通信技術改革　走向萬物互聯的星辰大海

蘇更林

曾記否，在人類漫長的歷史長河中，有關順風耳和千里眼的千古傳說，在向我們訴說著遠古時代人們對于溝通和通信的期待。如今，我們拿起手機，點開4G網絡，便可隨時隨地進行通話、視頻，乃至足不出戶便可購物、看電影。而更快的5G也即將到來......更令我們驚訝的是，5G才看到曙光，而多國卻已開始角逐6G網絡探索（2019年3月24日至26日，各國200多位頂尖無線通信專家齊聚芬蘭萊維，參加由芬蘭奧盧大學主辦的全球首個6G峰會，峰會主旨是“為6G到來鋪平道路”）......這通信網絡的發(fā)展速度是不是超出了同學們的想象？

可同學們知道嗎？人類是經過182年的探索和積淀，才成就了如今通信網絡的快速與輝煌！今天，就帶同學們一起回溯人類通信的發(fā)展之旅！

有線電報：一線牽世界

現代通信是從電報的發(fā)明開始的，正是電報的發(fā)明拉開了電信時代的序幕，并開創(chuàng)了人類利用電來傳遞信息的歷史。然而，發(fā)明電報的人既不是物理學家，也不是電學家，而是一位美國的畫家。

一次極其普通的旅行改變了畫家莫爾斯的人生，也改變了人類的通信史。1832年10月1日，一艘名叫“薩麗”號的郵輪從法國北部的勒阿弗爾港起航，駛向紐約。在游輪上，一位美國的電學博士杰克遜滔滔不絕地講著電磁學的傳奇。既然電流的傳播速度是30萬千米/秒，那能不能用電流來進行遠距離信息傳遞呢？莫爾斯第一次聽說電磁感應，就完全被電給迷住了。也就是在從法國返回美國的旅途中，莫爾斯萌發(fā)了發(fā)明電報的想法。

莫爾斯毅然決定放棄自己鐘愛的繪畫事業(yè)，并改行進行電報裝置的研究。然而，莫爾斯的物理基礎很不扎實，要掌握電磁學知識談何容易！為了攻克電磁學這塊硬骨頭，莫爾斯只得向紐約大學物理學教授蓋爾請教，學會了電磁鐵制造和電池組裝的方法。

莫爾斯還拜著名物理學家約瑟夫·亨利為師，從而為其發(fā)明電報機鋪平了道路。1831年，約瑟夫·亨利提出了電報原理，并利用電磁鐵做成的電鈴把信號傳到了1.6千米之外的地方。其實，這就是電磁音響式電報機的最早模型。莫爾斯把約瑟夫·亨利的電報原理當作心中的目標，并不知疲倦地為之探索。

莫爾斯從導線中流動的電流在突然截止時會迸出火花這一現象中得到啟發(fā)，大膽提出把電流接通而沒有火花作為一種信號，把電流截止瞬間發(fā)出火花作為另一種信號，把電流接通時間加長再作為一種信號。把這三種信號組合起來就可以代表全部的字母和數字了，據此把文字信息通過電流的流動而傳到遠處去。

1837年，莫爾斯發(fā)明了著名的莫爾斯電碼。所謂莫爾斯電碼，就是利用“點”“劃”和“間隔”的不同組合來表示字母、數字以及標點符號的一套電碼系統(tǒng)。歷經數年，莫爾斯終于研制成功了用以發(fā)送和接收電報的電報機。1844年5月24日，在美國國會大廳里舉行了一次隆重的電報機通信實驗。莫爾斯用其顫抖的手向巴爾的摩發(fā)出了人類歷史上的第一份電報：“上帝創(chuàng)造了何等奇跡！”這一天成了國際公認的電報發(fā)明日，莫爾斯的電報也因此風靡全球。

