去；对方报务员收到报文后，得先把电码译成文字，然后投送给收报人。这不仅手续繁多，而且不能及时地进行双向信息交流；要得到对方的回电，还需要等较长的时间。人们对电报的不满，促使科学家们开始新的探索。

19世纪30年代之后，人们开始探索用电磁现象来传送音乐和话音的方法，其中最有成就的要算是贝尔和格雷了（鉴于篇幅和主题，专利之争不在此谈及）。

亚历山大·格雷厄姆·贝尔，1847年生于英国苏格兰，他的祖父毕生都从事聋哑人的教育事业，由于家庭的影响，他从小就对声学和语言学有浓厚的兴趣。开始，他的兴趣是在研究电报上。有一次，当他在做电报实验时，偶然发现了一块铁片在磁铁前振动会发出微弱声音的现象，而且他还发现这种声音能通过导线传向远方。这给贝尔以很大的启发。他想，如果对着铁片讲话，不也可以引起铁片的振动吗?这就是贝尔关于电话的最初构想。

贝尔开始了实验，一次不小心把瓶内的硫酸溅到了自己的腿上，他疼痛得喊叫起来：“沃森先生，快来帮我啊！”

想不到，这一句极普通的话，竟成了人类通过电话传送的第一句话音。正在另一个房间工作的贝尔先生的助手沃森，是第一个从电话里听到电话声音的人。贝尔在得知自己试验的电话已经能够传送声音时，热泪盈眶。当天晚上，他写给母亲的信中预言：“朋友们各自留在家里，不用出门也能互相交谈的日子就要到来了！”

图4：贝尔发明电话

电话通信是通过声能与电能相互转换、并利用“电”这个媒介来传输语言的一种通信技术。两个用户要进行通信，最简单的形式就是将两部电话机用一对线路连接起来。

• 当发话者拿起电话机对着送话器讲话时，声带的振动激励空气振动，形成声波。

• 声波作用于送话器上，使之产生电流，称为话音电流。

• 话音电流沿着线路传送到对方电话机的受话器内。

• 而受话器作用与送话器刚好相反--把电流转化为声波，通过空气传至人的耳朵中。

这样，就完成了最简单的通话过程。

简言之，打电话的过程是：声电转换，发送，接收，电声转换。

以上电报和电话的基本过程是现代通信的最简缩影。

人工交换机

电信号交换的历史应当追溯到电话出现的初期。当电话被发明后，只需要一根足够长的导线，加上末端的两台电话，就可以使相距很远的两个人进行语音交谈。

电话增多后，要使每个拥有电话的人都能相互通信，我们不可能每两台电话机之间都拉上一根线。于是人们设立了电话局，每个电话用户都接一根线到电话局的一个大电路板上。当A希望和B通话时，就请求电话局的接线员接通B的电话。接线员用一根导线，一头插在A接到电路板上的孔，另一头插到B的孔，这就是“接续”，相当于临时给A和B拉了一条电话线，这时双方就可以通话了。当通话完毕后，接线员将电线拆下，这就是“拆线”。整个过程就是“人工交换”，它实际上就是一个“合上开关”和“断开开关”的过程。

图5：人工交换机

步进制交换机

步进制电话交换机是由选择器和继电器组成的一种自动电话交换机。它以机械动作代替人工电话交换机话务员的接线动作。当用户拨号时，交换机内相应的选择器就随着拨号时发出的脉冲电流一步一步地改变接续位置，将主叫和被叫用户间的电话线路自动接通。

1889年美国人A.B.史端乔发明步进制电话交换机。1892年第一个史端乔步进制电话局投入使用。

步进制电话交换机利用选择器完成通话接续过程。选择器有旋转型选择器和上升旋转型选择器两种。最简单的上升旋转型选择器有一个轴，轴的周围有10层弧线，每层弧线含有10个接点。轴上装有弧刷，能在各层弧线间上下移动，同时也能沿弧线水平旋转，与各接点相连接。例如，当主叫电话用户拨叫25号时,弧刷即上升两步到第二层弧线上,再旋转5步,停在25号接点的位置，使主叫用户同25号用户（被叫用户）的电话接通。

