21世纪科技大趋势——信息技术
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编前语　　伴随着时光的流逝，人类历史上一个重要的世纪——20 世纪，在高科 技文明的掩映下，正悄然地离我们而去，一个希望与挑战并存的 21 世纪则 满怀着强烈的激情向我们走来。　　适逢世纪更迭的关键时刻，我们除了重温以往的舒适与优越之外，更 应理智地立足现实，总结过去，展望未来。21 世纪将是科技时代的预言已 成为人们共知的真理，到那时，现今的中小学生无疑将是驾驭科技的主体。 而通观我国目前的中小学教育，相关的科技内容却十分匮泛，很不利于学 生科技意识和能力的培养。基于此，由国家教委普教处和北京市科协组织 部分专家学者，从现实出发，选取与我们的关系密切的内容为写作对象， 策划编写了《21 世纪科技大趋势》丛书。全书分 14 册，包括气象科学、 医疗技术、计算机技术、海洋工程、机器人技术、生物工程、交通科学、 军事科技、信息技术、环境科学、航空航天工程、材料科学、能源科学等 方面的内容。希望通过这套丛书使同学们从中了解当今科技热点发展的动 态及趋势，提高和培养同学们发明创造的素质与能力。当然，由于时间等多方面原因所致，不足之处在所难免，还望同行与读者批评指正。编者1996 年 12 月 28 日于北京1 充满信息的世界1.1 源远流长的信息学　　人类的信息交换是从什么时候开始的，很难说出一个确切的时间。但 可以这样说：自从有了人类也就有了人类交换信息的活动。人类利用信息 是和人类发展史同时开始的。早在原始社会，人类与信息就已形影不离了。 原始人在森林中探索各种猎物的信息，以维持人类自身的生存和发展。　　人类不仅自古以来就在利用信息，而且很早就对信息有了初步的了 解，也就有了远古的通信方式。有文字可考的邮驿史，可以追溯到公元前14 世纪，那是殷商时代。根据出土的甲骨文记载，殷商时代，边境派将士 防守，并且设置大鼓，一旦出现敌情，守将就命令守兵击鼓传信，鼓声频 传，一站接一站，把敌人入侵的紧急军情向天子报告。甲骨文上的这些记 述，证明我国早在距今 3400 年前，就已经出现了有组织的通信活动。在东 周时期，我国就有了“烽火告警”的创举。烽火台呈方形，用砖砌成，大 约高出地面七米左右。平时，烽火台上堆满了柴草和干草粪。如果外敌入 侵，就把当地烽火点燃起来，火光冲天，黑烟滚滚，目标十分明显，远远 就可以看到。这样邻近的烽火台看到以后，相继点燃烽火。军队看到烽火 信息后，就立即出兵迎敌。这就是最古老的光通信方式。古代人们就知道信息可以被存贮。于是，就有了所谓“结绳记事”之类的传说。 随着人类社会的发展和科学技术的进步，信息也得到相应的发展。人类先后发明了电报、电话、通信卫星等等现代无线电通信设备，特别是计算机的发明，给信息科学带来一次革命，它加速了社会的信息化。 我们的日常生活，每天都与信息休戚相关。如给朋友写一封信，你告诉他，关于你的学习、工作、生活或其它方面的信息；我们通过电视看在美国亚特兰大举行的第 26 届奥运会的开幕式上精彩的表演；我们通过收音 机，听到最新流行歌曲等等，这就是我们通常所说的消息，它是信息的含 义之一。我们可以把两点之间的通信以及信息在其间的传送情形，作出如下归纳：　　甲经过传送体把某种信息传送给通信者乙，发出信息者甲在信息论术 语中称为信源；接受信息的通信者称为信宿；传送体称为信息传送的通道， 简称信道。通信的双方互为信源和信宿，双向通信。如果发出信息之后并 不要求对方把反应的信息送回来，信息只朝一个方向传递，就成为单向通 信。单向通信的接收者可能不止一个人，这种通信称为广播。　　由此可见，写书信、拍电报、带口信、打电话、发传真等等，通信双 方都是人，不过，传送体不同，带口信传送体是人；写书信传送体是邮政 系统；拍电报、打电话、发传真传送体是电报、电话及传真系统。　　再如发口令、喊号子、打拍子、音乐指挥等等，也都是某种形式的通 信，作用都是把一方的某种信息传送给另一方。　　以上所述都是人与人通信。除此之外，还有人与自然、人与机器及机 器与机器、生物与生物之间的通信。如人们通过感觉器官感受外界环境变 化的信息为人与自然的通信；医生从心电显示仪取得患者心脏病状况的信　　息为人与机器的通信；自动控制设备根据检测仪表送来的数据信息去调整 被控设备的状态为机器与机器的通信；雌性昆虫能够不声不响地把远处的 雄性昆虫招引过来为生物与生物的通信等等。　　雌性昆虫招引雄性昆虫，是由于它散发出来的昆虫性信息素的魅力。 这类信息素是昆虫间特别敏感的通信语言，是昆虫赖以实现交配繁殖、传 递警报、觅取食物的主要手段。　　本世纪 30 年代，德国科学家曾经从 50 万个雌性蚕蛹中，分离提取出 昆虫性信息素。他们把这种化学物质放在窗口，连远在四公里外的雄蛾， 都闻到气味，受到诱惑，寻踪觅迹，扑向窗口，来寻求雌蛾配偶。　　昆虫是如何受到诱惑的呢？多数昆虫都有触角。昆虫接收信息的能 力，与它们触角的形状、大小和构造有关。昆虫信息素的分子在空气中扩 散很快，这种分子的振动和旋转会产生电磁波。因此信息素分子就像微型 电磁波发生器，向其周围发出极微弱的电磁波。而昆虫的触角就是电磁波 接收器，在触角上布满了不同大小和形状的感觉毛，这些感觉毛，又好像 是电视机上的天线一样，能够接收特定波长的电磁波，并且发生谐振。　　由于各种昆虫的信息素产生电磁波的波长并不相同，所以，一种昆虫 的信息素只对同种异性的昆虫具有魅力，最容易被它们接收并感知，诱使 它们去寻伴觅侣。科学家对昆虫信息素进行了大量研究，可以提取、合成信息素，从而利用信息素诱捕害虫，聚而歼之，直接达到消灭害虫的目的；同时，以假 乱真，干扰雄虫求偶。遗传，使生物世代相传，保持了各自的特性。而遗传也是信息的转移。无论是动物、植物，还是微生物，都把自己的遗传信息像拍电报一样，传 给下一代。这种遗传信息叫做“遗传密码”。下一代接受了这些信息，生 长发育，世代相传，所以才有“种瓜得瓜，种豆得豆”之说。信息是作为人类感知而存在的。我国古代有这样的警句：“往者不可谏，来者犹可追。”说明过去的事情无可挽回，但它可以作为今后借鉴； 未来的事情还没有实现，可以借助已有经验，努力去争取美好的结果。人 类正是从不断认识的过程中，领悟出事物的一般规律，指导自己今后的行 动，控制未来事物发展的进程。用信息论的术语讲，就是不断地从外部取 得有用信息，加以分析、归纳和处理，得到对于外部世界的规律性认识， 从而调整自己改造世界的行动，达到征服自然、改造世界的目的。由此可 见，信息在人类认识世界和改造世界的过程中，起着十分重要的作用。　　任何生物如果完全不能从外部取得必要的信息，它就无法感知外部世 界的变化，当然就不能作自我调整，改善它与外部世界的关系，来适应外 部的变化，这样的生物必然受到自然的淘汰而无法生存，更无从谈到改造 外部世界了。我们由此可以说，具备从外部世界获取信息和利用信息的能 力，是一切生物得以生存的必要条件。　　知识也是一种特定的人类信息，是整个信息的一部分。在一定的历史 条件下，人类通过有区别、有选择的信息，对自然界、人类社会、思维方 式和运动规律进行认识与掌握，并通过大脑的思维使信息系统化，形成知 识。知识是存在于一个个体中的有用信息，这是人类社会实践经验的总体， 是人的主观世界对客观世界的真实反映和理论概括。所以，社会实践是知 识的源泉，信息是知识的原料，知识是系统化的信息。　　　　我们清楚地认识到，信息与人类的关系十分密切。实际上，作为通信 消息的信息，我们每天都同它接触。除了书信、电报、电话、电影、影碟、 广播、电视、音乐、戏剧等等之外，我们每天同许多人交往、阅读新的书 报、接触新的知识、积累新的经验。作为运算和处理对象的信息，我们也 极其频繁地同它打交道。如科研工作者每天都要在计算机上处理大量实验 数据，分析结果，获得有用信息，并存贮起来，以便进一步研究。作为感 知来源的信息，人人与之形影不离。我们的感觉器官无时无刻不在感觉信 息，我们的头脑不时地进行思维。我们的眼、耳、鼻、舌、身接收和处理 信息的过程，往往是在“不知不觉”中进行和完成的。　　总之，人类在信息的海洋中生存和发展，信息渗透到人类活动的一切 环节之中，我们正生活在一个充满信息的世界。
