书城科普人类的智慧:信息科学知识3(青少年科普知识必读丛书)
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第2章

特种摄像机

英国研制出一种单块微芯片,它包含一架摄像机的所有电子元件。这种摄像机把所有电子元器件都合并到一个单块芯片中,并采用电子方法进行曝光控制。这样,只要用一块芯片和一个镜头就能制成一台摄像机。这一发明使摄像机变得如同使用一次性照相机那样便宜。这种摄像机可用来为工业机器人提供视力,或用来检查产品缺陷,还能装在电视电话里或光学盗窃报警器里。

研究人员使用常规的制造技术,把一个模拟图像传感器、若干模拟放大器和一个数字信号处理器,装在一个单块硅圆片衬底上。这种摄像机的视频信号仍是模拟的,但是它的处理器是用数字控制的。这种处理器能使这种信号适合任何电视、计算机或工业视频标准。

“图像电话”的历程

1929年,在柏林无线电博览会上,展出了克拉文凯尔设计的一个双向可视电话系统。

1936年3月25日,德国柏林与莱比锡之间的可视电话正式对公众开放。1938年7月12日,柏林至纽伦堡之间也开办了可视电话业务。1938年12月15日,汉堡市内的可视电话业务也开始了。

20世纪50年代以后,由于电视设备中的电子管元件逐步被晶体管取代,电视设备耗电大大减少,并实现了小型化,推动了可视电话研究的进程。

1956年,美国贝尔电话实验室试制出扫描线为60条的可视电话,可以用普通电话线进行传输。

1959年,贝尔实验室又开始研制新的可视电话,1964年试制出I型样机,并在纽约的国际博览会上演示。这种可视电话每秒传送30帧画面,扫描线为275条,画面的高大于宽。虽然它可以传送完整的黑白活动图像,但使用的成本太高,因此未能得到推广。

1961年,前苏联在莫斯科、列宁格勒等8个城市建立了可视电话系统,这个系统与德国的类似,但扫描线增加到625行。

1968年,贝尔实验室又推出了改进后的Ⅱ型样机,画面高宽比例改为10:11。随后于1970年在匹兹堡,1971年在芝加哥开办商用业务。但是没过多久,这种可视电话商用业务又中断了。

20世纪70年代初期,贝尔电话实验室又建立了一种称为“图像电话”的可视电话系统。它每秒能传30帧画面,扫描线为267行。它利用电话交换设备传输,由于视频信号采用数字编码传输,而传输速率又与电话设备的数字系统相适应,这样就能通过长距离传输设备,进行可视电话的长距离传送。为使传送图像所需的带宽(频率范围)减少,贝尔实验室采用了数据压缩技术,设法在传输图像时只传送每帧图像中变化的像素。

1974年,日本东京和大阪的几家企业用可视电话对办公业务进行监控。但是由于费用超出人们的承受能力,可视电话在通话时又要求双方正襟危坐,通话方式难以被人们普遍接受,因此,可视电话的发展受到限制。

随着数据压缩技术的发展,1992年以后又出现了一些在模拟电话线上传输的可视电话产品。其中有由美国电话电报公司推出的彩色准活动图像可视电话,但因图像质量不够理想,推广的前景并不乐观。新加坡、美国及我国的一些公司还推出了一些电脑产品,利用插卡方式实现可视电话的功能。

20世纪70年代,很多国家都热衷于会议电视电话的研究。1971年,英国首先在5个城市之间试办了会议电视电话业务。1972年,日本也在位于不同城市的两个研究所之间试办了这种业务。70年代后期,美国、日本和德国相继开办了会议电视电话业务。

1982年,会议电视电话进入实用化阶段。我国北京、上海等地也开通了会议电视电话的业务。

日本从1992年度开始研究开发三维图像传送技术,并把它用于可视电话及会议电视电话领域。三维图像传送技术,作为“21世纪的通信技术”,将得到广泛的应用,从而使通信方式跃上一个崭新的阶段。

图形技术

计算机图形技术是用计算机生成、显示、绘制图形的技术被称为计算机图形技术。计算机中的图形也是以数据的形式表示的,要把图形显示出来或绘制打印,就必须把数据转换成线条。计算机图形技术不仅能快速、准确、规范地制作大量的机械图、建筑图、电路图和地理图等,成为计算机辅助设计的重要内容,而且可以制作运动图形和三维图形,使原来绘图做不到的事得以实现。由于图形直观形象,因而也常被作为人机交互方式用于各种应用软件。现在已经研制出各种规则图形的图形库,从平板式到滚筒式绘图机,图形输入的扫描器、鼠标器和光笔等软硬件环境,使计算机图形技术得到日益广泛的应用。

