主頁（http://www.130131.com）：你所不知道的無線通信誕生記

赫茲（左）與馬可尼

赫茲（1857年2月22日－1894年1月1日），德國物理學(xué)家，于1888年首先證實了電磁波的存在。赫茲對人類最偉大的貢獻是用實驗證實了電磁波的存在，而有了電磁波，無線電通信才有了可能。

無線電通信還和許多發(fā)明家的名字聯(lián)系在一起：馬可尼、波波夫、弗萊銘……在今天的信息社會中，他們發(fā)明的意義隨著時間的流逝而愈顯珍貴。

▋1.給瞬間傳遞的電流“編碼”，打開了人類信息傳遞的新思路

在講這個無線電通信的故事之前，我們必須簡略地回顧一下有線通信的歷史。

信息的傳遞，是自古以來人類在生產(chǎn)生活中迫切需要解決的問題。人類通信的革命性變化，是從把電作為信息載體后發(fā)生的。

1729年，英國科學(xué)家史蒂芬·格雷發(fā)現(xiàn)，電能夠從長銅線的一端傳遞到另一端，而且極為迅速幾乎不需要時間。1753年2月17日，在《蘇格蘭人》雜志上發(fā)表了一封署名C·M的書信。在這封信中，作者提出了用電流進行通信的大膽設(shè)想。他建議：把一組金屬線從一個地點延伸到另一個地點，每根金屬線與一個字母相對應(yīng)。在一端發(fā)報時，便根據(jù)報文內(nèi)容將一條條金屬線與靜電機相連接，使它們依次通過電流。電流通過金屬線傳到與它相連接的小球時，便將掛在小球下面的寫有不同字母或數(shù)字的小紙片吸了起來，從而起到了遠距離傳遞信息的作用。

這個想法雖然并不成熟，但它確實指出了利用電流遠距離迅速傳遞信息的可能性。

19世紀的前30年，人類的科學(xué)技術(shù)取得了許多重大進展。利用電流傳遞信息也成了很多人熱心關(guān)注的問題，并提出了各種各樣的解決方法。其中，美國畫家莫爾斯提出的方案最終脫穎而出。

波波夫

波波夫于1894年發(fā)明的第一架無線電接收機。

▋2.電報、電話，叩開遠距離信息傳遞之門

1834年，莫爾斯發(fā)明了用電流的“通”和“斷”來編制代表數(shù)字和字母的電碼（即莫爾斯電碼），同時在伙伴的幫助下于1837年制作成了莫爾斯電報機。1843年，莫爾斯經(jīng)竭力爭取，終于獲得了3萬美元的資助。他用這筆款修建成了從華盛頓到巴爾的摩的電報線路，全長64.4千米。1844年5月24日，在座無虛席的國會大廈里，莫爾斯用他那激動得有些顫抖的雙手，操縱著他傾十余年心血研制成功的電報機，向巴爾的摩發(fā)出了人類歷史上的第一份電報：“上帝創(chuàng)造了何等奇跡!”

電報傳送的是符號。發(fā)送一份電報，得先將報文譯成電碼，再用電報機發(fā)送出去；在收報一方，要經(jīng)過相反的過程，即將收到的電碼譯成報文，然后，送到收報人的手里。這不僅手續(xù)麻煩，而且也不能進行即時的雙向信息交流。因此，人們開始探索一種能直接傳送人類聲音的通信方式，這就是現(xiàn)在無人不曉的“電話”。

在眾多的電話發(fā)明家中，最有成就的要算是貝爾了。有一次，他在做電報實驗時，偶然發(fā)現(xiàn)一塊鐵片在磁鐵前振動而發(fā)出微弱的音響。這個聲音通過導(dǎo)線傳到了遠處。這件事給了貝爾以很大的啟發(fā)。他想，如果對著鐵片講話，讓鐵片振動，而在鐵片后面放著繞有導(dǎo)線的磁鐵，導(dǎo)線中的電流就會發(fā)生時大時小的變化；變化著的電流傳到對方后，又驅(qū)動電磁鐵前的鐵片作同樣的振動，不就可以把聲音從一處傳到另一處了嗎？這就是當(dāng)年貝爾制作電話機的最初構(gòu)想。