1.2 信息的特性 客观世界的三大要素是物质、能量和信息。人类认识物质和能量要早一些。宇宙中万物变化、生物的生长、人的行为、生命的遗传、自动机械和计算机的工作等等，都离不开信息的传送、存贮、处理和利用，无不和 信息密切相关。但是，信息的重要性，却长期没有受到人们的重视，虽然 人们无时无刻不在交换、存贮和利用信息，却往往是不自觉地盲目进行， 充其量也只是半自觉地进行的。什么是信息？关于信息的定义大约有四十多种，真是众说纷纭，没有一个一致的说法和看法。我国《辞海》中信息一词注释为：“信息是指对 消息接受者来说预先不知道的报道。”英国的《牛津字典》对信息注释为： “信息是谈论的事情，新闻和知识。”从另一角度来说，数学家认为信息 就是概率论；物理学家认为信息就是负熵；通信专家认为信息是解除不定 度。当然，以上说法由于立足于各自专业领域，难免又各有各的局限性。 信息论与控制论的创始人之一，美国著名数学家诺伯特·维纳认为： “信息就是我们在适应外部世界和控制外部世界的过程中，同外部世界进行交换的内容的名称。”这是对信息概念比较明确的论述。　　事实上，人类在与外部世界发生联系的过程中，交换的内容相当复杂， 形式也非常多。例如，人类可以把自然界的物质（食物）转化为自身的物 质（如肌肉、体质），把自然界物质的能量转化为自身的能量。人类可以 感觉出环境温度变化，随时增减衣服。但是，物质和能量并不是信息，这 正如维纳本人所说：“信息就是信息，既不同于物质，也不是能量。”虽 然，信息不是物质和能量，但却与物质和能量密切联系。我们注意到人类 从外部世界所摄取的一类内容，就是外部世界各种事物运动变化着的状态 及其规律，即知识。信息就是关于事物运动的状态和规律。我们前面提到 的消息、广告、报道、新闻等等，都是关于某种事物运动的状态和规律， 关于某种事物运动的知识。而世上万物都在不停地运动变化、生生不息。 可见，信息普遍存在，它对人类的生存和发展至关重要。　　信息是世上万物联系的桥梁，人类能够对自然资源进行开发，首先是 由于这些物质资源能够发出信息，而人类接收到这些信息加以利用。人类 就能够认识天体、微观电子，也都依赖于它们所发出的信息。当然，我们 研究天体，并不需要全体天文学家亲自遨游太空，只要利用科学仪器或少　　量学者取得的足够的信息就可以解决问题；研究电子学，也并不需要电子 学专家都去做显波器，只要利用现有信息和设备就能解决一般科研问题。 信息虽早已存在，但信息问题一直没有引起人们认真的注意。到了近 代，由于生产力的发展，科学技术的进步，人类与自然界的斗争发展到更 高级的阶段，人类本能的（即依靠人体本身的感觉器官与思维器官）接收 信息和处理信息的能力已经不能满足人类改造自然的需求。特别是近代无 线电技术、计算机技术的飞速发展，给通信带来彻底的革命。例如，人们 要到月亮上做研究工作；人们要研究更深层次的微观世界；人们要迅速准 确地传递大量的数据，人们要在地球一边收看另一边的电视节目??。这 时扩展人类接收信息和处理信息的能力问题才逐渐引起人们的注意，对信息的研究才开始被人们重视，才产生了信息科学。 信息科学，就是研究信息的产生、贮存、传递、提取、交换、处理、控制和利用的科学。我们要了解信息，就应该了解信息的特性：　　（1）可识别性。自然界的信息，一直是客观存在的。人类仅可以通过 各种仪器仪表运用各种检测手段，来感知它、接受它、进而识别它。对于 不同的信息源，识别的方式和方法也不一样。比如，我们每天看书学习， 就是通过看书，大脑思维来识别信息的过程。我们通过显微镜观察微生物， 也是识别信息的过程。这样的例子在我们日常生活中非常多。（2）可传输性。信息具有通过各种介质传输的特性。人类在共同劳动和相互交往中，促进了大脑的发达，逐渐产生了语言和文字，使人类取得 了大量的信息，推动了人类对自然资源的开发和利用，增强了人类改造自 然、适应自然的能力。特别是文字使人类突破时间和地域的局限，能获取、 流传和保存大量的信息。19 世纪以来，英国物理学家和数学家麦克斯韦就已预言了电磁波的存在，后来很快就得到德国物理学家赫兹实验的证实。直到马可尼、波波夫 等人发明了无线电，从而使人类的信息交换速度惊人。由于电磁波的速度 与光速相等，人类的信息传送，从此通向太空，通向浩瀚的宇宙！信息把 地球上每个人联系在一起，信息使每个人与社会息息相关。目前，全球化 的信息高速公路正在建立，建成后，将使地球上每个人联系更加密切，它 将把人类带入信息时代。（3）可存贮性。“结绳记事”，是人类创造的最原始的存贮信息的一种方法。随着人类社会向前发展，科学技术的进步，信息的存贮方式也不 断进步。纸的发明，使文字信息能够记录下来；印刷术的发明，使文字信 息的大量复制变成现实；磁记录的发明，可用磁带录音、录象、记录数据； 激光盘的发明，增强了信息存贮的容量，一张很小的激光盘，可以存贮半 个小时以上的电视信息，相当于几万张彩色照片的信息量。　　（4）可处理性。信息处理，是指对信息的排序、归并、存储、检索、 制表、计算，以及模拟、预测等操作。从人类来说主要是数值运算和非数 值运算两种，后者更具有普遍性。电子计算机就是具有高度自动化处理信 息的一种机器。它的出现，揭开了当代信息处理技术的新篇章。但电子计 算机处理信息，要靠人编制软件来实现，它按照人们给定的程序，从给定 的前提出发，进行非常复杂的推理和运算。它每秒钟可以进行几百万次、 乃至几十亿次的字元逻辑操作。同时，计算机也是信息存贮的仓库。（5）可扩散性。信息不仅可以通过电磁波，以光的速度远距离传输，而且可以通过各种渠道，迅速扩散开来。信息越扩散，我们拥有的信息也 就越多。比如，1984 年，中国运动员许海峰在美国举行的第 23 届奥运会 上，为中国代表团赢得了第一块金牌，很快在国内传开，这就是一个信息 扩散的典型事例。　　（6）可共享性。同一场足球赛，一个人观看、一个城市的人看、一个 国家的人看、或全世界的人看、都一样共享足球赛的信息。电视台播送的 信息量，并不因为看球的人数增加，而有丝毫减少。这与物品不一样，一 个苹果两个人分享，各得其半；如四个人分享，每人得四分之一；人数再 增加，每人分得更少。　　（7）可替代性。在某些情况和不同程度上说，信息可以取代资本，并 发展和延伸物质资源。工厂和办公室中的机器人和自动化设备正在有条件 地取代脑力和体力运动，因此要求劳动力变换工种。如召开一次电话会议， 要比让各地代表来北京开会节省许多时间和经费。利用信息，可以减少劳 力和资本的消耗，信息可以替代物质财富。　　（8）可压缩性。我们能够对信息进行集中、综合和概括，以便于处理。 人们能在一个理论中储存许多复杂的事例，可以分析大量的数据而引出一 条公式，可以把许多从实践得到的经验总结写成手册。如听十分钟简明新 闻，比听十分钟广播小说得到的信息量要大得多，原因是简明新闻已经过 压缩。了解信息的特性，我们在现实生活中就能更好地利用信息。我们所处的时代是信息时代，更加要求我们掌握信息，充分利用信息，以便节省人 才和财力，提高我们的工作效率。1.3 科学技术促进信息发展神奇的电报　　前面我们讲到古代通信、“烽火告警”、邮驿制度等等，都是最原始 的通信方式。电报的发明，是人类第一次利用电作为载体来传递信息，因 而大大扩展了通信的距离，大大缩短了通信的时间。早在 1833 年，在一艘由欧洲启航到纽约的游船上，一位乘客向大家介绍电磁铁新奇的功能：导线中有电流通过时，铁块就产生磁性，把大头钉、 螺丝针、小铁片，统统吸住了。电源一旦中断，磁性吸力随即消失。