电信系统的演进与未来的发展上台大电机系计算机中心.docx
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电信系统的演进与未来的发展上台大电机系计算机中心
電信系統的演進與未來的發展（上）
王金土
1、前言
最早傳遞訊息的系統應該是「峰火台」，可以把「敵人已入侵」的訊息從一處峰火台由邊境往內地傳遞，後來有人發明了「電報」，利用電線上通電的長短及電報碼來傳遞訊息，或利用高低音調來取代「開」或「關」；繼而有人發明了「電話」，把語音變成電壓或音調的高低傳遞到遠方，在遠方又以反方向來恢復原來的聲音；隨後又有人發明了「傳真機」，把黑白的影像掃描後變成高低不同的電壓或音調傳出去，而到遠處又以此高低不同的電壓或音調反方向來恢復黑白的影像。
所以早期的電信業務是以電報與電話為兩大業務，而傳真只不過是少量配合報社用來傳送遠方發生的事件報導在報紙上之用，是陪襯的業務。
這些業務各國都是由政府機構的PTT來經營，第一個字母代表Post郵局，第二、三字母代表Telephone&Telegraph電話與電報局，由政府機構來營運有掌控人民通信及通訊的自由。
現代電信系統的極致是在任何地方、任何時間以一台小筆電或手機透過有線或無線的方式經由網際網路來傳送語音、影像及數據並可參加任何一場會議，共同瀏覽任一網站。
這個現況較四、五十年前的電報電話及傳真時代真有天壤之別，有人把它叫做「數位匯流」（DigitalConvergence），即把數據、語音及視訊等資訊數位化以後，透過共用的通路來傳遞，這個共用的通路就是目前的網際網路。
而經營這個業務者可能是由民間數家共同提供的業務，如甲公司提供固網業務給乙公司經營網際網路業務，而由丙公司提供語音、影像及數據等加值服務。
這是一個電信自由化的時代，而業務也是多樣化的時代。
我們不敢想像再過五十年的電信業務會變成什麼樣的狀況，那時可能不需要小筆電了，可能是用一張可攤開來的「電子紙」，而傳輸系統除了海底電纜及長程幹線使用光纖之外，每一戶人家都是光纖到家，有著無窮的頻寬，其競爭對手無線到家，不知到底是鹿死誰手亦未可知。
但是無線仍有其獨具的競力即其可移動性，是光纖無法比擬的。
本文主要回憶四五十年前的電信系統，並描述這四五十年來的演進過程，並對五十年後的電信系統作一個想像，說不定可以誘導出一些創造發明呢！
2、四、五十年前電信系統的運作
（1）電報及電報交換系統
A.MorseCode發報機時代
最早的電信系統應該是摩斯電報傳輸系統，發報員撳按單點的按鍵來控制電流「流通」的時間，一個單位長度表示「點」（dot），三個長度的時間表示「劃」（dash）。
圖1表示英文字母及數字的摩斯電報碼。
A._N__.1.____
B_...O___2..___
C_._.P.__.3...__
D_..Q__._4...._
E.R._.5.....
F.._.S...6_....
G__.T_7__...
H....U.._8___..
I..V..._9____.
J.___W.__0_____
K_._X_.._
L._..Y_.__,__..__
M__Z__...._._._
1.Adashisequaltothreedots.
2.Thespacebetweenpartsofthesameletterisequaltoonedot.
3.Thespacebetweentwolettersisequaltothreedots.
4.Thespacebetweentwowordsisequaltosevendots.
