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                    《張江科技評論》

                    開博時間:2019-06-06 14:03:00

                    《張江科技評論》是由上??茖W技術出版社與上海市張江高科技園區管理委員聯合創辦的一本科技評論類雜志。該刊報道評價國內外創新性科學技術的發展趨勢及其商業價值,介紹上海在建設全球領先科創中心進程中的制度成果、技術成果、創業成果,推動產學研密切協作,促進科技成果轉化,服務經濟轉型發展。

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                    通信技術的前世今生

                    2019-07-11 01:26:00

                      早在史前時期,人與人之間就用各種原始的方式相互進行遠距離信息交流。隨著社會生產力的不斷變革、發展,人類通信的技術與方式也發生了翻天覆地的變化,通信技術的變革成為人類文明的重要標志。

                      從“結繩記事”到驛傳系統的建立

                      早在170萬年前到公元前16世紀的上古時期,人類就已經開始用簡單的語言、壁畫等方式交換信息。

                      最初,原始人只能依靠天生的技能“吼”來進行溝通,只有聲音足夠大,才能勉強實現稍遠距離的傳播?!敖Y繩記事”的發明為人類進行信息傳遞開辟了新的道路。結繩記事在我國古代歷史上應用廣泛且年代久遠,史書中多有記載?!吨芤住分袑懙溃骸吧瞎沤Y繩而治,后世圣人易之以書契。百官以治,萬民以察?!薄肚f子》中也記載了:“昔者容成氏……祝融氏、伏羲氏、神農氏,當是時也,民結繩而用之?!苯Y繩記事并非中國專利,古代印加人也有此習慣。即使到了近代,一些沒有文字的民族,仍然采用結繩記事來傳遞信息。此外,在遠古時期人類還曾利用圖符、壁畫來交換信息,我國內蒙古地區發現的陰山巖畫就記錄了1萬年前人類狩獵、舞蹈、祭祀和戰爭等活動。

                      人類運用聲音來傳遞信息的歷史十分悠久。根據殷墟出土的甲骨文上的記載,最早有組織的通信活動就是通過擊鼓來傳報邊境的軍情。據考證,商朝時,商王不僅派重兵把守邊境,還設置用銅做成的直徑為2~3米的大鼓,將其置于高高的架子上。一旦出現敵情,守鼓士兵立即敲擊大鼓,通過鼓點的間隔節奏來表示不同的內容。鼓聲頻傳,一站接一站,把外敵入侵的緊急軍情,迅速向天子報告。春秋多亂之時,諸侯小國林立,這種用鼓聲傳遞信息的方法更是成了作戰通信的主要手段,有效地起到了通信聯絡的作用,確保各國能及時聯防,共同對敵。我國古代也曾使用“擊鼓進軍”“鳴金收兵”來指揮戰爭,通過整齊沉重的鼓點來表示沖鋒的意圖,用能夠穿透整個戰場的金屬鑼聲來傳達撤退的命令。

                      商周時期,烽火臺的發明讓快速、遠距離的信息傳遞成為可能。每逢夜間預警,守臺人點燃籠中柴草并把它舉高,靠火光給領臺傳遞信息,白天則點燃臺上積存的薪草,以煙示急。為了使煙直而不彎,以便遠遠就能望見,還常以狼糞代替薪草,所以又稱狼煙。但是,烽火并非普通人之間的通信手段,它只服務于古代軍事戰爭。

                      文字的發明使得傳遞信息的內容更為直觀、豐富,且便于保存。從殷商時代起,我國就開始以文字的形式來傳遞軍事信息,這也揭開了我國書信發展的輝煌篇章。春秋時期,列國紛爭,在特使外交中,常常伴以書信外交,正如劉勰在《文心雕龍?書記》中所描述的“三代政暇,文翰頗疏。春秋聘繁,書介彌盛?!蔽覈捏A傳制度大約始于春秋戰國時期。秦朝起建立了專門的驛傳機構,隨后漢承秦制、驛傳制度得以完備,將以車傳送稱為“傳”,以馬傳送稱為“驛”,以步遞送稱為“郵”。值得注意的是,在交通能力有限的情況下,隨著傳播需求的不斷增長,書寫材料對驛傳有較大的影響,這也是人們創造更輕便的書寫材料的重要原因。隨著紙的發明和普及,到東漢中后期,民間已逐漸把紙當作信件的書寫材料了。隨著政治、經濟和文化的發展,隋唐時期的驛傳得到空前發展。到了唐朝,“郵驛”系統被分為了陸驛、水驛和水陸兼辦三種。元朝時期,由于軍事活動范圍的擴大,通信事業隨之更加發展,僅在中國境內就設有驛站1496處。

