2.2　近现代通信

近现代通信以电磁技术为起始，是电磁通信和数字时代的开始。

2.2.1　电报与电话

19世纪中叶以后，随着电报、电话的发明，电磁波的发现，人类通信领域产生了根本性的巨大变革。从此，人类的信息传递可以脱离常规的视听觉方式，用电信号作为新的载体，带来了一系列的技术革新，开始了人类通信的新时代。利用电和磁的技术，来实现通信的目的，是近代通信起始的标志，但真正现代意义上的通信始于1837年莫尔斯（Samuel Morse，1791—1872）发明的电报，开创了利用电信号传递信息的新时代。代表性事件如下：

1837年，美国雕塑家、画家、科学爱好者塞缪乐·莫尔斯成功地研制出世界上第一台电磁式（有线）电报机。他发明了莫尔斯电码，电码符号由两种基本信号和不同的间隔时间组成：短促的点信号“.”，读“的”（Di）；保持一定时间的长信号“─”，读“答”（Da）。利用“点”“画”和“间隔”，可将信息转换成一串或长或短的电脉冲传向目的地，再转换为原来的信息。莫尔斯电码如图2-3所示。1844年5月24日，莫尔斯在国会大厦联邦最高法院会议厅用“莫尔斯电码”发出了人类历史上的第一份电报，从华盛顿向40英里外的巴尔的摩城拍发了世界上第一份长途有线电报，从而实现了长途电报通信。人类社会电通信的时代，便从此开始了。

1843年，美国物理学家亚历山大·贝思（Alexander Bain）根据钟摆原理发明了传真。传真（fax，是facsimile的简写形式，有时也叫telecopying）是指用电话线路传输经扫描的印刷材料（文本或图像）。传真机将需要发送的原件按照规定的顺序，通过光学扫描系统分解成许多微小单元（称为像素），然后将这些微小单元的亮度信息由光电变换器件顺序转变成电信号，经放大、编码或调制后送至信道。接收机将收到的信号放大、解码或解调后，按照与发送机相同的扫描速度和顺序，以记录形式复制出原件的副本。

1850年美国的弗·贝克韦尔（Frederick Bakewell）开始采用“滚筒和丝杆”装置代替了亚历山大.贝思的钟摆方式，使传真技术前进了一步。1865年，伊朗人阿巴卡捷里根据贝恩和贝克韦尔提出的原理，制造出实用的传真机，并在法国的巴黎、里昂和马赛等城市之间进行了传真通信实验。

1875年，苏格兰青年亚历山大·贝尔（A.G.Bell，1847—1922）发明了世界上第一台电话机。其发明具有戏剧性。

贝尔出生在英国一个声学世家，后移居美国。在波士顿曾开办过聋哑人教师的学校。由于职业上的原因，他研究过听和说的生理功能。后受聘为波士顿大学声音生理学教授。在莫尔斯电报发明后的20多年中无数科学家试图直接用电流传递语音，贝尔也把发明电话作为自己义不容辞的责任。但由于电话是传递连续的信号而不是电报那样不连续的通断信号，在当时的难度好比登天。他曾试图用连续振动的曲线来使聋哑人看出“话”来，没有成功。1873年，贝尔和他的助手在波士顿研究多工电报机，它们分别在两个屋子联合试验时，沃森看管的一台电报机上的一根弹簧突然被粘在磁铁上。沃特森把粘住的弹簧拉开，这时贝尔发现另一个屋子里的电报机上的弹簧开始颤动起来并发出类似于莫尔斯电码的“滴答”声。正是这一振动产生的波动电流沿着导线传到另一屋子里。这引起贝尔大胆的设想：如果能用电流强度模拟出声音的变化不就可以用电流传递语音了吗？贝尔由此得到启发，他想，假如对铁片讲话，声音就会引起铁片的振动，在铁片后面放有绕着导线的磁铁，铁片振动时，就会在导线中产生大小变化的电流，这样一方的话音就会传到另一方去。随后的两年内贝尔刻苦用功掌握了电学，再加上他扎实的语言学知识，使他如同插上了翅膀。他辞去了教授职务，一心扎入发明电话的试验中。两年后，经过无数次失败后他们终于制成了两台粗糙的样机：圆筒底部的薄膜中央连接着插入硫酸的碳棒，人说话时薄膜振动改变电阻使电流变化，在接收处再利用电磁原理将电信号变回语音。但不幸的是试验失败了，说话的声音是通过公寓的天花板而不是通过机器互相传递的。