圖1.國際摩斯電碼InternationaMorseCode
圖2.摩斯發報機
圖2是摩斯電碼發報機，如果由甲地要傳送至乙地「DR.WANG,IOWEYOUUSD125ANDWILLRETURNTHISMONEYTOMORROW」，在網站找到MorseCodeTranslator的翻譯，就成了下面的電文：
「-...-..-.-.-/.--.--.--.--..--/../---.--./-.-----..-/..-...-...----..---...../.--.-../.--...-...-../.-..-..-.-.-./-........./------..-.--/---------.-..-.---.--」，還可以發出摩斯發報的聲音，讓你回味一下二十世紀初最原始的通訊味道。
這裡一個「點」的時間為一個單位的時間，而一個「劃」的時間為點的三倍的時間，字母間的空隔也是三個單位的時間，而字與字的間隔是七個單位的時間（上面/符號）。
有興趣聽一段十九世紀時代的摩斯電報碼聲音者，請到下列網址點聽
http:
//www.chtr.org.tw/chtr/09/211.ppt
這裡也需要注意的是E字母的編碼是一個單位的「點」，在英文裡面使用頻率最高，依資訊理論其編碼單位最短，而數字的編碼較長，在長時間的傳輸過程中可達最好的效率。
另外，SOS求救信號是發送「三短三長三短」（．．．╴╴╴．．．），非「三長兩短」。
早期的報務員必須背記摩斯電碼，發送方用食指撳按發報機，一個字母一個字母地發報，此一長短斷續的電流經過開放式的銅質電線（OpenWire）傳送到遠方，距離不能太遠之處有一收報機，把此長短斷續的電流轉換成聲音，由報務員把它直接譯成電文。
B.鮑竇碼發收報機時代
其後有鮑竇碼（BaudotCode）的發明，除了英文字母之外亦可含蓋特殊符號及空格，每個字母及符號都是五位碼，並可鑿出紙帶（PaperTape）。
紙帶可以說是早期的記憶體，如果要發一則電文，先要在鑿紙帶機鑿好紙帶，左手用中指及食指，而右手用食、中及無名指按照電碼有黑點的地方撳按，便鑿出此一字母來。
譬如要發ABC189的電文，先要撳按LTRS（左中指），使成為文字狀態，再撳按A（右食指）B（左食、右尾指）C（左食、右食及尾指）FIGS（左食指）1（右食指）8（左食、右尾指）9（左食、右食及尾指），就鑿好了ABC189的紙帶了。
其他的電文也鑿好了之後，就拿到發報機去放紙條就行了，這發報機就自動產生鮑竇電碼發出去了，這種發收報機是人工發收報機。
圖3.鮑竇電碼
C.電傳打字機時代
後來有「電傳打字機」（Tele-type）問世，在發報端有按鍵字母鍵，將英文的電文直接按鍵，即可自動鑿出BaudotCode之紙帶，將紙帶撕下，拿到發報機一放，電報訊號就送出了；而在接收方，有接收BaudotCode後自動印出英文字母於卷筒紙上，也可鑿出紙帶，無需背記及譯電之程序，但發送方需熟習英文打字。
圖4是電傳打字機之鍵盤。
.
圖4.BaudotCode電傳打字機鍵盤
此一鍵盤只有三排，最上一排兼作「數字鍵」，而第二及第三排兼作特殊符號鍵，只要打數字或特殊符號之前需先按FIGS（FigureShift），打完了數字或特殊符號之後要回到英文字母，必須按LTRS（LetterShift），這一點與普通英文打字機不同，故較為不習慣點，不過習慣了就成自然了。
D.報房人工交換時代
在電傳打字機問世後，在國內外均設有「報房」，負責人工交換及轉發的工作。
例如，在民國四五十年代在台北東園街100巷內就設有國際公眾電報的「報房」，那時因為怕敵機來襲時第一個目標就是要摧毀通訊設施，使其對外通訊中斷而孤立，所以整個報房就做在一座堅固的「防空洞」內，我們的報務員都是在「防空洞」內上班。
另外還有兩座「防空洞」是一在旁邊的「終端機室」及「微波室」也在防空洞內上班，另一處是在板橋現在電信訓練所的地方，把又重又熱的強力短波發射機也放入防空洞中，值機同仁甚至因為太熱而要穿短褲打赤膊上班。
而國內的報房設在當時的「長途電信局」內，負責轉發國內各地的來去報。
什麼是人工交換呢?