天线

天线是收音机、电视机、雷达以及其他无线电设备中发射和接收无线电波的装置。凡是利用无线电波传递信息的系统,都少不了天线。

最早在实际中应用的天线,是19世纪90年代波波夫与马可尼为了实现无线电远距离通信而设计的各种天线。马可尼为了实现远洋通信,曾制造出一种发射天线,它由30根下垂的铜线组成,顶部用水平横线把这些铜线连在一起,横线悬挂在两个支持塔上。从无线电开始应用于通信时起,天线的发展大致经历了五个阶段。

第一阶段,是线状天线阶段。在20世纪初,电子管振荡器尚未发明,工作频率还限于波长为1000米以上的长波。在长波波段,水平天线是不适用的,因此,在这时应用的是各种不对称天线,如倒,型、T型、伞形天线等。随着中波、短波波段的相继开辟,推出了各种型式的天线。除了有抗衰减的塔式广播天线外,还有各种水平天线,如环形天线、八木天线等,也研制出了由多个单元组成阵列的大功率天线。

第二阶段,为20年代末开始的面状天线阶段。抛物柱面天线,虽然早在1888年赫兹就已首先使用了,但由于没有相应的振荡源,面状天线未能得到推广。到20年代末,随着微波电子管的出现,各种面状天线陆续研制出来。1930年,在新泽西州的两个电台之间开始用直径为3米的抛物面天线进行微波通信。除了抛物面天线,30年代还涌现出喇叭天线、透镜天线等,这些天线利用波的反射、折射、聚焦等原理制成,可获得窄波束和高增益。为了传输厘米波段和毫米波段的无线电波,30年代中后期,空心金属波导管开始广泛使用。40年代雷达的问世,大大促进了微波技术的发展,为了快速捕获目标,科学家又研制出波束扫描等天线。

第三阶段,为从第二次世界大战结束到50年代末期。在这段时间里,随着微波接力通信、射电天文学和电视广播事业的发展,天线设备又有了进一步的发展,许多大型抛物反射面天线建设起来。1949年,在美国雷伯的主持下,制造出直径为9米的射电望远镜,研究射电的强度分布。后来又研制出可跟踪人造地球卫星的抛物面射电望远镜,它的抛物面反射镜,能将来自远方辐射源的平行光聚焦。

第四阶段,为从50年代末到70年代初。人造地球卫星与洲际导弹的成功发射,对天线的要求日益提高,如要求高增益、高分辨率、宽频带、快速扫描和精确跟踪。在这一段时间,天线技术的进展神速。一方面,一些卫星通信大型地球站天线被建立并得到改进,还出现了卡塞格伦天线等新型天线;另一方面,问世于40年代上半叶的相控阵天线,也由于电子计算机等技术的支持,为适应多目标同时搜索与跟踪等方面的需要,70年代初再次受到重视,并得到进一步的发展与应用。

第五阶段,为从70年代初至今。随着卫星通信的发展和无线电频道日益拥挤,无线电技术朝越来越短的毫米波、亚毫米波(波长为0.1~1毫米的无线电波)甚至光波方向发展,出现了新型毫米波天线及新型阵列天线。此外,天线的结构和制造工艺也取得长足的进步,制造出直径为100米、可全向转动的高精度射电望远镜天线,单元数接近2万的大型相控阵天线,高度超过500米的天线塔也研制成功。

通路系统

作为传递信息的网络体系,地域通信系统也有用户终端、传输系统和交换设备3个组成部分,但三者与传统的通信网络相比有许多特点。在传统的通信网络中,用户终端大多数是普通电话或移动电话,而地域通信系统的用户除了电话以外,还有一些“非话”终端,包括电视电话、用户电报、图形终端、用户传真、数据业务,以及由这些通信终端设备综合而成的指挥(办公)自动化系统。在传统的通信网络中,传输系统的通信容量很小,习惯上称它为“小通路系统”;而在地域通信系统中,传输信道广泛使用光导纤维、卫星通信和微波接力电路,通信容量很大,称之为“大通路系统”。由于采用了多路传输信道,使通信很不容易阻塞,犹如马路愈宽,交通愈不容易阻塞一样。在传统的通信网络中,交换设备的容量小而且品种单一,最常见的是专门用来交换话音的电话交换机。在地域通信系统中,交换设备取名为“干线节点”,它是全网的信息交换枢纽。“干线节点”除了交换话音外,还可交换各种“非话”信息,其中主要是交换各种数据。因为数据信息通常是一组一组地交换(每组可沿着不同路由到达目的地址,再按一定规律重新“装配”起来),故得名为“分组交换”。在地域通信系统中,各干线节点间通常用多路无线电接力信道联通,构成既有直达电路又有迂回路由的栅格状的干线节点网。

通信网络多

地域通信网络的服务功能比传统通信网络多。地域通信网络中的“干线节点”和“入口节点”内都安装有先进的程控交换系统,它不仅迅捷、方便地为用户交换信息,还能为网内用户提供各种各样的服务,主要有:

