书城科普日新月异的信息科学(新编科技大博览·A卷)
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第18章 通信技术(7)

从每秒传送字符数(cps),可以直接估计传送一个文件所需的时间。由于一个字符占用一个字节(7位ASCII码,1位奇偶位),而在异步通信中传送一个字节(8位)需使用10位(因增加启始位和停止位),所以每秒字符数约为bps数的1/10。例如,2400bps传送字符为每秒240个(240cps),如用于传送汉字,由于1个汉字内码占2个字节,所以每秒只传120个汉字。

2400bps÷10bit/字符=240cps

2400bit/秒÷10bit/字符÷2字符/汉字=120汉字/秒由于二进制数的某些特殊规律,使得可以进行数据压缩,以减少数据量,在到达对方之后再完全还原。现在的一些通信设备也具备了压缩功能,能将数据压缩至1/2,甚至1/4。从送入通信设备的数据量看,传输速率提高了2倍或4倍,但在传播介质上的传播速率实际上并没有变化。

以上的压缩能无失真地完全恢复。而数字化的语音信号和图像信号,如允许有一些失真,压缩倍数还可以大大增加,语音可达20倍以上,图像可达100倍;还原后,“可懂度”还可以,“自然度”稍差。

公用分组数据交换网

公用分组数据交换网是实现不同类型计算机之间、计算机与终端之间、终端与终端之间传送数据的新设施,也是数据通信网的发展方向。分组交换网采用流量控制方法传送数据,可以利用现有线路资源,具有很高的可靠性,是目前世界大多数国家采取的方式。

分组交换方式是首先将来自终端的电文暂存在交换机内,然后划分规定长度的块(即分组),并附加上接收地址,在网内高速传输,最后传递到对方终端。其特点是:传输线路利用率极高,通信费用低(按信息量比例计费,与传输距离和通信时间关系不大),传输质量和可靠性高,具有不同种类终端间通信、分组多路通信等多样化的业务功能。

我国建成的第一个公用分组交换数据网(CNPAC)已开通使用。数据网在北京、上海、广州3个城市建主节点交换机(PSX);在天津、沈阳、西安、成都、武汉、南京、深圳和邮电部数据研究所(北京)等8个城市建远程集中器。网络管理中心和国际出入口局均设在北京。目前,该网只允许用户电报和公用电话网内的用户呼叫分组网上的用户,分组网上的用户呼叫公众电话网、电报网的用户还有待开发。享用国际有关数据库资源可通过北京出入口局与国际分组交换网互通实现。由于我国初建的分组交换网节点和远程集中器的数量少,许多地方的数据终端还不能直接接到分组交换网上,必须经过公用电话网与分组交换网进行联网,达到共享分组交换网上计算机的资源。为此,江苏等省正在利用现有公用电话网电路,组建与CNPAC相联的省内分组交换网,以扩大数据通信的覆盖面。

综合业务数字网

目前的数据通信网,包括局域网和广域网,在对数字信息的处理和信息的传输和交换实现了综合的数据处理,已经具体应用在联机银行系统(由计算机控制的、用户可凭存款卡到各支行存取的系统)、航空公司和火车站的计算机订票系统、公安局的交通管制系统、生产和仓库管理系统等。这些应用将为我们跨进未来的综合业务数字网打下了基础。

要将语声、数据和图像等办公用的信息,经过一种综合的数字通信网,首先就需要将非数字化的信息交换成数字信号,在通信网内进行传输、交换、处理,在出网之后再恢复成原来形式的信息。数字通信技术容量大,可靠性高,抗干扰能力强,它可将通信和广播结合起来。当前在发达国家已经提供的可视电话、双向电缆电视、图文检索或交互式电视数据和广播式电视数据都可以在数字通信网中进行双向传输。这样的数字通信网一般称为综合业务数字网,缩写为ISDN。

利用数字通信技术(数字传输信道和分组交换/电路交换系统)构成的网络,可在综合的方式下提供各种不同的业务。它们包括:电话、电报、用户电报、无线电广播、电视广播、电子信函、数据库远地检索(包括远程电子存档,电子图书馆)、电子发行及投送、电子银行业务、计算机通信(包括局域网)、远地办公、远程会议(包括电视会议,电子会议)、电视电话等等。这样就由计算机技术和通信技术相结合而生成一种现代化的综合业务通信系统。