1876年3月10日，貝爾在做實驗時不小心把硫酸濺到自己的腿上，他疼痛地叫了起來：“沃森先生，快來幫我啊!”沒有想到，這句話通過他實驗中的電話，傳到了在另一個房間工作的沃森先生的耳朵里。這句極普通的話，卻不料成了人類第一句通過電話傳送的話音而記入史冊。

19世紀30年代和70年代，電報和電話的相繼發(fā)明，使人類獲得了遠距離傳送信息的重要手段。

馬可尼發(fā)明的第一套無線電收發(fā)裝置。

▋3.電磁波的發(fā)現(xiàn)，讓無線電通信成為了可能

當(dāng)初，電信號都是通過金屬線傳送的。線路架設(shè)到哪里，信息也只能傳到哪里，這就大大限制了信息的傳播范圍。

而就在這段時間里，一種新的可能承載信息的載體——電磁波，正在逐漸被人們發(fā)現(xiàn)。

1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬導(dǎo)線中有電流通過時，放在它附近的磁針便會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。接著，學(xué)徒出身的英國物理學(xué)家法拉第明確指出，奧斯特的實驗證明了“電能生磁”。他還通過艱苦的實驗，發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)線在磁場中運動時會有電流產(chǎn)生的現(xiàn)象，此即所謂的“電磁感應(yīng)”現(xiàn)象。

麥克斯韋進一步用數(shù)學(xué)公式表達了法拉第等人的研究成果，并把電磁感應(yīng)理論推廣到了空間。他認為，在變化的磁場周圍會產(chǎn)生變化的電場，在變化的電場周圍又將產(chǎn)生變化的磁場，如此一層層地像水波一樣推開去，便可把交替的電磁場傳得很遠。1864年，麥氏發(fā)表了電磁場理論，成為人類歷史上預(yù)言電磁波存在的第一人。

在實驗中證實電磁波存在的第一人是赫茲。赫茲按照麥克斯韋的理論，精心設(shè)計了“振蕩偶極子”(最原始的無線電發(fā)射機)和“共振偶極子”(最原始的無線電接收機)。經(jīng)過幾年的努力，在1887年，赫茲應(yīng)用上述方法，終于成功地探測到電磁波的存在——在離振蕩偶極子3米遠的地方，在共振偶極子的兩個小銅球的隙縫中，觀察到了跳躍的電火花。這種微弱的電火花證實了麥克斯韋所預(yù)言的電磁波的存在。

電磁波的存在被證實以后，很快就有人提出以電磁波而不是以導(dǎo)線為工具來傳遞信號的設(shè)想。然而，大多數(shù)人對此持否定意見，包括赫茲本人在內(nèi)，他說：“若要利用電磁波進行不用導(dǎo)線的通信，得有一面和歐洲大陸面積差不多的巨型反射鏡才行�！�

1899年3月27日,無線電之父馬可尼在接收無線電信號。

▋4.傳遞比賽勝負，無線電通信第一次實際應(yīng)用

然而，一些年輕的發(fā)明家，思想上沒有那么多條條框框。他們很快投入到利用電磁波進行無線通信的探索之中。年輕的意大利發(fā)明家馬可尼是其中的佼佼者。

赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波的那年，馬可尼才14歲。大學(xué)讀書期間，受到他的老師奧古斯特·里奇的影響，馬可尼對無線電進行了大膽的研究。馬可尼不受權(quán)威偏見的束縛，立志把電磁波用于通信。他曾說：“當(dāng)我利用赫茲波開始做第一批實驗時，我簡直不能想象，一些著名的科學(xué)家竟忽略了應(yīng)用這些理論。”

馬可尼在他父母的別墅頂層建立起無線電收發(fā)實驗裝置，專心地做起實驗來。1894年的一天，馬可尼把母親請到實驗室來，小長桌是他的實驗臺，上面擺著一臺簡陋的收發(fā)報裝置。馬可尼一按電鈕，就從樓下的客廳里傳來一陣鈴聲，而樓上和樓下并沒有導(dǎo)線相連。這就是馬可尼第一次實現(xiàn)無線電信號傳送的情景。

為了把通信距離進一步擴大，馬可尼不斷開動腦筋。他將赫茲振蕩器懸掛在高柱子上，并且在一端連接一塊金屬板做天線，在另一端連接一埋入地下的金屬板做地線，他根據(jù)觀察，得出了天線越高，裝置的靈敏度也越高的結(jié)論。這樣，早期的無線電天線就出現(xiàn)了。1895年夏天，馬可尼在別墅的三樓實驗室和2.7公里遠處的山丘之間成功地實現(xiàn)了無線電報通信。