这一 情景触动了画家莫尔斯的灵感，使他对电磁学产生了浓厚的兴趣。当时他已 40 岁，莫尔斯决定改行去钻研电磁学。 他经过半年苦学，初步掌握了电磁原理。从前的画室，堆满了各种电工器材和工具，到处是导线、线圈和磁铁，他不得不节衣缩食，省下钱来 购买实验用品。他试验一次接着一次，失败也一次接着一次。经过三年的 摸索，耗尽了他的全部积蓄，电报机还是没有造出来。　　1836 年，莫尔斯穷困潦倒，不得不重操旧业，去一所大学担任工艺美 术教授，来维持生计。失败，并没有使他失去信心。恰恰更加坚定了他的 信念。他认真反省自己的设计思想，仔细地检查每个实验电路，终于诞生 了新的想法。他在《科学手记》中这样写道：“如何利用神速电流？只要能让它不停地跑十英里，我就能让它跑遍全世界。突然切断电流，就能够产生电火花。电火花就是一种符号；没有 电火花则是另一种符号；没有火花的时间长又是一种符号。这样，就有三 种符号可以组合起来，代表数字或字母。它们的适当组合，就可以代表全 部字母。这样，文字就能够由电线传送出去。其结果，我们就一定能够创 造出可以在相隔遥远的两地迅速地互通信息、可以记录的新机器！”　　莫尔斯的新设想，就是利用使电流交替地通电和切断所产生的不同信 号，编制代表数字和字母的电码。这就是著名的莫尔斯电码，是电信史上 最早使用编码。在这个电码中，点、划和空白是三种基本符号，点就是我 们听起来“滴”的声音，划是我们听起来“达”的声音，空白是没有声音。 又经过一年艰苦的努力，他终于研制成功一台传递电码的装置，他把这台 机器正式命名为电报机。　　利用电报机作长距离的通信试验，需要大笔的经费。这是莫尔斯微薄 的收入所不能办成的事情。他带着发明到华盛顿，说服了国会投资架设一 条连接华盛顿与巴尔的摩城的电报线路。在 1844 年 5 月 24 日，伟大的时 刻到来了！莫尔斯在华盛顿的国会大厦联邦最高法院的会议厅里，百感交 集，激动万分，用颤抖的手，向 40 英里外的巴尔的摩城，发出了人类历史 上第一份长途电报。内容是：“上帝创造了何等的奇迹！”电报通信的时 代就这样开始了。奇妙的无线电　　1895 年，一位意大利青年马可尼，在意大利波伦雅（地名），夜以继 日地进行系列试验。终于利用多路火花放电器等做成一台发射机，并且把 金属屑检波器改装成接收机。这就是早期的无线电发射机。1898 年，马可尼制作了大功率的发射机，提高了接收机的灵敏度，使无线电波通信跨越英吉利海峡，为正在举行的游艇竞赛传递了比赛的消 息。1901 年，他终于使大西洋彼岸收到了无线电信号，实现了欧洲和美洲 的直接通信。从 1838 年莫尔斯用一对电线实现电报的传送，到 1896 年马可尼和俄国的波波夫同时完成无线电通信试验，经历了近 60 年的时间。20 世纪以 来，有线和无线通信各自沿着自己的道路不断地完善和发展。一方面是有 线通信从明线、对称电缆、同轴电缆、波导发展到了光缆；另一方面是无 线通信从长波、中波、短波、超短波、分米波、微波、毫微波发展到激光。不可思议的电波　　1875 年 6 月，美国发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔设计出在环形膜 片的中心，安装了电磁舌簧的送话器。人的声音，能使膜片发生振动，从 而带动舌簧作相应的振动。振动的舌簧，通过电磁感应转换为各种电振荡。 开始的电话机不很灵敏，试验很难成功。　　1876 年 5 月 10 日，贝尔在做试验，不小心把硫酸溅到脚上，他痛得 大声呼叫：“沃特森快来帮帮忙！”这呼叫声，竟通过他的电话机传送出 去了！他的助手沃特森正在走廊尽头的一个房间里工作，突然听到电磁电 话里响起了贝尔的声音，惊喜地欢呼：“听到了！听到了！”但当时的电　　话体积大，而且发话人必须大声呼喊。现在由贝尔设计制造的第一台电磁 电话机仍然保存在华盛顿历史和技术博物馆里。1877 年，爱迪生发明了磁精电话，比贝尔的话筒更加灵敏、有效。　　1878 年，沃特森在电话机上增加了磁性电铃，用户可以呼叫交换台， 而交换台也可以呼叫每个用户。　　1879 年，卢赛薇尔特发明了挂钩开关器，当拿起话筒时，电话机自动 接通，挂上时，话机又自动切断。　　1891 年，美国人史瑞乔发明了自动电话选择器，这是一种磁铁式的步 进滑动接触装置，根据拨号盘发来的一个个电流脉冲信号，自动地上升、 旋转、选择接线位置，自动接通所需的电话线路。　　1960 年首次试验的按键号盘，使用晶体管发出的音频，在启动交换器 的功能方面，比机械拨号盘发出的连续脉冲要好。　　随着科学技术的迅速发展，电话的品种增多，功能增强。出现了书写 电话、电视电话、记忆电话等等。人们愈来愈离不开电话。电话使人们之 间的距离变近了，时间变短了，工作和生活的节奏加快了。电话加速了时 代前进的步伐。假设现在没有电话，那么，我们面前的世界将会怎样呢？20 世纪伟大的发明——电子计算机　　1906 年，德·符勒斯发明了三极管。开创了电子学的新时代。电磁波 与电子学的结合，推动了通信的进步，发展了无线电广播、电视、雷达及 自动控制等一系列技术。电信的发展，加速了信息的流通，信息开始大量 生产、传递和运用。1946 年，美国莫尔电子工程学校和宾西法尼亚大学的电子计算机设计组，研制成世界第一台大型电子计算机“埃尼亚克”（ENIAC）。这个“埃 尼亚克”，拥有 1800 万只电子管，70，000 万个电阻，10，000 个电容器和 6000 个开关，占地 170 平方米，要六个大房间才能装得下这个庞然大物，整整占去了一层楼，重达 30 吨，耗电 140 千瓦，需要安装散热通风设备， 消耗的能量足以开动一列火车。这台计算机，造价高达几百万美万！每秒 钟能做 5000 次加法或 400 次乘法，现在看来，这个速度当然是很低的。美国科学家冯·诺依曼对“埃尼亚克”作了一系列改进，提出计算机整体结构的组成，按他的规划分成五个部分，这就是：计算器、控制器、 存贮器、输入和输出部分。在他的方案中，采用二进制来代替十进制，同 时引进了“存贮程序”的概念，就像贮存数据一样，把程序也贮存在存贮 器中，这些都是电子计算机发展史上的创举。这样，数据和指令都可以采 用二进制表示，而且又可以一起贮存。1948 年 6 月 30 日，美国贝尔实验室宣布，发明了一种固态放大器件——晶体三极管。今天，超大规模集成电路在电子计算机和信息科学方面， 给人类社会带来了奇迹！而晶体管的发明，在电子学发展史上是一个重要 的里程碑。和电子管比起来，晶体管的体积，只有电子管的千分之一，而 寿命却比电子管高 100 倍。　　晶体管问世以后，人们就在捉摸如何把它们集成起来。1952 年，英国 皇家雷达研究院的达墨首先提出了制造集成电路的设想。1957 年，美国得 克萨斯仪器公司的基尔比与仙童公司的诺伊斯，做出了世界上第一块集成　　电路，虽然这块集成电路仅仅包含了四个晶体管和六个阻容元件。 集成电路把晶体管、二极管、电阻、电容和电感等等这些原来分立存在的电子元件，连同连接这些元件的导线，经过外延、氧化、光刻、扩散、 蒸发等一系列工艺过程，全部制作在一块小的硅片上，构成了一个完整的、 不可分离的微型电路。　　集成电路的发展非常迅速，几乎每隔几年，集成度就提高十倍！1967 年出现了包含上千个晶体管的集成电路；1971 年，美国的英特尔（Intel） 公司首先制成了微处理机，它在一块 0.297×0.404（cm2）的硅片上，集 成了 2250 个晶体管；到 1977 年，就出现了包含十五万六千多个晶体管的 集成电路；1984 年 IBM 公司做出的超大规模集成电路，在一块小小的芯片 上，竟然可以集成 200 万个晶体管。　　集成电路的迅速发展，使人类征服自然的能力发生了根本性的变化。 集成电路已经渗入到各个领域，从人类登月和探测火星的宇宙飞船上的传 感器与控制元件，到小如火柴盒一般的彩色电视机；从放在口袋里的微型 计算器，到代替人类大量脑力劳动的智能机器人，集成电路到处大显身手， 给人类的生产活动、生活方式，以至于精神文化生活，都带来了深刻的变 革，它已经成为发展现代科学技术的极其重要的物质基础。超大规模集成电路集成度和成品率的提高，带来了电子计算机的革命。预计不用很长时间，人类将能制造出每秒钟运算一万亿次的巨型机来。 计算机和通信相结合，人们只要坐在自己的家里，利用终端装置，就可以 在几分钟内，从千里以外的情报资料中心，取得自己需要的各种资料。如今，计算机几乎渗透到我们生活的每一个领域，应用十分广泛。这就要求我们必须加强电脑学习，否则，我们不懂电脑，就会成为信息社会 中的“文盲”。
