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魔法加成:射频的爆发式成长

在第一次和第二次世界大战期间,射频得到广泛应用,其在通信、雷达上强大的力量使人们再也不敢小觑这项技术。在第二次世界大战之后,人们再也不质疑射频可能对人类社会带来的改变了。这时,不管是跨越大洋的无线电报,还是日常生活中收听的广播,射频已经完成了从理论到应用的跨越,射频进入寻常百姓家,人类沟通的地理边界被打破了。

但人类对于沟通的需求却不止于此。不管是远程的电报,还是收听的广播,这些信息最多传播声音,无法传输图片。 射频实现了“顺风耳”,但还没实现“千里眼”。

虽然对于人类来说,听觉和视觉是一对平等的感官,但是对于射频传输来说,听觉和视觉却有本质的不同。早期的射频无线技术采用简单调制,将文字简单编码后就可以进行无线电报传输了。声音是一种频率范围在20Hz到20kHz的模拟信号,将声音信号进行简单射频调制后,将其发射到空中,可以实现其在空中的射频传输。但视觉看到的图片包含的信息量大,不能直接调制到射频信号上。所以在早期简单的射频系统中,没有办法实现图片的无线传输,更不用说动态的视频了。

在射频的技术框架基本建立后,其他现代技术开始对射频进行魔法加持,其中 最重要的两项技术是信息论及芯片技术。

香农定理是信息论的代表定理,它由美国数学家、工程师香农(Claude Elwood Shannon)于1948年提出。香农定理指出了射频无线信道传输极限和最优条件,是射频通信设计中的重要准则与目标。在香农定理之前,人们并不清楚射频通信的性质和规律,虽然马可尼、阿姆斯特朗等通过实验和观察,对射频系统进行了卓有成效的改进,但这个改进的极限在哪里,怎样才是有效的改进,大家都说不清楚。香农用一个简单的公式,说明了射频信道传输的最大速率与信道带宽,以及射频信号与噪声呈正比例关系。香农定理的出现,使射频的发展有了方向,射频系统也从仅具有单一、简单的收发功能,发展成可以完成复杂功能的多元系统。

香农定理提供了理论极限,在香农定理的指导和启示下,越来越多的信号调制方式被发明出来。例如,各种新型数字调制方式,包括相位偏移键控(PSK)、频率偏移键控(FSK)、振幅偏移键控(ASK)、正交幅度调制(QAM)等;既能提高无线通信安全性与稳定性,又能实现多用户共享接入的扩频通信;新型多址技术,包括码分多址(CDMA)、宽带码分多址(WCDMA)等;正交频分利用技术,包括正交频分多址(OFDMA)、单载波正交频分复用(SC-FDMA)等。这些信号调制方式极大地释放了射频通信的潜能,使在有限频率资源下的信号传输,无限接近香农定理极限。

复杂的调制方式最大化利用了射频频谱效率,但也给应用带来了巨大的挑战。在早期的射频应用中,倚赖的是真空管等简单的射频器件,这种器件只能完成简单的射频信号发射与接收,无法实现复杂的信号调制。面对香农定理给出的信号传输极限,射频工程师只能望洋兴叹,巧妇难为无米之炊。

但这一切在芯片发明之后变成了可能。

芯片是采用半导体技术制造的一系列电路。在芯片被发明之前,射频系统是采用真空管进行设计和制造的。真空管设计的电路尺寸大、可靠性差、重量重。虽然射频让人类可以突破地域限制,实现全球互联,但这个互联却因为真空管而并不耐用,也不方便。采用真空管设计的收音机一般如衣柜大小,即使做完小型化后,也需要双手合抱才能移动。在第二次世界大战期间,各国将射频应用到远程导弹的制导和远程遥控上,但运输和空间运行中的颠簸常常使射频通信设备失效,造成导弹无法按预期方式引爆。于是在第二次世界大战结束之后,全球开展了替代真空管的技术研究。

半导体行业专家们意识到半导体材料有可能完成这一历史使命。1947年,美国贝尔实验室的巴丁(John Bardeen)、布拉顿(Walten Houser Brattain)和肖克莱(William Shockley)利用半导体材料制成了一种器件,这种器件可以像真空三极管一样工作,利用小小的电流,就可以实现对大电流的控制。肖克莱等意识到这将是改变世界的发明,他们给这种器件取名为电阻转换器(Transfer-Resistor),以表示其具有可以对电阻进行转换的特性,后被简称为Transistor,中文翻译为晶体管。

