深度科普 | 无线电的过去、现在和未来
时间：2022-05-14 来源：未知 作者：雨神 点击：
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提起无线电，许多人或许觉得这是非常老旧的观念，实际上，无线电在我们的生活中占据着非常重要的地位。当前，无线电早已成为受众最广泛的大众媒介。据工业和信息化部资料显示，全球95%的人口都可以接收到无线电信号。在我们的生活中，无线电也无处不在，手机的使用、Wi-Fi的连接，看不见摸不着的无线电为人们的日常生活带来诸多便利。但是由于无线电技术的复杂性，目前公众对无线电知识还了解得不多，今天就让我们一起走进无线电的世界吧。无线电的理论依据来自于英国物理学家麦克斯韦的电磁场理论。德国物理学家赫兹在1887年首先通过实验发现了电磁波的存在。世界上所有的物体都会释放电磁波，比如光就是太阳释放的电磁波。人体和小动物释放的红外线，也属于电磁波，这种电磁波虽然不被人眼所观察到，但蛇却拥有这项本领，并依靠其敏锐而独特的感知能力在夜间捕获猎物。这些在自由空间中传播的电磁波便是物理学中讲到的无线电，这种无线电不仅存在于空气之中，还存在于真空之中，而人们通过无线电波传播信号的技术便是无线电技术。意大利发明家马可尼被称作“无线电通信之父”，因为他受到了赫兹实验的启发，开始尝试无线电传输，并于1894年获得了几米的传输距离。真正的标志性事件出现在1901年12月12日，在这一天，经过多次试验和长期探索，马可尼首次完成了横渡大西洋的无线电通信，在美国也能收到英国发送的电讯。这则消息在当时带给人们极大地震撼，在人类的历史上，想要快捷地传递消息一直以来是不变的夙愿和难解的问题，从中国古代的“烽火台”到近代大航海，为追求更多交流，人们做出了许多努力。而自马可尼的这一发明开始，人类的沟通迈入了新的时代，不必再依靠畜力的传递、信件的投送，无线电自此可以让消息随时传递到全世界去。很快，马可尼发明的无线电报不久便在全球范围内得到了广泛的应用，在现实生活中，最早应用无线电技术的是航海，当时人们使用摩尔斯电报在船与陆地之间传递信息。许多国家的海岸、要塞都建立了马可尼式的无线电台。但它仍存在着很多缺点。首先，马可尼发报机的振荡线路和天线是结合在一起的，这使得发报机的功率很低；其次，马可尼使用的无线通信是不能够进行调谐的，这使得其发射出的无线电波彼此很容易出现干扰；更令人烦恼的是马可尼无线电报系统中缺乏性能可靠的电报接收装置。针对马可尼电报设施的弊端，德国物理学家卡尔・费迪南德・布劳恩进行了改进。他从1902年开始在英国工程师约瑟夫・洛奇的调谐粉末检波器的基础上发明了新的调谐技术，这使得无线电报可以以不同频段定向发送和接收，降低了干扰，这种技术也是收音机的基础。他还发明出磁耦合天线，将振荡线路和天线独立设计并使之耦合在一起，这种崭新的设计使得无线电报的发射功率大大增强。1909年，诺贝尔奖评审委员会将当年度的诺贝尔物理学奖颁发给马可尼和布劳恩，以感谢他们为人类无线电工程事业所作出的贡献。在无线电技术刚刚起步的时候，我们常在旧电影中看到的摩尔斯电码是一大“杀器”，曾经每一个无线电通信员都必须熟练地掌握它。这是因为，最早的无线电报能传递的消息非常有限，于是人们便尝试用种时通时断的信号代码来代替消息，大名鼎鼎的摩尔斯电码应运而生。在摩尔斯电码中，有两种信号，分别是短促的“・”和延时的“—”，人们可以通过不同的信号组合来表示不同的意思，如“·——”表示字母a，“—··”表示字母d。如此一来，在摩尔斯电码的加持下，简单的符号也可以传递出一段有内容、有意思的文字。虽然目前随着技术的发展，摩尔斯电码经从日常生活中消失了。不过，由于这种发信方式可以在非常恶劣的通信条件下工作，而且信息密度很高，所以许多无线电爱好者和军事播报员仍然会使用它。