书城科普读物趣味科学馆丛书:走进信息化时代
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第8章 信息技术与信息化(1)

信息技术推广应用的显著成效,促使世界各国致力于信息化,而信息化的巨大需求又驱使信息技术高速发展。当前信息技术发展的总趋势是以互联网技术的发展和应用为中心,从典型的技术驱动发展模式向技术驱动与应用驱动相结合的模式转变。信息技术代表着当今先进生产力的发展方向,信息技术的广泛应用使信息的重要生产要素和战略资源的作用得以发挥,使人们能更高效地进行资源优化配置,从而推动传统产业不断升级,提高社会劳动生产率和社会运行效率。随着信息化在全球的快速进展,世界对信息的需求快速增长,信息产品和信息服务对于各个国家、地区、企业、单位、家庭、个人都不可缺少。信息技术已成为支撑当今经济活动和社会生活的基石。在这种情况下,信息产业已成为世界各国,特别是发达国家竞相投资、重点发展的战略性产业部门。

电信时代来了

通信,简单地说,就是信息的传递。从这个意义上讲,可以说通信是随人类社会的产生而产生,与人类社会的发展而发展的。

早在人类的语言产生之前,便有结绳记事、击鼓传情一类原始的通信手段。后来,又出现了以火光传递信息的办法。在我国境内,至今尚存有不少烽火台的遗迹,便是这段历史的有力见证。

古代的驿站人类传递比较详尽信息的愿望,只有在文字发明之后才逐步得以实现。信,便是载带文字信息的使者。

残存下来最古老的信,是用楔形文字写在泥版上,装在泥制的封套里的。公元105年,我国的蔡伦改进了造纸术。从此,信便可以写在纸上传递了。传递信的人也渐渐由步行转为骑马。据考证,我国早在公元前14世纪便开始修筑驿道,派驿使传递书信。驿使现象是带有世界性的。例如,在埃及的历史上,就有由驿使传递尼罗河水上涨信息的记载。

大约是在14世纪,城市邮政首先在欧洲兴起。18世纪90年代,在欧洲还曾盛行一种叫“遥望通信”的视觉通信方式。整个系统是由许多塔站组成的。这些塔站沿通信线路择高建筑,形成彼此遥相呼应的接力系统。通过改变塔站顶上横杆和竖杆的位形,把文字信息一个接一个地发送出去,并一站接一站地进行传播,直至目的地。

人类通信的革命性变化,是从把电作为信息载体后发生的。

1753年2月17日,《苏格兰人》杂志上发表了一封署名C·M的书信。在这封信中,作者提出了用电流进行通信的大胆设想。1832年,俄国外交家希林在电磁感应理论的启发下,制作出了用电流计指针偏转来接收信息的电报机。1837年6月,英国青年库克获得了第一个电报发明专利权。他制作的电报机首先在铁路上获得应用。

在19世纪众多的电报发明家中,最有名的还是莫尔斯以及他的伙伴维尔。莫尔斯是当时美国很有名气的画家。他在1832年旅欧学习途中,开始对电磁学发生了兴趣,并由此而萌发出了把电磁学理论用于电报传输的念头。1835年,他开始了制作电报机的努力。不久,他的第一台电报机问世;1837~1838年间,莫尔斯又发明了用电流的“通”和“断”来编制代表数字和字母的电码(即莫尔斯电码),同时在维尔的帮助下完善了电报机。

1843年,莫尔斯经竭力争取,终于获得了3万美元的资助。他用这笔款子修建成了从华盛顿到巴尔的摩的电报线路,全长64.4千米。1844年5月24日,在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用他那激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机,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!”

