书城自然科学自然科学史十二讲
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第57章 电子信息时代

电子信息技术是电子技术、计算机技术与通信技术的综合,它是一门随着微电子、计算机以及其他相关技术的发展而发展起来的,涉及信息的获取、存储、传递与处理等的新的综合技术。进入20世纪70年代,电子信息技术已成为关键性学科,它的发展应用深刻影响着人们的生产方式、生活方式和思维方式,从根本上改变着人类社会的面貌。

现代电子信息技术的硬件技术的核心是微电子技术。微电子技术是微小型电子元器件与电路的研制、生产及用它们实现电子系统功能的技术领域。在这个领域中最主要的就是集成电路技术。微电子技术是随着集成电路技术的发展而发展起来的一门新兴技术。

微电子技术的发展可以追溯到晶体管的出现。1945年,美国电话电报公司(AT&;;amp;T)的贝尔实验室成立了固体物理研究小组,试图研究出性能比真空电子器件更好的固态电子器件。1947年底,该研究小组研制出第一个半导体三极管,宣告了半导体技术的诞生。1958年,美国仙童公司的诺伊斯(R。N。Noyce,1927—)等发明用平面工艺制作硅集成电路技术,奠定了半导体集成电路发展的基础。1968年,集成电路进入大规模发展阶段,从双极型集成电路发展到MOS型集成电路。

所谓集成电路是将某一单元电路用集成工艺技术制作在同一基片上。标志集成电路水平的指标之一是集成度。所谓集成度就是指在一定尺寸的芯片上能做出多少个晶体管,也有用在一定尺寸的芯片上能做出多少个门电路(一个标准的门电路是由一个或几个晶体管组成)来衡量集成度的。一般将集成100个晶体管以下的集成电路称为小规模集成电路(SSI);把集成100?1000个晶体管的集成电路称为中规模集成电路(MSI);集成1000个以上元器件的集成电路称为大规模集成电路(LSI);集成10万个以上元器件的集成电路称为超大规模集成电路(VLSI);到20世纪80年代中期更进一步发展了特大规模集成电路(ULSI),集成度达到100万个元器件以上。

集成电路,特别是大规模和超大规模集成电路,可将传统电子装置的体积缩小几百倍至几百万倍(大功率部分除外),因而使过去因体积、能耗、速度、可靠性等原因无法实现的复杂信息处理装置得以造出,从而带动了信息技术的大发展。信息产业的迅速发展和计算机进入千家万户就是得益于集成电路技术的成熟和发展。目前,集成电路的应用日益广泛,国防、工业自动化、家用电器等各个领域都离不开集成电路。

集成电路发展的关键技术主要有:微细图形加工技术、精密控制掺杂技术和薄膜生长技术。

目前,批量生产的超大规模集成电路已能在几十平方毫米的硅片上集成几百万个至几千万个二极管、三极管和电阻、电容等,最小线宽缩小到0.1微米。1992年,16兆位的芯片,集成度达到3200万个元件,条宽减到0.5微米,即500纳米。实验室中研制的新产品甚至可达每片几亿个元件。微电子技术将从微米技术进入纳米技术。

纳米技术发展目标之一是使人们能直接操纵单个原子来制作具有特定功能的产品。纳米技术包括利用X射线、电子束和同步辐射光作为光刻制版光源,位置重合技术的精度将达到1纳米,还包括各种超薄膜的生长技术和超精度的腐蚀技术等。美国科学家研制出弹道发射电子显微镜,可以在硅片上刻写线宽仅为几个纳米的字母。中国科学家用纳米(扫描隧道显微技术)绘制出迄今最小纳米级中国地图。这些都表明纳米技术正步入当代人类生活。

通信技术是实现信息时空转移或变换的技术。通信按其业务内容可分为电报、电话、传真、数字通信、可视电话等。按其传输媒质可分为有线通信和无线通信两大类。

卫星通信利用人造卫星作为中继站来转发无线电信号,实现两个或多个地球站之间的通信。1965年4月6日,美国发射了第一颗商用同步通信卫星,使卫星通信进入实用阶段。从1965年到20世纪90年代初期,国际通信卫星组织已先后发射了五代六种不同型号的130多颗国际通信卫星。全世界商用和专用地球站已超过100万个。在国际通信中,卫星通信承担了70%以上的业务。