1.4 浅谈信息论 信息论是研究信息的基本性质及度量方法，研究信息的取得、传输、存贮、处理和变换的一般规律的科学。信息论是由通信的发展中产生的，它已渗透到了化学、物理学、生物学和心理学等许多领域，随着计算机技 术的发展，信息的处理和利用也有了飞速的发展，人类对信息重要性的认 识，也在逐步深化。1924 年，奈魁斯特等人研究了通信系统传输信息的能力，并试图度量系统的信息量，开始了现代信息论的研究。1947 年，美国数学家诺伯特·维 纳研究自行火炮，发表了题为《控制论》的专著，提出了控制论。1948 年， 美国数学家克芬特·仙农研究密码通信，发表了他的著名论文《通信的数 学理论》，奠定了信息论的基础，第一次把信息通信领域的概念确切化了， 而且从概率论的观点，提出了信息量的概念。他所建立的信息论包括三大 内容，指的是信源理论、信道理论和信息失真函数理论。这些理论立足的 基础是概率论。概率论我们知道，太阳会由东方升起，水在 100℃时沸腾。这些事物，是确定的，我们称它为确定性事物。而另一些事物，则并不确定。如每天学校 有多少人在食堂吃饭、每天在校招待所居住的旅客数等等。这类事物随时 变化，所以称为随机事物。随机事物，看起来似乎杂乱无章，其实有它的 内在规律，就是概率分布。概率论就是研究随机事物统计规律的数学理论。 例如，你在一个水平平面上抛掷一个质地均匀的钱币，一般来说，它有两 种可能的结果：出现正面或出现反面。对于每次试验，只可能出现这两种 结果中的一种，二者必居其一。概率论告诉我们，当你在同样的试验条件 下重复抛掷的次数 N 足够大时，出现正面和反面的次数各为 N/2。且 N 越 大，这个结果越准确。信源理论　　信源就是信息的发源地。仙农在信源理论里，首先就规定了信息量。 日常生活中，我们常说：“这个消息十分重要”，“这个消息谁都没有料 到”，等等，用这些话来描述消息的重要程度，这就是说，有的消息包含 的信息量多，有的消息包含的信息量少。那么，怎样来衡量呢？　　直观上，如说，“人会跑步”，“地球围绕太阳转”，这些话，都是 大家所知道的、完全确定的消息，没有不确定性，这些消息中的信息为零。 如果说，“现在，学校操场上有人在跑步”。这样的消息，有二种可能： 有人在跑步或没有人跑步，也就是说发生这件事的概率为二分之一。你要 是第一次听到这样的消息：“我国游泳运动员乐靖宜，在亚特兰大第 26 届奥运会上夺得金牌。”这个消息就包含信息量大。因为许多国家的运动 员都想夺金牌，奥运会上运动员水平都很高，谁能最终夺金牌？那是不确 定的。这就是说一件极为罕见的事件，信息量比普通事件的信息量大。也就是说，出现概率小的事件，传递的信息量多；出现概率大的事件，传递的信息量少，信息量是概率的单调递减函数。根据仙农的规定，一个 消息所荷载的信息量，等于它发生概率倒数的对数，即1I＝logP＝ ? log P　　在这个式子中，I 就是信息量，P 是事件发生的概率。如果对数以 I 为底，则信息量的单位是比特，如果对数以自然对数 P 为底，则信息量的 单位为奈特。信道理论　　我们知道，信息的流通，必须通过信道。研究信道的目的，在于使信 道中能传输和存贮大的信息量。也就是研究信道的容量问题，以便挖掘信 道的潜力。任何一个信道，都有它的容量，换句话说，存在着一个最大的 传信率。这就好比一条公路，在一定条件下，有一个最大通过能力。仙农 信息论告诉我们，只要传信率低于信道容量，总可以经过适当的编码，无 差错地在信道中传输。把每秒钟传送的信息量叫做传信率，即通信速度，以 R 表示：平均信息量H（每个消息的）R＝
平均时间T（每个消息的）失真函数　　研究通信速度的失真函数问题，在于探明在限定的失真条件下，最低 需要多少传信率，才能传送信源的信息。换句话说，在允许的失真范围内， 要把信源的信息完全传送出去，这种情况下所要求的信道容量，最小应该 是多少。由于用到数学知识较多，在此不再深谈。　　仙农为信息论打下了一个良好的基础，但这个理论主要是针对通信问 题提出来的，有它的局限性。习惯称仙农信息论为狭义信息论。　　随着科学技术的发展，信息论也飞速发展。它的应用范围扩大，如模 式识别、自学习自组系统、语言学、经济学、社会学等与信息有关的领域。 同时，信息论也发展成为广义信息论。　　2 信息化社会　　　　　　　　2.1 科学技术发展的新特点 科学技术的发展如此迅猛，是与基础研究而产生的新技术息息相关的。没有这种研究工作，这些新技术就不可能出现。例如分子外延技术， 就是对表面科学的认识和方法不断提高的结果；微型计算机的出现，就是 由于电子学和超微细加工技术发展的结果。　　据调查，基础研究与技术应用之间平均有 30 年的滞后期，近年来这一 周期已大大缩短。电子计算机的更新换代、新型激光器的加速研制和应用、 脑腓肽的发现等等，都是十分明显的例子。大规模集成电路工业的巨大发 展，则几乎与基础研究的成就齐头并进，其中包括材料与固体科学、新型 光谱学以及原子与分子物理学等多方面的成就。　　在某些行业中，基础研究的成就，已使工业研究与开发的性质发生了 变化。如制药工业，新药从设计、制造到测试，由于有了受体生物学的新 知识作指导，有了信息处理系统作技术手段，解决问题的途径也不同了。 所有这些都说明，当前正处在一个科学与技术紧密结合并迅速发展的 时代。在迅速变革的时代，基础研究和技术开发的结构必然是动态的，需 要不断更新，不断输入新的高质量的科学家、工程师以及适用的仪器设备，并加速科技情报的传播。　　传统的交流手段——阅读文献资料及面对面交流，已不能适应科技突 飞猛进的需要，尤其由于当代科技的进步越来越具有多种学科相互渗透的 性质，那种传统的情报交流办法，已成为科技进步的一大障碍。我们要增 大电子数据库的数量和容量，采用网络来发送电子邮件，采用电子学方法 来加速文献资料的出版发行。科学技术正在交叉渗透，是现代科学技术和知识领域内的一个鲜明特点。如：在物理学和化学的影响和渗透下，生物学的发展非常迅速，而分 子生物学是当前生物学发展的主要方向，分子生物学目前已经渗透到生物 学的各个领域，产生了一批新兴学科如分子遗传学、分子细胞学、分子分 类学等。现代化仪器越来越多地由科学、技术交织而成，这包括核磁共振仪、扫描电镜、新型激光器以及新型同步加速器辐射源等。 由上所述，我们不难看出科学技术发展所具备的新特点：即以研究为基础的新技术不断涌现、技术创新步伐加快、基础研究和技术发展的结构 发生变化；新的科技情报交流手段日益重要；科学技术正在交叉渗透。2.2 信息化的大脑——电子计算机　　1946 年，世界上第一台电子计算机“埃尼亚克”问世。计算机发展经 历了 50 个年头，更新了一代又一代，使人类的生活发生了根本的变化。计算机的发展电子计算机是社会信息化的核心，是信息化社会的基础，信息化社会立足于电子计算机的全面普及。 电子计算机是代替人类脑力劳动的先进工具。它的根本特点是记忆能力、程序操作、逻辑判断、运算超高速等。电子计算机能完成人们赋予的 “思维活动”，代替人完成计算、控制、操作、管理、监视及其他功能； 可使测试、仪表、控制系统、生产加工系统、动力系统及社会生活用具等 有一定的“智能”。