每一個國家的來報是由一部專屬的印報機及紙帶機印出或鑿出，報務員要先看看報頭的資訊，如屬於台灣省內的投遞範圍時，就把該報之紙帶拿到通往長途電信局的發報機來發送，如屬在台北市內國際局自己投送範圍，則需拿到地址章的櫃台，依電報掛號（CableAddress）在兩三萬印章中找到符合此一電報掛號的印章，蓋好後就送給「報差」去按址投遞到收報人手中。
「報差」也是歷史名詞，電信局投送電報的信差叫「報差」，有別於郵局投遞信件的郵差，制服也是藍色的，有別於穿綠色制服的郵差。
在去報方面，由長途電信局來及由國際局營業窗口送來的電報會在專屬的一部電傳打字機印出及鑿出紙帶，報務員要以人工的方式閱讀報頭資訊，如果是要到日本東京的，就拿到要發到東京的發報機上去發，如要到美國的，就拿到要舊金山的發報機去發，這樣一至多的轉發就形成了「交換」的功能。
所以，報房是「公眾電報的交換中心」。
這個報房比較印象深刻的是那兩三萬個地址圖章，還好是按照電報掛號之英文字母順序排列於格子中。
另外印報機的嘀嘀答答的聲音，及嘰嘰喳喳的鑿紙聲，並且滿地都是鑿孔的紙帶及印報滾筒紙，並非是一個舒適安靜的辦公空間。
電報的計費方式是按字（Word）計算的，所以只有重要的字句而無閒言綴字，只要能達到目的而可以省點錢就行了。
中文的電報是用「電報碼」（0000~9999）來傳輸的，每一字有四個阿拉伯數字，字與字間空一格或多格。
很有趣的是這本電報碼本是最好的「加密」工具，在出國之前約定了「加密協定」，即原本的字是傳輸碼橫直各加減若干格便是，而傳輸碼即使被攔截也無法破解其語意。
E.電報交換（Telex）交換機時代
圖5.Telex終端機
電報交換（TelegraphExchange），簡稱Telex是台灣經濟奇蹟的最大功臣，凡是國外訂單、報價等，都是靠Telex來傳遞書寫的、且是立即的、終端對終端的資訊。
Telex除了有電傳打字機的功能外，也有Telex信號制（Signaling）的功能，是採用CCITT#2的信號制，能夠撥號到對方及接受呼叫的功能，每一台Telex有其用戶呼叫號碼（CallNumber），如果撥到此一用戶呼叫號碼，就會響鈴並開始打字，如需要亦可鑿出紙帶。
Telex有一「自動回覆碼」（AutomaticAnswerBackCode,AAB），即呼叫進來時，Telex機器的硬體設定會回應此一專有的「自動回覆碼」，發送方收到此自動回覆碼之後才可開始發送電文。
此一設計使Telex之運作非常可靠，既使下班之後，國外來報仍繼續不斷，無需人工操作，自動印出一通一通從不同公司或機關來的電文，剛好次日一上班就可處理了。
所以Telex常是白天下班前發報，晚上收報，一天當兩天用，尤以客戶在美國或歐洲者能夠適應時差的作業方式。
通常使用者是公司行號及機關學校，其計費方式是發送方付費按接續的分鐘數來計費的，所以電文不能打得太長，簡單軛要明白清楚。
Telex交換機通常是電子式的進口貨。
國際電信局的交換機差不多都是德國西門子的，可能是他們的競爭力較強之故。
F.公眾電報自動處理時代
上述的「報房」人工處理公眾電報實在花費許多人力，為了節省人力，國際電信局在民國63年起有一「電腦化」的計畫，想把整個報房的作業以電腦來代替。
那時美國最大的電報公司WesternUnionInternational,WUI）已經有用迷你電腦來處理公眾電報了，本來應可由國外全包式的引進，但由於規格太複雜，有自動印出中文地址、有租賃電路信息交換等，因此，第一次全包式標案就流標了。
後來成立了「電腦工程隊」，僅買必要的硬體而自行發展軟體，包括中文自動印址及自動投遞至Telex用戶。
這是本人第一次領頭帶領一批未曾用過電腦的同事，從組合語言開始訓練他們，到可以用組合語言寫程式，完成了即時信息交換系統，其功能有下列各項：