从上述的多项综合业务中可以看出,综合网可以把办公系统、管理系统、图书、报纸等信息业务相互联系起来。由于各种信息都可以通过四通八达的通信网及时地获得,因而办公人员不必集中在一处办公,也不必在规定的时间内工作,而是可以采取灵活、分散的方式工作,称之为远地办公。

用塑料包住非常细的玻璃光导纤维制成的电缆。一根光导纤维可以进行16千兆比/秒的大容量通讯,一次可传送23000人的电话。根据各种不同通信业务的要求,信息将分别由公用分组交换网(如数据通信,计算机通信)、公用电路交换网(如电话,电传,用户电报等),或专用网接续、处理和传输。把各种不同的通信网联接起来,最后建起真正的综合业务数字通信网,这是一个长远的目标。

目前,各发达国家建立综合业务数字网的工作正处于开发和试用阶段。由于涉及面广,投资费用大,必须是分阶段分批实现的。我国有关部门也正在探讨规划和试验之中。

光纤通信

在光纤通信以前,人们已经利用无线电波传递信息,而且直到现在它仍旧是重要的信息载体。

那么,什么是光纤通信呢?

简单地说,光纤通信就是光波通过光缆传输信息。但是,这种光不是普通的光,而是激光,普通光方向性差,无法听清声音。

1960年,美国物理学家梅曼发明了一种用红宝石为受激物体的激光器,产生了一种具有单一频率、方向高度集中的光,叫激光。这使光通信才成为可能。但是,激光在大气层中传播,会受到雨、雪、雾和灰尘的侵袭,甚至连窗帘那么薄的东西也能使光束受阻,使光能量减弱。

那么,怎样能使光束不受阻呢?

一位希腊的玻璃工人发现,光不仅可以从玻璃棒的一端迅速地传到另一端,而且不会向棒外散射,即使玻璃棒是弯曲的,光束也能随着弯曲的线路前进。原来,这是因为光射到玻璃界面时,发生了全反射的原因。

科学家根据这一发现,把玻璃拉成很长的玻璃细丝——光纤,作为光的“导线”。经过试验,不管玻璃丝怎样弯曲,只要入射角度合适,激光就会在玻璃丝内来回反射,沿着导线传到很远很远的地方。

这种玻璃丝就叫做光导纤维。

光导纤维能够将声音、文字和图像的电信号变成相应强弱变化的光信号,传到很远的地方。如果你在摄像机下对着电话机的送话器讲话,声音和图像就会变成了电流,经过电信发送设备,变成一串串由“0”和“1”组成的数字信号。光端机通过光纤射出的一串串明暗不同的光信号,传到对方的光端机上,由接收机恢复成声音或图像信号,这样就听到了声音、看到了图像。

令人惊奇的是,光纤通信不仅速度快,而且容量也大得惊人。在一根比头发丝还细的光纤上,就可以同时传输几万路电话或者几千套电视节目。

如果把几十根或几百根光纤组在一起,就成为光缆。它的外径比电缆要小得多,但是,容量却上千倍地增加。

不仅如此,光缆特别廉价,因为它的原料就是石英,就是我们说的一种沙子,比使用铜铝线自然要廉价得多。这种光纤还具有重量轻、柔软性好、不会腐烂等特点,特别是通信保密性好,抗干扰能力强。

1993年10月,我国开通了世界上最长的光纤通信线路。我国的光纤通信网络以北京为中心,联络各个省的省会和其他大城市。可见,我国的光纤通信走在世界前列。

无疑,光纤通信使信息走上了高速公路。

相干光通信

大家知道,光纤通信是信息高速公路的主要组成部分。但是,现在应用的光纤通信只是利用光强变化来传递信息,并没有利用光的波动性质。

而相干光通信却是名副其实的光波通信,因为它不仅利用了光的强度,而且还利用了光的波动性质。也就是说,在光纤通信中,只有利用了光的波动性质,才算是相干光通信。

那么,相干光通信是怎样达到通信目的的呢?

科学家在发信端激光的出射光中,加高码率频率调制信号,也就是用频率变化来携载信息,并将其耦合到光线中。而在接收端的另一台激光器,与发信端激光器有固定的光频差,一般情况下,频差大于四倍的码率,使该激光器发出的光波同接收到的携载的信号的光波相混合。这样,就会得到由两束光的频率差产生的拍频,从而探测出传送的信号。

要实现相干光通信,必须具备两个条件。

第一,发射端的激光要有很好的相干性,而且光频必须十分稳定。经过试验表明,用于相干光通信的激光,最佳频宽范围为1兆赫以下。因此,进一步提高激光器的单色性是关键的步骤,而改善其单色性的重要途径就是提高激光频率的稳定性。

第二,传播到接收端的偏振面必须同接收端激光的偏振面相重合。为了使光在光纤中的传播中保持偏振不变,需要使用能够防止偏振面旋转的特殊光纤,并要采取一定的“防变”措施。

那么,相干光通信有什么好处呢?

