1、发 达 的 通 信 技 术第 一 章 信 息 科 学第一节什么是信息科学信息科学是以信息为主要研究对象， 以信息的运动规律和应用方法为主要研 究内容， 以计算机等技术为主要研究工具， 以扩展人类的信息功能为主要目标的 一门新兴的综合性学科。信 息 科 学 由 信 息 论 、 控 制 论 、 计 算 机 科 学 、 仿 生 学 、 系 统 工 程 与 人 工 智 能等学科互相渗透、互相结合而形成的。二十世纪 40 年代末， 美国数学家香农发表了 通信的数学理论 和 在 噪声中的通信 两篇著名论文 ， 提出信息熵的数学公式 ， 从量的方面描述了信息 的传输和提取问题， 创立了信息论 。 于是信息论
2、首先在通信工程中得到广泛应用， 为信息科学的研究奠定了初步的基础。随着自动化系统和自动控制理论的出现， 对信息的研究开始突破原来仅 限于传输方面的概念。 美国数学家维纳在这个时期发表了著名的 控制论 和 平 稳时间序列的外推、内插和平滑问题 ，从控制的观点揭示了动物与机器的共同 的信息与控制规律， 研究了用滤波和预测等方法， 从被噪声湮没了的信号中提取 有用信息的信号处理问题，建立了维纳滤波理论。60 年代中， 由于出现复杂的工程大系统需要用计算机来控制生产过程， 系统辨识成为重要研究课题。 从信息科学的观点来看， 系统辨识就是通过输入输 出信息来研究控制系统的行为和内部结构， 并用简明的数学
3、模型来加以表示。 控 制就是根据系统结构和要求对信息加工、变换和利用。信 息 和 控 制 是 信 息 科 学 的 基 础 和 核 心 。 70 年 代 以 来 ， 电 视 、 数 据 通 信 、 遥感和生物医学工程的发展，向信息科学提出大量的研究课题，如信息的压缩、 增强、 恢复等图像处理和传输技术， 信息特征的抽取、 分类和识别的模式、 识别 理论和方法，出现了实用的图像处理和模式识别系统。香农最初的信息论只对信息作了定量的描述， 而没有考虑信息的其他方 面， 如信息的语义和信息的效用等问题。 而这时的信息论已从原来的通信领域广 泛地渗入到自动控制、 信息处理、 系统工程、 人工智能等领域，
4、 这就要求对信息 的本质、 信息的语义和效用等问题进行更深入的研究， 建立更一般的理论， 从而 产生了信息科学。为了解决控制和决策中的非数值问题，和适应 80 年代以后智能机研究 的需要， 以及要解决知识信息处理的问题， 遂产生了知识工程， 并已研制成专家 系统、自然语言理解系统和智能机器人等。信息科学正在形成和迅速发展， 人们对其研究内容的范围尚无统一的认 识。现在主要的研究课题集中在以下六个方面：信源理论和信息的获取， 研究自然信息源和社会信息源， 以及从信息源 提取信息的方法和技术；信息的传输、存储、检索、变换和处理； 信号的测量、分析、处理和显示； 模 式 信 息 处 理 ， 研 究
5、对 文 字 、 图 像 、 声 音 等 信 息 的 处 理 、 分 类 和 识 别 研制机器视觉系统和语音识别装置； 知识信息处理， 研究知识的表示、 获取和利用， 建立具有推理和自动解决问题能力的知识信息处理系统即专家系统； 决 策 和 控 制 ， 在 对 信 息 的 采 集 、 分 析 、 处 理 、 识 别 和 理 解 的 基 础 上 作 出判断、决策或控制，从而建立各种控制系统、管理信息系统和决策支持系统。 信 息 过 程 普 遍 存 在 于 生 物 、 社 会 、 工 业 、 农 业 、 国 防 、 科 学 实 验 、 日 常生活和人类思维等各种领域， 因此信息科学将对工程技术、 社
6、会经济和人类生活 等方面产生巨大的影响。第二节什么是电信和电信网电 信 （ telecommunication） 是 指 利 用 电 报 、 电 话 、 传 真 、 无 线 电 设 备 和 互 联 网络等电子手段传递信息的通讯方式。而电信网（telecommunication network）是多个用户电信系统互连的通信体系。 是由终端设备、 传输设备、 交换设备等基本要素组成的综合系统。 电信网的 主要功能是按用户的需要传递和交流信息，以实现人类远距离通信的需要。电信网的分类： 按 电 信 业 务 的 种 类 分 为 ： 电 话 网 、 电 报 网 、 用 户 电 报 网 、 数 据 通 信