为了在步进制交换机中完成用户间的接续通话，根据需要一般将多个选择器组成若干级，以分担选择出线和选择用户号码的任务。如果用户数在100号以内,只需两位拨号。装设一个 100线的上升旋转型选择器（选择器用在这种位置时叫做终接器）,就可以使100号中某一用户呼叫其他用户。但是每个用户必须有一个专用的终接器。为了节省终接器并提高它的利用率，可设置少量终接器供所有用户公用，并在每个用户电话机与终接器之间加装一个只旋转而不上升的选择器,叫做预选器。当用户摘机呼叫时,预选器自动旋转寻找空闲的终接器，然后即可按用户所拨号码使终接器选接到被叫用户。当用户数大于 100但不超过1000时，须用三位拨号,可将每100号用户作为一组增加一级选择器，叫做选组器。呼叫时，选组器先选被叫用户所在的组，然后再经终接器从该组中选接被叫用户。依同理,用户数大于1000但不超过10000时，则须采用四位制,仍按分组办法，由第一级选组器选千位号，第二级选组器选百位号，终接器选被叫用户的十位和个位号码。显然，每增一位拨号，局内就相应增加一级选择器。

图6：步进制交换机

纵横制交换机

纵横制电话交换机由纵横接线器等组成接续网路，用电磁元件组成控制设备的自动电话交换机。

1913年美国首先提出纵横制原理。1923年瑞典首先制成可供实用的纵横接线器。

纵横接线器由纵线（入线）和横线(出线)组成。平时，纵线同横线互相隔离，但在每个交叉点处有一组接点。根据需要使一组接点闭合，就能使某一纵线与某一横线接通。10条纵线和10条横线有100个交叉点，控制这100个交叉点处的接点组的闭合，最多能接通10个各自独立的通路。在实际的10×10接线器中，这100个接点是由5条横棒和10条纵棒控制的。每个横棒需要两个电磁铁驱动，每个纵棒由一个电磁铁驱动。实际的纵横接线器的纵线和横线不限于10×10。加一条两位置的转换横棒，即可扩大为20条横线，成为10×20接线器。加一条三位置转换横棒，即可扩大为30条横线，构成10×30接线器。

图7：纵横制交换机

电话机的拨号方式

电话机有两种拨号方式：脉冲拨号和双音多频。

在脉冲拨号方式中，当我们拨数字1时，发出一个脉冲，拨数字2时，发出两个脉冲，其他以此类推。拨数字0时，发出10个脉冲。

脉冲拨号方式对脉冲的宽度、大小、间距、形状都有着严格的要求，如果由于线路的干扰或其他原因而使得这些参数发生了变化，则可能引起号码接收的错误。另一方面，由于每个脉冲都占有一定的时间（一般每个脉冲占用的时间为100ms），而使得这种拨号方式比较慢。当拨号时，用户通常会听到一串拨号音，老式的转盘电话就使用脉冲拨号。

图8：脉冲拨号电话机

双音多频的拨号键盘是4×4的矩阵，每一行代表一个低频，每一列代表一个高频。每按一个键就发送一个高频和低频的正弦信号组合，比如'1'相当于697和1209赫兹(Hz)。

图9：双音多频

程控交换机

程控交换机既可以支持脉冲拨号的电话机，也可以支持双音多频，但今天脉冲拨号的电话机已不多见。

程控交换机，全称为存储程序控制交换机，也称为程控数字交换机或数字程控交换机。程控交换机是利用现代计算机技术，完成控制、接续等工作的电话交换机。

1970年，法国开通了世界上第一部程控数字交换机，采用时分复用技术和大规模集成电路。

数字程控交换机的基本功能主要为：用户线接入，中继接续，计费，设备管理等。

本地交换机自动检测用户的摘机动作，给用户的电话机回送拨号音，接收话机产生的脉冲信号或双音多频（DTMF)信号，然後完成从主叫到被叫号码的接续（被叫号码可能在同一个交换机也可能在不同的交换机）。在接续完成後，交换机将保持连接，直到检测出通信的一方挂机。

图10：程控交换机

以下介绍程控交换机中的一些基本原理。

模拟信号与数字信号

信号数据可用于表示任何信息，如符号、文字、语音、图像等，从表现形式上可归结为两类：模拟信号和数字信号。

模拟信号与数字信号的区别可根据幅度取值是否离散来确定。模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。时间上连续的模拟信号包括连续变化的图像（电视、传真）信号等。时间上离散的模拟信号是一种抽样信号，它是对模拟信号每隔时间T抽样一次所得到的信号，虽然其波形在时间上是不连续的，但其幅度取值是连续的，所以仍是模拟信号。数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。