优先等级区分。为了确保重点,根据用户的重要程度可分为不同的等级。优先级高的用户可以强拆正在通话的其他低等级的用户,强占那些正在为较低等级用户服务的通信设施。

通信网络化

通信网络的诞生,被誉为是通信发展史上的一座里程碑。通信网之所以能获此殊荣,最根本的原因是由于它顺应了现代社会发展的需求。

在信息就是财富、信息就是胜利的当今社会,时间的价值明显上升,有时信息早到或晚到一刹那,就会产生截然不同的效果。作为传递与交换信息的通信,从来没有像现在这样受人青睐。人们要求通信要迅速、可靠、不间断。在按“点对点”的形式组织通信联络时,如果两地间的传输信道受到阻塞,就会使全线瘫痪不能实现通信,从而贻误信息的及时传递。而在建立了通信网络的条件下,情况就大不一样。通信两地间既有直达路由,又有众多的迂回电路。当通信网络部分电路或设备发生障碍时,能自动选择路由,实现迂回通信,此断彼通,此阻彼达,可谓是“东方不亮西方亮,条条大路通罗马”。当4个通信节点呈网状互相连接时,运用排列求和公式可以算出,从通信始端到通信终端的路由共有5条,换句话说,可以通过5个方向建立通信联络;当5个通信节点互相连接时,从通信始端到通信终端的路由共有16条;当6个通信节点互相连接时,从通信始端到通信终端的路由增至65条。由于路由众多,当某一方向出现信息传递拥挤时,就可利用空闲信道接替,实现无阻塞传输,因而大大提高了通信联络的时效性,可最大限度地满足人们对通信的需求。

在电子抗争日益尖锐的今天,通信设施往往成为敌方首选的打击目标。如何提高通信的抗毁生存能力,以确保信息不间断的畅通,这也是人们所期盼的问题。在这一方面,通信网络也能一显身手。

通信网络的特点

当将众多的通信信道按照一定的规律编织成网时,网络的局部受损只是影响一定的通信呼损率,使接通率下降,但仍能保证生存用户间的通信,不会影响通信联络的全局。例如,当4个通信节点用6对线连接组成网状式网络时,如果其中有一对线出了故障,仍能保持各通信节点间互相连通;即使只有在3对线的情况下,也能做到这一点,因而大大增强了通信网络的抗毁能力,使信息传递不间断。

通信网络以其优异的特性,在通信领域占据很重要的地位,成为通信系统中的神经中枢。随着社会日益信息化,无论是军用通信网络还是民用通信网络都在不断地发展,涌现出了许多新秀。下面介绍的是在网络世界中绽放出来的几朵久开不衰的耀眼鲜花,它们分别是光纤通信网、微波接力通信网和卫星通信网。这三大通信网络从地面到空中直至九天,将整个地球覆盖,成为组成现代通信网络的三大支柱。

通信的基本对象

我们知道,图像、数据与声音是通信的三个基本对象。由于人类信息的大部分来自视觉,图像所携带的信息量远远大于语音与数据,这就从根本上决定了图像通信将成为人类最重要的通信手段之一。

通信网络的类型

通信网络种类繁多,结构不一。在实际通信中,最简单的通信网络有环状式、栅格式、网状式和星状式等多种。环状式也叫格形式。甲、乙、丙、丁长途电话局之间都建立有直达电路(称点点相连),中间不需要经过接转。当其中有任何一条电路发生障碍时,只要经过第三者一次接转,即可建立迂回通信。例如,甲丁间的长途直达电路发生中断,可以通过乙或丙长途电话局接转,必要时也可经过乙和丙2个长途电话局联合接转。建立环状式通信网,优点是接续迅速,可靠性高。缺点是当通信业务量少时,电路的利用率低。因此,它通常适于通信业务量大的通信点之间使用。

如果在环状网的基础上,将任一对角线之间用电路连接,就成了栅格式网;如果2条对角线之间都建立有直达电路,就构成了网状式网。

通信卫星主导的战争

1998年底,美英两军向伊拉克发动了代号为“沙漠之狐”的联合军事行动。为了鸟瞰伊军的作战部署,美英在海湾地区撑起了一把单向透明的“信息伞”。这把伞由“天”(侦察卫星)、“空”(侦察飞机)、“海”(侦察船)、“陆”(侦察站)多基系统组成。他们将各自探测到的信息通过通信卫星传送到美国本土,经五角大楼决策后又通过卫星通信系统传递到驻海湾的美英联合司令部,为对伊实施军事打击提供了强有力的情报支援。

1999年3月24日,以美国为首的北约绕过联合国安理会向主权国家南联盟发动了大规模的空袭。这次空袭的特点之一是战区外远程指挥与战区内机动指挥相结合,综合运用多种指挥手段。听从北约秘书长索拉那指挥的北约驻欧洲部队总司令克拉克坐镇比利时布鲁塞尔北约总部,通过联合空战信息系统、综合数据传输系统和海上指挥信息系统对战区内的空袭机群指挥官、舰艇指挥官实施遥控指挥,使他们能在战区内有效地实施机动式战术指挥与控制。