通信技术的前世今生
- 2023-06-27 09:20
文/邓元慧 王国强
早在史前时期，人与人之间就用各种原始的方式相互进行远距离信息交流。随着社会生产力的不断变革、发展，人类通信的技术与方式也发生了翻天覆地的变化，通信技术的变革成为人类文明的重要标志。
从“结绳记事”到驿传系统的建立
早在170万年前到公元前16世纪的上古时期，人类就已经开始用简单的语言、壁画等方式交换信息。
最初，原始人只能依靠天生的技能“吼”来进行沟通，只有声音足够大，才能勉强实现稍远距离的传播。“结绳记事”的发明为人类进行信息传递开辟了新的道路。结绳记事在我国古代历史上应用广泛且年代久远，史书中多有记载。《周易》中写道：“上古结绳而治，后世圣人易之以书契。百官以治，万民以察。”《庄子》中也记载了：“昔者容成氏……祝融氏、伏羲氏、神农氏，当是时也，民结绳而用之。”结绳记事并非中国专利，古代印加人也有此习惯。即使到了近代，一些没有文字的民族，仍然采用结绳记事来传递信息。此外，在远古时期人类还曾利用图符、壁画来交换信息，我国内蒙古地区发现的阴山岩画就记录了1万年前人类狩猎、舞蹈、祭祀和战争等活动。
人类运用声音来传递信息的历史十分悠久。根据殷墟出土的甲骨文上的记载，最早有组织的通信活动就是通过击鼓来传报边境的军情。据考证，商朝时，商王不仅派重兵把守边境，还设置用铜做成的直径为2～3米的大鼓，将其置于高高的架子上。一旦出现敌情，守鼓士兵立即敲击大鼓，通过鼓点的间隔节奏来表示不同的内容。鼓声频传，一站接一站，把外敌入侵的紧急军情，迅速向天子报告。春秋多乱之时，诸侯小国林立，这种用鼓声传递信息的方法更是成了作战通信的主要手段，有效地起到了通信联络的作用，确保各国能及时联防，共同对敌。我国古代也曾使用“击鼓进军”“鸣金收兵”来指挥战争，通过整齐沉重的鼓点来表示冲锋的意图，用能够穿透整个战场的金属锣声来传达撤退的命令。
商周时期，烽火台的发明让快速、远距离的信息传递成为可能。每逢夜间预警，守台人点燃笼中柴草并把它举高，靠火光给领台传递信息，白天则点燃台上积存的薪草，以烟示急。为了使烟直而不弯，以便远远就能望见，还常以狼粪代替薪草，所以又称狼烟。但是，烽火并非普通人之间的通信手段，它只服务于古代军事战争。
文字的发明使得传递信息的内容更为直观、丰富，且便于保存。从殷商时代起，我国就开始以文字的形式来传递军事信息，这也揭开了我国书信发展的辉煌篇章。春秋时期，列国纷争，在特使外交中，常常伴以书信外交，正如刘勰在《文心雕龙?***》中所描述的“三代政暇，文翰颇疏。春秋聘繁，书介弥盛。”我国的驿传制度大约始于春秋战国时期。秦朝起建立了专门的驿传机构，随后汉承秦制、驿传制度得以完备，将以车传送称为“传”，以马传送称为“驿”，以步递送称为“邮”。值得注意的是，在交通能力有限的情况下，随着传播需求的不断增长，书写材料对驿传有较大的影响，这也是人们创造更轻便的书写材料的重要原因。随着纸的发明和普及，到东汉中后期，民间已逐渐把纸当作信件的书写材料了。随着政治、经济和文化的发展，隋唐时期的驿传得到空前发展。到了唐朝，“邮驿”系统被分为了陆驿、水驿和水陆兼办三种。元朝时期，由于军事活动范围的扩大，通信事业随之更加发展，仅在中国境内就设有驿站1496处。
尽管有着庞大的驿传系统，但交通工具的限制使得信息传递的速度依然难以满足人们的需求。为了提高信息传递速度，盛唐时期，我国部分地区还利用鸽子的归巢性进行定向信息传递。但是，这种方式适用范围小，传输的信息量也较小，并不适宜推广。
此外，人类社会发展过程中还采用了手语、灯塔、旗语等进行通信。至今，在现代社会中仍能看见这些古老方式的影子，如交通警察的指挥手语、航海中的旗语等，这些方式共同的特点在于主要依靠人的视觉与听觉来传递信息，且形式简单。
电报的诞生是现代通信技术的开端
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，提出了用电流进行通信的大胆设想。尽管这个想法并不十分成熟，且在当时缺乏应用推广的经济环境，却让人们看到了电信时代的一缕曙光。随后，一些发明家尝试利用静电原理制作了电报机，但因为静电的功率太小，在传递过程中很容易被损耗，发信和收信的工作繁琐又容易出错，难以真正运用到实际中，均以失败告终。