移动体之间或移动体与固定体之间的无线电信息传输与交换,称为移动通信。它包括陆地移动通信、航海通信、航空通信和卫星通信等。公众移动通信系统是在第二次世界大战后逐步发展起来的。1969年,美国移动电话自动化的性能扩展到450兆赫频段,当时“改进型移动电话系统”(IMTS)成了美国移动电话系统的标准。1969年,日本也开始研制800兆赫蜂窝状“大容量汽车电话系统”(HCMTS)。1978年后,美国、日本和瑞典等国先后开发出一种同频复用、大容量小区制的移动电话系统,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六边形小区组成,因形如蜂窝,故取名为蜂窝移动电话系统。20世纪80年代又研制出数字式蜂窝移动通信系统。数字移动电话能大大提高频道的容量,不仅通信质量好,而且保密性好,还可以兼容多种通信业务并具有国际漫游等功能。

“信息高速公路”是1993年初提出的一种新型信息网络。它是数字化大容量光纤通信网络,用以把政府机构、企业、学校、科研机构和家庭的计算机联网,能同时高速传送语音、文字、数字、图形、图像的通信网络。1993年1月美国政府以文件形式正式提出要在美国建立全国范围的高速信息沟通网络——数据超级公路(data superhighway),即后来通称的“信息高速公路”。同年9月,美国政府宣布“美国全国信息基础设施(NII)行动计划”,这就是美国的“信息高速公路”计划,并把它作为优先发展项目。1993年12月,美国“信息高速公路”政策已初步成型。日本政府于1993年6月初决定建立连接全国国立、公立研究机构和大学的研究信息网络,称为“信息研究及流通新干线”。欧洲共同体在1993年也提出了建立欧洲信息高速公路计划。在短短的两年时间内,信息高速公路的热潮已遍及全球。

广播和电视都是利用无线电或有线电向广大接收者播送节目(声音、文字和图像)的过程。只播送声音的称为声音广播,简称广播。同时播送图像、文字和声音的称为电视。有记载的首次成功的无线电广播是在1906年的圣诞节之夜,美国的费森登第一次成功地进行了语言和音乐的无线电广播实验。实验时两地相距为322公里。他使用功率为上千瓦、频率为50赫兹的交流发电机,借助麦克风进行调制,播发讲话和音乐,许多地区,包括海上的船只都可清楚地收听到。以后许多国家都进行了无线电广播试验。正规的定时广播是从1920年开始,马可尼公司取得英国政府的许可证,在英国的切姆斯福以2800米的波长、15千瓦的功率定时播送新闻节目。1920年4月,美国威斯汀豪斯公司的康拉德(F。Conrad)在匹兹堡他的家中私人对外广播娱乐节目。同年11月该公司开设正式的广播台。在英国,马可尼公司于1922年5月在伦敦创办2LD广播台,使用波长为360米。年底英国广播公司(BBC)成立。

无线电广播技术进展的一个重要方面是使用的波长不断改进。20世纪20年代使用的波长最初是中波(波长为300?500米),但试用结果表明,中波的传播距离很短。1918年英国的沃斯顿(G。N。Waston)提出地面波传播理论,指出电磁波是沿着弯曲的地表面通过绕射传播的。在地面传播过程中,波的强度随距离呈指数衰减,而且波长越短,衰减越强烈。根据这一理论,英国于1925年建立了波长为1500米、功率达25千瓦的第一个长波电台。1921年12月无线电爱好者在从美国到英国的试验广播中,利用20米波(短波)获得成功,这引起了物理学家的注意。1924年,爱尔兰物理学家拉摩从理论上论证了电离层内的大量电子会使短波段无线电波产生折射,使电波折返远处地面。与长波相比,短波传播可以做到有较强的方向性,因而用较低的功率就可以发射到较远的距离。200米短波广播试验获得成功后,对短波的研究进展很快。1925年4月,荷兰工程师冯·贝茨利尔(L。J。W。VonBoetzlear),利用4千瓦水冷电子管在一个包装箱内建造了一个波长约为30米的发射机。在同年5月13日的试验中,在印度尼西亚收到了这个发射机发射的无线电信号。两个月后在荷兰和印尼之间建立了短波无线电联系。1927年6月1日,荷兰女皇就利用短波发射机向东、西印度群岛发表了广播讲话,这是第一个全球性的广播系统。从此,短波广播成为长距离广播的主要手段。