由于计算机的使用，大大提高了信息处理的质量和效 率，在瞬息之间，就能够处理大量信息，信息处理技术为之一新。计算机 的发展，也经历了多次重大变革，跨越了几个发展时代。　　从 50 年代初期到中期的第一代电子计算机是用电子管装成的。这一代 计算机首先用于军事部门，作科学技术的计算，如原子能、空间科学技术 和武器研究等。它的造价昂贵、结构简单、可靠性低，但计算机的重大作 用仍清楚地显示出来。例如，研制飞机需要进行风洞试验，建造风洞是费 用高且复杂的工程，而用电子计算机进行空气动力学方面的计算，能模拟 出一些风洞试验的条件要求。这不但节省资金，而且具有更高的准确性和 灵活性。　　第二代是晶体管计算机。从 50 代末到 60 年代中期，这段时间，电子 计算机用晶体管组装逻辑单元，用磁心作主存贮器，程序的编制使用 Algol、Cotol、Fortran 等程序语言。应用逐渐由以军用为主转向民用为 主，由科研机关使用扩大到企业部门使用。当时计算机的应用已扩展到 51 个部门，一千多个项目。除了有更多的科学技术问题逐步使用计算机外， 在工业、交通、商业和金融方面的应用，如拟订生产计划，进行市场分析、 售票、调度车辆或飞机，清理订货及统计支票等，日益开展。另外，由于 计算机能记住各种事物，并进行分析判断，起到人脑的作用，从而成为自 动控制的核心设备。在生产过程中，有损人体健康、危险性大的生产，它 代替人去操作。这一时期的特点是计算机种类繁多，发展迅速，从使用的 角度，要求计算机各种设备规格统一、使用语言统一、技术条件统一。第三代是集成电路计算机。集成电路的出现，给电子计算机注入了新的生命力。在 1965 年前后，美国国际商业机器公司（IBM）宣布研制成功了 360 电子计算机系列。360 系统不是一种计算机，而是包括有大、中、 小十多种型号的一套计算机。有的计算速度很快，有的计算比较慢；有的 能存储很多的数据和程序；有的则比较少。但是这些机器规格统一，凡是 在小型计算机上算的问题，无须改动，能在大、中、型计算机上算。反之 亦然。IBM 公司还为这个系列提供了一整套软件。由于这个系列设计完善， 公司的力量又雄厚，使得一些小厂家生产的设备和机器，也只好统一于 360 系统的规格之内。不但如此，后来前苏联和日本生产的某些计算机也采用 了和 360 系统相同的规格。因而普遍认为，IBM 公司的系列产品，宣告了 第三代电子计算机的诞生。这一代计算机的特点是：用中、小规模集成电 路作基本逻辑电路，仍旧用磁芯制作主存贮器，机器广泛使用会话语言， 例如 Basic 语言、APL 语言等等。电脑的运算速度，提高到每秒千万次， 甚至高达亿次以上。集成电路的应用，使电子计算机在功能、速度、成本、 体积以及可靠性方面，都有了很大进步。电子计算机在应用方面有了发展 和突破，计算机和通信相结合，组成了联机系统，实现了许多用户可以远 距离同时使用一台电子计算机。第四代是大规模集成电路电子计算机，主要是指微型电子计算机。随着电子元件在一块晶体芯片上数量的增加，出现了大规模和超大规模集成 电路。1969 年，电子计算机开始采用大规模集成电路。1971 年，美国英特 尔（Intel）公司首先研制成了四位微型电子计算机，如
为第 一代；1973 年的 8080 为第二代；1978 年的 8086 为第三代，字长为 16 位。1982 年，贝尔实验室试制出 32 位单片微型机。 第四代电子计算机已经深入社会，深入日常生活，影响到人类生活的各个方面。各种各样的办公用计算机、家用计算机、个人用计算机纷纷出 现。电话机、新型照相机和家用电器，都由微型电脑控制。　　第五代是超大规模集成电路电子计算机。具有很强识别判断能力的系 统；具有作复杂的逻辑推理能力系统；具有能应用各种知识能力的系统， 其中包括“知识库”、“专家系统”、“自然语言”、“翻译系统”等。 可以这样说，第五代电子计算机是超大规模集成电路、人工智能、软件工 程、新型计算机系列等综合的产物，它的主要特点是智能化程度的显著提 高。　　光电子计算机将要出现，其运算速度有可能比现在使用的集成电路计 算机快上千倍，而存贮容量将扩大十亿倍。　　制造光电子计算机的基本元件是相位变换器，它的作用和晶体管相 仿。晶体管里，利用小电流来接通高电压或低电压，高电压相当于 1，低 电压相当于 0，而相位变换器则利用激光进行这一工作。相位变换器同晶 体管相比，有许多优点，它的变换速度比晶体管快上千倍，而变换速度是 电子计算机运算速度的最终决定因素。逻辑门是电子计算机里的一种基本 单元，制造一个逻辑门要用几个晶体管，而用一个相位变换器就可以代替。 相位变换器可以用多束光同时进行不同的运算，而晶体管就不能，因为电 讯号会互相干扰。也就是说，光电子计算机可并行处理。光电子计算机的设计原理也不同于目前的电子计算机。由于相位变换器可以在两个以上的稳定状态之间变换，不必局限于二进制，会创造出新 的运算逻辑。日本正在研究和开发生物芯片。生物芯片是利用基因工程技术，将有机分子栽植在蛋白质的基础上，并利用酶的作用，使它具有同半导体一样 的功能。生物芯片只有 0.1 微米大小，但是，它却具有比现在的集成电路 大十亿倍的存贮容量和大一亿倍的运算速度。这种芯片是利用化学反应而 不使用电力，仅用一个芯片就足以代替现在的大型电子计算机。这种计算 机可称为蛋白质计算机。微型计算机　　集成电路出现以后，出现了各种类型的电子计算机，按照它的规模称 为巨型机、大型机、中小型机和微型机。　　巨型机是指每秒平均速度为一千万次以上的电子计算机。不仅美国、 独联体、日本、英国等有巨型机，我国也有了每秒能运算一亿次的计算机。 大型机是速度较高、容量较大、并有较多外围设备的电子计算机。IBM 公司研制的 360 系列，是最早出现的大型机。中、小型计算机是普通的电子计算机，和大型机相比，造价较低、周期较短、产量较大。 最初的计算机是单功能的，只能用于科学研究中的计算或数据处理，计算机的设计制造也都是独立经营的。 后来，计算机由小型机发展到中型机，进而发展为大型机、直至巨型机，计算机出现了系列化设计。但是，大型机和巨型机的发展，无论硬件 还是软件，都愈来愈复杂，愈来愈庞大，仅仅维护这些硬件和软件，花费 就很大，致使计算机的生产和使用，大大地受到限制，难以大量发展和推 广。为了避免这些限制，“分散处理系统”的概念提出来了。所谓分散处 理系统，就是不依靠单独一台大型机或巨型机来解决问题，而是立足于把 许多微型计算机联合起来，构成横向综合体系。有了这样的体系，就不必 把问题都汇集到巨型机来处理，而可以在信息和使用地点处理，这样不必 花很多钱就能装备起来，使用和维护、技术上的要求都不高，不像巨型机 那样对很多普通人来说只能敬而远之，使用户得到扩展。　　“分散式”是计算机的发展方向之一。微型电子计算机的出现和飞速 发展，使计算机的发展发生了方向性的变化，改变了整个计算机系统的结 构，对我们的时代产生了根本性的影响，使社会信息化有了实现的可能。 微型计算机的超小型化，它的灵活性和方便性；它的低成本和高效能， 使它很快地走进社会，占领每一领域，普及到家家户户的时代很快就要到 来。微型计算机深入到地球的每个角落，成为全社会的共同需要，成为社 会信息化的物质保证。不少有危险性的有害工作，或者是人类的足迹不能 达到的地方，如极毒的工作、宇航试验，微型计算机能够代替人类进行控 制。有人说：“第一次工业革命是蒸汽机所带来的动力革命；计算机、特 别是微型计算机必将带来又一次革命，这将是一场信息革命、智力革命。” 实际上，计算机在社会信息化中的地位，正像大脑在人体中的地位。 电脑处理信息的速度，要比人脑快得多。在发达国家中，工业总产值的百 分之六十离不开计算机。以计算机为主的技术进步的影响，在整个国民经 济增长率中的作用，超过了百分之五十。这种功能复杂、价格便宜、易于 推广的微型计算机的出现，使人类踏进了信息化社会的门槛。