我们人类发出的声音就是模拟信号，为了把这个声音更好地传递给任何地方的另一人，需要把模拟信号变成数字信号，以方便程控交换机处理。

图11：模拟信号和数字信号

采样

采样是把模拟信号变成数字信号的过程。

图12：采样

调制与解调

调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。

原始信号不管是模拟信号还是数字信号，随着信号传输距离增大，信号波形会发生畸变，导致接收端出现误码。显然，接收端能否正确恢复信息，在于能否有效地抑制噪声和减小码间串扰。调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号，这就意味着把基带信号（信源）转变为一个相对基带频率而言频率非常高的代通信号。以保证远距离传输信号波形不会发生畸变

图13：调制与解调

傅里叶变换

通信中有个非常难懂但又非常重要的傅里叶变换，这里试图简单地讲明白。

傅立叶原理表明：任何连续测量的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。

和傅立叶变换算法对应的是反傅立叶变换算法。该反变换从本质上说也是一种累加处理，这样就可以将单独改变的正弦波信号转换成一个信号。因此，可以说，傅立叶变换将原来难以处理的时域信号转换成了易于分析的频域信号（信号的频谱），可以利用一些工具对这些频域信号进行处理、加工。最后还可以利用傅立叶反变换将这些频域信号转换成时域信号。

图14：傅里叶变换

至此，把程控交换机如何理解声音这一点差不多讲清楚了。

交换矩阵电路

交换矩阵（switching matrix ）是背板式交换机上的硬件结构，用于在各个线路板卡之面实现高速的点到点连接。

两个电话接通，就是把交换矩阵中的一个点接通。

图15：交换矩阵电路

译码

打电话的一方叫做主叫，被打电话的一方叫做被叫。当主叫电话拨打被叫电话的号码时，交换机需要找到被叫电话的位置，这个过程叫做译码。

图16：译码示意图

国家代码和区号

拨打国际电话，需要在号码前加国家代码。

图17：一部分国家代码示意图

拨打国内长途电话，需要在号码前加区号。

我国的交换机结构采用四级汇接辐射长途电话网络。

第一级是国家总汇接中心、主国际接口局所在地，即首都北京，使用区号10；

第二级为直辖市和大区中心使用两位区号，当时三大直辖市，除北京已使用10以外，上海、天津各使用21、22区号。东北、华东、中南、西南、西北大区中心城市沈阳、南京、武汉、成都、西安使用24、25、27、28、29区号。华北区因为北京兼任大区交换中心，原属于华北区大区中心的23区号空缺。又由于中南地区长话流量过大，因此设置华南大区交换中心，也就是广州，使用20的区号。

第三级为省交换中心和地区交换中心，使用三位区号，且首位与大区交换中心城市两位区号的末位对应（华北、华南区除外），区号第二位为1、3、5、7、9五个奇数，省级交换中心（一般为省会、自治区首府）除有大区交换中心兼的省份外，尾数为1。

第四级为县交换中心，使用四位区号，第一位数同相应地区交换中心三位区号的第一位数，第二位使用2、4、6、8、0五个偶数。这样，全国的国内长途区号就形成这样的编号布局，可以看出其中明显的规律：

