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第68章 经济科技篇(17)

现在,在中国的北京、上海以及许多省会城市,激光数字通信系统以及传输彩色电视的光纤通信系统已经建立起来。

同步卫星的由来

卫星通信作为一种通信方式,具有传输质量好、灵活而又价廉的特点。现在,它是国内、国际通信的一种主要手段,人们公认它是现代通信的重要支柱。

通信卫星又被人称为“同步通信卫星”,它与普通卫星有很大的不同。一般的,卫星如果位于地球赤道上空36000公里处,又能围着地球的圆形轨道运行,那么它绕地球一圈的时间是24小时,与地球自转是同步的。而人们发射上天的物质中,只有这种卫星能做到这一点。换句话说,这种卫星与地球之间的关系总是处于相对静止的状态,因此被称为“同步卫星”、“静止卫星”。

早在1945年10月,一位名叫阿瑟·克拉克的空军雷达军官预言,如果利用在赤道上空同步轨道上运行的卫星,就可以进行远距离的通信。在卫星的发展史上,他首先提出利用静止卫星进行通信的设想。

从1954年开始,美国多次将月球、铜针无源偶极子带、无源气球卫星等作为中继站,进行电话、电视传输的试验。这些试验为美国考察太空积累了丰富的经验。1958年12月,美国发射了阿特拉斯火箭,将“斯柯林”卫星成功地送入椭圆轨道,这颗卫星重达150磅,发射难度可想而知。

这颗卫星上的发射机输出功率为8瓦,射频为150兆赫。为了进行远距离的通信,卫星飞到甲站上空时,先将甲站发出的信息以录音的形式保存下来,等到卫星飞到乙站上空时,再把录音信息向地面转发。这颗卫星前后共展开了12天的工作,这次尝试是非常可贵的。

上世纪60年代初,美国在卫星试验阶段所取得的成果是最大的。1963年,美国航空航天局发射了一枚非常重要的卫星。这颗卫星的重量达到170磅,输出功率则只有3瓦,主要用于美国、英国、法国、意大利和日本之间的电话、电视、传真数据的传输试验。

1964年8月,一颗进入静止同步轨道的卫星发射成功。这是世界上第一颗试验性静止同步卫星,发射者利用它进行了一系列试验,包括电话、电视和传真的传输。在同年的10月,这颗卫星还向美国转播了奥林匹克运动会的实况,该运动会的举办地点在日本东京。

1965年4月,西方国家财团设置“国际通信卫星组织”,向静止同步轨道输送了第一代国际通信卫星“晨鸟号”。它位于大西洋上空,序列为“IS-1”,意思就是第一代国际通信卫星。它将国际通信业务承担起来,可供480人同时打越洋电话,还负责着一套电视节目的传输任务。从此,人类开始进入卫星通信的新时代。

上世纪70年代以来,为了使区域性国际通信的需求得到满足,美洲、亚太、欧洲、中东等地区先后将覆盖本地区的同步通信卫星发射上天。80年代以后,印尼、日本、泰国、澳大利亚和中国,也向同步轨道传送了国内制造的同步通信卫星。

目前,区域性和国内的同步卫星,在本区域和国家内的通信中显得越来越重要了。

电子管的由来

当无线电通讯成功实现以后,使电报专家十分头疼的一直是检波问题。这一世界性难题,最终由英国科学家弗莱明解决了。而他的研究,则受到了美国发明家爱迪生的启发。

1882年,弗莱明成为伦敦的爱迪生光电公司的一名工作人员,被任命为“电工技师”一职。两年后,他出差去了美国,拜访了他的老板爱迪生,和他讨论了电灯照明的问题。这位大名鼎鼎的发明家,还将一年前的一项重要发现——爱迪生效应,给他演示了一番。

原来,为了延长白炽灯内灯丝的寿命,爱迪生将一个金属板加在灯丝的附近,加上电压后,发现这并不能对灯丝的寿命起到什么作用。但他发现,当金属板经过一个电流计,与灯丝的正极相连时,有电流流过,而与灯丝负极相连时,则没有出现任何电流反应。

弗莱明一向心细,对此表示出了浓厚的兴趣。刚回到英国,它就将全部精力投入到研究工作之中。他明确提出,在灯丝和板极之间的空间是电的单行路。

1904年,弗莱明向英国有关部门递交了一份申请书,想争取到关于“一种高频交变电流整流用的二极管”的专利权,号码为24850。

几乎与此同时,美国人德·福雷斯特展开的类似研究也取得了重要成果。他开始使用一个加有铂板极的白炽灯泡,这种尝试非常有益。他还加了第三电极,对它所入的不同位置进行试验,这样,世界上第一只三极管终于问世了!这就是人们熟悉的电子管。

1906年,德·福雷斯特终于为这项成果取得了专利。他发明的电子管能够将微弱的信号转化成强信号,不仅使信号传输的距离大大扩展,还成功地缩小了发射装置的尺寸。几个月后,他又把这项专利扩展到检波领域。