无线电的出现还直接导致了广播事业的诞生，在很大程度上，丰富了人们的生活。1920年，世界上第一次正式广播在美国开始，后来其他许多国家的无线电广播事业也都蓬勃发展了起来。为什么无线电技术可以传播信息呢，有这样一个非常典型的比喻形容了这个过程：当你像平静的湖面扔一块石头，水波会传到很远的地方。假如这些水波可以记录信息的话，那么随着波纹的散去，信息也可以随之传播去远方。无线电波可以在自由空间（例如空气和真空）中传播，那么只要人类通过在特定频率的无线电波上加载信息，那么就可以达到传递信息的目的。具体来说，这种技术的工作原理是存在于导体之中的电流强弱发生改变时，便会产生无线电波。通过导体中的电流强弱发生改变产生无线电波这一现象，再经过调制便可将信息加载于无线电波之上。当通过空间传播的电波到达收信端时，此时电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流，这时通过解调将信息从电流变化中提取出来，实现信息传递。虽然最初，无线电波只能传送一些简单的“滴”声，但是伴随着技术的不断发展，人们对无线电的研究逐渐深入，无线电被广泛用于通信、导航、雷达、加热、动力、遥距操控、天文学等多个领域。其中无线电在通信领域的应用最为人们熟知，广播、电话、电视、紧急服务(定位)、数据传输等在人们生活中的应用已经非常普遍。随着计算机技术和信息技术的不断发展，各种基于无线传输技术的无线网络也越来越成为人们生活中重要的一部分。无线电的发展史，在很大程度上就是人们对各波段进行研究、运用的历史。人们对无线电的开发应用大概经历了两个阶段：软件无线电、认知无线电。软件定义的无线电是一种无线电广播通信技术，它于20世纪90年代初被科学家正式提出。它的一大特点是基于软件定义的无线通信协议而非通过硬连线实现。频带、空中接口协议和功能可通过软件下载和更新来升级，而不用完全更换硬件。经过几十年的推广和全世界范围的深入研究，软件无线电概念不仅得到了普遍认可，而且已获得广泛应用。3G、4G、多频段多模式电台、联合战术无线电系统都是以软件无线电概念进行设计、开发的，甚至连完成单一功能的GPS也要进行软件化设计，以适应导航技术的发展需要。认知无线电则是指包含一个智能收发器的一种无线通信技术，它于21世纪初被科学家提出，旨在提升空闲频谱的利用率。认知无线电中的智能收发器能检测出哪些波段未被占用以及哪些波段正在被使用，当检测出某些波段空闲时，CR系统就可以暂时使用该波段进行通信。认知无线电可以感知周围电磁环境，通过无线电知识描述语言(RKRL)与通信网络进行智能交流，并实时调整传输参数（通信频率、发射功率、调制方式、编码体制等），使通信系统的无线电参数不仅与规则相适应，而且能与环境相匹配，以达到无论何时何地都能实现通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性。软件无线电和认知无线电两者相比，前者关注的是采用软件方式实现无线电系统信号的处理；而后者强调的是无线系统能够感知传播环境的变化，并据此调整系统工作参数，实现最佳适配。从这个意义上讲，认知无线电是更高层次的概念，不仅包括信号处理，还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高层活动。100多年来，通信技术得到飞速发展，电报、电话、广播、电视等通信技术的应用，大大加快了现代生活的节奏，使古代人“顺风耳”“千里眼”的梦想成了现实。进行无线电通信，需要发送和接收无线电波。天线是发射和接收无线电波的必要设备，我们经常可以看到各种天线。进行无线电通信，首先要发射无线电波。