所以除了北京市为010外，其他城市都会按照分布区域来划分字头。

2字开头的直辖市：

021：上海市

022：天津市

023：重庆市（华北使用3字头三位区号）

2字开头的重要城市：

020 广州市：华南大区中心局；华南使用中南大区的7字头三位区号。该市之C1局交换机连往国外。

024 沈阳市（含抚顺市、铁岭市、本溪市）：东北大区中心局；东北使用4字头三位区号

025 南京市：华东大区中心局；华东使用5字头三位区号

027 武汉市：中南大区中心局；中南使用7字头三位区号

028 成都市（含眉山市、资阳市）：西南大区中心局；西南使用8字头三位区号

029 西安市（含咸阳市）：西北大区中心局；西北使用9字头三位区号

3字开头的省：

河北省：31-33

山西省：34-35

河南省：37-39

4字开头的省：

辽宁省：41-42

吉林省：43-44

黑龙江省：45-46

内蒙古自治区：47-48

5字开头的省：

江苏省：51-52

山东省：53-54

安徽省：55-56

浙江省：57-58

福建省：59

6字开头的省：

山东省：63

广东省：66

云南省：69

7字开头的省：

湖北省：71-72

湖南省：73-74

广东省：75-76

广西壮族自治区：77

江西省：79、70

8字开头的省：

四川省：81-83

贵州省：85

云南省：87-88

西藏自治区：891-897

海南省：898

9字开头的省：

陕西省:91

甘肃省;93-94

宁夏回族自治区：95

青海省：97

新疆维吾尔自治区：99、90

中继

中继（Relay）是两个交换中心之间的一条传输通路。中继线是承载多条逻辑链路的一条物理连接。随着科技发展，中继的概念不仅应用于无线通信中，网络通信交换机的trunk也可以称之为一种中继。在日常生活中，我们经常需要通过家里的电话和朋友聊天，或者通过办公室的电话和公司外的客户联系。要实现这些通话都离不开中继。

提到中继，不能不提到19世纪末的丹麦数学家爱尔兰(Erlang)。他最早提出了中继的理论，中继话务量单位也是以他的名字命名的。话务量单位Erlang表示一条完全被占用的中继的话务量强度（即单位小时或单位分钟的呼叫时长）。例如，一条中继在在1小时内被占用了30分钟，那么这条中继的话务量就是0.5 Erlang。

图18：图中两台交换机（switch）之间即为中继。

抽样定理、时分复用、PCM30

香农采样定理，又称奈奎斯特采样定理，是信息论，特别是通讯与信号处理学科中的一个重要基本结论。1924年奈奎斯特(Nyquist)就推导出在理想低通信道的最高大码元传输速率的公式：理想低通信道的最高大码元传输速率=2W*log2N 。（其中W是理想低通信道的带宽，N是电平强度）。

简单来说，人的声音频率为300~3400Hz，即每秒震动不超过3400次，只要采样频率达到8000Hz，就不会有信号损失。

图19：采样定理

时分复用(Time Division Multiplexing,TDM)是采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的。

图19：时分复用

PCM30/32路一帧周期为1/8000秒，即125μs，将一帧平均分成32份，每一份称之为时隙，每时隙间隔为125/32，即3.91μs。每一时隙传送8bit编码，每帧传送32*8＝256bit编码。每帧的TS0时隙传送帧同步码，TS16时隙传送信令，同步和信令是通信技术的基础，以后再做描述，其余30个时隙传送话音，第一路话音第一次到达和第二次到达以及以后每次达到的间隙为一帧的周期，由于一秒传送8000帧（抽样频率为8000），所以每一路话音为8bit×8000＝64kbit，32路就是2.048Mbit，也就是通常说的PDH一次群信号，或称为E1信号。

图20：PCM30

随路信令与共路信令

随路信令（CAS:Channel Associated Signaling）：信令和话音在同一条话路中传送的信令方式， 从功能上可划分为线路信令（Line Signalling）和记发器信令（Interregister Signalling）。它们是为了把话音通路上各中继电路之间的监视信令与控制电路之间的记发器信令加以区别而划分的。

图21：随路信令

共路信令是将语音通道和信令通道分离，在单独的数据链路上以信令消息单元的形式集中传送若干路的信令信息，一般多为“七号信令”(SS7)。

图22：共路信令

双绞线、同轴电缆、光缆

双绞线是将一对或一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中而形成的一种传输介质。双绞线中的每一对都是由两根绝缘铜导线相互缠绕而成的，这是为了降低信号的干扰程度而采取的措施。双绞线一般用于星型网络的布线连接，两端安装有rj-45头(接口)，连接网卡与集线器，最大网线长度为100米，如果要加大网络的范围，在两段双绞线之间可安装中继器，最多可安装4个中继器，如安装4个中继器连5个网段，最大传输范围可达500米。

图23：双绞线

同轴电缆是由一根空心的外圆柱导体(铜网)和一根位于中心轴线的内导线(电缆铜芯)组成，并且内导线和圆柱导体及圆柱导体和外界之间都是用绝缘材料隔开，它的特点是抗干扰能力好，传输数据稳定，价格也便宜，同样被广泛使用，如闭路电视线等。