相干光的独特之处是可以延长中继距离。

目前,采用的光强调制的光纤通信中继距离一般在40千米,而相干光通信中继距离可望达到100~200千米。这可以减少中继距离的设施,特别是对长距离的海底通信十分有利。因为,在海底建设中继设施更为困难了。

不仅如此,相干光的接收灵敏度高,比现在用的光强调制直接检测系统要高出10~100倍。并且它的选择性良好,可以实现超大容量的光纤通信。

由此可见,光纤通信的潜力很大,但是,只有用现代高新科学技术,不断地开发研究,才能挖掘其潜力,实现超大容量的光纤通信。这是信息高速公路这一高新科学技术不断发展的必由之路,也正是科学的不断发展和提高,才使得信息高速公路不断向前延伸。

中微子通信

在众多的通信载体中,中微子是科学家发现的一种有价值的通信载体之一。

那么,什么是中微子呢?

所谓中微子指的是基本粒子诸如质子、中子、电子、光子、介子等家族成员中的一员。中微子属于轻子的范围,它的静态质量大约只有电子质量的一万分之一,几乎测不到它的存在。

中微子具有光的速度,而且具有穿越地球的本领。它的特点是,沿直线传播,从不发生折射和反射,因此,几乎不存在传输中的衰减而减少能量的弊端。据测算,中微子束在穿越地球时,其能量衰减也仅为一百亿分之一。

因此,科学家便设想把它用于通信上,而且在实践中证明,它是通信的良好载体。

那么,怎样利用中微子通信呢?

实际上,就是采用中微子束代替电磁波传递信息的无线电通信方式。

中微子通信装置分为发射和接收两部分。

通信时,在发射端首先用高能质子加速器将质子加速到几千亿电子伏的能量,然后再用它去轰击一块金属靶子。这时,靶子的背面就会产生许多介子。这些介子一边运动,一边发生分裂,从而产生中微子和μ子。

然后,再让它们穿越钢板,μ子被钢板所吸收,剩下的便是中微子。如果用信号对中微子进行“改造”,那么它就会按人的意志,朝一个方向传递目标。

如果在接受端装一个贮有近亿吨水的特大水箱,里面置有星罗棋布的光探测器。当发射过来的中微子束从水中传过时,就会与原子核的中子发生核反应,从而产生μ子,μ子在水中高速前进,产生光电效应而放出光子,进而被水中的探测器接受。这样,便可以把中微子束所带的信息解调出来,达到通信的目的。

1978年12月19日,美国华盛顿海军研究所的科学家在世界上首次利用中微子作为信息载体,并取得成功。

那么,中微子通信有什么优点呢?

中微子通信是目前世界上最先进的应用通信方式。它不仅具有保密性强、稳定性好等特点,而且还有不受外界的干扰、传递信息快、对人体无害等优点。因此,被称为“当今世界最完全的通信”。

它不仅可以实现全球无线电通信,而且还可以穿透高空电离层,同其他星球通信。因此它将成为陆、海、空以及星际通信的最佳载体之一。

微波通信

在实现信息高速公路的计划中,微波通信也是信息的重要载体之一。

其实,对于微波通信大家并不陌生,雷达和卫星转送的电视节目都是利用微波来实现的,它是远距离通信的理想波段。

微波为什么能肩负远距离通信的任务呢?

微波属于电磁波,它和长波、中波、短波同是电磁波家族的成员。

微波的频带极宽。科学家测出,它是长波、中波和短波频段总和的1000倍。短波通信设备只能容纳几个话路同时工作,而一套微波通信设备可以让几千个话路同时通信。由于电视图像信号占用很宽的频带,因此它是传输电视信号必不可缺少的频带。

另外,微波波束很窄,方向性强,使用比较低的功率就可以将信号传得很远,并且可以使通信干扰现象减弱。

由于微波通信具有频带宽、携带信息量大、抗干扰能力强等优点,所以微波通信便成为信息高速公路通信载体的重要手段。