1825年，人们第一次采用了骑马持信号旗的方式引导列车前进。1832年，美国在纽卡斯尔－法兰西堂铁路线上开始使用球形固定信号装置，以传达列车运行的消息。如果列车能准时到达就悬挂白球，如果列车晚点则悬挂黑球。这种信号机每隔5000米安装1架。铁路员工用望远镜瞭望，沿线互传消息。然而，随着铁路线、火车数量及线路利用率的不断增长，铁路系统迫切需要一种不受天气影响、没有时间限制又比火车跑得快的通信工具，用以通报调度信息等。几乎同一时期，1820年，丹麦哥本哈根大学物理学教授奥斯特（Hans Christian Oersted）发表了论文《关于磁针上电冲突作用的实验》，向科学界宣布了电流的磁效应，开辟了物理学的新领域──电磁学。在此基础上，法国物理学家安培（André-Marie Ampère）又进一步做了大量实验，研究了磁场方向与电流方向之间的关系，并总结出安培定则。1831年，英国物理学家法拉第（Michael Faraday）发现了电磁感应定律，奠定了电磁学的理论基础。至此，发明电报的市场、基本技术条件均已具备。
1832年，俄国外交家希林（Pavel Schilling）利用电磁感应理论把线圈和磁针组合在一起，做出了电报的第二代原型机，其原理是通过改变通电电流的强度，令磁针发生不同角度的偏转，再利用不同的角度代表不同的字母。但是，这个指针式电报机因为对要表征的字母的复杂性和精度要求过高，并未实际投入商用。1837年，英国人惠特斯通（Charles Wheatstone）和库克（William Fothergill Cooke）在希林电报机的基础上进行了改进，发明了五针式电报机，在英国获得了专利权，并首次在铁路上获得了应用。但是，这种电报机存在缺陷，即只能收发20个字母，因此始终未得到广泛推广和使用。
在大洋彼岸的美国，莫尔斯（Samuel Morse）也于1837年发明了电报机，并获得了美国的专利认证。与希林等人发明的电报机原理不同，莫尔斯电报机利用的是电键控制电路接通或断开的时间，绘制出不同的点、横线和空白组合来表示对应的字母及数字，这种编码也被称为摩斯电码。1843年，莫尔斯用国会赞助的3万美元建起了从华盛顿到巴尔的摩之间长达64千米的电报线路。1844年5月24日，莫尔斯在美国国会大厅里，亲自按动电报机按键，向巴尔的摩发送了世界上的第一封电报“上帝啊，你创造了何等的奇迹
架设电缆是电报收发的基础。为了扩大电报传递信息的范围，1851年，世界上第一条横跨英吉利海峡的海底电缆敷设成功，这条电缆成为连接英、法之间的电报网络。这一时期，不仅是海底电缆，国际陆线网络也迅速建成。1866年，大西洋海底电缆敷设成功，将欧洲和美洲大陆紧紧联系在一起。然而，电缆的架设成本高、限制多，单纯依靠电缆的架设依然限制了信息的传播范围。1865年，英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）预言了电磁波的存在，认为电磁波只可能是横波，并推导出电磁波的传播速度等于光速，同时证明了光是电磁波的一种形式，揭示了光现象与电磁现象之间的联系，成为人类历史上预言电磁波存在的第一人。1888年，德国青年物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）用电波环进行了一系列实验，证明了电磁波的存在，也证明了麦克斯韦的电磁理论，从而推动了无线电的诞生和电子技术的发展。
19世纪90年代，特斯拉（Nikola Tesla）等科学家着手研究如何利用无线电发送电报。1893年，特斯拉在美国密苏里州圣路易斯首次公开展示了无线电通信。1896年，意大利人马可尼（Guglielmo Marconi）首次成功运用无线电技术收发了电报。1899年，他建立起了跨越英吉利海峡的法国与英国之间的无线电通信。1901年，他首次以无线电进行跨越大西洋的通信。1909年，马可尼因发明无线电报技术获得了诺贝尔物理学奖，被世人称作“无线电之父”。无线电报的发明使流动通信变成可能，让通信的距离和范围迅速扩张，且在商业、航海及军事中具有广阔的应用前景。
电话的发明使声音的远距离传递成为现实
各行各业对快速通信的迫切需求支撑起了电报业的快速发展与扩张。但是，电报也存在不足。发报前需要事先拟稿或者翻电服本译成电码，然后把电报稿交电报局的报务员按次序拍发出去。如果等回电，就要在对方收到电报后，按照同样的程序发送回电，一次往返需要很长时间。因此，一些发明家开始研究是否能发明一种通信工具通过传递声音进行实时交流。