微型计算机 从一种单纯的计算工具，广泛应用于工农业生产、科研教育、企业管理等各个领域，直至渗透到现代化家庭生活中。微型计算机应用广泛，多种应用大致可分为三类：（1）代替小型机、通信处理机或作计算机外部设备的控制。（2）过程的自动控制及人工机器人技术。（3）过去计算机无法深入的其他领域。 现在，微型计算机在机床工业中的应用越来越广泛。机床和生产设备趋向采用微型机控制。微型机在汽车上用于发动机点火可减少污染，节约 燃料百分之十。可用于泛化器控制、风门位置控制，使发动机控制计算机 化。用于显示装置，显示各种参数以及各种调节装置等。　　以微型机为基础的通讯设备、平板彩色显示器、微型麦克风、微型录 象机、磁泡存储器、电视唱片等，通过几个插孔可灵活地接入通信网与任 何网点进行通信；插入通信天线，可收看卫星转播的节目，可随时播放电 视唱片中的音乐。微型计算机、电视技术、光纤通讯三者结合起来，未来 的通讯更快、更方便、更准确。　　微型计算机将广泛用作计算机辅助教育设备。许多台计算机与大型教 育数据库相接，成千上万的学生就可以同时上课，微型计算机便成为优秀 的教师。微型计算机可监督学生、调整教学进度、进行人机对话、解答疑　　难问题。教师的主要任务是编制上课和解疑的程序及从事研究工作。 微型计算机将大量用于办公室，成为必备的办公用品。用它来完成各种文件、卷宗的搜集、处理、编制、传递、归档、制图表等功能。 科研、设计人员用微型计算机可完成辅助设计、描图、查找资料、分析试验、编写论文、印刷、传送、科研记录等功能，节省大量的人力物力。 微处理机的应用，推动了自动化技术的发展。原来的计算机，在自动 化技术中，一般都作为全系统中的一个带智能的自动控制环节而出现，而 微型机却可以把这些智能分散到各个基本单元中去，分散到生产线上的机 床、仪表中去，这就是单机智能化。这样全系统的智能水平和可靠性将有一个数量级的提高，单机本身也实现了自动化。 人工智能主要是用电子计算机来模拟人的某些智力活动。例如语言识别、文字、图形识别、学习过程、探索过程、推理过程以及环境适应等。 随着相关科技的发展，人工智能引起了更多人的注意。人工智能是模仿人 的联想功能的计算机系统，它能根据现在收集的资料以及在以往经验的基 础上进行联想和推理，对未来作出判断和决策。机器人就是人工智能研究 的一个引人注目的课题。有些机器人有模仿能力，只要看人操作一遍，它 就可以重复操作；有自适应能力的机器人，能把搞乱的零部件找出来，正 确装配。一旦人把高级智能赋于计算机，例如，自学习能力、组织能力、 对策问题、定理求证问题、图象识别、自然语言理解、思维能力、精神感 情问题等等。那么会产生这样一个问题——机器人的智力会不会超过人？ 在科技界，尤其哲学界争论非常激烈。有人预测，将来机器人的智力，无论在哪一方面都更接近人，甚至在某些方面超过人。因为人工智能的发展是没有止境、没有禁区的。如果把 人类文明的最高智慧、最新的科学技术成果赋于计算机，那么对于一个具 体的人类个体，在某些方面的智力就不如机器人，有些疑难问题的解决和 处理就要靠机器人。总之，机器人的智慧将随着人类认识能力的深入而发展，不受具体人的局限性影响。计算机作为智力的辅助工具，深入到社会各个方面，将把 人的智能活动提高到一个崭新的阶段。2.3 信息化的神经网——通信技术卫星通信　　1996 年，亚特兰大奥林匹克体育场为世人瞩目，第 26 届奥运会开幕 式在这里举行。除了体育场上的观众，全球有三十多亿人通过电视屏幕同 时观看了开幕式的盛况。人们能在一个事件发生的同时就能立刻看到当时 的情景且远在千里之外，这就是卫信通信的功劳。　　无线电通信时，信息的传输，是把信号加到高频电磁波上，以高频电 磁波为载波，让它载着信号传送出去。就好像一列载货的汽车，把货物运 送出去。为了使被载的信号不受到干扰，就要占有一定的频带密度。在载 波工作频率的周围，划分出一个频段，好像人们划分地盘，独家经营，他 人不得插手。电报的信息比较简单，频带宽度只要几百赫就够了。电话是 传输语言信息的，需要占据的频带要宽些，频带宽度在二到四千赫之间。　　电视就更复杂，不仅要传输声音，还要传输图象的信息，占据频带更宽， 频带宽度大约要十千赫左右。电信发展就经历了中波、短波、超短波、分 米波及厘米波等等，实现了微波电缆通信和卫星通信。　　1945 年，英国工程师克拉克最先提出用对地同步轨道上的卫星进行通 信的设想。1957 年人类第一颗人造地球卫星上天，使克拉克的设想有了实 现的可能。1965 年第一颗地球同步卫星“蓝鸟 1 号”发射成功，开创了卫 星通信的新纪元。70 年代，通信卫星技术日趋完善。　　一个卫星通信系统由通信卫星和地球站组成。通信卫星由星体、天线、 转发器、遥测——指令系统、控制系统和电源部分构成。地球站由天线、 上行线设备、下行线设备等部分组成。（1）卫星通信的特点： 卫星通信不受海洋、陆地、高山、空中等地理条件限制；组网灵活、迅速；通信容量大、费用省，三颗通信卫星就能覆盖全球，实现全球通信。 一颗通信卫星已能达到一万多路电话。　　卫星通信采用数字方式后，所传送话路的数量比用模拟方式传送要大 得多。由于电话、图象、电视等形式的信息都可以数字化，因此可以采用 统一的卫星数字通信网，这样不仅能大大改善传输的质量，而且可降低网 路的建设费用，并且使通信效率大大提高。现代科学技术的发展，使通信技术与空间技术的联系日益紧密，这在卫星通信、电视转播、电信、无线电导航、气象观测、矿产资源勘探、航 天实验、军事侦察等方面都已反映出来。卫星通信应用十分广泛。1991 年的海湾战争，是首次全面应用卫星通信技术的一场大规模战争。在这场战争中，有六十多颗军用通信卫星和二十多颗民用卫星用于情 报收集、通信、导航、后勤管理和气象预报。在这场陆地、海上、空中展 开的现代立体化战争中，地面、海洋、空中和卫星的通信线路交织成一个 立体化的通信网。在这场战争中，战场的地面情况，通过军用通信卫星转发到美国本土的指挥系统。这些信息经过处理后，再通过通信卫星传送到位于沙特阿拉 伯的多国部队指挥部，整个过程只需要九秒钟。多国部队指挥部再在计算 中心用计算机决策，根据敌我的状况、武器装备的情况及气候地形状况发 出相应的命令，同时对后勤管理作出周密的安排。由于多国部队拥有性能 优越的通信设备，根据战场风云变化迅速发出切合时宜的命令，从而在战 场上取得主动权，避免了不必要的损失，最终获胜。　　在海湾战争期间，美国有线电视新闻网昼夜不停地进行全天的战事现 场报道。观众在远离战场的电视屏幕上看到导弹飞啸而过的场面，海湾战 争成为人类有史以来拥有最多“目击者”的一场大规模战争。　　通信卫星可以用来传送卫星云图，这不仅为气象预报提供方便，还在 救灾监测等方面起了重要作用。　　从 1985 年起，国家卫星气象中心开始研究用气象卫星资料来监测森林 或草原的火情。在经过彩色合成处理所得到的云图上，明火呈亮红色，过 火区为暗红色，烟雾则呈淡蓝色飘带状。当林区出现火灾时，就会在云图 上一目了然地反映出来，从而可使火灾确切位置、灾区面积和蔓延趋势， 迅速、准确地定出来。1987 年卫星气象中心对大兴安岭森林火灾的监测就是成功的一个例子。在 5 月 6 日大兴安岭林区发现火情，第二天火势开始蔓延，这给救灾 指挥、调度工作带来很大困难。5 月 8 日，国家卫星气象中心对卫星云图 等气象卫星资料进行分析，迅速画出火情图，使着火地点、灾区范围及火 情蔓延趋势都一览无遗地反映出来，成为扑火指挥部进行决策的重要依 据，为尽快扑灭火灾，或迅速控制火势、减轻灾情作出了贡献。　　卫星通信在救险中也发挥着重要作用。如在 1992 年 4 月 7 日深夜， 巴解组织执委会主席阿拉法特的座机从苏丹飞往巴解组织设在利比亚沙漠 地区的一个营地，途中因遭遇强烈的沙暴，与地面飞行控制部门的无线电 联系中断。这一事件引起国际各方面人士的关注。