弗莱明对这项成果却没有给予充分的肯定。他一直认为,德·福雷斯特的发明是以他的二极管研究为基础的。而德·福雷斯特表示他从来不知道弗莱明的专利。于是,两人打起了官司。起初,法庭的判决倾向于弗莱明。但是到了1943年,美国最高法院觉得三极管的发明是无可争辩的事实,终于宣判德·福雷斯特胜诉。

晶体管的由来

20世纪20年代以来,线路元件主要包括真空管、电阻、电容及线圈等,不但体积大、重量重,还要耗费很多电能。30年代的一只电子管收音机,与后世的电视机一样大。人们迫切希望出现新的元件。

美国贝尔实验室的科学家们发现,一些因素会对未来远程通信产生影响,主要有电子管放大器消耗能量大、容易受到损坏以及电磁继电器速度过慢等。而这些缺点正好是无线电通信远距离传播的障碍。

于是,他们决定对新型电子器件展开研究,肖克莱提议将半导体作为他们的研究方向。

早在1925年,一些科学家就了解了半导体的场效应特性。他们发现,在半导体的两端施加电场,半导体中电荷的浓度就可能发生变化,使半导体的导电能力受到影响。

1945年夏天,贝尔实验室作出决定,以肖克莱、布拉顿和巴丁三位研究者为核心,成立一个专门研究小组,弄清楚半导体的机理,对利用半导体来做放大器的可能性进行新的探索。1947年12月,在贝尔实验室里,世界上第一只晶体管终于问世。

1948年1月,肖克莱阐述了晶体管的工作机理,使晶体管产生放大作用的理论不再成为秘密。他认为,并不是半导体的表面态或是场效应起了作用,而是半导体本身的载流子(电子、空穴)对物体产生巨大的影响。

由于在晶体管发明、半导体物理方面做出了重大贡献,肖克莱、布拉顿、巴丁三人在1956年同时获得诺贝尔物理学奖。

集成电路的由来

如果将若干电子元件集中在一块半导体芯片上,就形成了集成电路。集成电路的出现,使微电子技术的发展得到了极大的促进。关于集成电路的发明,有两个美国人是人们所不应该遗忘的:一个是得克萨斯仪器公司的基尔比,一个是仙童公司的诺伊斯。

1947年,点接触晶体管在贝尔实验室问世,标志着微电子技术的萌芽出现。伴随着半导体材料和器件的制造工艺迅速发展,半导体器件产量大幅度增加,出现了多种类型,元件数目、元件间互相连线的数目越来越复杂,使组装电子产品的速度受到严重阻碍。

集成电路的产出,起初的目的就是为了使元件快速组装问题尽快得到解决。基尔比总是在寻找这样一种可能性——用一块固态半导体材料做出整个电路。为了这个目标,他一直在整体电子电路的研究方面付出努力。1959年初,他利用单块锗晶体制成了包括电阻、电容和晶体管的触发器,通过美国无线电工程师协会向世人公布。

几乎在同时,诺伊斯也提出一个设想,准备制成电阻器。至于制作方法,则选用扩散、积淀等。

1961年,第一只单片集成电路被制造出来,由美国仙童公司投入市场。它就是晶体管逻辑触发器,由4只双极型晶体管组成。

基尔比和诺伊斯的发明,单片集成电路的投入市场,是集成电路产生的重要标志。

上世纪60年代以来,集成电路的发展达到了迅猛的程度。起初在一块芯片上,所包含的晶体管仅有几十个,尚属于小规模集成电路。几年后,元件发展为几百个、上千个,中规模集成电路出现。70年代发展得更快,出现了1000个以上晶体管的大规模集成电路。很快又出现了20多万个晶体管的芯片,进入了令人兴奋不已的超大规模集成电路时代。

上世纪80年代以后,集成电路的集成度不断提高,甚至出现了计算机的升级换代现象,从8086/8088、286、386、486,一直到现在的奔腾Ⅲ、奔腾Ⅳ,都是微电子工艺进步所造成的。芯片的升级换代,是运算速度成几何级数增长的重要标志。

因特网的由来

在20世纪的通讯领域中,网络通讯属于一项重大发明。它是基于电子计算机技术和电话通讯技术而发展起来的快捷、安全的通讯网络。而网络通讯之中的突出代表,就是人们常常用到的因特网。

“因特网”的中文意思为“互联网”、“互联网络”。它是一个全球网络系统,由分布于世界各国的众多小网络系统所组成。

在20世纪60年代,美国国防部高级研究项目署展开了一个研究项目,就是战时电脑联网通信。1969年10月,美国人第一次通过电话线实现“交互信息处理”的应用。他们在加利福尼亚大学和斯坦福大学的两台电脑之间,建立了信息联系。这一成果后来被科技史学者当做互联网发展的序幕。