1896年，22歲的馬可尼告別故鄉(xiāng)，偕同父親到達英國。在英國郵政部門的支持和幫助下，馬可尼進行了多次無線電收發(fā)表演，還在公開場合做了10公里至20公里的無線電報通信演示，并獲得了成功。

1897年，在倫敦成立了由英國政府代辦的馬可尼無線電報公司，馬可尼親自兼任董事長。有了資金的支持，馬可尼開始把無線電通信向商業(yè)化發(fā)展。1898年，英國舉行游艇賽，終點是距海岸20英里的海上�！抖及亓挚靾蟆诽仄格R可尼用無線電傳遞消息，游艇一到終點，他便通過無線電波，使岸上的人們立即知道勝負結(jié)果，觀眾為之欣喜若狂�？梢哉f，這是無線電通信的第一次實際應(yīng)用。

1899年3月3日發(fā)生的意外事故，使人們認識到無線電通信的重要性。那天，一艘名為“東谷德文”的燈船不幸被一艘輪船撞毀下沉。呼救的無線電碼向各鄰近海岸和海港頻頻飛去。于是，救生艇紛紛奔赴出事地點，遇險的船員全部獲救。

1899年10月，馬可尼在懷特島上播發(fā)了第一封收費電報。電碼飛越英國和法國之間的英吉利海峽，通信距離達45公里。后來人們將這作為無線電誕生的標志。

事實上，無線電的發(fā)明者并不是馬可尼一人。比如俄國同樣只有二十幾歲的波波夫，差不多和馬可尼同時，也獨立地完成了無線電報通信的發(fā)明。而對于無線電通信技術(shù)的貢獻，更是集中了那個時代很多人的智慧。

▋5.直線傳播的電磁波為何能繞過地球？

當(dāng)時一些有名的學(xué)者斷言，馬可尼的跨越英吉利海峽的無線電報已接近無線電通信的極限距離了。理由是，電磁波和光線一樣是直線傳播的，而地球是圓的。根據(jù)地球的直徑和天線高度，可以計算出無線電波只能在60公里左右的直視距離內(nèi)傳播。

然而，作為發(fā)明家的馬可尼，總是愿意把實踐放在理論的前面。1901年12月12日，他親自前往北美洲紐芬蘭海岸的圣約翰城，等待接收他的助手從英國康沃爾發(fā)射臺使用60米高天線發(fā)射的無線電波。馬可尼把接收天線掛在風(fēng)箏上升入121米的高空。突然，耳機中傳來了三響微弱而清晰的“滴答”聲，這正是他們事先約定的字母“S”的電碼。無線電波越過了3600公里的大西洋，馬可尼用實驗證明了無線電遠距離通信的可能性。

但是，很長一段時期里，人們對無線電波為何能繞過地球的曲面一直沒有理論上的認識。1902年，一位英國物理學(xué)家和一位美國電氣工程師曾大膽推測，馬可尼的無線電信號可能是被高層大氣層中一個帶電粒子層從天上反射回來傳播到北美洲的，他們還提出，這個帶電粒子層是由于太陽紫外線對大氣層中空氣的電離作用而形成的。這是一個難能可貴的猜想，但當(dāng)時并沒有引起足夠的重視。

那時候，人們普遍認為長波（波長為1000米至10000米的無線電波）是進行遠距離無線電通信的唯一波段。因為人們發(fā)現(xiàn)，波長越長，波強度隨距離的衰減就越小。然而，波長越長，發(fā)射和接收天線的幾何尺寸越大，通信用的天線裝置也越來越龐大和笨重。

然而在1921年，歐洲和美國的一些無線電愛好者相繼發(fā)現(xiàn)，功率只有幾十瓦的簡易短波無線電臺所發(fā)射的信號，卻能被千里以外的業(yè)余電臺接收到。有一次，意大利羅馬城郊發(fā)生了一場大火，一臺功率很小的業(yè)余短波電臺發(fā)出了求救信號，但出乎意料，遙遠的丹麥哥本哈根的一些接收機都收到了這個求救信號。