图24：同轴电缆

光缆是由一组光导纤维组成的、用来传播光束的、细小而柔韧的传输介质。与其他传输介质相比较，光缆的电磁绝缘性能好，信号衰变小，频带较宽，传输距离较大。光缆主要是在要求传输距离较长，用于主干网的连接。光缆通信由光发送机产生光束，将电信号转变为光信号，再把光信号导入光纤，在光缆的另一端由光接收机接收光纤上传输来的光信号，并将它转变成电信号，经解码后再处理。光缆的传输距离远、传输速度快，是局域网中传输介质的姣姣者。光缆的安装和连接需由专业技术人员完成。

图25：光缆

ISUP

ISUP，即ISDN用户部分，是 SS7/C7 信令系统的一种主要协议，定义了协议和程序用于建立、管理和释放中继电路，该中继电路在公共交换电话网络（PSTN）上传输语音和数据呼叫。

图26：ISUP建立呼叫的流程

电路交换与分组交换

一. 电路交换：

电路交换是以电路连接为目的的交换方式，通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通道。

电路交换的三个阶段：

（1）建立连接 （2）通信 （3）释放连接

电路交换具有以下优缺点：

优点：

（1）由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，所以传输数据的时延非常小。

（2）通信双方之间的屋里通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强。

（3）双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。

（4）电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。

（5）电路交换的交换设备及控制均比较简单。

缺点：

（1）电路交换平均连接建立时间对计算机通信来说较长。

（2）电路交换家里连接后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用率低。

（3）电路交换时，数据直达，不同类型，不同规格，不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。

电路交换举例：

图27：电路交换

二. 分组交换

分组交换是以分组为单位进行传输和交换的，它是一种存储——转发交换方式，即将到达交换机的分组先送到存储器暂时存储和处理，等到相应的输出电路有空闲时再送出。

分组交换具有以下优缺点。

优点：

（1）分组交换不需要为通信双反预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送分组。

（2）由于采用存储转发方式，加之交换节点具有路径选择，当某条传输线路故障时可选择其他传输线路，提高了传输的可靠性。

（3）通信双反不是固定的战友一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。

（4）加速了数据在网络中的传输。因而分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了传输时间。

（5）分组长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，所以简化了交换节点中存储器的管理。

（6）分组较短，出错几率减少，每次重发的数据量也减少，不仅提高了可靠性，也减少了时延。

缺点：

（1）由于数据进入交换节点后要经历存储转发这一过程，从而引起的转发时延（包括接受分组、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络的通信量越大，造成的时延就越大，实时性较差。

（2）分组交换只适用于数字信号。

（3）分组交换可能出现失序，丢失或重复分组，分组到达目的节点时，对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。

综上，若传输的数据量很大，而且传送时间远大于呼叫时间，则采用电路交换较为合适；当端到端的通路有很多段链路组成是，采用分组交换较为合适。从提高整个网络的信道利用率上看，分组交换优于电路交换。

图28：分组交换

无线电报的发明

在英国，人们把麦克斯韦奉为无线电的开创人，认为他最先指出电磁波的存在。

在美国，有人认为德福雷斯特是无线电之父，因为他发明了三极管，而三极管是无线电通信器材的心脏。

在俄国，只承认波波夫是无线电通信的创始人。

在克罗地亚及所有了解尼古拉·特斯拉的人都承认特斯拉才是无线电之父。

在西方科学家的眼中，意大利人马可尼是无线电通信的发明人，他因此获得诺贝尔物理奖。

在德国，人们认为赫兹才是无线电的开创者，因为他最早证明了电磁波的存在。电磁波的振动频率的单位，就是以他的姓命名的。

到底是谁发明了无线电通信呢？可以这么认为，无线电的发明是众多科学家共同研究的成果，也是历史发展的产物。

图29：无线电报

无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。

手机的发明

图30：第一部手机的发明者马丁·库帕

马丁·库帕是手机发明者，1973年打通了全球第一个移动电话。

马丁·库帕说，他发明手机的灵感来自于电视剧《星际迷航》，“当我看到剧中的考克船长在使用一部无线电话时，我立刻意识到，这就是我想要发明的东西。”