美国启用全球搜索救援 系统卫星对阿拉法特的座机进行搜寻，在阿拉法特座机失踪 15 小时后，美 国的卫星确定了这架飞机的位置，发现阿拉法特及随行人员和飞机均安然 无恙。　　的确，通信卫星使人类通信联络进入一个崭新的阶段，使广阔无边的 地球成为一个人人都可随时联络的“小村落”。（2）全球定位系统：　　美国国防部在 1973 年 12 月，制订了一项“导航星”全球定位系统的 军用导航卫星计划。它原来的目标是建立一个供美国各军种统一使用的全 球军用导航卫星系统，现在这个全球定位系统（英文缩写为 GPS）已经成 为在全球范围内全天候地为军民各界用户连续高速提供高精度的位置和时 间等方面信息的系统，成为国际上进行导航定位、军事活动、交通管理、 大地测量及精密授时等方面活动的强有力工具。中国远洋运输公司、其他航运部门及一些港口已利用 GPS 为航行中的船舶确定高精度的船位、航向、航速以及时间基准，并进一步利用计算机 开发 GPS 的各种导航功能。实际使用结果表明，从定位精度来看，他们所用的十几种型号的 GPS接收机都能提供误差不超 18．3 米的船位，实现 24 小时连续定位，船位更 新周期为一秒，航向指示在船舶电罗盘经过的航迹记录仪所绘制的误差曲 线之内。GPS 的导航功能是以往任何一种导航仪器都不具备的。由于 GPS 采用无源工作方式，用户可以在全球范围内无限多。目前，GPS 接收机的生产厂家主要在美国。美国公司研制的“麦哲伦——5000”手提式全球定位仪，它的重量不到一千克，只要使用六节五号 电池就可以工作六小时。人手里拿着这种定位仪，可以随时确定自己的方位。这种仪器是一种多频道的无线电接收器，它通过对从四个导航人造卫星发来的信号进行分 析、处理，就能在定位仪的液晶显示屏上向使用者显示所在地的方位：经 度、纬度和高度。使用者方位的改变也能在显示屏上反映出来。　　这种定位仪还有存贮装置，使用者可以把出发地及行程中 100 个地点 的方位存入，定位仪就能把使用者的行踪记录下来。在使用者返回途中， 仪器还能显示返回路线。定位仪还能向使用者提供行驶速度、已走过的路 及还要花多少时间才能到达目的地等方面的信息。它将给海上导航定位注 入新的生命力，促进人类的海洋开发工作。　　GPS 在军事上的应用也十分广泛，这也符合当初美国国防部的设计思 想。它除了能为飞机、舰艇、潜艇、导弹、卫星、航天飞机等导航和定位 外，还能为地面的部队和军用车辆导航定位。它能随时为飞机确定经纬度、　　飞行高度及航道；洲际导弹可用它来进行制导，以提高目标的命中率。武 器的发射、航空侦察、航空摄影制图、遥控飞机的飞行、布雷扫雷、遇险 人员的搜索营救等凡是涉及精确定位的军事活动，GPS 都能大显身手。　　如在 1991 年的海湾战争中，GPS 除了在帮助美国空军导航方面发挥了 巨大的作用外；利用 GPS，陆军和海军人员只要手里拿一个手持电话那样 大的袖珍 GPS 地面接收机，就可以精确地确定部队所在的地理位置，误差 不到 15 米，甚至可以小于三米，有了 GPS 定位，士兵在陌生的环境中也不 会迷失方向。　　GPS 与惯性导航组合成导航系统，导航精度比纯惯性导航高出许多。 组合惯性导航系统在很多国家已投入使用，效果非常好。　　在农业方面，GPS 定位技术能使农场实现精耕细作。由于农田在土壤 构成、肥力状况、作物长势等方面的差异，对种子、化肥、除草剂和杀虫 剂的施放量应提出不同的要求。但目前同一地区面积相同的农田，使用数 量相同的种子和农用化学品，于是导致用量过高而造成浪费。　　美国农业部设在衣阿华州艾姆斯的一个土壤耕作实验室，提出了一项 “利用卫星定位技术来选定农业生产综合计划”的方案。在一片 160 公顷 的农田里，种植大豆、玉米、燕麦。美国农学家用有关仪器每隔 12 米采集 一组与土壤性能有关的数据，然后把这些数据存入在农田上工作的拖拉机 所配备的计算机中。拖拉机还安装有 GPS 接收机，农场管理员利用此接收 机接收卫星定位信号来确定在农田操作的拖拉机所在位置，并调阅预先存 入计算机中这一位置土壤的有关数据，从而提出相应的生产计划。这样就 可以合理地分配种子和化学药品在不同情况的农田里，提高工作效率，节 约原料。1992 年在北京，利用 GPS 定位技术高精度、高效益地完成了“建国门——八王坟”段地铁工程的地质勘探任务，为这段地铁线路的及时开工创 造了条件。GPS 在大地测量中的应用，使大地测量更快、更准确，节约了大量的人力和物力。（3）甚小口径卫星通信系统： 在信息时代，人们对通信的要求越来越高。由甚小口径卫星终端站（VSAT 为其英文缩写）构成的甚小口径卫星通信系统就是一种适应这种要求的行之有效的通信系统。　　VSAT 技术是 70 年代末、80 年代初开始发展起来的一种通信新技术。 VSAT 卫星通信系统的发展，被认为是 80 年代通信卫星领域中一项最有意 义的成就，将对今后通信的发展起巨大的推动作用。VSAT 的通信天线口径 小，只要 1．2 米到 1．8 米即可。它的设备体积小，结构紧凑，户外单元 与户内单元用一根同轴电缆相连，距离可达 80 米。它的天线能直接安装在 建筑物顶部及其附近，架设方便迅速，只要两天的时间，就可以开通一个 小站。　　VSAT 系统的可靠性高，抗干扰性强、保密性好、投资低。它通过通信 卫星来满足用户对数据、语音、图象进行高速传输的需要。由于利用卫星 通信，因此通信业务不受地形、地面建筑物的影响，它非常适合用其他方 式难以实现通信的海岛、山区、沙漠及边远地区。全世界已建成十多万个 VSAT 终端站。国内北京电信局已开始提供VSAT业务。从 1993 年 5 月起，上海证券交易所将发送的股市行情和各种市场信 息，通过亚洲一号卫星，使各地证券交易中心实现电脑系统联网。通过卫 星传送的数据图象清晰，时差不超过 0．5 秒，使异地股民不会因为“时间 差”的关系而抱怨吃亏了。（4）军事上大显神威的卫星通信： 军事情报是现代战争的关键之一，没有准确及时的情报，就很难在战争中获胜，特别在信息时代更是如此。　　美国每年要投资 50 亿美元来设计、检测、制造、发射和操作间谍卫星， 连同地球站的维护费及各种航天器的飞行费用，全部经费每年大约为 500 亿美元。　　其他国家，为了增强本国的军事实力，也陆续加强了对军用通信卫星 的研制。法国在 1994 年发射了第一颗“太阳神卫星”，这样法国将拥有自 主的空间军事侦察能力。　　军用通信卫星使指挥部的军官在任何时刻都能同所辖部队通话联系， 无论部队驻扎在什么地方，并且通信信号保密性很强。利用卫星系统，就 能在任何地方、任何时刻精确测定出敌方坦克的位置，还能搜索到敌方导 弹发射时产生的红外线，准确测定导弹发射架的位置，从而设法摧毁它。 通信卫星还可用于战地救护。海湾战争期间，美军驻在沙特阿拉伯战 地医院的医生，为了抢救 65 名伤病员，他们把这些伤病员的计算机体层摄 影图象，先用几分钟时间作数字化的处理，再通过卫星传送到澳大利亚的 地球站，然后通过电话线路转发到美国得克萨斯州的陆军医疗中心，经专 家会诊，再把诊断结论及治疗方案反馈回沙特阿拉伯的战地医院，使伤病员得到及时的、高水平的治疗。光纤通信　　1906 年，在世界上出现了一种新颖的光源——激光器，激光器可以产 生一束很强的、几乎完全聚焦的单色光的波束。1966 年，美藉华人高锟首 先提出了光纤通信的理论，指出可以制成高纯度的玻璃纤维，作为光的良 导体。1970 年，美国康宁玻璃公司第一次试验出了真正适用的玻璃纤维，每公里的传输损耗为 20 分贝。到了 1974 年，由于光纤质量的进一步提高， 光能在传输过程中的损耗，只有原来的二十分之一，这就使直接通信的距 离达到 20 公里以上。改善光纤品质，降低传输损耗，成为各国科学工作者 共同努力的目标！　　激光的方向性强、频率高、光波的频带宽，因此光纤通信比一般的通 信方式能提供更多的通信通路，满足人们对大容量通信系统日益强烈的迫 切需要。　　