（1）去報自動轉至各該國的電路發送報文；
（2）國際來報自動選擇投送到長途局或國際局；（3）投送至國際局之電報自動印出收報人投送中文地址；（4）收報人若有裝置Telex則透過Telex交換機投遞該電報到客戶Telex印報筒上；（5）雙套CPU熱機備用且自動切換；（6）自動儲存進報及投遞報文至可動硬碟上；（7）Telex用戶可直接發送公眾電報至國外（此功能因電檢關係未實施）；（8）以微處理器來處理Telex交換機CCITT#2信號制及電腦RS-232C之間之通訊協定之轉換。
詳細資料刊登在交通部電信總局電信技術季刊第一卷第一期專集中（民國七十年八月）。
（2）電話及電話交換機系統
先來回顧一下用戶端的電話機的演變，最早的是磁石式的電話機，繼而有共電式的電話機，到現代大哥大用的都是自備電池的無線電話機。
A.磁石式電話機
圖6是最古早的磁石式電話機
圖6是最古早的磁石式電話機，它通常是掛在牆上，外觀很像人的頭，有兩個眼睛、一個鼻子、一個嘴巴、兩片耳朵：
兩個眼睛就是用銅製的鈴鐺，一個鼻子就是敲打鈴鐺的鐵鎚，一個嘴巴就是吸取話音訊號的吸筒，兩片耳朵一邊是搖桿，是呼叫時搖鈴用的，一邊是掛了一個聽筒，要聽電話時拿下來讓圓柱體的一端貼在耳朵上就可聽到對方的聲音。
這種電話機內部有一個磁石（Magnet），要打電話時，旋轉右邊的搖桿，用力的轉動磁石內部的轉子線圈，使線圈割切磁力線，按照的弗來明右手定則就會產生交流電，此電流傳輸經過開放式電線傳到接收端電話就敲打電話機的兩個鈴鐺成為「振鈴」，或者在有「交換手」（接線生）的情況下，使人工接線抬「掉牌」。
話筒很像一張圓嘴，是吸取話音訊號的入口，當人講話時，因為音調的高低在空氣中產生不同壓力的振波，這個振波進入了話筒在炭精粉間就會產生不同的壓力，即產生不同的電阻，而經過此炭精粉之電流就會跟著有不同的變化。
在木盒的兩旁右邊是搖桿，而左邊就是聽筒了。
這聽筒就是把遠端傳來的高低不同的電壓轉換成聲音，那是靠一個電磁鐵及一片薄鐵片，因電流而左右振的大小而產生不同的吸力，吸取薄鐵片而打擊空氣使其還原成原來的話音。
這種磁石式的電話機需要有一乾電池來維持額定的電流水準，使變化之電流在此額定電流之上下擺動。
圖7.是放置在桌子上的磁石式電話機。
圖7.桌上型磁石式電話機
B.共電式的電話機
每一磁石式電話機都需要自備乾電池，以保持變化之電流值，甚為不方便，故有「共電式的電話機」之發明，把電話機所需要的直流電源由局端來供給。
而電話機上亦無搖桿來產生呼叫訊號，而由電話之掛鉤之提起來表示要呼叫。
用戶一提起電話聽筒，在傳輸線路上就會引起「斷電」，使人工交換機之座席之掛牌掉下，則接線生首先要問明該用戶要接到那一個目的用戶，然後以其相對的話繩拉插到目的用戶之接孔，於是就完成了交換機的功能。
圖8是共電式的電話機，圖9是100門的人工交換機。
請注意，磁石式電話機可用於一對一的對話，而共電式的電話機只能用在電話局內是一對多的電話交換系統。
圖8.共電式電話機借自國立科學工藝博物館
圖9.100門之人工交換機
C.撥號電話機
圖10.撥號盤電話機
上述人工交換機有人工的介入，不免有私心。
據說有一位美國人叫史特勞傑，因不滿電信局的接線生有意無意的把要接給他的電話接到他的競爭對手，讓他失接了很多喪葬的生意，於是他潛心研究於1891年發展出「步進制全自動交換機」來，也得到這項專利權。
配合這項發明，用戶端電話機要有「撥號」的功能，譬如，要接到nm號（n,m為1,2,3,4,…,9,0）用戶，用戶要先在「撥號盤」上以食指插入撥號盤n的孔的位置，向順時針方向旋轉到底後放開，則此電話機就會產生出n個脈衝（Pulses），繼而以同樣方法用手指插入m的位孔的置，旋轉到底後放開，也產生了m個脈衝，這兩組脈衝到達了交換機時，使其接掃先上升n步，再右旋轉m步，就會自動的接到nm用戶的出線了。