电报的发明,拉开了电信时代的序幕,开创了人类利用电来传递信息的历史。

知识点数据单元

数据单元是网络信息传输的基本单位。一般网络连接不允许传送任意大小的数据包,而是采用分组技术将一个数据分成若干个很小的数据包,并给每个小数据包加上一些关于此数据包的属性信息,例如源IP地址、目的IP地址、数据长度等。这样的一个小数据包就叫数据单元,又称帧、数据帧等。这样一来,每次网络要传送的数据都是规格和封装方式相同的一个“小包裹”,有利于数据传输的标准化,简化了数据传输方式。

通信的分类

模拟通信

根据信号方式的不同,通信可分为模拟通信和数字通信。

所谓模拟通信,就是利用正弦波的幅度、频率或相位的变化,或者利用脉冲的幅度、宽度或位置变化来模拟原始信号,以达到通信的目的。

广播电视塔模拟信号指幅度的取值是连续的(幅值可由无限个数值表示)。时间上连续的模拟信号、连续变化的图像(电视、传真)信号等,时间上离散的模拟信号是一种抽样信号。

数字信号指幅度的取值是离散的,幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小,易于有数字电路进行处理,所以得到了广泛的应用。

模拟通信的例子在我们日常生活中很多。例如,广播电台通过空中传输广播节目,无线电视台通过空中传输电视节目,有线电视台通过光缆和同轴电缆传输电视节目,普通电话线传输语音等。就在我们家中,普通的电视机、录像机、CD机、VCD机、音响等设备通过音频、视频信号线互相传输信息,也都是模拟通信的例子。总之,模拟通信需要传输的是音频、视频等模拟信号。

模拟通信的优点是直观且容易实现,但存在两个主要缺点。首先是保密性差。模拟通信,尤其是微波通信和有线明线通信,很容易被窃听。只要收到模拟信号,就容易得到通信内容。其次是抗干扰能力弱。电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰,噪声和信号混合后难以分开,从而使得通信质量下降。线路越长,噪声的积累也就越多。

数字通信

与模拟通信相对应的是数字通信。

所谓数字通信,是用数字信号作为载体来传输消息,或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。数字信号是一种离散的、脉冲有无的组合形式,是负载数字信息的信号。现在最常见的数字信号是幅度取值只有两种(用0和1代表)的波形,称为“二进制信号”。数字通信可传输电报、数字数据等数字信号,也可传输经过数字化处理的语声和图像等模拟信号。

数字通信的早期历史是与电报的发展联系在一起的。1937年,英国人里夫斯提出脉码调制(PCM),从而推动了模拟信号数字化的进程。1946年,法国人德洛雷因发明增量调制。1950年卡特勒提出差值编码。1947年,美国贝尔实验室研制出供实验用的24路电子管脉码调制装置,证实了实现PCM的可行性。1953年发明了不用编码管的反馈比较型编码器,扩大了输入信号的动态范围。1962年,美国研制出晶体管24路1.544兆比特/秒脉码调制设备,并在市话网局间使用。进入20世纪90年代,数字通信向超高速大容量长距离方向发展,高效编码技术日益成熟,语声编码已走向实用化,新的数字化智能终端将进一步发展。

数字通信与模拟通信相比具有明显的优点:首先是抗干扰能力强。数字通信中的信息是包含在脉冲的有无之中的,只要噪声绝对值不超过某一门限值,接收端便可判别脉冲的有无,以保证通信的可靠性。其次是远距离传输仍能保证质量。因为数字通信是采用再生中继方式,能够消除噪音,再生的数字信号和原来的数字信号一样,可继续传输下去,这样通信质量便不受距离的影响,可高质量地进行远距离通信。此外,它还具有适应各种通信业务要求(如电话、电报、图像、数据等),便于实现统一的综合业务数字网,便于采用大规模集成电路,便于实现加密处理,便于实现通信网的计算机管理等优点。

知识点二进制代码

二进制代码,就是用0和1表示,满2进1的代码语言。一种可以将两种架构的本地代码存放在同一个包装的格式。二进制代码语言或称为机器语言,计算机可以直接识别,不需要进行任何翻译。每台机器的指令,其格式和代码所代表的含义都是硬性规定的,故称之为面向机器的语言,也称为机器语言。它是第一代的计算机语言。机器语言对不同型号的计算机来说一般是不同的。

无线电技术的进步

1820年,丹麦物理学家奥斯特发现,当金属导线中有电流通过时,放在它附近的磁针便会发生偏转。接着,学徒出身的英国物理学家法拉第明确指出,奥斯特的实验证明了“电能生磁”。他还通过艰苦的实验,发现了导线在磁场中运动时会有电流产生的现象,此即所谓的“电磁感应”现象。