正在他们冥思苦想之时，窗外吉他的声音提醒了他们：送话器和受话器的灵敏度太低了。他们连续两天两夜自制了音箱、改进了机器。然后开始实验，刚开始沃特森只从受话器里听到嘶嘶的电流声，终于他听到了贝尔清晰的声音“沃特森先生，快来呀！我需要你？”1875年6月2日傍晚，当时贝尔28岁，沃特森21岁。他们趁热打铁，几经改进，半年后终于制成了世界上第一台实用的电话机。1876年3月3日（贝尔的29岁生日），贝尔的专利申请被批准。其实，在贝尔申请电话专利的同一天几小时后，另一位杰出的发明家艾利沙·格雷也为他的电话申请专利。由于这几个小时之差，美国最高法院裁定贝尔为电话的发明者。

回到波士顿后贝尔继续对它进行改进，同时抓住一切时机进行宣传。1878年，贝尔在波士顿和沃特森在相距300多公里的纽约之间首次进行了长途电话实验。与34年前莫尔斯一样取得了成功。所不同的是他们举行的是科普宣传会，双方的现场听众可以互相交谈。中途出了个小小的问题：表演最后节目的歌手听到远方贝尔的声音后紧张得出不了声，急中生智的贝尔让沃特森代替，沃特森鼓足勇气的歌声使双方的听众不时传来阵阵掌声和欢笑声，试验圆满成功。图2-4所示为1880年的贝尔电话。

还有一种说法是“电话之父”不是贝尔。据《每日电讯报》报道，最新解密的文件披露，其实世界上第一部电话的发明者根本不是贝尔，而是一名叫作菲利浦·雷斯的德国科学教师。英国电话公司在50年前就发现了这个秘密，但为了商业利益却一直守口如瓶。据伦敦科学博物馆馆长约翰·利芬称，这个秘密是他在博物馆中的故纸堆中发现的。新发现的文件显示，早在1947年第二次世界大战刚刚结束后不久，为了平息“电话之父”的争论，英国标准电话电报公司的工程师们就对一系列古老的电话机进行了测试，其中一些电话机的发明时间远在“电话之父”贝尔发明第一台电话之前。实验结果显示，一部由德国科学教师菲利浦·雷斯发明的电话设备完全可以使用，而这部电话机发明于1863年，比贝尔的第一部电话问世还要早13年。科学家们发现，尽管这部电话传递的语音非常微弱，但它能够工作。所以，最早的电话发明者不是贝尔，也不是爱迪生。

但是对究竟谁是真正的电话发明人，现在的学术界还有争论，很多书籍都记载着是这个叫贝尔的人，在1876年的3月10日把用电流传递声音变成了现实，从此，人类有了第一部电话。

1877年，也就是贝尔发明电话后的第二年，在波士顿设的第一条电话线路开通了，这沟通了查尔斯·威廉斯先生的各工厂和他在萨默维尔私人住宅之间的联系。也就在这一年，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。

美国的另一位伟大的发明家托马斯·爱迪生于1877年发明了炭精送话器，炭精送话器加手柄、呼叫设备（电铃）、手摇发电机、干电池组成磁石式电话机，电话机的通话质量有了明显提高。图2-5所示为一种磁力电话机。

如果仅有电话机，还只能满足两个人之间的通话，而且无法与第三个人之间进行通话。将多个用户连接起来进行通话，不仅需要连线非常多而导致造价极高，而且两个用户进行通话时，所连接的其他用户无法进行隔离。要解决这个问题，交换机产生了。第一台交换机于1878年安装在美国，当时共有21个用户。这种交换机依靠接线员为用户接线。过了40年，美国建成第一条横贯国土东西的长途电话线。这条线路的修建，足足耗费了2960吨铜和13万根电线杆。