上述是一條進線可以接到100條出線，如果用了100個相同的步進器，就會有100X100的功能了。
如果是10000門時，那要就要分兩次「步進」了。
圖10是可撥號電話機，要注意的是，0是在最下方，即撥一個0會產生10個脈衝，上升或右旋10步。
D.按鍵電話機
圖11.按鍵電話機
電話機由撥號盤演進到按鍵電話機可以說是數位化的一大步，把要按的號碼在電話機內就轉換成了不同的音調（或雙音調），交換機只要偵側到不同的音調或其組合，就知道用戶按的是什麼號碼，就直接接續到所要的號碼。
這時的交換機可能已經演進到了「縱橫制交換機」（CrossBar）或「程序控制交換機」（StoredProgramControl,SPC）更有智慧的交換機了。
E.無線電話機
圖12.無線電話機
行動通訊的盛行，又開啟了一扇電話機功能及式樣多樣化的門，廠商把多樣化的功能當成了行銷的利器，除了電話機原有撥號功能之外，還可以接收簡訊服務及儲存及找尋親朋好友電話號碼的功能。
當然不可或缺的無線電話之功能是不靠局電而獨立支持的蓄電池及無線發射的功能，也是無線電話機的特色。
此時，行動電話的交換機已經進步到「行動通訊交換機」的境界了，這種交換機不像先前所述的獨立運作的交換機，而需與鄰近交換機經常交換用戶現址的資訊，以便交換機的接續動作。
所以每一交換機必須經常去比較或更新HLR（HomeLocationRegister）及VLR（VisitorLocationRegister），使交換機在任一時間都能立即判定用戶目前所在的位置是那一個基地台的那一個方位（Sector），以便能夠把語音訊號轉送過去。
所以行動通訊的交換機可以說是非常智慧化的交換機了。
圖12是兩具著明廠牌的無線電話機，大部份都需要每天充電來支持其耗電量。
（3）交換系統的演進
A.線路交換系統（CircuitSwitchingSystem）
最早的交換系統是人工交換座席，一個呼叫掉牌進來以後要接線生接到其他門號，如果是本地的門號，插線後就完成了「交換」，如果是外地區，就接至外地區接線生經轉。
這種交換是有接點的，所以叫做「線路交換系統」，以後有縱橫制交換機（Cross-Bar）及程式控制交換機，也都是這類型的。
所謂縱橫是把m縱桿的呼叫進線，接至n橫桿的出線，以完成接線的目的。
以後的電子式交換機，像AT&T的No.5ESS,ITT的TAI-COM5,及Siemens的EWSD等都是程式控制交換機，但是基本上是以軟體來控制接點的接續的動作而完成交換的功能。
到於國際局所用的Siemens的Telex交換機，也都是程控交換機，也是這種線路式交換機。
B.信息交換系統（MessageSwitchingSystem）
在
（1）D節中提到「報房」，它是典型的「信息交換系統」，把一通來報用人工把紙帶拿到去報的發報機上發報，就完成了信息交換的功能了，後來國際電信局把這個工作電腦化了，並多加了許多額外的功能，但基本上「國際公眾電報自動處理系統」是典型的信息交換系統，把一通信息從ZCZC（報頭）開始到NNNN（報尾）看做是一整體，在系統內丟來丟去（處理），直到歸檔為止。
C.分封交換系統（PacketSwitchingSystem）
所謂「分封」就是「小包」的意思，即把一通訊息切分成標準的長度，每一分封都冠以分封的頭，在網路上獨立的傳送，每一網路上的節點接收到每一分封時，若屬於本節點管轄都即收下投送，若不屬於本轄者即外送。
至於外送到那一條線路，那要看當時的「路由表」（RoutingTable），這經常更新的路由表告訴此一節點是要送到那一條最快的電路，因此，一通信息到達終端時，不同的分封可能是經過不同的路由到達的。