1977 年，美国电报电话公司贝尔实验室在芝加哥市建立了一条光纤市 话中继线路，从此光纤应用走出实验室，投入实际使用。（1）通信材料的新秀——光纤： 光纤一般由两层组成，里面一层称为内芯，直径一般为几十微米或几微米，比一根头发丝还要细；外面一层称为包层。为了保护光纤，包层外 还往往覆盖一层塑料。　　光纤内芯的折射率通常大大高于包层，光在内芯通行无阻，而由于包 层光的反射作用，能使光束集中，因此光纤无论怎样弯曲，在其中通过的 光线所受到的影响都非常微小。　　与电缆通信相比，光纤通信有许多优点：传输的信息量大、传送距离 远、体积小、重量轻、绝缘性能好、机械强度高、保密性强、成本低。它 不受无线电频率的干扰，它可以在同一条通路上进行双向传输。但光纤的 最大特点是传输信息的容量非常大。按理论推算，一根光纤在一秒钟内能 够传输 2.5×1012 比特的信息，美国国会图书馆所藏书刊拥有的信息量超过 500×1012 比特，如果按 500×1012 比特来计算，这座世界著名的图书馆 的全部信息，用一根光纤只要花 200 秒钟的时间能全部传送完毕。但实际 上光纤通信容量通常受到端机速率的限制，远远达不到理论的数字。（2）光纤通信将无处不在： 漫长的激光通信线路将把世界各大洲的各种通信设备连在一起。传送模拟信号力不从心的光纤却能快速传送数字信号。光纤已成为数字通信网 中理想的传输介质，在今后长时期内，光缆将成为世界通信网的骨干。在 局域网和用户网领域，光纤将成为与数据库以及与干线——支路连接的宽 带通道与入口。1983 年美国电报电话公司率先建成了从纽约到波士顿的全长为 6000公里的长途光纤通信干线。 光纤通信不仅可在陆地上使用，而且广泛使用在海洋。全长为 2200公里的澳大利亚至新西兰的海底光缆，已于 1992 年 3 月投入使用。这条光缆能同时供九万路电话通话或进行可视电话、彩色传真、高清晰度电视、 宽带数字通信和高速信息传输。1992 年 4 月，我国第一条同时容纳光、电两套传输系统的胶济铁路济南至淄博综合光缆通信工程正式投入使用。这种综合通信系统的优点是功 能多、投资省、施工周期短、便于维护、对加速铁路专用通信网的建设有 重要意义。光纤的应用有着无限广阔的前景，让我们看一看，人们实际上已经怎样在使用光纤，应用远不止我们上面所提到的。 在位于美国科罗拉多州的北美防空指挥中心，光缆联接着许多计算机，正在处理来自全球的许许多多雷达站的数据。使用光缆可以不受核辐射影响和外界的干扰，适用于战地电话通信系统；在飞机、潜艇或船舰里， 也用来传送控制指令或监测信号。　　医生把一根很细的软管放在病人的喉咙里，病人把它慢慢地咽下去， 神智清醒，而态度又那么悠闲，这时候，装在软管中的一束光纤，已经顺 利地进入食道，通过探针，光照射在食道内壁的组织上，医生就通过这条 特殊的光路，窥视这条咽喉要道，仔细地检查癌组织的存在。尽管这些癌 组织非常细小，有时只呈现出可疑色彩的斑点，这些仅用 X 光是不能发现 的，而使用光纤却有可能检查出来。　　另外，有一种用几百万根光纤制作的玻璃板，能够将微弱的星光增强 几十万倍，可以用作夜间观察的望远镜。夜晚，救火会的直升飞机驾驶员， 戴上这种供夜间观察用的薄玻璃板眼镜，在夜空中巡视，有效地监察着可 能发生的火警。人们利用这种原理，发明了一种眼镜，可供网膜炎色素患 者使用。　　电话随身带——移动通信　　神话中的顺风耳变成了现实，在 1899 年，人类第一次利用无线电波实 现了无线电报通信。电话发明不过一百多年，全世界就有六亿多部电话， 成为最主要的通信工具。光导纤维的发展，将可能达到全世界的人同时通 话的能力，而巨型的电子计算机控制的程控交换机，将有可能把成亿部电 话联系在一起，这些和卫星通信相结合，构成了世界上最先进、最有发展 前途的通信技术。　　电话随身带——移动通信技术，不管走到哪里，都可以随时和人通话， 这是移动通信致力的目标。　　早在 1921 年，美国警方使用的车载无线电台，可以说是最早的陆地无 线电移动通信。1946 年，美国在圣路易斯和密苏里首先开通了公众移动电 话系统，人工移动通信开始发展起来。到 1964 年，美国研制的自动移动通 信系统取得成功并投入使用。移动用户可以直接拨号，自动选择频道并能 自动接入公众电话网，移动电话的技术日趋成熟。　　在 1978 年，美国、日本和瑞典等国家先后开发出一种同频复用、大容 量小区制的蜂窝移动电话系统，它的工作频段是 900 兆赫，能在全地域自 动接入公共电话交换网。这种电话系统的网络，由一个个边长为几千米到 十几千米的正方形小区组成，因形如蜂窝，取名为蜂窝移动电话系统。采用无线移动通信方式，使人们能够在移动过程中进行通信，这就适应了现在社会快节奏、人员流动性强的需要，因此受到社会普遍的欢迎。（1）寻呼通信系统： 无线寻呼通信，是一种单向型的移动通信，由于快速、方便、价廉、易普及，受到人们的欢迎。我国自 1984 年开始使用无线寻呼电话（即 BP机），至今已有几千个大中城市开办了这种电话业务。　　BP 机在我们日常生活中随处可见，它是一种能显示、存贮信息并发出 音响的无线接收机。它的灵敏度高，体积比一包香烟还要小，用户可以随 身携带。每个 BP 机都有一个特定的寻呼号。当有人打电话给寻呼台，要求呼唤某一号码的寻呼机用户时，操作人员把要呼叫的信息译成代码，并通过计 算机处理后，发射出高频无线电信号。当被寻呼用户 BP 机接收到发射机发 出的寻呼信号时，这个 BP 机就会发出毕毕的响声呼唤被寻呼者，并在被寻 呼者 BP 机的屏幕上显示所要传送的代码形式的信息，被寻呼者查阅代码 表，就可查出这些代码的含义。　　BP 机可以实现全国漫游。只要使用统一的寻呼台电话号码，就能避免 不同地方使用不同号码带来的麻烦。　　它的应用十分广泛。如在图书馆里，一位大夫正在查阅资料，他的身 边突然响起“比，比，比??”的呼叫声。听到这声音，他拿出装在衣袋 里的 BP 机，从显示屏上简单地显示，他知道这是本单位的紧急呼叫，他给 单位里挂个电话，医院里告诉他，要他马上赶回来抢救一名垂危的病人。 它最普及的应用是在商业领域，它能及时地让你与合作伙伴取得联系，及时了解市场情况，从而成交生意。1994 年 12 月，美国第三舰队在菲律宾海域航行的时候，受到强台风的突然袭击，因而损失了三艘军舰和 140 架飞机，790 名将士葬身海底。 诸如此类的事情是很多的。为了避免船舶遭受损失，并能迅速地对遇难船 只提供援助，世界各国建立了巨大的海上通信网，利用无线移动通信，对 海上航行的船舶，提供世界各海区的气象资料；还开辟专用的国际遇险频 道，用作 40 海里以内的近距离无线移动电话通信，遇难船只使用频率范围为 152～162 兆赫的甚高频电话，或者使用频率范围为 405～535 千赫的无 线电报，可以通过这些畅通的信道，发出求援呼救的信息。　　1978 年 9 月 12 日，美国轮船公司的一艘集装箱货轮“美狮号”，在 由香港开往曼谷途中，突然碰到强大的台风，在我国西沙群岛浪花礁触礁 遇难，他们立即发出求救的信号。当时广州海难救助打捞局、香港、菲律 宾都收到了呼救的无线电信号，派出船只赶去救援。后来，还是我国的“穗救 201”号海轮将它拖出礁区。 抢救遇难船只，正是由海事卫星系统提供信息。海上的卫星通信，由于使用的是能够穿透电离层的微波频段，电波又主要在大气层外的宇宙空 间传播，那些空间几乎处于真空状态，电波传播稳定，不受气候变化的影 响，所以通信质量好，可靠性高。　　国际海事卫星系统，充分发挥电子计算机的作用，运算速度快、通信 过程自动化，能进行各种方式的移动通信，包括电话、电报、传真、电视 以及低速和高速数据传输，对海上遇难的船只，还能进行海难搜索。
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