没过多久,由国防部资助、阿帕公司承建,将美国军队用于军事和研究的4台电脑主机联结起来,形成了一个军事电脑网络,取名叫阿帕网。“阿帕”是英文“高级研究项目组织”的缩写。这个网络没有中央控制室,如果网络中的一台电脑遭到破坏,别的电脑还可以分担它的工作。阿帕网就是因特网的前身。

1983年,科学家罗伯特·卡恩开发出“网络控制协议”(TCP/IP),取代了原有的“网络控制协议”(NCP)。1985年,军用研究从民用研究中独立出来。在国家科学基金会的资助和鼓励下,很多大学开始加入网络。到1988年,系统扩容和连接的改进得到了巨大的发展。

上世纪80年代后,一个连接各大学、研究机构的网络问世,使阿帕网的作用得到扩充。这个新网络是由美国国家科学基金会资助的,它形成了后来的因特网的骨干网络。入网的用户除了享用网络中所提供的信息外,还开始了相互间的通信联系,这使得人们入网的热情和兴趣与日俱增。1989年,人们开始正式使用“因特网”这个词汇。

进入90年代,因为商业性机构也参与到网络发展中来,入网的用户数越来越多,应用领域不断扩大,因特网成了全球规模最大的电脑网络。

1990年,阿帕网完成了它的历史使命,终于光荣退役。当然,它在世界科技史上所起到的特殊作用,人们永远不能忘怀。阿帕网的运行为20世纪的科学发展写上了浓重的一笔。

这个时候,在远距离计算机的网络协议中,TCP/IP系统得到大量应用,成为网络系统的重要成员。

1995年,联邦网络委员会利用TCP/IP技术和其他更新换代产品,将全球信息系统连接起来,并将此正式命名为“互联网”。这一系统虽然总是仍处于不断成长与革新之中,但是它保持自由进入的特点没有得到改变。

21世纪之际,人们发现,通过因特网连接起来的个人以及公共机构,需要用亿来计算。因特网的扩大使一场通讯和信息的革命悄然发生。

遥感技术的由来

遥感技术是在20世纪兴起的,它使人们能够进行远距离的操作,这种技术包括遥控、遥测和遥感。

遥控是利用通信线路,对距离自己较远的对象实施控制。早在19世纪,遥控的方法就被用于点燃地雷的工作,使这项工作不再危险。20世纪初,简单的有线控制在电气事业、输油管道和化学工业中应用很广。后来出现的无人驾驶飞机,实际上也是运用遥控技术来进行控制的。

“二战”结束后,美国和苏联都对导弹武器的发展产生了浓厚兴趣。两国遥控技术的发展都到了极大的推动。1957年第一颗人造地球卫星发射的成功,标志了无线电遥控技术发展的新阶段。1969年,美国“阿波罗11号”载着宇航员成功登上月球,令世人震惊。

20世纪80年代,美国的航天飞机进行了多次商业飞行,使遥控技术的发展迈向了一个新的台阶。

遥测是一种先进的测量技术,就是把远处需要测量的电压、电流、温度、流量、气压变换成电量,利用通信线路向观察地点传达。

20世纪初,为了从探空气球向地面观测站传送气象信息,人们第一次使用了无线电遥测技术。30年代,无线电遥测又用来检查飞机飞行中的性能。1954年,脉冲编码调制遥测系统问世,将遥测技术继续向前进步,走进了数字化的时代。

1957年,人造地球卫星被制造出来后,在半导体集成电路和计算机技术发展的推动下,建成了航空、航天遥测系统,成了遥测技术领域中最先进的部分。而现代遥测系统则在自动跟踪天线、电子计算机方面得到普遍运用,越来越显示出技术上的综合性。

遥感作为一种探测技术有很强的综合性。它是在高空、远距离处,利用传感器将物体辐射的电磁波信息接收过来,经加工处理后,成为能够识别的文字、数字和图像,从而准确了解被测物体的形状、性质和变化动态。

早在19世纪中叶,就有人进行试验从气球上对地面进行拍摄了。后来,空中摄影已被广泛用于军事侦察。之后,彩色、红外和多光谱摄影技术的应用范围得到了很大的扩展。

上世纪60年代初,红外和多光谱扫描仪在美国密歇根大学问世,它为人们提供了新的遥感手段,遥感技术从以军事侦察应用为主,转向为地球资源勘察、环境监测服务。70年代以来,随着人造卫星的上天,空间遥感技术出现,首先在气象观测方面得到应用,使气象观测事业得到很大促进。卫星发送的遥感图像在气象观测、地球环境观测中,具有重大的应用价值。

现在,人们把在飞机、气球上对地面进行遥感称做“航空遥感”。在人造卫星、宇宙飞船、火箭上对地面进行的遥感,又被人们赋予“航天遥感”的名称。遥感这项高技术在很多领域都得到了普遍的使用。

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索尼的由来

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