1864年，麦克斯韦（Maxwell）建立了光的电磁波理论并预言了电磁波的存在。1887年赫兹（Hertz）首次通过实验证明了无线电波的存在。这为现代的无线电通信提供了理论根据。无线电波可以在大气媒质中传播这一理论的创立大大推动了通信技术的发展。

1878年，美国在纽黑文开通了世界上最早的磁石式电话总机（也称交换机），预示磁石电话和人工电话交换机诞生。

1882年，出现了共电式电话机（没有手摇发电机和干电池，通话所用电源由交换机供给），通过二线制模拟用户线与本地交换机接通。

1881年，英籍电气技师皮晓浦在上海十六铺沿街架起一对露天电话，付36文钱可通话一次。（中国土地上的第一部电话）

1882年2月，丹麦大北电报公司在上海外滩扬于天路开办第一个电话局，用户有25家。

1882年6月，皮晓浦以“上海电话互助协会”名义开办了第二个电话局，用户有30余家。

同年，英商“东洋德律风”公司兼并上述两电话局经营，用户仅有300多家。

1889，安徽省安庆州候补知州彭名保，自行设计、制造了五六十种大小零件，造出了中国的第一部电话机。

1885年，发明步进式交换机。

1892年，由美国人A.B.史端乔（Almon B.Strowger）发明世界上第一部自动交换机，这是第一台步进式IPM电话交换机；1893年，步进制的交换机问世，它标志着交换技术从人工时代迈入机电自动交换时代。

电报和电话开启了近代通信历史，但是都是小范围的应用，更大规模，更快速度的应用在第一次世界大战后，得到迅猛发展。现在在关于第二次世界大战的影视节目中看到是号码盘电话机，用到的拨号盘是1896年美国人爱立克森发明的旋转式电话拨号盘。按键式电话机则是20世纪70年代大规模集成电路出现后的成果。图2-6所示为1930年的号码盘电话。

2.2.2　无线电通信

人类发明了电报和电话后，信息传播的速度不知比以往快了多少倍。电报、电话的出现缩短了各大洲、各国家人民之间的距离感。但是，当初的电报、电话都是靠电流在导线内传输信号的，这使通信受到很大的局限。譬如，要通信首先要有线路，而架设线路受到客观条件的限制。高山、大河、海洋均给线路的建造和维护带来很大的困难。况且，极需要通信联络的海上船舶，以及后来发明的飞机，因它们都是会移动的交通工具，所以无法用有线方式与地面上的人联络。1901年，意大利工程师马可尼（Marconi，1874—1937）发明火花隙无线电发报机，第一次在无线传输中用莫尔斯码从船上与岸边通信（30km），成功发射穿越大西洋的长波无线电信号；标志无线电通信的开始。

马可尼（Marconi，1874—1937）自幼心中崇拜二位先驱，其一是美国开国元勋兼科学家的富兰克林（Benjamin Franklin，1706—1790），他以用风筝引电而著名；第二位是英国电磁学先驱法拉第（Michael Farady，1791—1867），现今电容器的单位，就是以他的名字来命名的。由于此二人的影响，马可尼非常喜欢电磁学及其实验。图2-7所示为马可尼的照片。

直到1894年，马可尼的试验才有了突破性的发展，当时他尚不足20岁，和他长兄一道去阿尔卑斯山（Alps）度假时，读到德国物理学家赫兹（Heinrich Hertz，1857—1894）的一篇重要论文，该文详细描述了证明英国科学家麦克斯韦（James C.Maxwell，1831—1879）所说的电磁波确实存在的实验方法，电磁波以光波速度前进，可以穿透真空、空气、液体和固体。

年轻聪明的马可尼立即领悟到，这个电磁波可以作为传递信息之用。随即匆匆结束假期，赶回家中的实验室，动脑筋设法将这构想付诸实施。他的第一步骤是重复赫兹的实验，虽然也经过多次失败，最后终于成功了，这带给他莫大的鼓励，虽然通信距离只有二三厘米而已。

赫兹的实验用到电波产生（发射）机和电波接收机。发射机是利用诱导线圈产生高电压，在火花隙之间产生火花。接收机则简单到只用一根金属线弯成一圆环，两端不相接而仅留一小间隙。当发射机产生火花时，接收机也会产生一个较弱的火花。发射机与接收机之间除空气外，没有任何东西相连。