                      盡管有著龐大的驛傳系統,但交通工具的限制使得信息傳遞的速度依然難以滿足人們的需求。為了提高信息傳遞速度,盛唐時期,我國部分地區還利用鴿子的歸巢性進行定向信息傳遞。但是,這種方式適用范圍小,傳輸的信息量也較小,并不適宜推廣。

                      此外,人類社會發展過程中還采用了手語、燈塔、旗語等進行通信。至今,在現代社會中仍能看見這些古老方式的影子,如交通警察的指揮手語、航海中的旗語等,這些方式共同的特點在于主要依靠人的視覺與聽覺來傳遞信息,且形式簡單。

                      電報的誕生是現代通信技術的開端

                      1753年2月17日,《蘇格蘭人》雜志上發表了一封署名“C?M”的書信,提出了用電流進行通信的大膽設想。盡管這個想法并不十分成熟,且在當時缺乏應用推廣的經濟環境,卻讓人們看到了電信時代的一縷曙光。隨后,一些發明家嘗試利用靜電原理制作了電報機,但因為靜電的功率太小,在傳遞過程中很容易被損耗,發信和收信的工作繁瑣又容易出錯,難以真正運用到實際中,均以失敗告終。

                      1825年,人們第一次采用了騎馬持信號旗的方式引導列車前進。1832年,美國在紐卡斯爾-法蘭西堂鐵路線上開始使用球形固定信號裝置,以傳達列車運行的消息。如果列車能準時到達就懸掛白球,如果列車晚點則懸掛黑球。這種信號機每隔5000米安裝1架。鐵路員工用望遠鏡瞭望,沿線互傳消息。然而,隨著鐵路線、火車數量及線路利用率的不斷增長,鐵路系統迫切需要一種不受天氣影響、沒有時間限制又比火車跑得快的通信工具,用以通報調度信息等。幾乎同一時期,1820年,丹麥哥本哈根大學物理學教授奧斯特(Hans Christian Oersted)發表了論文《關于磁針上電沖突作用的實驗》,向科學界宣布了電流的磁效應,開辟了物理學的新領域──電磁學。在此基礎上,法國物理學家安培(André-Marie Ampère)又進一步做了大量實驗,研究了磁場方向與電流方向之間的關系,并總結出安培定則。1831年,英國物理學家法拉第(Michael Faraday)發現了電磁感應定律,奠定了電磁學的理論基礎。至此,發明電報的市場、基本技術條件均已具備。

                      1832年,俄國外交家希林(Pavel Schilling)利用電磁感應理論把線圈和磁針組合在一起,做出了電報的第二代原型機,其原理是通過改變通電電流的強度,令磁針發生不同角度的偏轉,再利用不同的角度代表不同的字母。但是,這個指針式電報機因為對要表征的字母的復雜性和精度要求過高,并未實際投入商用。1837年,英國人惠特斯通(Charles Wheatstone)和庫克(William Fothergill Cooke)在希林電報機的基礎上進行了改進,發明了五針式電報機,在英國獲得了專利權,并首次在鐵路上獲得了應用。但是,這種電報機存在缺陷,即只能收發20個字母,因此始終未得到廣泛推廣和使用。

                      在大洋彼岸的美國,莫爾斯(Samuel Morse)也于1837年發明了電報機,并獲得了美國的專利認證。與希林等人發明的電報機原理不同,莫爾斯電報機利用的是電鍵控制電路接通或斷開的時間,繪制出不同的點、橫線和空白組合來表示對應的字母及數字,這種編碼也被稱為摩斯電碼。1843年,莫爾斯用國會贊助的3萬美元建起了從華盛頓到巴爾的摩之間長達64千米的電報線路。1844年5月24日,莫爾斯在美國國會大廳里,親自按動電報機按鍵,向巴爾的摩發送了世界上的第一封電報“上帝啊,你創造了何等的奇跡”,引起了全世界的轟動。電報迅速風靡全球,真正開始了用電作為信息載體的歷史,這是人類通信歷史上一次巨大的飛躍。這種以電信號作為新的載體的通信方式迅速發展,由此帶來了一系列技術革新,使人類的信息傳遞脫離了常規的視覺和聽覺方式,大大擴展了人類信息傳遞的范圍,讓神話故事中的“順風耳”“千里眼”在現實生活中得以呈現,開創了人類通信史的新時代。