電話：讓聲音流動起來

要說電話發(fā)明，我們還得從“電話巨人”貝爾說起。最初，貝爾從事電氣試驗的目的是為了研究發(fā)聲的規(guī)律。后來，貝爾隱約產生了一個想法，那就是用電流把聲音從一個地方傳送到另一個地方。在那個時代，搞電話發(fā)明的大有人在。而貝爾在電學方面的知識積累并不扎實，要攀登電話發(fā)明高峰存在許多困難。美國著名物理學家約瑟夫·亨利對貝爾說：“你有一個偉大的夢想，那就扎扎實實地去干吧！”

貝爾一邊學習電學知識，一邊進行多工電報的實驗。在1874年的一天，當貝爾在做電報實驗時，偶然發(fā)現當一塊鐵片在磁鐵前振動時會發(fā)出微弱的聲音，并且這種聲音還能通過導線傳向遠方。他想，如果對著鐵片說話，不也可以引起鐵片的振動嗎？這其實就是貝爾關于電話原理的最初構想。

1875年6月2日，貝爾和他的助手沃森正在緊張地進行電報機的試驗研究。突然，貝爾大喊了一聲：“你什么都不要動，讓我去看看！”原來，在沃森撥動簧片的同時，貝爾在接收端的簧片上聽到了一種音色豐富的聲音。根據經驗，貝爾意識到這是一個不同尋常的發(fā)現。

1876年初，貝爾在圓筒的下口蒙上了一層膜片，并從膜片的中央向下伸出了一根楔形針，這個楔形針部分浸在含有電解質的溶液中。楔形針與溶液的接觸面積會隨著膜片的振動而不斷改變，從而包括楔形針和溶液在內的電路的電阻也會隨之發(fā)生改變。電路電阻的改變又會引起與之串聯的聽筒線圈電流的變化，這樣不就可以達到傳聲的目的了嗎？

1876年3月10日，沃森突然從聽筒里聽到了一個非常清晰的呼叫聲——“沃森先生，快來幫我呀！”原來，貝爾不小心把蓄電池里的硫酸灑到了身上，因此才不禁叫了起來。這句求救的話語竟然成為了永恒，并與電話機的名字一同珍藏在歷史的記憶中。

無線通信：用電波征服地球

電報和電話的發(fā)明，開辟了電學通信技術的新紀元。然而，無論是電報還是電話通信，都離不開用導線鋪就的傳輸通道，這就使得電報和電話通信具有很大的局限性。

1896年，意大利人伽利爾摩·馬可尼實現了人類歷史上的首次無線電通信，使通信技術擺脫了傳輸導線的束縛。這是人類通信技術史上的一次飛躍，伽利爾摩·馬可尼也因此被譽為實用無線電通信技術的創(chuàng)始人。

之所以要在“無線電通信技術的創(chuàng)始人”之前加上“實用”二字，這還得從德國物理學家赫茲的一個著名實驗說起。實際上，赫茲的實驗裝置就是一臺無線電傳送裝置。火花在球形電極間跳動時產生了無線電波，當一個小的火花在接收器穿過時可以接收到該無線電波。但赫茲并沒有進一步探索電磁波的實際應用，并于1894年去世了。

從赫茲實驗的小火花中，有兩位年輕人看到了電磁波通信的實用價值，他們就是意大利青年工程師伽利爾摩·馬可尼以及俄國發(fā)明家波波夫。1896年3月24日，波波夫發(fā)出了世界上第一份無線電報，傳播距離為250米。但是，波波夫并沒有為他的發(fā)明注冊，也沒有實現商業(yè)化。

幾乎在同時，伽利爾摩·馬可尼也在探索無線電通信技術。他把自家的菜園子作為實驗基地，經過10年的努力探索，他終于完成了2000米距離的無線電通信實驗。在這次實驗中，他采用了接地天線的方法，來加強電磁波的發(fā)射能力。

無線電通信實驗成功了，走向商業(yè)化之路才剛剛開始。伽利爾摩·馬可尼請求意大利政府給予資助，但遭到了拒絕。于是，伽利爾摩·馬可尼轉而求助于英國。這一次他如愿以償了，英國海軍部決定資助伽利爾摩·馬可尼的無線電通信研究。1899年3月，伽利爾摩·馬可尼出色完成了英國和法國海岸間相隔45千米的無線電通信實驗。