新發(fā)現(xiàn)促使更多人進行類似的試驗，結(jié)果證明短波比長波更適合于遠距離通信。前人關(guān)于大氣中帶電粒子層的猜想再次引起了人們的重視。1925年，英國物理學(xué)家阿普爾頓向高空連續(xù)發(fā)射無線電波，用實驗證明了大氣層中帶電粒子層的存在，并證實它具有反射無線電波的能力。這時人們才明白，長波主要是沿著地面?zhèn)鞑サ�，射向空中的長波大部分被電離層所吸收。而短波的傳輸特性剛好和長波相反，沿地面的傳輸衰減很嚴重，但電離層卻將大部分短波反射回來，這就是短波能實現(xiàn)遠距離無線電通信的秘密。

▋6.小小電子管，讓無線電話和廣播具有生命力

20世紀的第一個十年間，無線電通信并未獲得普及應(yīng)用，多半局限于在船舶等移動物體上使用。其中最主要的原因是，作為一門新技術(shù)它還沒有達到真正成熟的程度。無線電報的通信距離是很有限的，而且通信的可靠性較差。與之相比，早在1866年就建成了橫貫大西洋的海底通信電纜。到19世紀末，世界上許多重要城市都由規(guī)模巨大的海底電纜或地下電纜連接在一起，全世界電報線路總長已達到900萬公里。

電磁波在向空間傳輸過程中，隨著傳輸距離的增加，信號強度急劇減弱。顯然，要擴大無線電報通信距離，就要增大發(fā)射機的發(fā)射功率和提高接收機的靈敏度。

第一代電子器件的發(fā)明改變了有線通信獨占通信領(lǐng)域的局面。1904年，英國弗萊銘發(fā)明了真空二極管。真空二極管應(yīng)用于無線電接收裝置后，接收機的靈敏度和可靠性大為提高。1906年到1907年，美國德福雷斯特發(fā)明真空三極管，此后經(jīng)過不斷改進，在無線電通信中得到了廣泛應(yīng)用。

也正是電子管的發(fā)明，使得無線電話、無線廣播真正可以獲得實用。早在1906年，美國發(fā)明家費辛敦就成功地進行了人類歷史上第一次不用導(dǎo)線而用電磁波傳送語言和音樂的試驗，但聲音作用于送話器所變換成的音頻電信號十分微弱，不能有效地對需要發(fā)送出去的高頻無線電波進行調(diào)制，影響了通話的距離和聲音傳輸?shù)馁|(zhì)量。只有當(dāng)電子管進入實用階段后，人們才可以借助電子管對送話器輸出的微弱音頻電信號進行放大，然后對強高頻無線電波進行調(diào)制，無線電話才真正具有生命力。

1914年，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，剛剛登上通信舞臺的無線電話為交戰(zhàn)雙方的軍事目的服務(wù)，在前線首次出現(xiàn)了應(yīng)用無線電話——報話機指揮部隊的新場面。

▋延伸閱讀

“泰坦尼克”慘案推動了無線電通信普及

1912年4月，發(fā)生了震驚世界的“泰坦尼克”號沉沒事件。英國新建的當(dāng)時世界上最豪華的郵輪“泰坦尼克”號，在其開往美國的處女航行中因沖撞冰山而沉沒，死難者達1500多人�！疤┨鼓峥恕碧柵鋫淞溯^完善的無線電報裝置，在它發(fā)出“SOS”國際無線電呼救信號時，在距它40公里的洋面上恰好有一艘貨輪經(jīng)過，但是這艘貨輪卻未曾安裝無線電報設(shè)備。等到距離“泰坦尼克”號100公里的卡爾巴夏號輪船接到信號趕赴出事地點時，只搶救出700多人，在死難的一千多人中，有不少是因為久久沒有得到救助而經(jīng)受不住饑寒襲擊，慘死于漂浮在冰海的救生艇上。

全世界從這一慘劇中吸取了教訓(xùn)，此后各國法律強行規(guī)定：凡是具有一定規(guī)模的船只必須配備無線電裝置。

1916年，美國遇到暴風(fēng)雪襲擊，有線電報線路中斷，從此開始，無線電報逐漸應(yīng)用于火車調(diào)度。各種類型的電臺如雨后春筍般地蓬勃發(fā)展起來，開始超出船只通信范圍而被廣泛用來傳遞商品行情、軍事情報、氣象消息和新聞。