2.1 美妙的无线电波

要说清楚“大哥大”的故事，我们首先需要了解一下什么是通信。

通信，简单来说，就是传递信息。我把我的信息发给你，你把你的信息发给我，这就是通信。

从人类诞生的那一刻起，通信就是生存的基本需求之一。新生的婴儿通过哭声给自己的母亲传递饥饿的信息，索取母乳和关爱。参与围猎的部落成员通过呼吼声召唤同伴，请求支援和协助。这一切，都属于通信的范畴。

随着人类社会组织单位的不断扩充，通信的作用也越来越大。国家之间的合纵连横、亲人之间的思念关怀，都与通信息息相关。通信的手段，除了面对面交谈这种近距离的方式，还逐渐发展出烽火、旗语、击鼓、鸣金等远距离的方式。

这些方式主要通过视觉或者听觉来实现通信，要求通信双方之间是可视的，或者相互之间是可以听见的。这就极大地限制了通信的距离和范围。

随着社会的发展和生活的需要，还发展出传送文书的驿站、信鸽等通信手段，与其他通信方式配合使用。采用驿站或信鸽等方式虽然一定程度上解决了距离受限的问题，却带来了时效性差的新问题，无法在很短的时间内将信息送达。

到了19世纪，人类的通信方式终于迎来了重大变革。随着第二次工业革命的浪潮，人类进入了电气时代。电磁理论的发现及完善为现代通信技术的发展奠定了基础。

了解通信，你必须认识这些人

1839年，全球首条真正投入运营的电报线路在英国出现。这条线路长约20 km，由查尔斯·惠斯通和威廉·库克发明。

相隔不久，1840年，美国人塞缪尔·莫尔斯研制出了可用于实际通信的、具有商业价值的电报机。此前，他还发明了一套将字母、数字进行编码以便传送的方法，也就是莫尔斯码（Morse Code）。

1876年，亚历山大·格拉汉姆·贝尔申请了世界上第一台可用的电话机的专利，随后创建了贝尔电话公司（AT&T公司的前身）。

1897年，意大利无线电工程师伽利尔摩·马可尼在伦敦成立了马可尼无线电报公司。1899年，马可尼发送的无线电信号成功穿越了英吉利海峡，1901年又成功穿越了大西洋，从英国的伦敦传到加拿大的纽芬兰。1909年，在无线电报领域取得的巨大成就让马可尼与布劳恩共同获得了诺贝尔物理学奖，马可尼由此享有“无线电之父”的美誉。

从此，人类开启了用电磁波进行通信的近现代通信时代。通信的距离限制被不断突破。与此同时，长距离通信的时延也在不断降低。

虽然通信技术在迅速发展和普及，但当时的人们还面临一个很重要的理论瓶颈，那就是——究竟什么是信息？信息的量到底该如何量化？

在我们普通人看来，“信息”是一个非常普通的概念，但正因为它非常普通，所以解释起来非常困难。《现代汉语词典》中，“信息”的解释是这样的：“信息论中指用符号传送的报道，报道的内容是接收符号者预先不知道的。”这显然非常抽象，单从定义上看，无法对其进行量化。

如果不能量化，我们设计信息系统或通信系统时就无从下手。

这里就要隆重介绍一下信息通信业的“祖师爷”、信息论的鼻祖——克劳德·香农先生。

1948年，是一个值得被人类记住的年份。这一年，香农先生发表了一篇影响极为深远的论文——《通信的数学理论》（A Mathematical Theory of Communication）。在这篇论文中，香农提出，信息和长度、质量这些物理属性一样，是可以测量和规范的。他还发明了一个全新的单词——bit（比特），作为衡量信息量的单位。如今，这个度量单位已经众所周知。

同时，他将热力学中“熵”的概念引入信息论，用以定量地衡量信息的大小。香农认为，人们获得的任何信息都存在一定的冗余，去掉这些冗余之后的平均信息量，就是信息熵。

该如何理解呢？简单来说，随机事件发生的概率越小，一旦该事件发生，它提供的信息量就越大。举个例子，如果我告诉你，“地球是圆的”，这句话的信息量就是0。简而言之，我所说的是众所周知的。如果我告诉你，“你家门口那棵老槐树底下埋了1亿元现金”，而且这是真的，那么这个信息量显然就很大了。