7、 网 、 传真通信网、图像通信网、有线电视网等等。 按服务区域范围分为： 本地电信网、 农村电信网 、 长途电信网、 移动通信网、国际电信网等等。按传输媒介种类分为： 架空明线网、 电缆通信网、 光缆通信网、 卫星通信 网、用户光纤网、低轨道卫星移动通信网等。按交换方式分为： 电路交换网、 报文交换网、 分组交换网、 宽带交换网等等。按 结 构 形 式 分 为 ： 网 状 网 、 星 形 网 、 环 形 网 、 栅 格 网 、 总 线 网 等 等 。 按 信息信号形式分为： 模拟通信网、 数字通信网、 数字模拟混合网等。 按信息传递方 式分为： 同步转移模式 （S TM） 的综合业务数字网 （
8、I SDN） 和异地转移模式 （A TM） 的 宽 带 综 合 业 务 数 字 网 （ B-ISDN） 等 。现在世界各国的电信网正在向数字化的电信网发展， 将逐步代替模拟通信的 传输和交换，并且向智能化，综合化的方向发展。第 二 章 通 信 的 发 展 史第一节远古的追忆难忘烽火台现在每当我们提到烽火台， 就会自然而然地想到长城， 实际上烽火台筑在长 城沿线的险要处和交通要道上。 一旦发现敌情， 便立刻发出警报： 白天点燃掺有 狼粪的柴草， 使浓烟直上云霄； 夜里则燃烧加有硫磺和硝石的干柴， 使火光通明， 以 传 递 紧 急 军 情 。 上 图 为 新 疆 呼 图 壁 县 境 内 的 烽 火
9、 台 ， 在 呼 图 壁 县 境 内 共 有 5个烽火台，其中 3 个已毁，烽火台长宽均约 4 米，高约 5 米，筑台年月不详。烽火台通信， 源于奴隶制国家在政治和军事方面对通信的需要。 据历史记载， 早在三千多年前， 我国就有了利用烽火台通信的方法。 关于烽火通信有个叫 “千 金买笑” 的故事 。 故事是这样的， 周朝有个周幽王， 这是一个非常残暴而腐败的 君主，他有个爱妃名叫褒姒，长得非常美丽， 东周列国志中有这样一段话来 形容褒姒： “目秀眉清，唇红齿白，发挽乌云，指排削玉，有如花如月之容，倾 国倾城之貌。 ”褒妃虽然很美，但是 “从未开颜一笑” 。为此，周幽王使出了一 个 赏 格 ：
10、“谁 要 能 叫 娘 娘 一 笑 ， 就 赏 他 一 千 斤 金 子 ”(当 时 把 铜 叫 金 子 )。 于 是 有 人想出了一个点起烽火戏诸侯的办法， 想换取娘娘一笑， 一天傍晚， 周幽王带着 爱 妃 褒 姒 登 上 城 楼 ， 命 令 四 下 点 起 烽 火 。 临 近 的 诸 侯 看 到 了 烽 火 ， 以 为 西 戎 (当 时 西 方 的 一 个 部 族 )来 犯 ， 便 领 兵 赶 到 城 下 救 援 ， 但 见 灯 火 辉 煌 ， 鼓 乐 喧 天 。 一 打听才知是周幽王为了取乐于娘娘而干的荒唐事儿， 各诺侯敢怒不敢言， 只好气 愤 地 收 兵 回 营 。 褒 姒 见 状 ， 果
11、 然 淡 然 一 笑 。 但 事 隔 不 久 ， 西 戎 果 真 来 犯 ， 虽 然 点 起了烽火， 却无援兵赶到 。 原来各诸侯以为周幽王又是故伎重演。 结果都城被西 戎攻下，周幽王也被杀死了，从此西周灭亡了。至今仍相传的 “千金买笑” 的故事就是从这儿来的。 后来， 又有人写了首诗， 讽刺“烽火戏诸侯”之事，诗是这样的：良夜颐宫奏管簧，无端烽火烛穹苍。 可怜列国奔驰苦，止博褒妃笑一场！这个历史故事不仅生动的描绘了当时利用烽火台通信的情况， 同时也告戒后 人， 通信是非常重要的， 不论在什么时候也不论是什么人， 都不能拿通信当儿戏。第二节话说望远镜17 世纪中叶， 人们发明了望远镜， 它使得
12、人们可以看得更远了。 到 1791 年， 法国人发明了灯信号，此后“灯语”通信在欧洲风靡一时。直到今天，信号灯、 旗语、望远镜等目视光通信的手段仍在使用，但是这一切还是最原始的光通信， 不能算作是真正的光通信。 不过， 这些原始的光通信由于方便、 可靠至今仍在使 用，所以还是有必要了解的，现在让我们认识一下望远镜吧。望远镜的作用首先是能够放大远方物体的张角， 人眼的分辨角大约是 1 分 （1分是 1 度的六十分之一） ，而望远镜能使人眼能看清角距更小的细节，其次，望 远镜能将光线集中起来， 使人眼看到本看不到的暗弱物体发出的光线。 望远镜由 物镜和目镜两组镜头及其他配件组成。 为了减小望远镜的
13、像差， 物镜和目镜通常 由多个元件组成。 望远镜所能收集的最大的光束直径， 称为口径。 所能观测到的 范围称为视场， 通常以角度来表示。 视场大小和目镜的结构有关， 对于同样的目 镜视场直径与放大倍数成反比： 放大率越高， 视场越小。 上面的两幅图是天文学 上常用的光学望远镜。1.折射望远镜中国目前最大的光学望远镜是 2.16 米。 茫茫宇宙， 繁星似沙， 但今后 10 年， 人 类 为 天 体 光 谱 作 的 “户 口 登 记 ”数 ， 将 超 过 以 往 数 百 年 。 因 为 ， 人 类 有 了 新 的 “千里眼” 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜， 该望远镜将于 年建成， 安放在北京
