1.1.4　数字通信的发展概述

现代通信技术克服了时间和空间的局限性，使得人们可以随时随地获取和交换信息。近几十年来，通信技术发生了巨大的变化，尤其是数字通信的产生和应用，更是极大地推动了通信技术的发展。随着现代数字信号处理理论和微电子技术的发展，数字通信技术日新月异，不仅促进了整个信息产业的不断革新，而且正逐渐创造和改变着人类的历史。通信技术已经成为反映当今社会发展水平的重要标志之一。

通信技术的发展历史堪称突飞猛进，卫星通信和移动通信技术正在向数字化、智能化、宽带化发展。信息的数字转换处理技术走向成熟，为大规模、多领域的信息产品制造和信息服务创造了条件。

人类最早的有线通信可以追溯到1799年意大利人伏特（Volta）发明的蓄电池，随后美国的艺术家兼发明家莫尔斯（Morse，见图1-3）从电线中流动的电流在电线突然截止时会迸出火花这一事实得到启发，“异想天开”地想，如果将电流截止时发出火花作为一种信号，电流接通时没有火花作为另一种信号，电流接通时间加长又作为一种信号，这三种信号组合起来，就可以表示全部的字母和数字，信息就可以通过电流在电线中传到远处了。经过几年的研究，1837年，莫尔斯设计出了著名的莫尔斯电码，它利用“点”“划”“间隔”（实际上就是时间长短不一的电脉冲信号）的不同组合来表示字母、数字、标点和符号。1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，一批科学家和政府官员聚精会神地注视着莫尔斯，随着一连串的“点”“划”信号的发出，远在64 km外的巴尔的摩城收到由“嘀”“嗒”声组成的世界上第一份电报。世界上第一封电报的内容是圣经中的“上帝创造了何等的奇迹！”。有意思的是，由于莫尔斯设计的电码是用简单的几种状态来传输信息的，因此可以说是数字通信的起源。

莫尔斯电码虽然实现了远距离的电信号传输，但由于必须通过电缆来对电信号进行传输，因而极大地限制了通信距离和应用范围。伟大技术的产生首先需要有伟大理论的指引，英国的麦克斯韦（James Clerk Maxwell）于1864年提出了电磁场方程，预言电磁波的存在（见图1-4）。随后，德国物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）于1886年发明了一种电波环，并用这种电波环做了一系列的实验，终于在1888年发现了人们怀疑和期待已久的电磁波，从此开启了数字通信技术的新纪元。10年以后，意大利的电气工程师马可尼（Guglielmo Marchese Marconi）成功发射了世界上的第一个无线电信号，成为无线电的发明者（见图1-5）。

1948年，香农提出了信息论，标志着数字通信迎来第二个辉煌的发展时期，从此人们不断寻求能够逼近香农极限的通信方法。需求永远是推动技术发展的最原始的动力。各种通信体制、通信终端之间的互连互通问题随着社会的发展变得越来越突出。1991年爆发了海湾战争，在“沙漠风暴”行动中，为了保障盟军联合作战时有效及时的通信联络，不得不借助于许多额外的无线电台，这大大增加了通信保障的复杂度和难度。如何来解决这一问题呢？1992年5月，MILTRE公司的Joseph Mitola首次提出了软件无线电（Software Radio，SR）的概念，这无疑为通信的发展指明了前进的方向。软件无线电一经提出，立即得到世界范围内的热烈响应，无论理论研究还是产品研制，均如雨后春笋般应运而生。

图1-3　莫尔斯

图1-4　麦克斯韦

图1-5　马可尼

软件无线电的中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能（如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等）用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的数字通信系统。1999年，Joseph Mitola在他的博士论文中，基于软件无线电又提出了认知无线电（Cognitive Radio，CR）概念，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。

移动通信或许是离我们日常生活最近的一类通信技术了。从20世纪七八十年代的第一代模拟蜂窝移动电话系统，到90年代的第二代数字蜂窝移动通信系统，再到现在的5G，几乎每个人都能感觉到通信技术对我们生活方式的改变。

伴随着通信技术与计算机信息技术越来越完善的融合，人类对信息量的需求也在持续增长。研究表明，数字通信对通信速率的需求也是按照摩尔定律增长的，即每18个月翻一番[13]。高速数字通信成为通信技术的一个前沿研究热点，并取得了重要的进展[14]，主要体现在微波毫米波通信系统、光通信系统和太赫兹通信系统三个方面。