马丁·库帕1928年出生于美国芝加哥，1950年获得伊利诺伊州科技学院的硕士学位。毕业以后，库帕参加了美国海军。退役以后，29岁的马丁·库帕开始在摩托罗拉公司个人通讯事业部门工作， 这一干就是15年。1973年，美国电报电话公司(AT&T) 发明了一个新概念，叫“蜂窝通信”(cellularcommunications)。所谓的蜂窝通信，就是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可相互通信。

马丁·库帕觉得，这是个非常好的想法，“可是后来，AT&T认为人们需要的蜂窝通信只是‘车载通信’，我们非常质疑这个结论。我们知道，人们并不希望和汽车、房子、办公室说话，而是和人说话。为了证明这一点，我们打算发明一部蜂窝电话，向世人证明，个人通信的想法是正确的。我们相信，电话号码对应的应该是人而非地点。”

那时正在播放电视剧《星际迷航》，考克船长的那部无线电话，就成为库帕和他的团队发明手机的原型。三个月以后，第一部手机模型大功告成。

移动通信网络：MSC、BSC、BTS

图31：移动通信网络

移动通信网络中的设备有以下这些。

MS: 移动台。简单理解类似手机一样的东西，包括移动台物理设备和智慧部件SIM卡两部分，类型有车载台、便携台以及手持台等。

BTS/NODEB: 基站收发台（Base Transceiver Station），由BSC控制，服务于某个小区的无线收发信设备，完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS和移动台之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。

BSC/RNC: 基站控制器（base station control），BSC在基站子系统中起控制器和话务集中器作用，一个基站控制器根据话务量可以控制数十个BTS。

MSC: 移动业务交换中心（mobile switching center），是网路的核心，它提供交换功能以及面向系统其他功能实体。MSC可以从三种数据库（HLR,VLR,AUC）获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。反之，MSC也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。MSC具有号码储存译码、呼叫处理、路由选择、回波抵消、超负荷控制等功能；MSC作为网路核心，应能支持位置登记、越区切换和自动漫游等移动管理功能；MSC还应支持信道管理、数据传输，以及包括鉴权、信息加密、移动台设备识别等安全保密功能。

VLR: 访问位置寄存器（visiting location register ），服务于其控制区域内移动用户的，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫连接的必要条件。VLR从该移动用户的归属用户位置寄存器(HLR)出获取并储存必要的数据。一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR登记，原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。

HLR: 归属位置寄存器（Home location register），是GSM系统的中央数据库，存储着该HLR控制的所有存在的移动用户的相关数据，所有移动用户重要的静态数据都存储在HLR中，这包括移动用户识别号码、访问能力、用户类型和补充业务等数据。HLR还存储这归属用户有关的动态数据信息，如用户位置更新信息或漫游用户所在的MSC/VLR地址以及分配给用户的补充业务。

EIR: 移动设备识别寄存器（Equipment Identity Register），它存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过检查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格，在表格中分别列出准许使用的、失窃不准使用的、出现异常需要监视的移动设备的IMEI号码。AUC依据MSC的要求，检验IMEI以及其状态，并将结果报告MSC。

AUC: 鉴权中心(Authentication center)，GSM系统采取了特别的安全措施，例如用户鉴权、对无线接口上的话音、数据和信号信息进行保密等。因此AUC存储着鉴权算法和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的用户通信的安全。

BSS: 基站子系统，包括BTS和BSC，是GSM系统与无线蜂窝方面最基本的组成部分。他通过无线接口直接和移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。另一方面，基站子系统与网路子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。

NSS: 网路子系统，主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需要的数据库功能，它对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其他通信网用户之间通信起着管理作用。

PSTN: 公用电话网(Public Switched Telephone Network )，是一种全球语音通信电路交换网络，包括商业的和政府拥有的。

PS/CS: PS是packet switch即分组交换（包交换），CS是circuit switch电路交换。 CS域是电路承载域，走语音;PS域是数据域，走得是IP，用于手机上网等。

