现代通信简史

学科讲座专业班级：信息08-3 姓名：郑曙学号：04081726现代通信简史前言——关于现代通信当今生活中如果要说有什么技术无时不在，无处不在的话，那一定是信息技术了。

信息技术本身的一个重要支柱就是信息通信。

计算机网络的普及，无线电话、信息短信的流行对我们今天的生活方式和行为方式都产生了深刻的变化。

正是由于通信技术的发展使我们这么一个直径一万多公里的地球成了一个村落，以至于有人把这个发展誉为继文艺复兴工业革命后的第二次影响全人类的历史变革，人类将进入信息时代。

基本上这个简史会遵循两条线：时间线和系统线。

时间线是记录重要事件的先后顺序，在现代通信发展的早期，由于技术的突破是从单一系统开始的，通信系统本身没有呈现多样性，用时间来记录发展脉络是很合适的；而到了后期，人类所交换的信息由单纯语音扩展到了多媒体，电信网络为了适应信息技术的发展，也呈现出复杂的多样性，一个网络系统内部也出现了功能模块的细化。

而所有这些变化都是在很短时间内如雨后春笋般各地开花，所以以各个系统的发展为脉络应该更清晰一些。

在这个简史里面，我将尽我所能对各个时期的发展所涉及到的技术背景做一个简单的介绍。

其它的比如一些科学家的逸闻趣事也尽量收入。

有线电报——现代通信起源说起有线电报，不能不从法拉第（Michael Faraday）发现电磁相互作用说起，因为有线电报本身在今天看来没什么太多的技术含量（最烦你们这些打劫的，呵呵），但是没有法拉第的天才发现，整个通信时代的到来不知道要延迟多少年。

不光是现代通信，法拉第的发现也导致了发电机和电动机的发明，让人类从瓦特的蒸汽机时代进入电气时代，要不然这个地球现在不知道已经被瓦特发明的污染源糟蹋成了什么样子。

在现代通信这个黑社会里面，法哥那是当之无愧的老大。

后面什么莫尔斯麦克斯韦贝尔等等都是跟班。

咱们……是跟班的跟班。

实际上在电磁感应发现之前，有人就尝试着用静电感应原理来实现远程通信。

1753年，苏格兰物理学家Charles Morris就提到电力可以传递信息。

他设计了一个方案，用一根根电线代表字母，英语有26个字母，所以就需要26根电线（当时根本没有编码技术的概念）。

用静电发电机给每根电线充电，然后通过静电荷吸引另一端纸片，纸片上的相应信息也就传递过来了。

当时好几十年内人们就是用这种方式收发电报[1]。

这个东西的问题是很明显的：静电发电机发出的能量有限，不能支持远程通信的要求；第二，在接收端通过静电吸纸片好像也不是特别保险，万一纸片用得太多已经带电就吸不上来了；另外26根线也太多了一点，碰上汉语这种表意文字至少几千个字符的恐怕通信公司要彻底完蛋——赔死。