晶体管是集成电路的基础,集成电路出现之后,开始对各行各业产生革命性影响。但晶体管对射频的影响,不需要等到集成电路的到来。1954年开始,一些射频设备公司开始利用晶体管设计射频设备。这其中最有代表性的,当属日本东京通信工程株式会社设计的索尼系列半导体收音机。

1952年,东京通信工程株式会社前往美国考察,并得到晶体管技术的技术许可。1954年,东京通信工程株式会社研制出第一款全晶体管收音机TR-52,但受制于技术,该收音机并未实现稳定量产。1955年,东京通信工程株式会社推出第二代晶体管收音机TR-55,随后,其开始了在晶体管收音机领域的不断开拓与突破。1957年,东京通信工程株式会社注册了索尼商标,由于索尼品牌因其晶体管收音机被全球认可,东京通信工程株式会社甚至将公司直接更名为索尼,并开始了在便携娱乐系统中长达50年的统治。

晶体管收音机有诸多优点,最大的优点就是重量轻、尺寸小。采用晶体管设计的收音机可以被放在口袋里,所以被称为口袋收音机。口袋收音机的出现改变了人类的生活方式,是人类最早的“随身听”,自此人类再也不需要宅在家里听广播了。一时间,随身携带收音机成为当时的时尚。索尼利用晶体管技术开发了各种创新产品,如随身听、电视机、录像机等,并借此成为世界上最著名的电子企业之一。

单单是个位数量的晶体管对于传统真空电子管的改造,就足以实现巨大的改变。这也坚定了科学家基于晶体管集成电路重构世界的信心。虽然晶体管收音机做到了小型化,使设备做到了“移动互联”,但由于射频通信的限制,并不能将不同用户区分开来。那么多用户同时在线又实现自由互联,就需要用到半导体技术的升级——集成电路技术。

晶体管被大量用于电路制作,逐渐完成对真空电子管的替代。但在替代过程中,人们发现,当晶体管数量增多时,纷杂的互联线依然会带来可靠性问题;并且随着晶体管尺寸变小、数量增多,互联变得越来越有挑战性。于是,在1956年,德州仪器的工程师基尔比(Jack Kilby)研制出了第一块将多个晶体管及部分互联线集成在同一块半导体衬底上的电路,将其称为集成电路(Integrated Circuit),从此开启了集成电路时代。

随后,集成电路以惊人的速度发展。1965年,当时还在仙童半导体公司的戈登·摩尔(Gordon Moore)在一份报告中预测:“在未来10年内,每过18个月,集成电路的集成度便会增加一倍,同时价格下降为原来的一半。”这就是影响了集成电路行业发展50多年的摩尔定律。虽然只是一个经验之谈,但摩尔定律却成为集成电路行业的通识目标。集成电路行业的设备厂商、生产厂商及设计厂商,都将此作为规划产品路线图的重要参考,推动着集成电路行业不断演进。指数级演进的威力也在过去近60年被展示得淋漓尽致:集成电路改变了整个世界,如今人类社会的方方面面无不是建立在集成电路之上。

在集成电路被发明之后,一些工程师尝试用集成电路来实现射频系统。1979年,雅各布斯(Irwin Jacobs)等意识到集成电路技术将会给无线通信技术带来革命性影响,于是决定创办自己的公司。他们打算利用集成电路的强大算法,实现更大数量级数据在有限频谱中的传播,其代表性的技术是利用码分多址(CDMA)技术实现的射频通信连接。这种通信方式改进了原来移动电话的时分多址(TDMA)技术。雅各布斯等将公司取名为高通(Qualcomm),寓意高质量通信,他们相信越来越强大的集成电路可以让他们在现有射频频谱带宽内,填充足够多的信号信息,直至逼近香农定理的极限。从接下来50年的发展看,高通对于集成电路的期待成功了。在2G之后的每一代手机技术迭代中,高通都提出了如何使射频无线频谱传输更多数据的想法,并用越来越先进的集成电路技术将其实现。这些想法并不简单,并且越来越复杂,依靠不断发展的集成电路技术,这些想法才能得以实现。

在信息论和芯片两项技术的加持下,现代射频不断发展。射频信号的产生、处理和传输都变得更加高效、灵活和智能。基于射频,涌现出许多无线通信标准。基于这些标准,人类可以使用手机、计算机等设备在任何地点和时间进行语音、视频、数据等互联网通信,还可以使雷达和卫星系统探测、定位空中、地面和海洋的目标。

有了魔法加持的现代射频,使我们不仅拥有了“顺风耳”,还拥有了“千里眼”。 TU/aLN3Dut4Zzz8r27JyWOHW7AY4C918h3Q4XW1G5ydZsWPt2pNeUvCoHgtXHQdJ

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