通信技术改革 走向万物互联的星辰大海

2019-07-10 01:22:58 科学大众·小诺贝尔2019年5期

苏更林

曾记否,在人类漫长的历史长河中,有关顺风耳和千里眼的千古传说,在向我们诉说着远古时代人们对于沟通和通信的期待。如今,我们拿起手机,点开4G网络,便可随时随地进行通话、视频,乃至足不出户便可购物、看电影。而更快的5G也即将到来......更令我们惊讶的是,5G才看到曙光,而多国却已开始角逐6G网络探索(2019年3月24日至26日,各国200多位顶尖无线通信专家齐聚芬兰莱维,参加由芬兰奥卢大学主办的全球首个6G峰会,峰会主旨是“为6G到来铺平道路”)......这通信网络的发展速度是不是超出了同学们的想象?

可同学们知道吗?人类是经过182年的探索和积淀,才成就了如今通信网络的快速与辉煌!今天,就带同学们一起回溯人类通信的发展之旅!

有线电报:一线牵世界

现代通信是从电报的发明开始的,正是电报的发明拉开了电信时代的序幕,并开创了人类利用电来传递信息的历史。然而,发明电报的人既不是物理学家,也不是电学家,而是一位美国的画家。

一次极其普通的旅行改变了画家莫尔斯的人生,也改变了人类的通信史。1832年10月1日,一艘名叫“萨丽”号的邮轮从法国北部的勒阿弗尔港起航,驶向纽约。在游轮上,一位美国的电学博士杰克逊滔滔不绝地讲着电磁学的传奇。既然电流的传播速度是30万千米/秒,那能不能用电流来进行远距离信息传递呢?莫尔斯第一次听说电磁感应,就完全被电给迷住了。也就是在从法国返回美国的旅途中,莫尔斯萌发了发明电报的想法。

莫尔斯毅然决定放弃自己钟爱的绘画事业,并改行进行电报装置的研究。然而,莫尔斯的物理基础很不扎实,要掌握电磁学知识谈何容易!为了攻克电磁学这块硬骨头,莫尔斯只得向纽约大学物理学教授盖尔请教,学会了电磁铁制造和电池组装的方法。

莫尔斯还拜著名物理学家约瑟夫·亨利为师,从而为其发明电报机铺平了道路。1831年,约瑟夫·亨利提出了电报原理,并利用电磁铁做成的电铃把信号传到了1.6千米之外的地方。其实,这就是电磁音響式电报机的最早模型。莫尔斯把约瑟夫·亨利的电报原理当作心中的目标,并不知疲倦地为之探索。

莫尔斯从导线中流动的电流在突然截止时会迸出火花这一现象中得到启发,大胆提出把电流接通而没有火花作为一种信号,把电流截止瞬间发出火花作为另一种信号,把电流接通时间加长再作为一种信号。把这三种信号组合起来就可以代表全部的字母和数字了,据此把文字信息通过电流的流动而传到远处去。

1837年,莫尔斯发明了著名的莫尔斯电码。所谓莫尔斯电码,就是利用“点”“划”和“间隔”的不同组合来表示字母、数字以及标点符号的一套电码系统。历经数年,莫尔斯终于研制成功了用以发送和接收电报的电报机。1844年5月24日,在美国国会大厅里举行了一次隆重的电报机通信实验。莫尔斯用其颤抖的手向巴尔的摩发出了人类历史上的第一份电报:“上帝创造了何等奇迹!”这一天成了国际公认的电报发明日,莫尔斯的电报也因此风靡全球。

电话:让声音流动起来

要说电话发明,我们还得从“电话巨人”贝尔说起。最初,贝尔从事电气试验的目的是为了研究发声的规律。后来,贝尔隐约产生了一个想法,那就是用电流把声音从一个地方传送到另一个地方。在那个时代,搞电话发明的大有人在。而贝尔在电学方面的知识积累并不扎实,要攀登电话发明高峰存在许多困难。美国著名物理学家约瑟夫·亨利对贝尔说:“你有一个伟大的梦想,那就扎扎实实地去干吧!”

贝尔一边学习电学知识,一边进行多工电报的实验。在1874年的一天,当贝尔在做电报实验时,偶然发现当一块铁片在磁铁前振动时会发出微弱的声音,并且这种声音还能通过导线传向远方。他想,如果对着铁片说话,不也可以引起铁片的振动吗?这其实就是贝尔关于电话原理的最初构想。

1875年6月2日,贝尔和他的助手沃森正在紧张地进行电报机的试验研究。突然,贝尔大喊了一声:“你什么都不要动,让我去看看!”原来,在沃森拨动簧片的同时,贝尔在接收端的簧片上听到了一种音色丰富的声音。根据经验,贝尔意识到这是一个不同寻常的发现。

1876年初,贝尔在圆筒的下口蒙上了一层膜片,并从膜片的中央向下伸出了一根楔形针,这个楔形针部分浸在含有电解质的溶液中。楔形针与溶液的接触面积会随着膜片的振动而不断改变,从而包括楔形针和溶液在内的电路的电阻也会随之发生改变。电路电阻的改变又会引起与之串联的听筒线圈电流的变化,这样不就可以达到传声的目的了吗?