除了信息熵外，香农还给出了伟大的香农定理，明确指出了影响信道容量的相关条件，见如下香农公式。

其中，C代表信道容量；W代表信道的带宽；S/N代表信号的平均功率和噪声的平均功率之比，即信噪比。

香农的一系列贡献为通信技术的高速发展奠定了理论基础，也为通信技术的发展指明了方向。70多年来，在香农定理的指引下，通信工程师们一直都在试图突破通信系统的极限。

说到信道和通信系统，让我们先来简单了解一下它们。

任何通信过程都可以看成一个通信系统作用的结果。任何一个通信系统都包括以下3个要素：信源、信道和信宿。例如下课时，校工打铃，在这个系统中，校工就是信源，空气就是信道，而老师和同学们就是信宿。那铃声是什么呢？铃声就是信道上的信号。这个信号带有信息，信息告诉信宿——该下课了。更具体一点，电铃就是发送设备，老师和同学们的耳朵就是接收设备。

通信技术的发展过程，其实就是研究如何在更短时间内传输更大信息量的过程。为了达到这个目的，信源需要不断升级自己的发送设备，信宿需要不断升级自己的接收设备，而信道的介质也需要不断进行升级。

在有线电报时代，莫尔斯码通过电流脉冲的长短组合来发送符号，比如字母a，就是“● —”，一个点信号，一个长信号。发送一个完整的单词需要几秒甚至十几秒的时间。显然，这种速度是我们无法接受的，既费时又费力。

趣闻

隐藏在校园里的神秘“暗号”

莫尔斯码由两种基本信号和不同的间隔时间组成：短促的点信号“●”，读“嘀”（Di）；保持一定时间的长信号“—”，读“嗒”（Da）。用不同排列顺序的“嘀”和“嗒”来表示不同的英文字母、数字和标点符号等。莫尔斯码的编码规则简单清晰，在早期无线电通信中的影响举足轻重。电影《风声》中，顾晓梦就是采用在衣服上缝出莫尔斯码的方式，将消息传播出去的。

如果你有机会造访北京邮电大学，在学校西门处毛主席像和校训石的正前方会发现一组神秘的“暗号”。看下面这张图上，几块黑色的地砖呈长条和点状，不规则地分布在浅色的地砖上。乍一看，好像没什么特别的，但无线电发烧友估计会发现一些端倪。没错，这是一组莫尔斯码。

从校训石往西门看，第一个是嘀嘀嘀嘀（H）；第二个是嗒嗒嗒（O）；第三个是嘀嘀嗒（U）；再往下看，一串莫尔斯码就出来了。答案就是：HOUDE BOXUE JINGYE LEQUN，正是北京邮电大学的校训“厚德博学 敬业乐群”。（后来校训中的“乐群”读音改为古音“yào qún”，但此处的莫尔斯码却按照原来的读音保留了下来。）

1888年，德国人海因里希·鲁道夫·赫兹用实验证明了电磁波的存在，从此打开了通往无线电通信世界的一扇窗户。如前文所述，后来伽利尔摩·马可尼实现了人类历史上首次无线电通信，真正打开了无线电通信世界的大门。人们开始用“（电磁）波”来承载信息。

能不能把“线”扔掉？

自有线电报和有线电话被发明之日起，人们就开始感受到它们带来的远距离通信的便利。渐渐地，人们又开始思考新的问题——是不是可以把“线”扔掉，实现“无线”通信呢？

有线通信和无线通信所谓的“线”其实就是信道。信道有很多种介质，电缆、光缆这类属于有线介质，而空气则属于无线介质。

不管是有线还是无线，传输的都是电磁波——在有线电缆中，电磁波是以导行波的方式传播；而在空气（或真空）中，电磁波是以空间波的方式传播。

无线通信系统包括多种类型，例如广播通信、无线对讲通信、手机通信、Wi-Fi通信、卫星通信以及微波通信等。

手机通信系统，也就是我们常说的移动通信系统，是最为典型的无线通信系统。它也叫蜂窝通信系统，因为手机的通信依赖于基站，而基站小区的覆盖区看上去有点像蜂窝。

世界上第一部真正意义上的手机诞生于20世纪70年代。1973年4月的一天，一名男子站在纽约街头，掏出一个约有两块砖头那么大的设备，并对着它说话。这名男子兴奋得手舞足蹈，引得路人纷纷注视。他，就是手机的发明者，摩托罗拉公司的工程师马丁·库帕。

手机的发明，意味着移动通信时代的开启。也就是说，1G时代来了！