这对收发机经马可尼不断地改良，通信距离增加到隔壁的房间，再从楼上到楼下，并可按响电铃和启动用于有线电报的莫尔斯电码印码机。

下一步便是将接收机移至室外，马可尼在阁楼上发，他的二哥阿方索则在外面收。距离越来越远，只好挥动小旗表示收到信号；后来距离远至隔一小山，只得用枪声来表示收到信号。

1906年，美国物理学家费森登成功地研究出无线电广播。

1906年之后的一段时间里，军用和商用船舶很快采用了无线电技术，1912年在泰坦尼克号邮轮沉船事件中拯救了700多个生命而备受称赞。

2.2.3　电视

1922年，16岁的美国中学生菲罗·法恩斯沃斯设计出第一幅电视传真原理图，1929年申请了发明专利，被裁定为发明电视机的第一人。

1924年，第一条短波通信线路在瑙恩和布宜诺斯艾利斯之间建立，1933年法国人克拉维尔建立了英法之间和第一第商用微波无线电线路，推动了无线电技术的进一步发展。

1928年，美国西屋电器公司的兹沃尔金发明了光电显像管，并同工程师范瓦斯合作，实现了电子扫描方式的电视发送和传输。

1928年，美国底特律警察局率先使用装备贝茨发明的能适应移动车辆振动影响的无线电收发信机——超外差AM接收机的警用车辆无线电移动系统（单向），标志移动通信开始。

1930年，发明超短波通信；1931年利用超短波跨越英吉利海峡通话获得成功。1934年，在英国和意大利开始利用超短波频段进行多路（6～7路）通信。1940年，德国首先应用超短波中继通信。中国于1946年开始用超短波中继电路，开通4路电话。

19世纪末，少数先驱开始研究设计传送图像的技术。1904年，英国人贝尔威尔和德国人柯隆发明了一次电传一张照片的电视技术，每传一张照片需要10min。1924年，英国和德国科学家几乎同时运用机械扫描方式成功地传出了静止图像。但有线机械电视传播的距离和范围非常有限，图像也相当粗糙。

1923年，俄裔美国科学家兹沃里金申请到光电显像管、电视发射器及电视接收器的专利，他首次采用全面性的“电子电视”发收系统，成为现代电视技术的先驱。电子技术在电视上的应用，使电视开始走出实验室，进入公众生活之中，1925年，英国科学家研制成功电视机。1928年，美国纽约31家广播电台进行了世界上第一次电视广播试验，由于显像管技术尚未完全过关，整个试验只持续了30min，收看的电视机也只有十多台，此举宣告了作为社会公共事业的电视艺术的问世，是电视发展史上划时代的事件。

1929年，美国科学家伊夫斯在纽约和华盛顿之间播送50行的彩色电视图像，发明了彩色电视机。

1933年，兹沃里金又研制成功可供电视摄像用的摄像管和显像管。完成了使电视摄像与显像完全电子化的过程，至此，现代电视系统基本成型。今天电视摄影机和电视接收的成像原理与器具，就是根据他的发明改进而来。

1936年11月2日，英国广播公司在伦敦郊外的亚历山大宫，播出了一场颇具规模的歌舞节目，并首次开办每天2h的电视广播。全伦敦只有200多台收视电视机，但它标志着世界电视事业开始发迹。对当年柏林奥林匹克运动会的报道，更是年轻的电视事业的一次大亮相。当时共使用了4台摄像机拍摄比赛情况，其中最引人注目的是全电子摄像机。这台机器体积庞大，它的一个1.6m焦距的镜头就重45kg，长2.2m，被人们戏称为电视大炮。此后，价格相当昂贵的电视在英国中上层家庭开始有所普及。

1937年，该公司播映英王乔治五世的加冕大典时，英国已有5万观众在观看电视。1939年，第二次世界大战爆发时，英国约有两万家庭拥有了电视机。

1939年4月30日，美国无线电公司通过帝国大厦屋顶的发射机，传送了罗斯福总统在世界博览会上致开幕词和纽约市市长带领群众游行的电视节目。成千上万的人拥入百货商店排队观看这个新鲜场面。二战结束时，美国约有7000台电视机；二战前开办电视的还有德国、法国、意大利等国。