正是由于法拉第的伟大发现，美国人Joseph Henry在他的实验室里面实现了第一个具有现实意义的电报系统。

亨利用一个马蹄形的导体用导线线圈缠绕，导线的另外一端接着一个开关和伏打电池，这个电磁体的开端靠近一根钢棒，钢棒的另一端连着一个铃铛。

当开关和上的时候，电流流经导线产生磁场带动钢棒敲响铃铛，断开的时候钢棒停止运动。

整个概念如[2]中图示。

另外值得一提的是亨利本身也是一物理学牛人，他发现了电磁线圈的自感现象。

由于他的卓越贡献，人们把电感系数L的单位就称为亨利。

他和法哥一起，在电磁振荡周期公式T=2*pi*sqrt(L*C) 中交相辉映（电容系数C的单位就是法拉第），永罩后人（马仔都要靠大哥罩着）。

亨利加入黑社会走上科学研究道路的过程也是很有意思的：亨利从小由于家境贫寒，不得不放弃学业去做徒工。

有一天在路上亨利碰上了一只兔子。

我估计在牛肉比较缺乏的情况下，兔子肉也是完全可以用来压压饥火的。

饥寒交迫的亨利同学为了兔子肉也算是赶尽杀绝——连兔子已经躲进洞里去了也不放弃——他不顾一切地也爬了进去。

后面发生的故事简直就是一部物理学里面的武侠小说。

就像石破天上了侠客岛一样，亨利也在洞里发现了让他痴迷的武学秘籍——原来那个洞的另外一端是一个教堂的藏书室，里面的藏书让他大开眼界。

亨利被一本《实验哲学讲义》（其实就是如来神掌啦）里面的内容深深吸引住了，从此萌生了加入黑帮的强烈愿望。

真正带入我们进入电信（Telecommunications）时代的是画家Samuel Morse。

莫尔斯在亨利的指导下发明了第一台商用电报机。

或许正是由于画家所具有的天才想象力，莫尔斯不但给我们带来了发报机，还给我们带来了密电码（呵呵，红灯记还是永不消逝的电波啊）。

莫尔斯电码是串行编码（serial coding）的祖宗，不但可以把英语的26个字符通过简单的编码（只要长音和短音——一根手指把电流开关摁下去松开的时间长短）表达出来[3]，理论上说，莫尔斯电码适用于所有其它的语言。

值得一提的是，莫尔斯电码本身完全符合信息论（Information Theory）的原则，虽然信息论是香农（Claude E. Shannon，也是通信黑社会的大牛人，我们以后会提到他）在莫尔斯之后一百多年才创立的。

我们知道，编码本身分为等长编码和变长编码两种，等长编码就是所有的字符都用一样的编码长度，比如美国标准信息交换码（ASCII-American Standard Code for Information Interchange）。

但是通信工程里面有一个原则，就是用最小的系统资源传输最多的信息，说明白一点就是在一定时间内，或在一定带宽条件下，我们可以传送最大数量的信息；说高深一点就是让被传输数据的信息熵（Information Entropy）最小化。

根据这个原则，等长编码是有问题的，因为电报是用来传送语言信息的，即英语的26个字符和一些标点符号，而这些字符在英语里面出现的概率是不一样的，统计显示，字母E出现的概率最高，而Z出现的概率最小。