14、兴隆县燕山山脉中兴隆观测站， 届时， 将大大提升我国天文 学研究的国际地位，使我国恒星和星系的光谱观测达到国际领先水平。大 天 区 面 积 多 目 标 光 纤 光 谱 天 文 望 远 镜 （ LAMOST） 是 国 际 上 视 场 和 口 径 最 大 的 天 文 望 远 镜 ， 长 50 米 、 高 30 米 ， 视 场 为 度 ， 口 径 达 米 ， 一 次 观 测 可达 20 平方度 （整个宇宙空间约有万平方度） 。 通过大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，在 21 世纪前 10 年，人类就可测出天体光谱 100 万个。目前世界上最大的望远镜是位于夏威夷的凯克望远镜，直径 10 米,由 3
15、6 面1.8 米的六角型镜面拼合而成，耗资一亿三千万美元，主要是由美国的一个企业 家凯克捐助修建的， 第一面凯克望远镜建造成功后， 凯克基金会又投资修建了凯 克二号望远镜， 两座望远镜挨在一起， 威力无比； 另外的大型望远镜有美国国立 天文台位于南北两半球的两个八米望远镜， 一座位于夏威夷， 一座位于智利， 合 称双子座望远镜； 日本人在夏威夷建造了一座八米的称为昴星团望远镜； 下世纪 欧洲南方天文台将建成四座八米望远镜，组合口径相当于 15 米!目前世界上最大的射电望远镜是波多黎各的阿雷西沃无线探测仪， 它是我们 安 放 在 宇 宙 间 的 最 大 的 无 线 电 耳 朵 。 该 望 远 镜
16、 上 的 巨 大 的 反 向 镜 的 直 径 为 305 米。 阿雷西沃探测仪目前被用来搜寻空中的由外星智能生命发射来的信号， 如果 你看过电影黄金眼 （英美合拍， 1995） 及 接 触 （美国，1997） ，就一定不 会对它陌生那一段发展的历史 。2.细数家珍 虽然人类社会的文明程度和科学技术得到了很大的提高， 但是简单的利用光传递信息的方式仍然在广泛使用， 例如红黄绿交通信号灯， 旗语， 电 灯 发 明 之 后 ， 又有了利用百叶窗和灯光的灯语。现在让我们认识一下旗语。旗语产生于西方的大航海时代，舰船之间通过旗语来进行联络；直到现在， 各种信号旗仍然在船舶上悬挂。现在在 F1 的赛车场也
17、使用到了旗语，可以说它 也是一种目视光通信的手段。如果你能向 F1 赛手像是塞纳、舒马赫、威伦纽夫 等高手侃侃有关 F1 旗语的话题，一定能让他们刮目相看。现在就让我们了解一 下 F1 的旗语吧：白色旗表示跑道上有缓慢移动的车辆 红色旗表示比赛已停止 黑色旗表示指定的赛车下次通过修理站时要停车 黄底红道旗意思是告诉车手跑道较滑 黑白对角旗表示是非运动员行为黄旗表示有危险 黑白格相间的旗子意思是比赛结束 蓝旗表示有车手正要超车 黑底黄色圆心旗表示赛车有故障 绿色旗表示全程畅通看到这些表示方法， 你是不是觉得这种以颜色以及颜色的组合来传递信息的 通信方式很别出心裁。开动你的脑筋，说不定你能想到更绝
18、的招呢。不论是烽火台、 望远镜， 还是交通红绿灯、 旗语， 它们都是光通信的不同形 式， 但是它们有一个共同点， 就是利用大气来传播可见光， 由人眼来接收。 也正 因为如此， 我们才会对它们如此地熟悉， 可是这些却不是真正的意义上的光通信， 更不是强大的光通信，真正强大的光通信应该是光纤通信。在这里，应该明确， 光通信指的是一切运用光作为载体而传送信息的所有通信方式的总称， 而不管传 输所使用的媒质是什么； 而光纤通信则是单纯地依靠光纤作为媒质来传送信息的 通信方式。第二节路漫漫兮其也远尽管人类很早就认识到用光可以传递信息，比如 3000 多年前我国就有了用 光传递远距离信息的设施烽火台； 但
19、是， 其后的很多年中， 光通信几乎没有 什么发展； 后来又有了用灯光闪烁、 旗语等传递信息的方法； 但是这些都是用可 见光进行的视觉通信， 是非常原始的光通信方式， 不能称得上是完全意义上的光 通信。近 100 年中， 人们仍然没有对光通信失去兴致， 就连大发明家贝尔 （B ELL） 也 尝 试 着 用 光 来 打 电 话 ， 这 被 认 为 是 近 代 光 通 信 的 开 始 。 20 世纪 60 年 代 后 ， 随 着人们对通信的要求变得越来越强烈， 光通信获得了突飞猛进的发展。 我们今天 所说的光通信已不再是用可见光进行的视觉通信， 而是采用光波作为载波来传递 信息的通信方式了。 现代人
