从摩斯码到5G通信网络波澜壮阔的发展史

陕西科技报 2019-03-13 10:01 大字

?风筝实验——富兰克林将系着钥匙的风筝用金属线放到云层中,闪电击中钥匙,顺着金属线被富兰克林的手感知到。

【萌芽期:现代通信的诞生

公元前600年左右,古希腊哲学家泰勒斯闲着没事,拿家里的琥珀棒蹭一只小猫,蹭着蹭着,他发现,琥珀棒把小猫的毛都吸起来了。

现在我们都知道,这是因为静电。但是,当时的人(包括泰勒斯)并不知道。泰勒斯认为,这和磁铁是一个原理,他将这种未知的神秘力量称之为“电”。

其实,人类文明对“电”的记载可以追溯到更早。公元前2750年撰写的古埃及书籍中,人们就记录了一种叫做发电鱼(其实就是电鳐)的生物,这些鱼被称为“尼罗河的雷使者”。不管是古埃及人还是古希腊人,都不会想到,这个“电”在几千年后,彻底改变了人类的命运。

1600年,英国女王伊丽莎白一世的御医,英国人威廉·吉尔伯特用拉丁语“电”来描述某些物质相互摩擦时所施加的力量。他还写了一本传世名著——《论磁》。在书中,他认为电的产生需要摩擦,而磁铁不用,所以,电和磁是两回事。这个观念持续了很多年,人们一直把电和磁作为毫无关系的学科分开研究。后来,越来越多的人开始研究电,并取得了不错的进展。其中最伟大的发现就是本杰明·富兰克林的“风筝实验”。

到了1820年,丹麦人汉斯·奥斯特发现了电流的磁效应,重新建立了电与磁之间的联系。

1821年,英国人迈克尔·法拉第发明了电动机。10年后,1831年,他又发现了电磁感应定律,并且制造出世界上第一台能产生持续电流的发电机。

伟大的时代,不断诞生伟大的发明。1837年,美国人摩斯发明了摩斯电码和有线电报。有线电报的出现,具有划时代的意义——它让人类获得了一种全新的信息传递方式,这种方式“看不见”“摸不着”“听不到”,完全不同于以往的信件、旗语、号角、烽火。

1865年,英国人詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出了麦克斯韦方程组,建立了经典电动力学,并且预言了电磁波的存在。

1876年,美国人亚历山大·贝尔申请了电话专利,成为了电话之父。虽然真正的电话之父应该是安东尼奥·穆齐,但他因为过于贫穷,无钱申请专利,导致被贝尔捡漏。

1888年,德国人海因里希·鲁道夫·赫兹用实验证明了电磁波的存在。至此,经典电磁理论大厦正式落成。

1896年,意大利人伽利尔摩·马可尼实现了人类历史上首次无线电通信,通信距离为30米(次年达到2英里)。从此刻起,人类正式推开了无线通信时代的大门。

【蛰伏期:等待,耐心的等待

在电话被发明之后,人们的声音可以在电线上传播。对于通信网络来说,要解决的主要问题就是如何布设和接续这些电线。最开始的时候,是采用人工交换机的方式进行接续。随着用户的增加,电话网络变得越来越庞大,电话线路从几百条变成几千条、几万条,人工交换机显然已经无法满足需求,除了工作量难以承受之外,差错率也很高。

1891年,有一个名叫史端乔的殡仪馆老板制作了世界上第一台步进制电话交换机。这是一种机械式的交换机,虽然它实现了替代人工,但是仍然存在很多缺点,例如接点是滑动式的,可靠性差,易损坏,动作慢,结构复杂,体积大等。

1919年,瑞典工程师贝塔兰德和帕尔姆格伦共同发明了一种“纵横接线器”的新型选择器,将过去的滑动式改成了点触式,从而减少了磨损,提高了使用寿命。

1926年,世界上第一个大型纵横制自动电话交换机在瑞典松兹瓦尔市投入使用。到了1938年,美国开通了1号纵横制自动电话交换系统。紧接着,法国、日本等国家也相继生产和使用该类系统。从此,人类正式进入纵横制交换机的时代。

1947年12月,美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿组成的研究小组发明了晶体管。晶体管的诞生,掀起了微电子革命的浪潮,也为后来集成电路的降生吹响了号角。

1965年,美国贝尔成功生产了世界上第一台商用存储程式控制交换机(即“程控交换机”)。它以预先编好的程序来控制交换机的接续动作,接续速度快、功能多、效率高、声音清晰、质量可靠、容量大。

在马可尼发明无线电报之后的很长一段时间,无线通信都处于单向通信状态。广播就是这样一种“一对多”的单工工作方式。二战时期,摩托罗拉公司开发出SCR-300军用步话机,实现了距离可达12.9公里的远距离无线通信。1946年,贝尔实验室在战地步话机的基础上,制造了世界第一部所谓的“移动通讯电话”。

1958年,苏联工程师列昂尼德。库普里扬诺维奇发明了ЛК-1型移动电话。这个电话还是装在汽车上才能使用。

步入70年代,终于迎来了无线通信技术的大爆发。1973年4月的一天,一名男子站在纽约街头,掏出一个约有两块砖头那么大的设备,并对它说话,引得路人纷纷侧目。这个人,就是手机的发明者马丁库帕。马丁库帕发明的手机,是世界上第一部真正意义上的手机,单人可以携带,可以在移动中通话。

手机的发明,标志着人类敲开了全民通信时代的大门,也标志着无线通信开始了对有线通信的反超。

【爆发期:从1G到5G,日新月异的移动通信

移动通信的开端理所当然地被称为1G时代。主宰1G时代的,就是摩托罗拉。1G时代的象征,就是像砖块一样的大哥大手机。

1980年后,大哥大逐渐走入了人们的生活。人们开始使用它进行远距离通信。

1G使用的是模拟通信技术,保密性差,容量低,通话质量也不行,信号不稳定。

80年代后期,随着大规模集成电路、微处理器与数字信号技术的日趋成熟,人们开始研究模拟通信向数字通信的转型。于是,很快我们就迎来了2G时代。

2G是数字移动通信技术的闪亮登场。刚起步时,为了摆脱1G时代通信标准被美国垄断的局面,欧洲打算自己搞一个通信标准。于是,1982年,欧洲邮电管理委员会成立了“移动专家组”,专门负责通信标准的研究。

这个“移动专家组”法语缩写是GroupeSpécialMobile,后来这一缩写的含义被改为“全球移动通信系统”(GlobalSystemforMobilecom-munications),也就是大名鼎鼎的GSM。

【展望未来:通信路在何方?

人类前进的脚步不会停止,通信技术的发展和演进也同样不会停止。

无线通信的主攻方向是无线空中接口的带宽。通过5G的MassiveMI-MO增强型天线阵列、波束赋形、更强的编码方式,进一步榨干电磁波的潜力。

而有线通信这边,光纤似乎已经能够满足带宽要求,交换设备的处理能力,也不存在技术瓶颈。目前主要的努力方向是如何做到更低成本,更高灵活性、扩展性和安全性,如何找到性能、需求和成本之间的完美平衡点。

AI人工智能的引入,还有云计算大数据技术的成熟很可能会助力通信系统的下一步升级,帮助上述目标的实现。

总而言之,电磁学作为现代通信技术的理论根基,已经有130多年的历史。在通信领域无数人的接力下,已经在逼近极限。相信在不久的将来,一定会有伟大的科学家冲破穹顶,带来新世界的曙光。

(综 合)

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