手机打通的过程

手机打通的过程涉及到系统中各设备间多条信令交流。

图32：手机打通的过程

多址方式：TDMA、FDMA、CDMA、OFDMA

TDMA是时分多址技术，将时间段进行划分，形成n个帧，每个帧中包含30/32时隙，代表信息的二进制比特流在时隙进行传送。

FDMA是频分多址技术，是在频域进行划分，形成n个子频带，将信息调制到每个独立的频率上进行传送。

CDMA是码分多址技术，是基于码片进行传送。

OFDM是一种多载波传输技术，可以有效的抵抗多径效应，能够有效的利用频谱资源，是未来移动通信的核心技术。

图32：FDMA、TDMA、CDMA

图33：TDMA、FDMA、CDMA、OFDMA

移动通信的发展：1G~5G

图34: 1G~5G

移动无线网络已经成为我们生活、学习、娱乐不可缺少的必备品，而移动无线通信技术本身也在不断地更新换代。那么，移动通信技术到底经历了那几个发展阶段，每个阶段的特色又是什么呢？

通信的种类按传输媒质可以分为：导线、电缆、光缆、波导、纳米材料等形式的有线通信与传输媒质看不见、摸不着(如电磁波)的无线通信。今天我们主要聊的是无线通信。

1G：“大哥大”横行

1986年，第一套移动通讯系统在美国芝加哥诞生，采用模拟讯号传输，模拟式为代表在无线传输采用模拟式的FM调制，将介于300Hz到3400Hz的语音转换到高频的载波频率MHz上。此外，1G只能应用在一般语音传输上，且语音品质低、讯号不稳定、涵盖范围也不够全面。

1G主要系统为AMPS，另外还有NMT及TACS，该制式在加拿大、南美、澳洲以及亚太地区广泛采用，而国内在80年代初期移动通信产业还属于一片空白，直到1987年的广东第六届全运会上蜂窝移动通信系统正式启动。

在第1代行动通信系统在国内刚刚建立的时候，我们很多人手中拿的还是大块头的摩托罗拉8000X，俗称大哥大（一般人可用不起哟！）。那个年代虽然没有现在的移动、联通和电信，却有着A网和B网之分，而在这两个网背后就是主宰模拟时代的爱立信和摩托罗拉。

模拟通信系统有着很多缺陷，经常出现串号、盗号等现象。1999年A网和B网被正式关闭，2G时代也来到了我们身边。

1G中网络制式A网B网区别

1G时期，我国的移动电话公众网由美国摩托罗拉移动通信系统和瑞典爱立信移动通信系统构成。经过划分，摩托罗拉设备使用A频段，称之为A系统；爱立信设备使用B频段，称之为B系统。移动通信的A、B两个系统即是人们常说的A网和B网。

2G：诺基亚崛起时代

到了1995年，新的通讯技术成熟，国内也在中华电信的引导下，正式挥别1G，进入了2G的通讯时代。从1G跨入2G则是从模拟调制进入到数字调制，相较而言，第二代移动通信具备高度的保密性，系统的容量也在增加，同时从这一代开始手机也可以上网了。

2G声音的品质较佳，比1G多了数据传输的服务，数据传输速度为每秒9.6——14.4Kbit，最早的文字简讯也从此开始。

GSM在1990年由欧洲发展出来，另外还有TDMA、CDMA、PDC与iDEN。第一款支持WAP的GSM手机是诺基亚7110，它的出现标志着手机上网时代的开始，而那个时代GSM的网速仅有9.6KB/s。

2G时代也是移动通信标准争夺的开始，，GSM脱颖而出成为最广泛采用的移动通信制式。早在1989年欧洲就以GSM为通信系统的统一标准并正式商业化，同时在欧洲起家的诺基亚和爱立信开始攻占美国和日本市场，仅仅10年功夫诺基亚就成为全球最大的移动电话商。

2G主流的几个网络制式

GSM：全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication），是当前应用最为广泛的移动电话标准，较之以前的标准最大的不同是它的信令和语音信道都是数字式的。GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。

TDMA：时分多址(Time Division Multiple Access)，是把时间分割成周期性的帧(Frame)，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

CDMA：码分多址(Code Division Multiple Access)，是在数字技术的分支--扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

3G：CDMA大行其道

随着人们对移动网络的需求不断加大，第3代移动通信网络必须在新的频谱上制定出新的标准，享用更高的数据传输速率。

在3G之下，有了高频宽和稳定的传输，影像电话和大量数据的传送更为普遍，行动通讯有更多样化的应用，因此3G被视为是开启行动通讯新纪元的重要关键。而支持3G网络的平板电脑也是在这个时候出现，苹果，联想和华硕等都推出了一大批优秀的平板产品。