中波、长波和短波广播都是一种调幅广播(即用语音去调制载波的幅度)。一个调幅广播频道所占带宽只有4.5?5千赫,特别是由于受到收音机通带宽度能限制,保真度较差,难于得到高质量的接收。1941年开始有调频广播制式。调频广播电台工作在甚高频频段。一个调频广播频道所占带宽约为200千赫,声音信号最高频率可达15千赫,因而保真度高。另外,调频广播的信噪比高,抗干扰能力强。在调频广播基础上,1961年又发展了与单声道广播兼容的调频立体声广播制式。这是一种利用立体声原理使听众获得声源方位感和临场感的广播方式,按声道数区分有两声道调频立体声广播和四声道调频立体声广播等。它们都是与单声道广播兼容的,即用普通调频收音机也可以收听调频立体声广播节目,用调频立体声收音机也可以收听普通调频广播电台播出的节目。各国使用的双声道调频立体声广播有两种制式:“极化调制”制和“导频”制。中国采用导频制。导频制调频立体声广播在发送端应将左右两个声道信号经立体声编码器编码后成为三种信号,即和信号(左右信道信号之和)、差信号(左右信道信号之差)及导频信号。

电视是一种用无线或有线的方法即时传送活动图像的技术。在发送端,用电视摄像机把景物图像变成相应的电信号,通过无线电波或有线电路传输出去,在接收端再把这些信号还原成景物图像。电视首先在广播上得到应用,后又逐步推广到工业、军事和科研等方面。

1884年德国科学家尼普科夫(P。G。Nipkow,1860—1940)发明螺盘旋转扫描器,实现了最原始的电视传输和显示。1925年英国贝尔德(J。L。Baird,1888—1946)等实现了影像粗糙的机械扫描电视系统。到1932年,人们改进了美国科学家兹沃雷金(V。K。Zworykin,1889—1982)1923年发明的光电摄像管。1930年发明的电子扫描系统和RCA公司电子束显像管的改进,使电视进入了现代阶段。1937年在英国,1939年在美国开始了黑白电视广播。到20世纪50年代初期,黑白电视广播开始在各国普及。中国在1958年开始黑白电视广播。

美国最先试播一种与黑白电视不兼容的顺序制彩色电视,到1953年采用了NTSC兼容制彩色电视制式,1954年正式开播。前联邦德国、法国相继于1963年、1966年确定了兼容的PAL与SECAM彩色电视制式,与美国的NTSC制式并列为世界三种彩色电视制式,分别在世界各国和各地区得到采用。大多数国家从20世纪60年代后期转向彩色电视广播。中国从20世纪70年代初开始发展彩色电视广播,采用PAL-D。K制式。

从20世纪50年代开始,电视技术已从广播领域扩展到其他应用领域。最早应用于工业方面,而且用量较大。中国在20世纪50年代末期研制成功黑白工业电视。这种工业应用电视系统的组成主要是摄像机、传输线路和监视器,供观察监视之用。到20世纪70年代,电视技术同数字技术、计算机技术、图像处理技术结合,产生了多种测量、分析、处理系统,为电视技术的多功能、多领域应用创造了条件。此外还有观察监视电视、教育电视、特殊环境电视等。