                      架設電纜是電報收發的基礎。為了擴大電報傳遞信息的范圍,1851年,世界上第一條橫跨英吉利海峽的海底電纜敷設成功,這條電纜成為連接英、法之間的電報網絡。這一時期,不僅是海底電纜,國際陸線網絡也迅速建成。1866年,大西洋海底電纜敷設成功,將歐洲和美洲大陸緊緊聯系在一起。然而,電纜的架設成本高、限制多,單純依靠電纜的架設依然限制了信息的傳播范圍。1865年,英國物理學家麥克斯韋(James Clerk Maxwell)預言了電磁波的存在,認為電磁波只可能是橫波,并推導出電磁波的傳播速度等于光速,同時證明了光是電磁波的一種形式,揭示了光現象與電磁現象之間的聯系,成為人類歷史上預言電磁波存在的第一人。1888年,德國青年物理學家赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)用電波環進行了一系列實驗,證明了電磁波的存在,也證明了麥克斯韋的電磁理論,從而推動了無線電的誕生和電子技術的發展。

                      19世紀90年代,特斯拉(Nikola Tesla)等科學家著手研究如何利用無線電發送電報。1893年,特斯拉在美國密蘇里州圣路易斯首次公開展示了無線電通信。1896年,意大利人馬可尼(Guglielmo Marconi)首次成功運用無線電技術收發了電報。1899年,他建立起了跨越英吉利海峽的法國與英國之間的無線電通信。1901年,他首次以無線電進行跨越大西洋的通信。1909年,馬可尼因發明無線電報技術獲得了諾貝爾物理學獎,被世人稱作“無線電之父”。無線電報的發明使流動通信變成可能,讓通信的距離和范圍迅速擴張,且在商業、航海及軍事中具有廣闊的應用前景。

                      電話的發明使聲音的遠距離傳遞成為現實

                      各行各業對快速通信的迫切需求支撐起了電報業的快速發展與擴張。但是,電報也存在不足。發報前需要事先擬稿或者翻電服本譯成電碼,然后把電報稿交電報局的報務員按次序拍發出去。如果等回電,就要在對方收到電報后,按照同樣的程序發送回電,一次往返需要很長時間。因此,一些發明家開始研究是否能發明一種通信工具通過傳遞聲音進行實時交流。

                      1860年,德國發明家賴斯(Johann Philipp Reis)第一次成功地用電流傳送了一段旋律,并為這個裝置起了個名字“telephone”,一直沿用至今。但是,這種電話機還很不完善,由于送話器產生的電流是不連續的,所以傳過來的聲音也就斷斷續續,聽不清楚。盡管如此,賴斯的嘗試已經很明確地證明可以通過電流傳遞聲音,是電話發明史上跨時代的重要一步,為后來的發展打下了堅實的基礎。

                      1876年,美國發明家貝爾(Alexander Graham Bell)成為世界上第一個獲得電話專利權的人。貝爾的發明源于其在“多路電報機”的實驗過程中突發奇想:能否用電流的強弱模擬聲音大小的變化,從而用電流傳送聲音。經過不斷試驗和改進,他用兩根導線連接起兩個結構完全相同、在電磁鐵上裝有振動膜片的送話器和受話器,首先實現了兩端通話。這種電話機使用起來并不方便,最初也只能向一個方向傳話,但比發電報還是方便得多。電話發明的當年,貝爾和他的助手華生借用電報的線路進行了相距幾十千米的通話試驗,證明了電話的可用性。1877年,連接波士頓和紐約架設的第一條電話線路開通。同年,有人第一次用電話給《波士頓環球報》發送了新聞消息,從此開始了公眾使用電話的時代,電話業務也開始快速發展。