第二次世界大战后美国电视事业发展超过英国：从1949年到1951年，电视机数目从一百万台跃升为一千多万台，1960年全美电视台高达780座，电视机近三千万台，约有87％的家庭至少拥有一台电视机。同时期英国只有190万台电视机，法国3万台，加拿大2万台，日本4000台。1993年底，美国98％的家庭至少拥有一台电视机，其中99％为彩色电视机。

20世纪二三十年代电视技术有了脱胎换骨的变革：二战以后广播电视的雏形基本建立，英、德、美、法电视节目播放开始商业化。

1935年，在德国每周播送3次电视节目。

1936年，新建成的“保罗·尼普科”电视台播送柏林奥运会图像。

1939年，国际博览会开幕，通过电视向全世界播送了罗斯福总统的欢迎致辞。

1949年，美国广播公司开发出全电子的彩色电视。

1953年，英国女王伊丽莎白二世加冕仪式实况转播。

1969年7月，全世界5亿多观众看到了人类第一次登上月球的画面。

1958年，我国第一家电视台，中央电视台前身北京电视台诞生。

1958年，我国第一台黑白电视机北京牌14英寸黑白电视机在天津712厂诞生。

1970年12月26日，我国第一台彩色电视机在同一地点诞生，从此拉开了中国彩电生产的序幕。

1973年我国播出彩色电视节目。电视技术、电信技术、卫星传播等科技的融合化，使传统电视媒体在技术革命的推动下变得更加丰富多彩。

1978年，国家批准引进第一条彩电生产线，定点在原上海电视机厂即现在的上广电集团。

1982年10月，国内第一个彩管厂咸阳彩虹厂成立。这期间我国彩电业迅速升温，并很快形成规模，全国引进大大小小彩电生产线100多条，并涌现熊猫、金星、牡丹、飞跃等一大批国产品牌。

1985年，中国电视机产量已达1663万台，超过了美国，仅次于日本，成为世界第二的电视机生产大国。

1987年，我国电视机产量已达1934万台，超过了日本，成为世界最大的电视机生产国。

1985—1993年，中国彩电市场实现了大规模从黑白电视替换到彩色电视的升级换代。

1996年第51届联合国大会通过决议，宣布每年的11月21日为世界电视日。

自我国第一台黑白电视机诞生以来，电视事业在我国取得了长足的进步。1958年3月17日，我国第一台黑白电视机诞生，半年后我国第一家电视台——北京电视台正式开播，它也是现在中央电视台的前身，而当时全国只有约20台黑白电视机。

1958年中国电视刚刚起步时，每周播出4次黑白电视节目，每次仅2～3h。而今天仅中央电视台就开办了15套卫星电视节目，400多档知名电视栏目，内容几乎涵盖了社会生活的各个领域。中央电视台拥有近40万小时的节目资源，日播出量近400h，全国人口覆盖率达90％，观众超过11亿人。

2.2.4　通信理论和技术的突破

20世纪30年代后，信息论、调制论、预测论、统计论等都获得了一系列的突破，促进了通信理论和技术的突破。主要的事件有：

1935年，发明频分复用技术。

1938年，纵横制（Cross Bar）交换机被发明，相对于步进制交换机，提高了可靠性和接续速度。

1946年，第一个公共移动电话系统在美国的5个城市建立。

1946年，美国宾夕法尼亚大学的埃克特和莫希里研制出世界上第一台电子计算机ENIAC，高速计算能力成为现实。此后二进制的广泛应用触发了更高级别的通信机制——“数字通信”，加速了通信技术的发展和应用。

1947年，发明大容量微波接力通信；第一个连接纽约和波士顿的微波中继系统开始运行。

1948年克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon，1916—2001）（见图2-8）于1940年在普林斯顿高级研究所期间开始思考信息论与有效通信系统的问题。经过8年的努力，在《贝尔系统技术杂志》上发表《通信的数学理论》。1949年在《贝尔系统技术杂志》上发表《噪声下的通信》。这两篇文章成了现在信息论的奠基著作：阐明了通信的基本问题，提出了通信系统的模型，给出了信息量的数学表达式，解决了信源统计特性、信道容量、信源编码、信道编码等有关精确地传送通信符号的基本技术问题。