赫兹著名的科学家麦克斯韦进一步用数学公式表达了法拉第等人的研究成果,并把电磁感应理论推广到了空间。他认为,在变化的磁场周围会产生变化的电场,在变化的电场周围又将产生变化的磁场,如此一层层地像水波一样推开去,便可把交替变化的电磁场传得很远。于是,麦氏便成为人类历史上预言电磁波存在的第一人。

但是,电磁波的存是由赫兹证明的。1887年的一天,赫兹在一间暗室里做实验。他在两个相隔很近的金属小球上加上高电压,随之便产生一阵阵噼噼啪啪的火花放电。这时,在他身后放着一个没有封口的圆环。当赫兹把圆环的开口处调小到一定程度时,便看到有火花越过缝隙。通过这个实验,他得出了电磁能量可以越过空间进行传播的结论。赫兹的发现,为人类利用电磁波开辟了无限广阔的前景。

赫兹透过闪烁的火花,第一次证实了电磁波的存在,他却断然否定利用电磁波进行通信的可能性。但赫兹电火花的闪光,却照亮了两个异国年轻发明家的路。1895年,俄国青年波波夫和意大利青年马可尼分别发明了无线电报机,勇敢地闯入了赫兹所划定的“禁区”。1897年5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔海峡的无线电通信取得成功。

立体声音箱自从1895年马可尼发明无线电报以后,科学家就开始研究利用电磁波传送语音信息。1896年,法国的发明家莱布朗克(1857~1923)提出用电磁波传送声音的设想,用声音信号调制高频电磁波。电子管的诞生为无线电广播的发明创造了条件。

马可尼发明无线电报后,引起了世界各国的重视,美国农业部气象局决定利用无线电报传送天气预报,为农业生产服务。1900年,该局聘请了匹兹堡大学物理学费森登教授做利用无线电传送气象信息的实验。费森登教授在实验中,想利用电磁波传送声音。他根据莱布朗克提出的调幅原理,开始试验无线电广播。到1901年,试验取得初步成果,又经过五年的研究,他发明了世界上第一座无线电广播电台。这座广播电台设在马萨诸塞州,它的发射天线是借用美国国立电气信号公司的无线电报天线,高128米。它用一台交流发电机供电,功率为1千瓦,于1906年圣诞节之夜首次试播讲话和音乐并获得成功。

无线电广播的发射和接收原理是这样的:语言、音乐等声音信息通过音频放大器输出的音频信号和音频振荡器产生的高频振荡信号,经过调制器,变成高频调幅振荡信号,再经过高频放大器送往发射台天线向空中发射出电磁波。收音机收到这种电磁波后,先变成高频电流。但这种电流很微弱,要经过放大,再经过检波器检波,检出音频电流,经音频放大,送入喇叭,变成原来的语言和音乐声音。

无线电与广播技术

无线电广播技术是在无线电报及无线电话的基础上发展起来的。各种功能的电子管的发明和应用加速了无线电广播的发展。无线电广播自发明以来已经进行了三次重大的技术革新。

从长波到短波

无线电频段是宝贵的资源,常用的无线电频段有:

长波,波长1000~10000米,频率3~300千赫(kHz),称为低频。

中波,波长100~1000米,频率300~3000千赫(kHz),称为中频。

短波,波长10~1000米,频率3~30兆赫(MHz),称为高频。

无线电广播常用的频段:中波100~1500千赫(kHz),中短波1.5~6兆赫(MHz),短波6~30兆赫(MHz)。

电磁波的传播有两种形式,一种是沿地球表面传播的地波,另一种是沿空中传播的天波。物理学家首先认识的是地波传播。1918年英国物理学家沃斯顿在长期研究中,提出地波传播理论。他指出,电磁波是沿着地球表面绕射传播,路线呈弯曲状。但大地对电磁波有吸收作用,电磁波在传播途中,波的强度将随距离而衰减。他特别指出,波长越短,这种衰减程度就越强。在这种理论的指导下,20世纪20年代,即无线电广播创建初期,使用的是长波和中波。英国于1925年建立功率为25千瓦的第一个长波电台,使用波长为1500米的长波。美国的早期广播主要使用300~500米的中波。然而,由于长波和中波的传播距离有限,例如用功率为3千瓦的发射机,传播距离仅有40千米左右,这样就得增设许多中继站才能将长波或中波传播到较远的地方。