由于伽利爾摩·馬可尼在無線電通信技術實用化和商業(yè)化方面的杰出貢獻，他與布勞恩共享了1909年的諾貝爾物理學獎。1937年，伽利爾摩·馬可尼逝世，英國所有無線電報、無線電話以及大不列顛廣播協會的廣播電臺停止工作2分鐘，向這位偉大的無線電通信創(chuàng)始人致哀。

手機：讓通話隨時隨地

1973年4月3日，位于紐約曼哈頓的摩托羅拉實驗室爆出出一陣陣熱烈的掌聲——“我們成功了！”馬丁·庫帕拿著他們的“寶貝”——世界上第一部概念手機的模型，準備測試一下它的通信功能。

1972年12月的一天，在摩托羅拉公司個人通信事業(yè)部門工作的馬丁·庫帕接受了一項任務，那就是開發(fā)一個關于移動電話的概念模型。當時美國聯邦通信委員會正在考慮在美國市場建立移動網絡的問題，摩托羅拉公司則很想抓住這樣一個大好商機。按照要求，包括馬丁·庫帕在內的開發(fā)小組必須在6個星期內做出移動電話的模型。

3個月后，包括馬丁·庫帕在內的開發(fā)小組克服了一切可能遇到的困難，終于完成了世界上第一臺手機的概念模型。據悉，馬丁·庫帕發(fā)明的世界上第一部手機笨重得很像一個大磚頭，通話時間只有35分鐘，而充電時間卻要10個小時，并且僅有撥打和接聽電話兩種功能。

對于這部手機，如果用今天的標準來衡量的話，那么簡直算不上什么奇跡，但它的誕生意味著一個新的通信時代的開始。馬丁·庫帕也因此被《時代》雜志評為“年度最佳發(fā)明家”，還被譽為“手機之父”。

從1G到5G：智能生活無極限

手機的誕生極大地改變了人類的生活方式。從1G到5G，手機的體積越來越小，功能越來越豐富，也越來越富有人性化。

1986年，第一代移動通信技術（1G）誕生，其典型產品為“大哥大”。也許極少有同學見過“大哥大”，其實它就是最早的移動手提式電話。“大哥大”的電量可進行連續(xù)通話30分鐘，待機時間大約只有8個小時，可存儲30個電話號碼。

1995年，第二代移動通信技術（2G）誕生，其標志是完成了從模擬調制到數字調制的轉換。按照通俗的說法，就是聲音質量更好了，傳輸速度更快了。諾基亞7110手機的出現，標志著手機上網時代的開始，不過那個時候的網速還很慢。

2000年，第三代移動通信技術（3G）開始成熟并商用，從而開啟了移動通信時代的新紀元。3G是指將無線通信與國際互聯網等多媒體通信相結合的新一代移動通信系統(tǒng)，它能夠處理圖像、語音、視頻流等多種媒體形式。3G時代的傳輸速度是2G時代的140倍。

2010年，第四代移動通信技術（4G）開始成熟并商用，正式使人類步入了移動互聯網時代。從用戶體驗來說，4G的傳輸速度更快，理論上網速度為3G的50倍，實際體驗也在10倍左右。同時，手機的功能也變得更加豐富。

將在2021年前后實現商用的5G，為第五代移動通信技術，并將進一步改變我們的生活。5G的特色在于低時延、高可靠、低功耗，并且不再是單一的無線接入技術，而是多種新型無線接入技術的集成。5G的理念為“聯通一切、控制一切”，不僅能支持智能手機，而且還能支持智能手表、健身腕帶以及智能家庭設備等。5G將開辟人類智能生活的新視野，并深刻影響人們的生活方式。

人類前進的腳步不會停止，通信技術的發(fā)展和演進也同樣不會停止。如今，我們即將迎來激動人心的5G時代，6G也在探索之中。6G之后可能還會有7G、8G......可以說，我們的目標是萬物互聯的星辰大海。未來，肯定會無限精彩！