1956年，建设欧美长途海底电话电缆传输系统。

1957年，发明电话线数据传输。

1958年，美国宇航局（NASA）发射第一颗通信卫星，第一次通过卫星实现语音通信，无线通信进入了新时代。

1959年，美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路，从此微电子技术诞生了。

2.2.5　通信大发展

20世纪50年代以后，元件、光纤、收音机、电视机、计算机、广播电视、数字通信业都有极大发展。

1950—1960年，贝尔实验室和全世界其他的通信公司一起发展了蜂窝无线电话的原理和技术。

1960年，美国科学家梅曼（Meiman）发明了第一个红宝石激光器（见图2-9），并证明了激光是一种理想的光载波。因此，激光器的出现使光波通信进入了一个崭新的阶段。

1962年，地球同步卫星（见图2-10）发射成功。

1964年，美国Tand公司Baran提出无连接操作寻址技术，目的是在战争残存的通信网中，不考虑实验限制，尽可能可靠地传递数据报。

美国贝尔公司于1965年生产了世界上第一台商用存储程序控制的电子交换机（No.1ESS），这一成果标志着电话交换机从机电时代跃入电子时代。

1966年，英籍华人高锟博士首次利用无线电波导通信原理，提出了低损耗的光导纤维（简称光纤）概念。

1967年，大规模集成电路诞生了，一块米粒般大小的硅晶片上可以集成1000多个晶体管的线路。

1969年，ARPAnet问世，其成员如图2-11所示。

1970年，法国开通了世界上第一个程控数字交换系统E10，标志着交换技术从传统的模拟交换进入数字交换时代。

1970年，美国首次研制成功损耗为20dB/km的石英光纤，它是一种理想的传输介质。同年，贝尔实验室研制成功室温下连续振荡的半导体激光器（LD）。从此，开始了光纤（见图2-12）通信迅速发展的时代，因此人们把1970年称为光纤通信的元年。目前作为国家信息高速公路干线的传输速率已经达到40Gbit/s以上，而且随着密集波分复用（Dense Wave Division Multiplexing，DWDM）技术的发展，将会出现更大传输容量的光纤通信系统。

1972年以前，只存在一种基本网络形态，这就是基于模拟传输，采用确认服务，面向链接和同步转移模式（STM）的公众交换电话网（PSTN）网络形态。这种技术体系和网络形态现在仍在使用。

1972年，CCITT（ITU的前身）通过G.711建议书（话音频率的脉冲编码调制，PCM）和G.712建议书（PCM信道音频四线接口见的性能特征），电信网络开始进入数字化发展历程。

1973年，美国摩托罗拉公司的马丁·库帕博士发明第一台便携式蜂窝电话，也就是通常所说的“大哥大”，如图2-13所示。一直到1985年，才诞生出第一台现代意义上的、真正可以移动的电话，即“肩背电话”。

1972—1980年，国际电信界集中研究电信设备数字化，这一进程，提高了电信设备性能，降低了电信设备成本，并改善了电信业务质量。最终，在模拟PSTN形态基础上，形成了综合数字网（IDN）网络形态，在此过程中有一系列成就值得关注：

（1）统一了话音信号数字编码标准。

（2）用数字传输系统代替模拟传输系统。

（3）用数字复用器代替载波机。

（4）用数字电子交换机代替模拟机电交换机。

（5）发明了分组交换机。

1977年美国、日本科学家制成超大规模集成电路，30mm2的硅晶片上集成了13万个晶体管。

1977年7月15日，美国联邦信息处理标准生效，成为事实上的国际商用数据加密标准。

1979年，发明局域网。

模拟蜂窝系统：1979年，第一个具有大的覆盖范围和自动交换功能的系统由爱立信公司推出，并建立北欧移动电话系统（NMT）。不久，高级移动电话服务（AMPS）于1983年在北美建立。

中国在这个时期开始改革开放。同时，也让中国开始追赶世界通信发展的步伐，并逐渐拉近差距。