20、类已经进入了信息社会， 光通信的魅力也逐步地展现 在人们的面前。第三节贝尔的光电话光 通 信 的 出 现 比 无 线 电 通 信 还 早 。 波 波 夫 发 送 与 接 收 第 一 封 无 线 电 报 是 在 1896 年 ， 以 发 明 电 话 而 著 名 的 贝 尔 ， 在 1876 年 发 明 了 电 话 之 后 ， 就 想 到 利 用 光 来 通 电 话 的 问 题 。 1880 年，他利用太阳光作光源，大气为传输媒质，用硒晶体 作为光接收器件， 成功地进行了光电话的实验， 通话距离最远达到了 213 米。 1881 年， 贝尔宣读了一篇题为 关于利用光线进行声音的产生与复制 的论文，
21、 报导 了他的光电话装置。 在贝尔本人看来： 在他的所有发明中， 光电话是最伟大的发 明。贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。 当人对着话筒讲话时， 震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作 相应的变化， 从而使话音信息 “承载” 在光波上 （这个过程叫调制） 。 在接收端， 装有一个抛物面接收镜， 它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅 光电池上，硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调） 。电流送到听筒，就 可以听到从发送端送过来的声音了。光话的苦恼利用光在大气中传送信息方便简单， 所以人们开始研究的光通信 都是这种方式。 但是光在大气中的
22、传送要受到气象条件的很大限制， 比如在遇到 下 雨 、 下 雪 、 阴 天 、 下 雾 等 情 况 ， 就 会 看 不 远 和 看 不 清 ， 这 叫 做 大 气 的 能 见 度 降 低 ， 使 信 号 传 输 受 到 很 大 阻 碍 。 此 外 ， 太 阳 光 、 灯 光 等 普 通 的 可 见 光 源 ， 都 不 适 合 作 为 通 信 的 光 源 ， 因 为 从 通 信 技 术 上 看 ， 这 些 光 都 是 带 有 “噪 声 ”的 光 。 也 就 是说， 这些光的频率不稳定、 不单一， 光的性质也很复杂； 一句话， 就是光不纯。 因此， 真要用光来通信， 必须要解决两个最根本的问题：
23、一是必须有稳定的、 低 损耗的传输媒质( 可不能再用空气了哟！)；另一个问题是必须要找到高强度的、 可靠的光源。 在此后的几十年中， 由于这两项关键技术没有得到解决， 光通信就 一直裹足不前。 也正因此 ， 贝尔的光话始终没有走上实用化的阶段。 所以我们今 天也没有用上 BELL 的 光 电 话 ， 而 只 是 用 了 他 发 明 的 电 话 ； 但 不 管 怎 样 ， BELL 真的是一位伟大的发明家，我们应该记住他的名字。第 三 章 光 缆 通 信第一节光能传播信息1.光也可以“走弯路”1870 年 ， 英 国 物 理 学 家 廷 德 尔 在 实 验 中 观 察 到 ， 把 光 照 射 到
24、 盛 水 的 容 器 内 ， 从出水口向外倒水时， 光线也沿着水流传播， 出现弯曲现象， 这好象不符合光只 能直线传播的定律。 实际上 ， 这时光仍是沿直线传播 ， 只不过在水流中出现了光 反射现象，因而光是以折线方式前进的。光也可以“走弯路” 。廷德尔观察到的现象，直至 1955 年才得到实际应用。当时在英国伦敦英国 学院工作的卡帕尼博士， 发明了用极细的玻璃制做的光导纤维。 每根细如丝的光 导纤维是用两种对光的折射率不同的玻璃制成， 一种玻璃形成中央中心束线， 另 一种包在中心束线外面形成包层。 由于两种玻璃在光学性质上的差别， 光线经一 定角度从光导纤维的一端射入后， 不会从纤维壁逸出，
25、 而是沿两层玻璃的界面连续反射前进， 从另一端射出。 最初， 这种光导纤维只是应用在医学上， 用光纤束 组成内窥镜，可以观察人体肠胃内的疾病，协助医生及时作出确切的判断。其实， 现代的光纤通信也就是运用光反射原理， 把光的全反射限制在光纤内 部，用光信号取代传统通信方式中的电信号，从而实现信息的传递的。2.世界第一台激光器1960 年 7 月 8 日，美国科学家梅曼发明了红宝石激光器，从此人们便可获 得性质和电磁波相似而频率稳定的光源。研究现代化光通信的时代也从此开始。 激光器的英文简称叫 LASER， 意 思是 “受激发射的光放大” 。 这种激光器产生的 光 与 普 通 的 灯 光 不 一