1860年，德国发明家赖斯（Johann Philipp Reis）第一次成功地用电流传送了一段旋律，并为这个装置起了个名字“telephone”，一直沿用至今。但是，这种电话机还很不完善，由于送话器产生的电流是不连续的，所以传过来的声音也就断断续续，听不清楚。尽管如此，赖斯的尝试已经很明确地证明可以通过电流传递声音，是电话发明史上跨时代的重要一步，为后来的发展打下了坚实的基础。
1876年，美国发明家贝尔（Alexander Graham Bell）成为世界上第一个获得电话专利权的人。贝尔的发明源于其在“多路电报机”的实验过程中突发奇想：能否用电流的强弱模拟声音大小的变化，从而用电流传送声音。经过不断试验和改进，他用两根导线连接起两个结构完全相同、在电磁铁上装有振动膜片的送话器和受话器，首先实现了两端通话。这种电话机使用起来并不方便，最初也只能向一个方向传话，但比发电报还是方便得多。电话发明的当年，贝尔和他的助手华生借用电报的线路进行了相距几十千米的通话试验，证明了电话的可用性。1877年，连接波士顿和纽约架设的第一条电话线路开通。同年，有人第一次用电话给《波士顿环球报》发送了新闻消息，从此开始了公众使用电话的时代，电话业务也开始快速发展。
此后的几十年间，美国发明家爱迪生（Thomas Edison）发明了碳精送话器，大大改进了通话的质量；步进制电话交换机、纵横制电话交换机、半电子制电话交换机等自动电话设备相继问世，促使电话通信进一步发展。随着无线电技术的推广，无线电语音通话成为现实。1921年，美国底特律和密歇根警察厅开始使用车载无线电，这也是现代移动通信系统的早期原型。
广播和电视的发明让信息传播更加广泛
20世纪初，英国电气工程师弗莱明（John Ambrose Fleming）发明了二极管，美国发明家德福雷斯特（Lee De Forest）紧随其后发明了真空三极管，让全世界跨入电子时代，大大加快了通信技术的发展。1906年，美国物理学家费森登（Reginald Fessenden）成功地进行了无线电广播实验。1920年，美国第一个也是世界上第一个取得营业执照的商业广播电台匹兹堡KDKD广播电台开始播音。随后，各国的无线电广播陆续诞生。随着使用波长的不断改进及调频技术的发明，广播事业在世界各地蓬勃发展，收音机成为人们了解时事新闻的方便途径。
在实现了对声音的广泛传播后，人类开始探索对图像的远距离传输。1925年，英国工程师贝尔德（John Logie Baird）以机械扫描方法实现了影像的映射，严格地说，这并非真正的电视机，只是显像管技术。随着光电摄像管、电子扫描系统和电子束显像管技术的不断发展，电视的发展才进入实用阶段。20世纪30年代末期，英国和美国开始出现黑白电视广播。到了50年代初期，黑白电视广播开始在各国普及。随着全电子管彩色电视机的发明、超短波转播站的建立，到60年代后期，彩色电视机才开始进入一些国家，并逐渐普及。
广播和电视的普及让信息的传递更加便利、快捷，让人们能够更及时地获取信息，也改善了人们的生活质量。
信息论的诞生为数字通信时代的到来奠定了基础
20世纪20年代，美国工程师尼奎斯特（Harry Nyquist）和哈特利（Ralph Hartley）最早开始研究通信系统传输信息的能力，并试图度量系统的信道容量。1948年10月，美国数学家香农（Claude Elwood Shannon）发表的《通信的数学理论》宣告了现代信息论的诞生。他把通信理论的解释公式化，对如何有效地传输信息的问题进行了研究。这一理论被世界各国的通信工程师和数学家采用，并对其进行了详细的论述、扩展和完善，为数字通信技术的发展提供了理论工具。同时，随着晶体管、微电子技术的发展，电子计算机迅速发展，其强大的信息处理功能和越来越广泛的应用场景对通信技术有了更高的要求，也推动了数字化信息时代的到来。
经济社会的快速发展，使人们对移动通信有了大量需求。1986年，第一代移动通信技术在美国芝加哥诞生，打开了现代移动通信的大门。第一代移动通信技术采用模拟信号传输，即将电磁波进行频率调制后，将语音信号转换到载波电磁波上。载有信息的电磁波发布到空间后，由接收设备接收，并从载波电磁波上还原语音信息，完成一次通话。但是，由于各个国家的通信标准不一致，第一代移动通信并不能“全球漫游”，由于采用模拟信号传输，容量非常有限，一般只能传输语音信号，存在语音品质低、信号不稳定、涵盖范围不够全面、安全性差和易受干扰等问题，大大阻碍了其发展。尽管如此，在那个时代，手拿“大哥大”确确实实已成为一个人身份和财富的象征。