中国于2009年的1月7日颁发了3张3G牌照，分别是中国移动的TD-SCDMA，中国联通的WCDMA和中国电信的WCDMA2000。

3G的几个主流标准制式

分别是WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA，WiMAX。

CDMA是第三代移动通信系统的技术基础。CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。

世界上主流的3G规格为WCDMA与CDMA2000系列，另外还有中国移动主推的TD-SCDMA。美、加、澳、韩以及日本KDDI采用CDMA 2000系列。

4G：无线蜂窝电话协议

4G是指第四代无线蜂窝电话通讯协议，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps

2013年12月，工信部在其官网上宣布向中国移动、中国电信、中国联通颁发“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务(TD-LTE)”经营许可，也就是4G牌照。至此，移动互联网的网速达到了一个全新的高度。

如今4G信号覆盖已非常广泛，支持TD-LTE、FDD-LTE的手机、平板产品越来越多，很多平板，并成为标配，支持通话功能、网络的Android、Win系统平板也非常常见。

4G的主要网络制式

LTE是基于OFDMA技术、由3GPP组织制定的全球通用标准，包括TDD（时分双工）和FDD（频分双工）两种模式，二者相似度达90%，差异较小。

TD-LTE：TDD版本的LTE技术，分时长期演进（Time Division Long Term Evolution），由3GPP组织涵盖的全球各大企业及运营商共同制定。

FDD-LTE: FDD版本的LTE技术。由于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个厂家的利益等因素，FDD-LTE的标准化与产业发展都领先于TD-LTE，成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种4G标准。

5G：高可靠体验

5G，即第五代移动通信技术，国际电联将5G应用场景划分为移动互联网和物联网两大类。

5G呈现出低时延、高可靠、低功耗的特点，已经不再是一个单一的无线接入技术，而是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术（4G后向演进技术）集成后的解决方案总称。

可以看到，是车联网、物联网带来的庞大终端接入、数据流量需求，以及种类繁多的应用体验提升需求推动了5G的研究。无线通信技术通常每10年更新一代，2000年3G开始成熟并商用，2010年4G开始成熟并商用，现在研究5G，2020年成熟应该是符合规律预期的，5G的诞生，将进一步改变我们的生活。

结论和启示

本文陈述了通信历史和原理中最基础最重要的一些点，鉴于篇幅和作者能力所限，未必讲得很清楚。作为有通信背景的读者，可以借此温故知新。对于没有通信背景的读者，可以管中规豹，触动您的好奇心，思考和探索其中的奥妙。潮起潮落，行业更迭，没落中也有知古鉴今的价值。

最后做三点总结。

关于技术：

• 技术不是一件神秘的事，技术都是可以被理解的。

• 一种技术的诞生至少有四个要素：（1）已有的现象：比如说电现象的存在是通信技术最初的起点。（2）人的需求：比如说最初关于电报和电话的设想来自人的需要。（3）不断实验：没有什么能一次成功。（4）思考与想象：比如说麦克斯韦方程、傅里叶变化来自思考和想象。这四个要素的结合，加上其他要素，促进了各种技术的产生。

• 技术是一件有乐趣的事。一方面是它解决了一种需要或一种问题，另一方面是它挑战了我们的思考力和行动力。牛顿的苹果，瓦特的水壶，触发了奥妙的世界。

• 思考和探索技术的奥妙，可以使头脑保持青春。

关于需求：

• 一门技术能否大行其道，从实验室到商业化，取决于社会的需求。技术发明人的兴趣是技术诞生的第一道门槛，能否产品化则是技术发扬光大的第二道门槛。

• 更高更快更强也是一种需求。这是精益和敏捷产生的历史原因。

• 人类的需要永无止境。没有不存在的需求，只有不能满足需求的做法，比如说飞信就是一个例子。

• 技术和需求的发展都会超乎想象，比如区块链。

关于行业：

• 任何行业都有它的兴起和没落。

• 企业要基业长青，需要不断探索新业务。比如说现在许多硅谷公司的业务都超出了最初的设定。

• 个人对行业所处的阶段要保持关注。

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