                      此后的幾十年間,美國發明家愛迪生(Thomas Edison)發明了碳精送話器,大大改進了通話的質量;步進制電話交換機、縱橫制電話交換機、半電子制電話交換機等自動電話設備相繼問世,促使電話通信進一步發展。隨著無線電技術的推廣,無線電語音通話成為現實。1921年,美國底特律和密歇根警察廳開始使用車載無線電,這也是現代移動通信系統的早期原型。

                      廣播和電視的發明讓信息傳播更加廣泛

                      20世紀初,英國電氣工程師弗萊明(John Ambrose Fleming)發明了二極管,美國發明家德福雷斯特(Lee De Forest)緊隨其后發明了真空三極管,讓全世界跨入電子時代,大大加快了通信技術的發展。1906年,美國物理學家費森登(Reginald Fessenden)成功地進行了無線電廣播實驗。1920年,美國第一個也是世界上第一個取得營業執照的商業廣播電臺匹茲堡KDKD廣播電臺開始播音。隨后,各國的無線電廣播陸續誕生。隨著使用波長的不斷改進及調頻技術的發明,廣播事業在世界各地蓬勃發展,收音機成為人們了解時事新聞的方便途徑。

                      在實現了對聲音的廣泛傳播后,人類開始探索對圖像的遠距離傳輸。1925年,英國工程師貝爾德(John Logie Baird)以機械掃描方法實現了影像的映射,嚴格地說,這并非真正的電視機,只是顯像管技術。隨著光電攝像管、電子掃描系統和電子束顯像管技術的不斷發展,電視的發展才進入實用階段。20世紀30年代末期,英國和美國開始出現黑白電視廣播。到了50年代初期,黑白電視廣播開始在各國普及。隨著全電子管彩色電視機的發明、超短波轉播站的建立,到60年代后期,彩色電視機才開始進入一些國家,并逐漸普及。

                      廣播和電視的普及讓信息的傳遞更加便利、快捷,讓人們能夠更及時地獲取信息,也改善了人們的生活質量。

                      信息論的誕生為數字通信時代的到來奠定了基礎

                      20世紀20年代,美國工程師尼奎斯特(Harry Nyquist)和哈特利(Ralph Hartley)最早開始研究通信系統傳輸信息的能力,并試圖度量系統的信道容量。1948年10月,美國數學家香農(Claude Elwood Shannon)發表的《通信的數學理論》宣告了現代信息論的誕生。他把通信理論的解釋公式化,對如何有效地傳輸信息的問題進行了研究。這一理論被世界各國的通信工程師和數學家采用,并對其進行了詳細的論述、擴展和完善,為數字通信技術的發展提供了理論工具。同時,隨著晶體管、微電子技術的發展,電子計算機迅速發展,其強大的信息處理功能和越來越廣泛的應用場景對通信技術有了更高的要求,也推動了數字化信息時代的到來。

                      經濟社會的快速發展,使人們對移動通信有了大量需求。1986年,第一代移動通信技術在美國芝加哥誕生,打開了現代移動通信的大門。第一代移動通信技術采用模擬信號傳輸,即將電磁波進行頻率調制后,將語音信號轉換到載波電磁波上。載有信息的電磁波發布到空間后,由接收設備接收,并從載波電磁波上還原語音信息,完成一次通話。但是,由于各個國家的通信標準不一致,第一代移動通信并不能“全球漫游”,由于采用模擬信號傳輸,容量非常有限,一般只能傳輸語音信號,存在語音品質低、信號不穩定、涵蓋范圍不夠全面、安全性差和易受干擾等問題,大大阻礙了其發展。盡管如此,在那個時代,手拿“大哥大”確確實實已成為一個人身份和財富的象征。