如果用等长编码，Informative Entropy不能达到最小。

要使信息熵最小的一个基本原则就是让出现概率高的信息用较短长度的编码，而那些不常见的信息用较长的编码。

这样在传输的时候，由于传输的都是比较常见的信息，所以概率上说我们可以用比等长编码更短的时间完成传输。

等长编码只有在所有信息单位出现的概率都相同的情况下才有最小的信息熵。

好了，希望这个问题已经说明白了，不明白的请参看[4]。

实际上，现在那些压缩软件象什么winzip之类的，都是运用的这个原理。

回过头来再看莫尔斯码，大家就可以发现各个字母的码长是不一样的。

S出现的概率很高，所以只用三个编码单元，而且是三个点（dot）；Z出现的概率最低，所以也就最长；E最短，只有一个点，因为其出现在英语里面的频率最高。

这个编码原则在当时不是一般人能够捣鼓出来的。

莫尔斯发明了电报后向美国政府申请了专利，于1844年开通了华盛顿到巴尔地摩的首条商用电报系统。

不到10年的时间，全美国已经有了超过50家电报运营公司，它们基本上都由莫尔斯的电报专利公司控制。

莫尔斯本人到这个时候算是彻底发了大财，当然了，他做画家的时候也不是个穷人，人家搞科学发明完全是因为兴趣。

莫尔斯电码由于其简单易学，容易操作，很快被各地的黑帮马仔们追捧。

尤其是马克尼发明了无线电报以后，业余无线电爱好者就像被施了肥一样疯狂成长起来，疯狂地使用莫尔斯代码，其流行程度曾一度不亚于任何最流行的影星或者歌星。

在任何情况下，莫尔斯电码都是一种可靠的备用通信手段。

美国电影《独立日（Independence Day）》里面，当外星人摧毁了人类的现代通信系统后，我们操起了莫尔斯电码这个最古老的武器发起了自卫反击战。

从电影里面大家也可以看到用墨尔斯电码发出的消息在全世界都能被解读，从一个侧面反映了其流行度。

现在，由于我们已经有了更有效的通信系统和手段，莫尔斯电码也渐渐退出了历史舞台。

但是，怎么发SOS应该是一个起码的常识，要不然万一出了事连求救都不会那真是逊毙了。

真正的Morse高手可以一分钟拍发20到30个英文单词，以每个单词5个字母、每个字母3个码长计，那就是每分钟手按健300到450次。

这是一个绝对牛叉的数字，不信你用计算机键盘在WORD里面只是不停地按A试试。

《中华人民共和国个人业余无线电台操作证书等级标准和考核、发放暂行办法》[5]中规定：业余无线电台一级（最高级别）操作人员必须能够每分钟收70、发60个莫尔斯电码连续3分钟——差不多就是12到15个左右的英文单词。

有线电报系统是人类实现的第一个电信系统。

它的许多概念到今天我们还能够在其他一些先进的系统中找到，比如报文交换就被应用在TCP/IP网络协议里面。

由于电报系统本身只是一个点对点的结构（物理层是一个电流回路，链路层是莫尔斯编码的报文），所以要实现跨点通信，中间点就必须向下一站转发报文。

整个国家的电报系统实际上是一个包交换网络，一份报文就是一个信息包。

而网络层的协议是由人工完成的。

比如我有一份电报要从北京发到杭州，北京局的电报人员就会根据我的目的地把电报拍到天津，然后天津——济南——南京——上海——杭州，每个中间局的收报人员都会根据我的目的地址转发到下一站。

这个系统也支持广播（broadcasting），如果一个收报人员发现目的地地址为空，那么他就把这封电报向和他相连的所有电报局转发。

当然了，同一个电报局不再转发同样的报文。

大家看民国历史，里面那些老大们动不动“通电下野”“通电反蒋”，这个“通电”就是广播电报报文。

关于电报系统的另外一个重要人物不能不提，那就是完成了大西洋海底电报电缆铺设工作的开尔文勋爵（Lord Kelvin）。

开尔文勋爵原名威廉·汤姆孙（William Thomson），出生于爱尔兰的贝尔法斯特，父母都是苏格兰人。

威廉的父亲一度被聘为格拉斯哥大学的数学教授，他的学生发现每次汤姆孙教授来上课的时候都带着他的两个儿子，老大詹姆斯12岁，老二才10岁，就是威廉。

他们总是坐在教室后排一声不吭。

起初大家以为是教授家没有保姆所以不得不自己照看他们，后来大家才惊奇地发现这俩小子也在正儿八经听课记笔记[6]……威廉从小就放射出的天才光芒注定他将会成为不世出的的伟大人物，其实他在6岁的时候就可以心算7位数以内的乘除法（每当我读书读到这里，我都不禁要掩卷感叹：人比人真是气死人啊！呵呵）。

威廉22岁的时候就成为了格拉斯哥大学的自然哲学教授，真是天纵英才！1855年，当时有线电报在欧洲和美国都已经很普及了，但是跨越大西洋的电报通信仍然是一个悬念。

由于汤姆孙在电学方面的卓越成就，年仅31岁的他就被任命为跨越大西洋电缆公司的董事长。

铺设长达数千公里的海底电缆，是对当时的技术水平的一个最严峻的挑战。

单是为了这项工程，汤姆孙就提出了电缆传输方程，研制出许多新的仪器（包括至今还在使用的镜式电流计——麦克斯韦对这个发明佩服得五体投地）。

这个工程是如此的艰巨，以至于在汤姆孙这样的巨牛的指导下，前后共铺设了四条电缆历时9年才得成功。