26、样 ， 它 是 受 物 质 原 子 结 构 本 质 决 定 的 光 ， 频 率 稳 定 ， 约 为 100 太赫。 这种光的频率比已经广泛应用的微波 （频率约为 10 兆赫） 的频率高 1 万倍。 因此， 用这种光来传送信息从理论上来说， 通信的容量可以比微波通信的 容量也大 1 万倍！因此，激光器的发明对光通信的研究工作产生了重大的影响。 但是最初发明的激光器在室温下不能连续工作， 因此， 还不可能在通信中获得实 际应用。3.光纤的诞生 人类从未放弃过对理想光传输介质的寻找， 经过不懈的努力， 人们发现了透明度很高的石英玻璃丝可以传光。 这种玻璃丝叫做光学纤维， 简称 “光纤” 。 人 们用
27、它制造了在医疗上用的内窥镜， 例如做成胃镜， 可以观察到距离一米左右的 体内情况。 但是它的衰减损耗很大， 只能传送很短的距离。 光的损耗程度是用每 千米的分贝为单位来衡量的。 直到 20 世纪 60 年代， 最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在每公里 1000 分贝以上。每公里 1000 分贝的损耗是什么概念呢？每公里 10 分贝损耗就是输入的信号传送 1 公里后只剩下了十分之一， 20 分贝就表示只剩 下百分之一，30 分贝是指只剩千分之一1000 分贝的含意就是只剩下亿百分 之一， 是无论如何也不可能用于通信的。 因此， 当时有很多科学家和发明家认为 用玻璃纤维通信希望渺茫，失去了信心，放弃了光
28、纤通信的研究。激光器和光纤的发明， 使人们看到了光通信的曙光。 而要实现光纤通信， 还 需要在激光器和光纤的性能上有重大的突破。 但是在这两方面的突破遇到了许多 困难，尤其是光纤的损耗要达到可用于通信的要求，从每千米损耗 1000 分贝降低到 20 分贝似乎不太可能，以致很多科学家对实现光纤通信失去了信心。就在这种情况下， 出生于上海的英藉华人高锟 （K .C.Kao)博士， 通过在英国标准电信 实验室所作的大量研究的基础上，对光波通信作出了一个大胆的设想。他认为， 既 然 电 可 以 沿 着 金 属 导 线 传 输 ， 光 也 应 该 可 以 沿 着 导 光 的 玻 璃 纤 维 传 输 。
29、1966 年 7 月， 高锟就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文， 论文分析了玻 璃纤维损耗大的主要原因， 大胆地预言， 只要能设法降低玻璃纤维的杂质， 就有 可能使光纤的损耗从每公里 1000 分贝降低到 20 分贝公里， 从而有可能用于通 信。 这篇论文使许多国家的科学家受到鼓舞， 加强了为实现低损耗光纤而努力的 信心。世界上第一根低损耗的石英光纤1970 年，美国康宁玻璃公司的三名科 研人员马瑞尔、 卡普隆、 凯克成功地制成了传输损耗每千米只有 20 分贝的光纤。 这是什么概念呢？用它和玻璃的透明程度比较， 光透过玻璃功率损耗一半 （相当 于 3 分贝）的长度分别是：普通玻璃为几
30、厘米、高级光学玻璃最多也只有几米，而通过每千米损耗为 20 分贝的光纤的长度可达 150 米。这就是说，光纤的透明 程度已经比玻璃高出了几百倍！ 在当时， 制成损耗如此之低的光纤可以说是惊人 之举，这标志着光纤用于通信有了现实的可能性。4.光纤之路舍我其谁1970 年激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破，使光纤通信开始 从理想变成可能， 这立即引起了各国电信科技人员的重视， 他们竞相进行研究和 实验。1974 年 美 国 贝 尔 研 究 所 发 明 了 低 损 耗 光 纤 制 作 法 CVD 法（汽相沉积 法） ， 使光纤损耗降低到 1 分贝公里； 1977 年， 贝尔研究所和日本电报电
31、话公 司几乎同时研制成功寿命达 100 万小时（实用中 10 年左右）的半导体激光器， 从 而 有 了 真 正 实 用 的 激 光 器 。 1977 年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加 哥市投入商用，速率为 45Mbs。进入实用阶段以后， 光纤通信的应用发展极为迅速， 应用的光纤通信系统已 经多次更新换代。70 年代的光纤通信系统主要是用多模光纤，应用光纤的短波 长（850 纳米）波段， （1 纳米=1000 兆分之一米，即米 ） 。80 年代以后逐渐改用 长波长（1310 纳米） ，光纤逐渐采用单模光纤，到 90 年代初，通信容量扩大了 50 倍，达到 2.5Gb s。 进 入 90 年