无线电波发射机中有一个叫做振荡器的重要部件，它能产生频率很高的交变电流，高频交变电流流经天线时，在空间产生高频率的电磁场。由于这个电磁场在做周期性的变化，在周围又产生新的电磁场……于是，电磁波就发射出去了。无线电广播传递的是声音，电视广播传递的不仅有声音，还有图像。振荡器产生的高频交变电流，是用来携带声音、图像等信息的，叫做载波。把要传递的信息加到载波上并发射出去，信息就可以传到远方。把信息加到载波上，就是使载波随信号而改变，这种技术叫做调制。调制的方式有两种，一种常见的是使高频载波的振幅随信号改变，这种方式叫做调幅(AM)。中波和短波波段的无线电广播，使用的是调幅方式。在微波波段，电视广播的图像信号也使用调幅方式。另一种调制方式是使高频载波的频率随信号改变，这种调制的方式叫做调频(FM)。调频的振幅不变，抗干扰的能力比较强，传递过程中的失真比较小。但调频接收机的结构比调幅机复杂，服务半径也比较小。我们熟悉的许多广播电台都属于调频广播电台，可以播送高质量的音乐和语言节目。世界上有许许多多电台、电视台，它们每时每刻都在发射电磁波。因此我们周存在着许许多多的电磁波。接收无线电广播时，首先要从众多的电磁波中把自己需要的选出来。我们转动收音机的旋钮选择电台，实际上是在选择我们需要的电磁波，这在技术上叫做调谐。经过调谐，接收机得到的是带有信息标记的高频电流。这种高频信号电流，还不是所需的信号本身。要得到所需的声音、图像信息，必须从高频信号电流中把它们“取”出来，这个过程叫做解调。通过解调得到的信号，还要经过放大。如果传递的是声音信息，可以使扬声器发出声音;如果传递的是图像信息，可以使显像管显示图像。在今天，我们的生活都离不开无线电，无线电的应用形式越来越多样化，其中不仅有无线数据网，还有各类移动通信与无线电广播等。无线电最早的应用就是在通信领域，人们可以借助无线电首次远距离传递信息。曾经，在广阔无垠的大海上，船只间传递信息困难重重，当无线电技术问世后，便迅速应用于航海领域，军舰会用它来发布和接收指令、通报情况；民用船只也会用它来求援，或是传递其他信息。移动电话是目前应用最普遍的无线通信设备，只要在信号覆盖的区域内，人们就可以自由地通话。另外，无线局域网、蓝牙等技术，都是利用无线电技术在短距离传输数据。无线电导航可以引导人们顺利到达目的地。在这项技术中，卫星可以用无线电波测定载具的导航参数(如方位和速度)，算出与预定路线的偏差，以便及时更正，保持正确的航线。如果持续这个过程，无线电就可以连续进行定位，最终实现无线电导航。无线电导航不受时间和天气限制，而且精度高、速度快操作简便。现代无线通信技术更为发达，空间通信技术日趋成熟。在日常生活中，移动通信已经必不可少。移动通信经历了1G（模拟）、2G（数字）、3G（高速）时代，目前已进入5G时期。从3G时代开始，移动通信真正将人们带入多媒体移动通信时代，网页、音乐、图片、视频等都可以在智能手机上实现很好的客户体验。无线局域网络在医疗、企业网络覆盖、仓储管理、餐饮零售、视频监控等方面都有广泛的应用，在日常生活中WiFi热点网络的标识更是随处可见。事实上WiFi是WLANA（无线局域网联盟）的一个商标，WiFi是WLAN技术标准中的一个，WiFi的覆盖半径可达300英尺左右（约合90m），WLAN（加天线）则可达到5km。在信息技术飞速发展的时代，物联网风头正劲，这一物物相连的网络，将所有物体通过网络连接起来。显然如果通过有线网络连接，此情景是不可想象的。物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦察和情报搜集等多个领域，应用前景非常广阔。在现实生活中，无线电技术存在感也很高，声音的传播需要无线电，如无线电报、调幅广播、调频广播、航海与航空中所使用的语音电台等。