這樣的傳輸模式稱為網際網路通訊協定（InternetProtocol,IP），真沒想到這種分封交換模式變成了當代紅極一時的炸子雞，變成了傳所有資訊及多媒體的載運者，把其他道具遠遠的甩在後頭。
這個通訊協定使傳統的通訊距離的觀念模糊了，而吃到飽的計費制使通訊的計時制也模糊了。
它，就是未來「數位匯流」的載送者，它所載送的上層服務包括了數據、語音、視訊、多媒體等加值服務了。
傳統的電信局或PTT此時不知在那裡了。
（4）黑白及彩色傳真系統
圖13.傳真收發報機
最早的國際電信業務包括了傳真業務，使用最多的是通訊社傳給報社的照片，開始是傳黑白照片，以後有了彩色照片，可以刊登在本地報紙上，以饗讀者。
最早是用滾筒式的傳真機，把照片圈附在滾筒上，打開傳真發報機，照片就可一圈圈一點一點的被掃描轉變成信號的強弱，又轉變成聲音的高低，藉由4KHz頻寬的語音電路向外傳送；接受機接到高低的語音訊號，即把它轉變成黑白深淺的圖面，或還原成原來彩色的圖面。
計價的方式除了彩色較貴之外，也按大小尺寸來計價。
這項業務在網際網路出來以後，也就式微了。
圖13之傳真收發報終端設備除了可以傳黑白照片之外，也可以傳送手寫的信函或稿件，尤其是中文或其他非拉丁語系者，尤其適用。
（5）有線傳輸系統的演進
A.開放式架空線
有線傳輸系統最早的是開放式架空線（OpenWire），每一條線都是裸露的銅線，架在電線桿上，每一枝電線桿水平掛了許多根橫木，上面插裝了許多瓷做的礙子，每一個礙子上綁了一條銅線，中央有一條是公共的接地線，每一條銅線可以傳輸一路的電話或電報線路，這樣的安排成了多路的傳輸系統。
這樣的開放式架空線每到颱風來襲時，就被吹得亂七八糟維護不易。
B.漆包線
繼而有漆包線的誕生，把銅線外面以漆包裹起來，就彼此絕緣，幾十條漆包之銅線圍繞著中央一根較粗的電線，捆綁成一條圓柱型的電纜，而此電纜可以架空或埋在地下，以達到多路傳送的目的。
這種漆包線大都用在短程的機房到用戶端線路較多。
C.同軸電纜
同軸電纜是因纜線內兩種導體共用一個中心軸而命名。
其由內而外的構成為：
內部導體（有純銅、鋁鍍銅、鋼鍍銅等材質），絕緣體（如發泡聚乙烯），外部導體（例如使用丙面鋁箔黏貼塑膠帶，與鍍錫編織軟銅線），外部絕緣體（以不燃性為考量重點，常用的有使用乙烯基製成的鋁管）。
通常使用於長程幹線，傳送基帶訊號（BasebasdSignal）。
此一基帶訊號是由4KHz寬之語音電路用分頻多路化（FrequencyDivisionMultiplexing）之技術組合而成，即每12路組成一群（Group），而5個群組成一超群（SuperGroup）。
每一電纜視其頻率響應可以傳送若干超群或加上群等，有不同的載送量。
像早期用在海底電纜也都是用這種同軸電纜，而在近海時則用金屬保護，有所謂鎧裝電纜。
圖14.同軸電纜
D.光纖電纜
人類使用光來傳遞訊息，應該是要溯至七八百年前使用烽火台的時代，以後一段很長的時間都是用電來傳遞訊息，可是風水輪流轉，到了二十世紀中（1966）年，美籍華人高錕及George.A.Hockham根據介質波導的理論，提出了光纖通訊的概念，即光如果在充滿介質的玻璃細管中行進，變化光源的強弱，也可以攜帶許多資訊。
到了1970年美國康寧公司首先研發出每公里25dB之光導纖維，而同年貝爾實驗室也研發出發光器，這才正式拉開了光纖通訊的序幕。
後來在光纖的衰減系數上有了突破，使其降低至每公里4dB，跟著美國西屋電氣公司更在1976年在亞特蘭大展示全世界第一套45Mbits傳輸110公里長的系統，今天這個速率已提升到40Gbit/s以上了。
單心的光纖結構非常簡單，從橫切面來看，最內層為纖核（Core），外面包以纖殼（Clading）再外面包以第一層的被覆及第二層的被覆。
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