32、代以后，传输波长又从 1310 纳米转向更长的1550 纳 米 波 长 ， 并 且 开 始 使 用 光 纤 放 大 器 、 波 分 复 用 （ WDM） 技 术 等 新 技 术 。通 信 容 量 和 中 继 距 离 继 续 成 倍 增 长 。 广 泛 地 应 用 于 市 内 电 话 中 继 和 长 途 通 信 干 线，成为通信线路的骨干。5.光通信大事记1880 年，美国电话发明家贝尔就已经研究并成功地发送与接收了光电 话。1881 年，贝尔宣读了一篇题为关于利用光线进行声音的产生与复制的 论文，报导了他的光电话装置。1930 年至 1932 年间， 日本在东京的日本电报公司与每日新闻社之间实
33、现了 3.6 公里的光通信，但在大雾大雨天气里效果很差。第二次世界大战期间， 光电话发展成为红外线电话，因为红外线肉眼看不见，更有利于保密。1854 年，英国的廷德尔在英国皇家学会的一次演讲中指出，光线能够 沿盛水的弯曲管道进行反射而传输，并用实验证实了这个想法。1927 年，英国的贝尔德首次利用光全反射现象制成石英纤维可解析图 像，并且获得了两项专利。1951 年，荷兰和英国开始进行柔软纤维镜的研制。1953 年，荷兰人范赫尔把一种折射率为 1.47 的塑料涂在玻璃纤维上， 形成比玻璃纤维芯折射率低的套层， 得到了光学绝缘的单根纤维。 但由于塑料套 层不均匀，光能量损失太大。1960 年 7
34、 月 世 界 上 第 一 台 红 宝 石 激 光 器 出 现 了 。 1961 年 9 月 由 中 国 科 学院长春光学精密机械研究所研制成功中国第一台红宝石激光器。20 世纪 60 年代， 有的实验室用氦氖气体激光器做了传送电视信号和 20 路电话的实验。也有的公司制成了语言信道试验性通信系统，最大传输距离为 600 米。到 80 年代初激光通信已进入应用发展阶段。1966 年英籍华人高锟博士首次明确提出利用光导纤维进行激光通信的设想，并为此获得了 1979 年 5 月由瑞士国王颁发的国际伊利申通信奖金。1968 年，日本两家公司联合宣布研制成了一种新型无套层光纤，它能 聚集和成像， 称作聚
35、焦纤维。 同期， 美国宣布制成液体纤维， 它是利用石英毛细 管充以高透明液构成的。这两种光纤的光耗损很难降低，所以实用价值不大。1970 年美国康宁公司用高纯石英生产出世界上第一根耗损率为每公里20 分 贝 的 套 层 光 纤 ， 开 创 了 光 纤 通 信 的 新 篇 章 ， 使 通 信 光 纤 研 究 跃 进 了 一 大 步 。一根光纤可以传输 150 万路电话和 2 万套电视。1976 年日本在大孤附近的奈良县开始筹建世界上第一个完全用光缆实现光通信的实验区， 到 1978 年 7 月已拥有 300 个用户。 （实际上光通信系统使用的 不 是 单 根 光 导 纤 维 ， 而 是 由 许
36、多 光 纤 维 聚 集 在 一 起 组 成 的 光 缆 。 一 根 直 径 为 1 厘米的光缆， 里面有近百根光导纤维。 光缆和电缆一样可以架在空中， 埋入地下， 也可以铺设在海底，它的出现使激光通信进入实际应用阶段。 ）6.历史的启示 人类的想象力和创造力是无穷的， 当人们经过艰苦的探索， 掌握了光纤通信的奥秘， 把地球用一束束的玻璃丝牢牢地裹起来以后， 人们又把目标盯在了地球 之外的宇宙空间， 这就是宇宙激光通信。 由于宇宙空间没有大气或尘埃， 激光在 那里传输时比在大气中的衰减小得多， 因而激光用于宇宙通信既优越又经济， 这 受到各国的普遍重视，现在已经有大量的科学家投身到了这个研究的领
37、域。当我们冷静地回顾一下光通信的发展历史时， 不难发现， 人们使用过的光通 信 的 传 输 媒 质 有 大 气 、 水 、 液 体 纤 维 导 管 、 玻 璃 纤 维 、 光 缆 ， 甚 至 还 在 尝 试 使 用 外层空间； 用于光通信的波长范围从红外线、 可见光到高频射线。 人类孜孜不倦 的尝试和丰富的想象力启发我们： 我们总可以找到比以前更好的传输媒质！ 我们 也可以充分利用电磁波广阔的频谱！应该认识到， 人类的发明和创造通常是建立在对前人认识成果的改造和创新 的基础之上的， 尽管当前光通信传输领域占主导地位的是光纤， 但是这并不意味 着其它方式被淘汰了， 只要展开自己想象的翅膀， 我们