从20世纪80年代中期到21世纪初，第二代移动通信技术迅速发展。第二代移动通信技术采用的是数字调制技术，相较于第一代技术系统容量有所增加。尽管数据传输的速度慢，但运用手机进行文字信息传输成为现实，且已经能够实现手机上网，为当今移动互联网发展奠定了基础，摩托罗拉、诺基亚等移动终端生产商迅速发展壮大。到了20世纪90年代后期，移动通信市场逐渐饱和，日益增长的图片和视频传输的需求使得人们对数据传输速度有了更高的要求，第三代、第四代移动通信技术相继诞生。通过开辟新的电磁波频谱、制定新的通信标准，第三代移动通信技术的传输速度能够达到第二代技术的140倍，开启了移动通信的新纪元。随着互联网的普及和在线内容的流行，第四代移动通信技术在增加数据和语音容量、提高整体体验质量和传输速度上进一步提升，传输速度达到上一代技术的50倍。如今，第四代移动通信技术已经像“水电”一样成为我们生活中不可缺少的基本资源，也推动了移动互联网相关产业的持续发展，使得通信、商务金融、文化娱乐等各个方面在移动互联网上的业务应用和创新日益丰富，成为新的经济增长点。第五代移动通信技术也正在紧锣密鼓地研发中，它将不仅拥有更高速率、更大带宽、更强能力，而且是一个多业务、多技术融合的网络，更是面向业务应用和用户体验的智能网络，最终将形成以用户为中心的信息生态系统，成为经济社会数字化转型的关键基础设施，为实现万物的互联互通以及无人驾驶、物联网、车联网、智能制造、远程医疗等行业的发展奠定基础，从而推动我国数字经济发展迈上新台阶。
随着数字通信业务的不断扩张，通信传输技术和方式也得到了迅速发展。1965年，美国成功发射了第一颗实用对地静止通信卫星。此后，卫星通信迅速发展，推动了无线通信技术的再一次发展。20世纪70年代，以光波作为信息传输载体的光纤通信技术横空出世，并以其传输频带宽、抗干扰性强和信号衰减小，远优于电缆、微波通信的传输，成为世界上主要通信传输方式之一。
量子通信技术即将开启新的通信时代
作为近代物理的两大支柱理论之一，量子力学极大地影响了人们认识世界和改变世界的能力，其基本原理已被应用于信息科学等领域。其中，量子通信是主要的应用方向，其主要形式包括基于量子密钥分发的量子保密通信、量子密集编码和量子隐形传态等。
1984年，美国科学家本内特（Charles Henry Bennett）和加拿大科学家布拉萨德（Gilles Brassard）首次提出了利用量子比特作为信息载体，通信双方先产生并安全分配量子密钥，然后用分配好的密钥，以“一次一密”的方式实现安全通信。随后，多国科学家进行了大量的研究工作。美国、欧盟、日本、中国等均已把量子通信作为21世纪的战略项目，并投入了大量的人力和资金支持。相较于传统通信方式，量子通信具备的绝对安全特性，使之在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，并已逐渐从理论走到现实。
经过20多年的发展，我国在量子通信领域的研究和实践在国际上已处于领先地位。我国在国际上首次实现了安全距离超过百千米的光纤量子通信和首个全通型量子通信网络，建成了首个规模化城域量子通信网络，首次将自由空间量子通信的距离突破到百千米量级。2016年，国际上首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射；同年底，连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”全线贯通，初步构建了我国天地一体的广域量子通信基础设施。目前，我国自主研制的量子通信装备和技术已为纪念***成立60周年阅兵、党的十八大、纪念抗战胜利70周年阅兵等国家重要政治活动提供了信息安全保障，并运用于金融业、商业等数据加密传输。
通信技术的变迁与发展，是科学的重大发现和人类经济社会发展过程中日益增长的信息交流需求共同作用的结果。每一次的技术变革都极大地改变了人们的生活方式和沟通方式。通信也逐渐成为人类生活的必需品，变成推动社会发展的最重要动力之一。无论未来通信技术如何发展，为人类提供更好的通信服务，让我们的生活日新月异，仍是永恒的主题与趋势。
邓元慧，中国科协创新战略研究院助理研究员，博士。
王国强，中国科协创新战略研究院研究员，博士，主要研究方向为科技史、科技政策和科技传播。
本文来自《张江科技评论》杂志