1.2.1　棒打鸳鸯——模拟信号离散数字化

在大哥大时代，频率调制技术可算得上一项非常了不起的技术了。不过再先进的无线技术也禁不住干扰信号的侵袭，更何况当时的无线通信系统是几乎没有能力排除无线信道中外来干扰信号的。既然改变不了无线通信中的信道质量，那就只能从通信系统内部改善做起了，具体做法是在发送端先把模拟信号离散数字化，在接收端再把数字信号进行还原。

正常的语音信号被转化成变化的电流时，波形虽然有所起伏，但还都是连续的，就像前面的心电图一样是一条连续的曲线。但现在我们要通过离散化处理把它抽象为数字信号，用一串数字1和0来表示信号。假设模拟信号的峰值是0.9，那么可以用一串数字0111来表示这个峰值，如果模拟信号某处的波谷值是-0.8，则可以通过1010来表示（这里不过是举个例子而已，实际上模拟信号的转换过程还是蛮复杂的）。那这样子只要我们能够耐得住性子，就可以把声音信号幅值的每一个点都用数字来表示出来。在这里，对连续信号的幅值进行采样取值使用的技术称为抽样技术，也就是对连续信号抽取样点技术。为了把原信号还原出来，我们当然希望抽样越密越好。但是抽样越多就意味着要转换和发送的数据量越大，这可咋办好呢？不用愁，其实这个问题已经被一个叫做奈奎斯特的专家解决了，他告诉我们，如果想要通过离散信号还原一个模拟无线信号，那么在对模拟信号进行抽样的时候，抽样的频率只要大于或等于模拟信号频率的2倍就行。例如，话音信号最高频率大约是3400Hz，为了在接收端还原语音信号，那么最低的抽样频率应为f=6800Hz，不过为了预留保护频带，国际电报电话咨询委员会规定话音信号的抽样率f=8000Hz，这也就是语音信号频率等于8000Hz的由来。模拟信号离散数字化的过程如图1-16所示。

从上面的图例中我们可以清楚地看到，通过采样-量化-编码三个步骤，原本是连续波形的模拟信号，最后被转换成了离散的数字信号，而这些数字信号0和1在物理上用电脉冲的发射或者静止来表示。例如要发送数字信号1就发送一个矩形脉冲；如果是发送0则保持静止就行。所以说通信系统把模拟信号转变成数字信号，信息的本质没变，但是传送的信号形式已经从本来连续的正弦波变成了零散的电脉冲。大家可以想象一下，如果电脉冲的宽度变得越来越窄，那么在单位时间内能发送电脉冲会越来越密，系统发送的信息量不就越来越多了？所以大家现在能用上4G LTE的100Mbit/s的上网速率，这小小电脉冲可是功不可没的。

数字信号系统花这么大的力气来把模拟信号转换为数字信号好处是非常多的，首先就是能更好地保证语音信息准确地传达到接收端。因为数字信号系统传送的是数字信号，如果担心电磁波信号在传送中被干扰，那么我们可以在发送的信号里面加入一些冗余的无用信息，让干扰信号去干扰这些冗余信息好了。再者，我们甚至可以把原来的语音信息打乱了分开来进行分别传输，这样一来就算有用信息干扰了也不会被干扰一大片，只会干扰到一整段信息中的一小部分，声音被还原后也只有一小段的杂音而已。由于数字信号有这些诱人的特点，所以自从第二代通信系统GSM以后，一直到现在的4G都使用采用数字信号的数字通信系统，模拟通信系统也就慢慢淡出咱们视野了。