38、依然能够找到更好的传输 媒质， 当然我们也可以考虑将以前尝试过的传输媒质进行新的加工， 从而获得比 光纤更优越的传输性能。 比如人类正在探索的宇宙光通信， 它的身上不也闪烁着 BELL 光电话的灵感之光吗？7.共和国光纤通信的发展在 70 年代国外的低损耗光纤获得突破以后， 我国从 1974 年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作，并于 70 年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发 光 的 半 导 体 激 光 器 。 1979 年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统， 这比世界上第一次现场试验只晚两年多。 这些成果成为我国光通信研究的良好开 端， 并使我国成为当时少有的几个拥有光缆通信系
39、统试验段的几个国家之一。 到80 年代末，我国的光纤通信的关键技术已达到国际先进水平。从 1991 年起，我国已不再建长途电缆通信系统，而大力发展光纤通信。在“八五”期间，建成了含 22 条光缆干线、总长达 33000 公里的“八横八纵”大 容量光纤通信干线传输网。1999 年 1 月，我国第一条最高传输速率的国家一级 干 线 （ 济 南 青 岛 ） 82.5Gb s 密 集 波 分 复 用 （ DWDM） 系 统 建 成 ， 使 一 对 光纤的通信容量又扩大了 8 倍。第二节光纤怎样传播信息1.光纤定律 光纤传输系统是数字通信的理想通道。 与模拟通信相比较， 数字通信有很多的优点， 灵敏度高
40、、 传输质量好。 因此， 大容量长距离的光纤通信系统大多采用 数字传输方式。随着互联网的发展，人们提出了网络时代的三大定律:第一定律：摩尔定律。早在 1964 年，英特尔公司创始人戈登摩尔(Gordon M oore)在 一 篇 很 短 的 论文里断言：每 18 个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。由此，微处理器的速度会每 18 个月翻一番。这就意味着每 5 年它的速度会快 10 倍， 每 10 年会快 100 倍 。 同等价位的微处理器会越变 越快， 同等速度的微处理器会越变越便宜。 可以想见， 在未来， 世界各地的人不 但都可以通过自己的计算机上网，
41、而且还可以通过他们的电视、 电话、 电子书和 电子钱包上网。 作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律， 摩尔定律被集 成电路近 40 年的发展历史准确无误地验证着。第二定律：吉尔德定律。乔治吉尔德曾预测，在未来 25 年，主干网的带宽将每 6 个月增加一倍。其增长速度超过摩尔定律预测的增长速度的 3 倍。 今天， 几乎所有知名的 电讯公司都在乐此不疲地铺设缆线。 当带宽变得足够充裕时， 上网的代价也会下 降。在美国，今天已经有很多的向用户提供免费上网的服务。第三定律：麦特卡尔夫定律。 以太网的发明人鲍勃 麦特卡尔夫告诉我们： 网络价值同网络用户数量的平方成正比。 如果将机器联成一个网络，
42、在网络上， 每一个人可以看到所有其他人 的内容，100 人每人能看到 100 人的内容，所以效率是 10000。10000 人的效率 就是 100000000。联合国“1999 世界电信论坛会议” 副主席约翰罗斯 (John Roth)在 10 日 论坛开幕演说时提出 “新摩尔定律” 光纤定律 ， 互联网带宽每 9 个月会增加一 倍 的 容 量 ， 但 成 本 降 低 一 半 ， 比 晶 片 变 革 速 度 的 每 18 个 月 还 快 。 摩 尔 定 律 (Moores Law)用来形容半导体科技的快速变革，平均每 18 个月，晶片的容量会 成长一倍， 成本却减少一半； “光纤定律” (Op
43、ticalLaw)则用来形容网络科技。 左 面是几种关键技术的发展速度示意图。2.通信线路走过的路 通信线路是将电信号从一个地点传送到另一个地点的传输媒质。 在有线电信中，它是传送电信号的导线，叫做电信线路。 电信线路的发展， 大体上经历了架空明线、 对称电缆、 同轴电缆、 光缆等主要阶段。1844 年，在美国华盛顿与巴尔的摩之间建造的电报线路是最早的商用架空明 线 ， 全 长 40 英 里 ， 采 用 单 根 铜 线 传 送 电 报 。 最 早 传 送 电 报 的 海 底 电 缆 是 1850年在法国和英国之间的英吉利海峡敷设的，也是单根铜线的电缆。1876 年电话问世。最初的电话是利用电报