                      從20世紀80年代中期到21世紀初,第二代移動通信技術迅速發展。第二代移動通信技術采用的是數字調制技術,相較于第一代技術系統容量有所增加。盡管數據傳輸的速度慢,但運用手機進行文字信息傳輸成為現實,且已經能夠實現手機上網,為當今移動互聯網發展奠定了基礎,摩托羅拉、諾基亞等移動終端生產商迅速發展壯大。到了20世紀90年代后期,移動通信市場逐漸飽和,日益增長的圖片和視頻傳輸的需求使得人們對數據傳輸速度有了更高的要求,第三代、第四代移動通信技術相繼誕生。通過開辟新的電磁波頻譜、制定新的通信標準,第三代移動通信技術的傳輸速度能夠達到第二代技術的140倍,開啟了移動通信的新紀元。隨著互聯網的普及和在線內容的流行,第四代移動通信技術在增加數據和語音容量、提高整體體驗質量和傳輸速度上進一步提升,傳輸速度達到上一代技術的50倍。如今,第四代移動通信技術已經像“水電”一樣成為我們生活中不可缺少的基本資源,也推動了移動互聯網相關產業的持續發展,使得通信、商務金融、文化娛樂等各個方面在移動互聯網上的業務應用和創新日益豐富,成為新的經濟增長點。第五代移動通信技術也正在緊鑼密鼓地研發中,它將不僅擁有更高速率、更大帶寬、更強能力,而且是一個多業務、多技術融合的網絡,更是面向業務應用和用戶體驗的智能網絡,最終將形成以用戶為中心的信息生態系統,成為經濟社會數字化轉型的關鍵基礎設施,為實現萬物的互聯互通以及無人駕駛、物聯網、車聯網、智能制造、遠程醫療等行業的發展奠定基礎,從而推動我國數字經濟發展邁上新臺階。

                      隨著數字通信業務的不斷擴張,通信傳輸技術和方式也得到了迅速發展。1965年,美國成功發射了第一顆實用對地靜止通信衛星。此后,衛星通信迅速發展,推動了無線通信技術的再一次發展。20世紀70年代,以光波作為信息傳輸載體的光纖通信技術橫空出世,并以其傳輸頻帶寬、抗干擾性強和信號衰減小,遠優于電纜、微波通信的傳輸,成為世界上主要通信傳輸方式之一。

                      量子通信技術即將開啟新的通信時代

                      作為近代物理的兩大支柱理論之一,量子力學極大地影響了人們認識世界和改變世界的能力,其基本原理已被應用于信息科學等領域。其中,量子通信是主要的應用方向,其主要形式包括基于量子密鑰分發的量子保密通信、量子密集編碼和量子隱形傳態等。

                      1984年,美國科學家本內特(Charles Henry Bennett)和加拿大科學家布拉薩德(Gilles Brassard)首次提出了利用量子比特作為信息載體,通信雙方先產生并安全分配量子密鑰,然后用分配好的密鑰,以“一次一密”的方式實現安全通信。隨后,多國科學家進行了大量的研究工作。美國、歐盟、日本、中國等均已把量子通信作為21世紀的戰略項目,并投入了大量的人力和資金支持。相較于傳統通信方式,量子通信具備的絕對安全特性,使之在國家安全、金融等信息安全領域有著重大的應用價值和前景,并已逐漸從理論走到現實。

                      經過20多年的發展,我國在量子通信領域的研究和實踐在國際上已處于領先地位。我國在國際上首次實現了安全距離超過百千米的光纖量子通信和首個全通型量子通信網絡,建成了首個規?;怯蛄孔油ㄐ啪W絡,首次將自由空間量子通信的距離突破到百千米量級。2016年,國際上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在酒泉衛星發射中心成功發射;同年底,連接北京、上海的高可信、可擴展、軍民融合的光纖量子保密通信骨干網“京滬干線”全線貫通,初步構建了我國天地一體的廣域量子通信基礎設施。目前,我國自主研制的量子通信裝備和技術已為紀念中華人民共和國成立60周年閱兵、黨的十八大、紀念抗戰勝利70周年閱兵等國家重要政治活動提供了信息安全保障,并運用于金融業、商業等數據加密傳輸。

                      通信技術的變遷與發展,是科學的重大發現和人類經濟社會發展過程中日益增長的信息交流需求共同作用的結果。每一次的技術變革都極大地改變了人們的生活方式和溝通方式。通信也逐漸成為人類生活的必需品,變成推動社會發展的最重要動力之一。無論未來通信技術如何發展,為人類提供更好的通信服務,讓我們的生活日新月異,仍是永恒的主題與趨勢。

                      鄧元慧,中國科協創新戰略研究院助理研究員,博士。

                      王國強,中國科協創新戰略研究院研究員,博士,主要研究方向為科技史、科技政策和科技傳播。

                      作者:鄧元慧、王國強
                      本文來自《張江科技評論》雜志
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