下面從最基本的語音通信開始講什么是“編碼”。形容某地比較貧窮,人們常說“交通基本靠走,治安基本靠狗,通信基本靠吼”。這段極具戲謔色彩的文字,道出了沒有現代化工具時,社會生活的真實狀況。兩個人說話,沒有現代化通信手段,該怎么做?就是那句話—“通信基本靠吼”,在這一方面只能說,生理學會給你滿意的解釋。
現代社會中兩個人說話,方法就多了,除了“吼”之外,人類還發明了麥克風、擴音喇叭等工具,借助于它們把聲音放大,那是物理學、聲學的范疇。單說兩個人遠距離通話也就是在兩個人“吼”不到的地方,用麥克風或喇叭也傳遞不到的地方,怎么做呢?首先
要解決傳送問題。那么遠的距離,用電磁信號傳送是個好的選擇(當然,科學的解釋是這是目前主流的選擇,即使非要用錄音機把聲音錄制到磁帶上并通過特快專遞傳送到目的地,也是需要此技術來儲存的)。電信號在金屬介質上傳輸最好,而人們又不能用一根光管來傳送,那樣投入太大且很不實際。人們需要用合適的銅絲來解決電磁信號的傳送。那么如何把一個人的語音變成電磁信號呢?拋開一切已知的東西,從頭開始想象—在信息的源頭,需要一個盒子,在這個盒子里有能夠把人的說話聲變成電磁信號的裝置,并且有一個出口,以防止其成為“孤島”;而在信息目的地,有另外一個盒子,這個盒子里面有能夠把電磁信號還原成人的聲音的裝置。考慮信息的雙向傳遞,也就是“你說給我聽,我說給你聽”,那么兩邊的盒子各自都帶有聲音和電磁信號互相轉換的裝置。如果在18世紀或者更早,人們會給這個盒子起很多有趣的名字,但很不幸,現在是21世紀,人們已經失去的對比盒子的命名權,因為這個盒子就叫作“電話機”。
前面講過,“通信”也就是“電信”,是用電磁信號傳送媒體情報信息,那么通信第個要解決的問題是,如何把聲音、圖像、文本等變成電磁信號,如何把一系列的電磁信號有效傳送給對方,又如何在對端將其還原成聲音、圖像和文本。對于語音通信,從這個電話機開始,信息開始進入“編碼之旅”,聲音信息通過整個通信網,它數次變換編碼樣式,最成功到達彼岸,就像人的出行,坐火車也好,坐飛機也罷,坐船也是有可能的,期間還不可避免地要走幾步路,最終到達目的地。而在通信中,任何一種編碼都必須有非常嚴格、規范的定義,都要考慮諸多因素。
可以把編碼問題用貨物運輸的例子來作類比。編碼過程就像對貨物進行拆分和打包,以便把貨物通過交通工具和軌道安全運輸的過程。
根據貨物的體型、重量,客戶要求的到貨時間,價格等因素,來決定用火車、飛機、汽車還是輪船來運輸。有些命題更加復雜,比如要運送貨物到一個地方,必須通過陸路和水那么采取何種方式的組合才是最佳的運輸路徑?
對于一件形狀復雜的貨物,可以把它拆成若干份,貨物到達目的地以后,是不是還要考慮組裝?別指望組裝的這個人對這件貨物很了解,只有對每個部件作好編號,兩個貨棧協商好拆包、組裝規則(也許是一張圖紙),才能把貨物拆散、打包;同時,還要考慮用哪種合適的交通工具在特定的軌道上運輸,以及是否要在外包裝上標注“輕放”“向上”“防潮等字樣到達目的地后還要檢查是否所有貨物的所有部件都已經安全到達,若沒有安全到達,還要考慮如何花最小的代價重新發送一個新的部件。
任何選擇都是適應需求的,“絕又對合適”任何場景和需求的選擇是不存在的。任何編碼都是為了適應不同的傳送需求,這一點和貨運的例子如出一轍。
飛機是迄今最快捷的交通工具,但其運輸成本也是最高的,如果運輸貨物從北京到天津,大可不必用飛機來“擺譜”;輪船是大宗貨物的上佳選擇,但要運輸新鮮瓜果蔬菜的話,千萬不要指望它,希望在船上腌醬菜的除外。再比如,有的貨物運輸對實時性的要求很高,而體積較大,么就要考慮如何把貨物拆得大小得體,并通過較快的運輸工具和路線進行運輸。太大的包會需要很大的車(如火車和卡車),如果走水路,還需要考慮輪船航運,而很大的交通工具的運送時間會較長;拆分后的包如果很大,丟失一個包造成的影響將會很大,而太小的包會增加打包時間,并且會增加額外的開銷(比如要考慮貨物打包后的外包裝,其既占空間又增加重量,可能還要多印刷幾個“輕放”之類的標簽呢)。另外,包多了以后,車的數量也要增多,又需要增加人手來開車和押運,所有成本都會不同程度地增加。除此之外,有的包丟失一個兩個沒有關系,就像在公路上運輸煤,掉落幾塊煤并不會影響其他煤的使用,而有的貨物,比如數控機床,一旦拆開,必須保證每個部件都送達對方,少一個包(即少若干部件)就會造成整臺機床無法使用。總之,需要根據貨物的特點打包,然后選擇合適的交通工具運輸。
當然,通信和貨運還是有很大區別的。對于貨物和汽車,絕對不會有人把它們弄混,用肉眼就能區別出來。而在通信中傳送的信息和承載這些信息的額外“包裝”是組合在一起的,要區分它們,就沒這么容易。比如銅線上傳送的是電壓的高低,無論是信息開銷(“包裝”),還是信息本身,都是類似“0”“1”這樣的狀態電壓,如果不用特定的技術,是沒辦法把它們區別開的。后面講到的每種技術體制,如以太網、IP、ATM、SDH,都有專門的技術把“信息開銷”和“信息”區別開來。除此之外,通信中的信號還有一些特性是貨運不具備的,那就是電磁信號的可復制性和可再生性。在貨運中,貨物如果丟失,只能重新購買一份相同的,因為貨物無法復制和再生。而在通信網中,如果某個信號丟失,從信息源處可以很容易復制出一個一樣的信號而再次發送,而整個通信系統的設計,只需考慮如何偵測是否有信號丟失,若有信號丟失,如何通知信息源重新傳送該信號。