44、线通话的。单根导线通话噪音很 大， 后来为了减少噪音干扰 ， 电话明线和电缆都改用了双线环路。 为了减少通话 串音， 又陆续采用明线交叉 ， 即双线相位换位置的技术； 在电缆中则采取双线相 互扭绞的办法。 将多对由两根相同线质、 相同线径 、 相互绝缘的心线相互相绞而 成的心线组合在一起，便成了电缆，叫做对称电缆。对称电缆通常能传送频率为 4MHz 以下的电信号。 为了传送更高频率的电信 号，在 30 年代后期，出现了一种新型结构的电缆，叫做同轴电缆。这是由一根 中心导线 （内导体） 和一根包围在它外面的圆管导体 （外导体） 组合而成的信息 传 输 媒 体 。 中 心 导 体 和 圆 管 导
45、体 的 轴 线 相 同 ， 故 有 同 轴 电 缆 之 称 。 1941 年 ， 美 国建成了第一条同轴电缆线路，可以同时开通 480 路电话，后来逐渐发展扩大、最后发展到一条同轴电缆上可同时开通 10080 和 13200 路电话。1970 年，由于用于通信的激光器和光导纤维（光纤）相继研制成功，使通信传输媒体的容量进一步扩大。1976 年，美国在亚特兰大用含有 144 根光纤的 光缆建成了第一条光纤通信实验系统。1988 年，第一条横跨大西洋的海底通信 光缆敷设成功。成为欧美两大洲之间的骨干通信线路。电信线路在我国的发展情况：19 世纪 70 年代， 电信传入我国。 1871 年， 丹麦大
46、北电报公司的业务首先通 过海缆进入上海， 在上海开办了电报局。 丹麦、 俄罗斯、 英国等帝国主义相继侵 占中国的电信主权。我国自主建设、自己掌管的第一条电信线路，是 1887 年福 建巡抚丁日昌在台湾高雄 （旧名旗后） 和台南 （旧名府城） 之间建设的明线电报 线路，全长 95 华里。1962 年， 在北京和石家庄之间开通了我国设计制造的 60 路载波长途高频对 称 电 缆 。 1976 年 ， 我 国 开 通 了 自 己 设 计 制 造 的 1800 路 京 沪 杭 同 轴 电 缆 线 路 ， 同 年还建成了中国上海与日本熊本县之间的海底同轴电缆线路， 可以开通 480 路电 话。1978
47、年，我国研制成功通信光缆，80 年代以后逐渐用于长途通信线路，成 为我国的主要通信手段。3.光纤通信的战略地位本世纪 30 年代， 有人提出这样的观点： “总有一天光通信会取代有线和微波 通信而成为通信主流” 。该观点反映出光纤通信技术在未来通信中已显示出其重 要性。 今天， 光通信技术已经很成熟， 光纤通信已是各种通信网的主要传输方式， 光纤通信在信息高速公路的建设中扮演着至关重要的角色， 欧美等发达国家已经 把光纤通信放在了国家发展的战略地位。 现在光纤的使用已不只限于陆地， 光缆 已广泛铺设到了大西洋、 太平洋海底， 这些海底光缆使得全球通信变得非常简单 快捷。 现在不少发达国家又把光缆
48、铺设到住宅前， 实现了光纤到办公室、 光纤到 家庭。 光纤通信技术之所以发展这样迅速， 除了人们日益增长的信息传输和交换 需要外，主要是由光纤通信本身所具有的优点决定的。4.光纤制造目 前 通 信 中 所 用 的 光 纤 一 般 是 石 英 光 纤 。 石 英 的 化 学 名 称 叫 二 氧 化 硅 （S iO2） ，它和我们日常用来建房子所用的砂子的主要成分是相同的。但是普通 的 石 英 材 料 制 成 的 光 纤 是 不 能 用 于 通 信 的 。 通 信 光 纤 必 须 由 纯 度 极 高 的 材 料 组 成； 不过， 在主体材料里掺入微量的掺杂剂， 可以使纤芯和包层的折射率略有不同，这
49、是有利于通信的。制造光纤的方法很多， 目前主要有： 管内 CVD(化学汽相沉积)法， 棒内 CVD 法，PC VD(等离子体化学汽相沉积 )法和 VAD(轴向汽相沉积)法。但不论用哪 一 种方法， 都要先在高温下做成预制棒， 然后在高温炉中加温软化， 拉成长丝， 再 进行涂覆、 套塑 ， 成为光纤芯线。 光纤的制造要求每道工序都要相当精密， 由计 算机控制。在制造光纤的过程中，要注意：光纤原材料的纯度必须很高。必须防止杂质污染，以及气泡混入光纤。要正确控制折射率的分布。正确控制光纤的结构尺寸。尽量减小光纤表面的伤痕损害，提高光纤机械强度。 5.神鹰之目导弹制导 用光纤制导导弹有些人可能迷惑不解。 光纤细如蛛丝， 高速飞行的导弹会不会拉断光纤呢？这的确是光纤制导中的一个关键问题。 一般市场上出售的光纤的 抗拉强度， 远不能满足光纤制导的要求。 而光纤制导用的光纤， 是经过特殊加工 的。 这种光纤的外径只有 300 微米左右， 可承受巨大的拉力， 足以满足光纤制导 的要求。光纤制导就如同放风筝一样， 制导导弹可从车辆和直升飞机上发射。 操纵人 员通过屏幕显示器观察导弹寻的器传来的信号， 有如随同导