电话、电视、紧急服务、数据传输、蓝牙、导航、雷达、加热、动力、天文学等领域也离不开无线电技术。有人这样总结无线电，说它是人们实现自由沟通的“立交桥”。随着无线电通信技术的迅猛发展，手机不仅满足了人们随时随地自由通信的需要，还成为集通信、拍照、娱乐、理财、购物等多功能于一身的个人智能移动终端。早在2013年，就有数据显示，我国手机用户数量突破了11亿，位列世界第一。曾经风靡全国的寻呼机，用于调度指挥的对讲机，用于短距离无线通信的蓝牙，用于无线局域网的Wi-Fi以及卫星电话，等等也都离不开无线电。公众移动通信已经历了5代演进。从只需满足人们在移动过程中打电话的需求到移动通信(5G)的高速下载能力，无线电在其中发挥了重要作用。无线电还是丰富人们文化生活的“七彩虹”，广播电视依靠无线电波，将每天发生在全球各地的新闻呈现在千里之外的我们面前。经过几十年的发展，我国的广播电视网络已经成为世界最大的无线电广播网络。2013年的统计数据就已经表明：全国约有超过一半的家庭通过无线电视网收看电视，电视转播发射台超过1.5万座，电视发射机突破3万部。可以说，我们今天便利的生活，是建立在无线电技术的应用之上的。 长久以来，无线电的安全问题也引发了人们的思考。以认知无线电为例，它面对着五大安全威胁。第一，信息窃取。由于无线电通信的信息传输介质是开放的空间，这便大大地降低了非法截获通信信号的难度。而且由于信号的截获是无源的行为，提高了通过信号侦测的方法来发现问题的难度。第二，恶意干扰。无线电接收天线处于开放的空间当中，在接收有用信号的同时，也会受到空间中存在的各种无用信息的干扰。比如，某些恶意攻击者可以任意地插入接收机的传输信道，降低接收机的输入信噪比，影响到通信的有效性。另外，还会有一部分恶意攻击者能够通过模仿有用信号，使得接收机获得错误信息。第三，认知用户对于授权用户的干扰。由于隐藏终端效应等环境因素，会导致认知用户对于主用户的感知不准确、不及时，授权用户可能会受到干扰．造成用户之间的不公平现象。第四，模仿授权用户攻击。在频谱资源紧缺的情况之下，将有限的频谱占为己有，在一些恶意的攻击之中，还会破坏频谱资源的可用性。第五，拒绝服务攻击。在认知无线电网络当中，公共控制信道是节点之间传输频谱感知信息的物理基础。攻击者通过发送大量无用的控制信息，使得控制信道饱和，造成控制信道对于其他认知用户不可用。同时，认知无线电还面临着一些其他的安全威胁。例如，攻击者能够利用应用层各种协议的安全漏洞，通过病毒、木马等恶意程序，来降低认知无线电的服务质量。面对这些安全威胁，扩频通信技术是解决信息窃取以及干扰问题的一条有效途径。扩频通信主要包括直扩、跳频等，其主要思想是通过扩展通信信号的带宽，来增强信号的隐蔽性与抗干扰能力。另外，更为严密的认证机制，还可用于防止信息数据的泄露。合适的密码算法能够使通信信号即使被截获，也无法为窃听者提供其感兴趣的信息。更好地辨别授权用户信号，是防御模仿授权用户攻击的一个根本性方法。为此，可以同时利用除信号本身之外的物理特征进行多维度的辨别。为了提高人们对无线电重要性的认识，宣传无线电作为通信载体，在促进教育发展、信息传播以及自然灾害中重大信息发布等方面所发挥的重要作用。2011年11月3日，联合国教科文组织决定将每年的2月13日定为“世界无线电日”。当我们在享受无线电技术带来便利的同时，也要重视其安全。各种无线电业务在不同的频率上“各行其道”。无线电管理机构通过对这些“道路”进行科学规划和管理，确保无线电波秩序的安全有序，为各类无线电业务的正常运行保驾护航。当然，营造和谐、绿色、安全的电磁环境也需要全社会的共同努力。
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