1876年3月10日,沃森突然从听筒里听到了一个非常清晰的呼叫声——“沃森先生,快来帮我呀!”原来,贝尔不小心把蓄电池里的硫酸洒到了身上,因此才不禁叫了起来。这句求救的话语竟然成为了永恒,并与电话机的名字一同珍藏在历史的记忆中。

无线通信:用电波征服地球

电报和电话的发明,开辟了电学通信技术的新纪元。然而,无论是电报还是电话通信,都离不开用导线铺就的传输通道,这就使得电报和电话通信具有很大的局限性。

1896年,意大利人伽利尔摩·马可尼实现了人类历史上的首次无线电通信,使通信技术摆脱了传输导线的束缚。这是人类通信技术史上的一次飞跃,伽利尔摩·马可尼也因此被誉为实用无线电通信技术的创始人。

之所以要在“无线电通信技术的创始人”之前加上“实用”二字,这还得从德国物理学家赫兹的一个著名实验说起。实际上,赫兹的实验装置就是一台无线电传送装置。火花在球形电极间跳动时产生了无线电波,当一个小的火花在接收器穿过时可以接收到该无线电波。但赫兹并没有进一步探索电磁波的实际应用,并于1894年去世了。

从赫兹实验的小火花中,有两位年轻人看到了电磁波通信的实用价值,他们就是意大利青年工程师伽利尔摩·马可尼以及俄国发明家波波夫。1896年3月24日,波波夫发出了世界上第一份无线电报,传播距离为250米。但是,波波夫并没有为他的发明注册,也没有实现商业化。

几乎在同时,伽利尔摩·马可尼也在探索无线电通信技术。他把自家的菜园子作为实验基地,经过10年的努力探索,他终于完成了2000米距离的无线电通信实验。在这次实验中,他采用了接地天线的方法,来加强电磁波的发射能力。

无线电通信实验成功了,走向商业化之路才刚刚开始。伽利尔摩·马可尼请求意大利政府给予资助,但遭到了拒绝。于是,伽利尔摩·马可尼转而求助于英国。这一次他如愿以偿了,英国海军部决定资助伽利尔摩·马可尼的无线电通信研究。1899年3月,伽利尔摩·马可尼出色完成了英国和法国海岸间相隔45千米的无线电通信实验。

由于伽利尔摩·马可尼在无线电通信技术实用化和商业化方面的杰出贡献,他与布劳恩共享了1909年的诺贝尔物理学奖。1937年,伽利尔摩·马可尼逝世,英国所有无线电报、无线电话以及大不列颠广播协会的广播电台停止工作2分钟,向这位伟大的无线电通信创始人致哀。

手机:让通话随时随地

1973年4月3日,位于纽约曼哈顿的摩托罗拉实验室爆出出一阵阵热烈的掌声——“我们成功了!”马丁·库帕拿着他们的“宝贝”——世界上第一部概念手机的模型,准备测试一下它的通信功能。

1972年12月的一天,在摩托罗拉公司个人通信事业部门工作的马丁·库帕接受了一项任务,那就是开发一个关于移动电话的概念模型。当时美国联邦通信委员会正在考虑在美国市场建立移动网络的问题,摩托罗拉公司则很想抓住这样一个大好商机。按照要求,包括马丁·库帕在内的开发小组必须在6个星期内做出移动电话的模型。

3个月后,包括马丁·库帕在内的开发小组克服了一切可能遇到的困难,终于完成了世界上第一台手机的概念模型。据悉,马丁·库帕发明的世界上第一部手机笨重得很像一个大砖头,通话时间只有35分钟,而充电时间却要10个小时,并且仅有拨打和接听电话两种功能。

对于这部手机,如果用今天的标准来衡量的话,那么简直算不上什么奇迹,但它的诞生意味着一个新的通信时代的开始。马丁·库帕也因此被《时代》杂志评为“年度最佳发明家”,还被誉为“手机之父”。

从1G到5G:智能生活无极限

手机的诞生极大地改变了人类的生活方式。从1G到5G,手机的体积越来越小,功能越来越丰富,也越来越富有人性化。

1986年,第一代移动通信技术(1G)诞生,其典型产品为“大哥大”。也许极少有同学见过“大哥大”,其实它就是最早的移动手提式电话。“大哥大”的电量可进行连续通话30分钟,待机时间大约只有8个小时,可存储30个电话号码。

1995年,第二代移动通信技术(2G)诞生,其标志是完成了从模拟调制到数字调制的转换。按照通俗的说法,就是声音质量更好了,传输速度更快了。诺基亚7110手机的出现,标志着手机上网时代的开始,不过那个时候的网速还很慢。

2000年,第三代移动通信技术(3G)开始成熟并商用,从而开启了移动通信时代的新纪元。3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信相结合的新一代移动通信系统,它能够处理图像、语音、视频流等多种媒体形式。3G时代的传输速度是2G时代的140倍。

2010年,第四代移动通信技术(4G)开始成熟并商用,正式使人类步入了移动互联网时代。从用户体验来说,4G的传输速度更快,理论上网速度为3G的50倍,实际体验也在10倍左右。同时,手机的功能也变得更加丰富。

将在2021年前后实现商用的5G,为第五代移动通信技术,并将进一步改变我们的生活。5G的特色在于低时延、高可靠、低功耗,并且不再是单一的无线接入技术,而是多种新型无线接入技术的集成。5G的理念为“联通一切、控制一切”,不仅能支持智能手机,而且还能支持智能手表、健身腕带以及智能家庭设备等。5G将开辟人类智能生活的新视野,并深刻影响人們的生活方式。

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。如今,我们即将迎来激动人心的5G时代,6G也在探索之中。6G之后可能还会有7G、8G......可以说,我们的目标是万物互联的星辰大海。未来,肯定会无限精彩!