电缆电视(cable television)是一种用射频电缆或光缆来传输、分配声音、图像及数据信息的电视系统,又称有线电视。共用天线电视于20世纪40年代末期最初出现在美国,以后发展成为电缆电视。中国于1974年开始安装电缆电视系统。国际电工委员会于1982年发表公告,规定了电缆电视系统的图像和声音信号的质量标准。

同时,性能优越的高清晰度电视(high definition television)开始出现。这是一种画面像素超过百万,图像质量可与35毫米电影相比的新型电视体制,简称 HDTV。它与普通电视相比,信息容量增加4?5倍。高清晰度电视不同于高保真度电视和加强型电视。高保真度电视(Hi-FiTV)并不改变现行的传输信号标准,它保持宽高比(4∶3)和扫描制式不变,只是对现行系统的某些缺陷进行改进;加强型电视也不改变现行扫描制式和宽高比,只是改变信号传输制式,即增加视频信号带宽,用时分传送方式传输信号。高清晰度电视则增加了扫描行数和增大了视频带宽,从而使水平和垂直清晰度均提高一倍左右。同时还由于增加了宽高比,并配有立体声伴音,而能提供细节清晰的优质图像和立体声伴音。此外,还加大显示屏幕的尺寸,使视场角增大至20°?30°,图像信息容量接近人眼最大处理能力。从20世纪70年代起,日本、美国、联邦德国、英国等国家对HDTV图像质量、信号形式、传输方式等方面进行探索,开展可行性的实验研究,并研制出一系列HDTV设备。到90年代中期,HDTV已从研究试验阶段逐步走向民用阶段。

“雷达”一词英文为“RADAR”,是由四个英文词“radio detection and ranging”缩写而成。它的含意是利用无线电波来检测目标并测定目标的位置。

雷达的优点是白天黑夜均能检测到远距离的较小目标,不为云雾和雨雪所阻挡,具有全天时全天候特性。雷达不仅是现代战争必不可少的电子装备,而且也应用于国民经济(如交通运输、气象预报和资源探测等)和科学研究(如航天、大气物理、电离层结构和天体研究等)的许多领域。20世纪30年代初,英、美、法、德都先后组织力量开始研制雷达,最初的发展是缓慢的。第二次世界大战期间,交战双方都在雷达技术上花了很大力量,促进了它的迅速发展。1939年,英国的科学家们终于突破了多腔磁控管的研制,能在3吉赫波段上产生20千瓦的功率。这一发明使微波雷达成为现实,标志着现代雷达的诞生,是雷达技术的第一个具有划时代意义的重大进展。第二次世界大战结束后,雷达技术迅速向民用转移。1946年美国陆军通信兵用雷达成功地检测到从月球来的雷达回波,这标志着“雷达天文学”的开始。当时摆在雷达领域科学家和工程师们面前的迫切任务是:测距、测角和跟踪目标的精度要有数量级的提高;增加作用距离要用宽脉冲同提高距离分辨力要用窄脉冲之间的矛盾要解决;掩盖运动目标的强大的地杂波必须抑制;多个目标要同时跟踪等等。为保持和利用相位信息,在技术上必须保持相位的稳定性,不能因信号处理打乱了原来的相位关系。这就是相干性的概念,这是从物理光学中移植过来的一个重要概念。在20世纪50年代后期发展起来的上述这些新型雷达大多属于相干雷达。从这一主要贡献着眼,人们就把50年代的雷达史归结为相干多普勒雷达体制突破和发展的历史。在60—70年代,雷达系统采用了众多新技术后确实取得了很大进展。几种主要相干雷达——合成孔径雷达、相控阵雷达、脉冲压缩雷达等,到70年代后期又有新的进展。合成孔径雷达的计算机成像在70年代中期取得突破并从军用移植到民用,于1978年开始进入空间飞行器——装在第一颗海洋卫星上。它从空间高度获得的图像分辨率高达25米×25米,经过计算机处理,提供了大量地理、地质和海洋状态信息。相控阵雷达和脉冲多普勒雷达也都与计算机密切结合,提供了大量对军事目的极为重要的信息。现在,电子计算机(主要是小型机和微机)已经成为雷达系统的一个重要组成部分。