扒一扒无线通信

电磁波是个好东西。很难想象，若有一天的时间里没有任何用电及电磁波的设备运转，世界会是怎样？但，这不是这里要讨论的内容。本篇短文的目的是用足够通俗的方式来介绍一点无线通信的部分过程及研究对象，真的就只谈一点点儿。具体内容聚焦于无线通信的底层设计，而你手机号码的作用，以及如何打一通电话从西藏到北京涉及的上层设计，请参考其他相关资料。

大家都很忙，闲话不多说，直奔主题。

区分"消息"和"信号"

首先，我们以一个例子来区分"消息"和"信号"两个概念：明天上午9：00考试，两位好兄弟决定发挥他们的革命情谊共进退---准备作弊对答案。他们约定"摸耳朵"表示答案是C，"摸鼻子"表示答案是B。大家是否同意，这其实已是一个通信系统。通信的双方（称之为信源和信宿，或者称为发送端和接收端）就是这两位兄弟，要传递的"消息"是考试题目的答案（B, C等），而摸耳朵，摸鼻子是该系统采用的"信号"。通信的核心目的是传递消息，而采用什么信号完全取决于约定设计。比如，他俩可以约定"笑"表示答案是C，"哭"表示答案是B。这个信号设计理论上也可行，但效果明显要差一些。希望大家通过这个例子，能体会消息和信号的区别。

现实生活中消息是丰富多彩的，可以是语音，文字，图片，视频等等。对于无线通信来说，所有这些消息最终对应到的信号都是电磁波信号。如上面考试作弊的例子，同一个消息我们可以设计成不同的电磁波信号，但不同设计效果有好有坏。那么，问题的关键就是如何设计对应的电磁波信号，达到高质量（速度快，准确度高等等）的通信。之所以我们说消息"最终都是电磁波信号"，是因为消息到电磁波信号的转换并不都是一步就完成的，其中可能经历多步处理过程，接下来我们以传输图片来介绍。这是我们想要传输的图片:

根据到目前为止的描述，我们能想象得到的无线通信系统是如下这个样子：

图1：简单的无线通信系统模型

在这个系统框架下，我们至少有两个问题可以问：

1.          怎么把图片变成电磁波信号，以及反过来如何把电磁波信号变成图片？

2.          怎么样的电磁波可拿来用，或者说电磁波有哪些特性？

我们先讨论一下第二个问题，认识电磁波

我们认识事物的基本方法中常见的有：分类，分解与组合。认识电磁波也不例外。所有电磁波主要可以分类为：无线电波，微波，红外线，可见光，紫外线，X射线等。讲分类就一定先有分类的依据或准则，这里的分类依据就是频率。具体地，这里的分类排序是根据频率从低到高排列的。问题又来了，什么是频率？先看几个电磁波信号随时间变化的样子：

可以看到前面两个电磁波信号变化是有规律地呈周期性变化的，频率就是在1秒内该电磁波信号能经历的重复周期个数，单位为赫兹，1秒内经历几个周期，频率就为几个赫兹。很显然，第二个信号比第一个信号变化得更快（从横向来看），1秒内经历的周期个数比第一个多，那么第二个的频率就比第一个信号的频率高。第三个信号不是按某个规律周期性变化的，那怎么谈它的频率呢？跟大家分享另一个例子：假设我们只有红，绿，蓝三种颜色的液体。现在给你一杯不知该叫什么颜色的液体，我们有什么办法来描述它？基本上来说，不管那杯未名的东西是什么颜色，按某个比例来混合红绿蓝三种液体总可以得到那杯东西的颜色。例如下图，红色混合绿色可以得到黄色，红绿蓝三种混在一起（图中正中那一块儿）可以得到大概可以称为米色的颜色，等等。

对于电磁波信号，类似地，第三个电磁波信号长成那样是因为多种不同频率的电磁波混合在一起了。也就是说，如果想得到一个奇怪的信号，我们可以按某种方式混合不同频率的信号。反过来，怎么样知道任意一个电磁波信号是由哪些不同频率混合出来的呢？也就是怎么把一个信号分解成不同频率的信号? 这就是让不少同学头疼的傅里叶变换以及频谱分析的内容了。讲到这，大家应该已注意到，我们只不过用了分解与组合的思想去研究信号。

还有一个问题，不知大家有没有发现：同一个电磁波信号，它有没有可能既能由频率为1，2，3的信号混合出来，又能由频率为4，5，6的信号混合出来呢？我们希望答案是不能。否则，谈这个电磁波的频率，我们不知道该谈1，2，3还是4，5，6了。为什么不能，就需要一些数学理论依据来保证了，此处省略