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半島·體育官網(wǎng)無線電跳頻技術(shù):信息通信的“隱身衣”

2024-09-18 10:38:49

  半島·體育官網(wǎng)無線電跳頻技術(shù):信息通信的“隱身衣”近日,在2024年世界移動(dòng)通信大會(huì)上,國內(nèi)某科技公司發(fā)布了一款新的光貓。該產(chǎn)品不僅支持最新Wi-Fi 7,還能連接起整個(gè)家庭的智能家居網(wǎng)絡(luò),隨即在網(wǎng)上引發(fā)廣泛關(guān)注,被網(wǎng)友稱為“一只擁有三頭六臂的貓”。

  近年來,智能家居網(wǎng)絡(luò)備受矚目。其憑借基于新型自適應(yīng)無線跳頻技術(shù)所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),成功突破了多項(xiàng)技術(shù)難題。

  跳頻技術(shù)的魅力還遠(yuǎn)不止于此。不論是民用還是軍用,只要涉及現(xiàn)代信息通信領(lǐng)域,Wi-Fi、藍(lán)牙、CDMA、雷達(dá)、電臺……幾乎所有人們熟知的現(xiàn)代無線通信技術(shù),都離不開“跳頻”二字。歷經(jīng)80多年的發(fā)展,跳頻技術(shù)給人類社會(huì)帶來哪些重要影響?又將怎樣掀起萬物互聯(lián)的浪潮?

  無線通信是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性,進(jìn)行信息交換的一種通信方式。早期的無線通信單次只能在一個(gè)頻道上傳輸,這就導(dǎo)致在日常使用無線通信的時(shí)候容易出現(xiàn)頻帶擁擠的現(xiàn)象。比如,自家車庫門遙控器有時(shí)會(huì)向鄰居家的車庫門發(fā)出信號,或者是自己的手機(jī)投屏到了鄰居家的電視上。在戰(zhàn)場上,單一頻道的信息傳輸也使得敵方很容易實(shí)施電磁噪聲干擾。因?yàn)闊o線通信有著種種不便之處,擴(kuò)頻通信以及其衍生的無線電跳頻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

  擴(kuò)頻通信,即擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)。顧名思義,指的是傳輸信息所用信號的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。跳頻技術(shù)則是擴(kuò)頻通信的其中一種實(shí)現(xiàn)手段,使信號在收發(fā)過程中,收發(fā)兩端信號頻率必須不斷發(fā)生同步跳變才能夠保持通信。這項(xiàng)技術(shù)使得信號在傳遞過程中能夠提高頻譜利用率,較好地解決頻帶擁擠問題,同時(shí)實(shí)現(xiàn)抗干擾、防的目的。

  海蒂·拉瑪在大學(xué)時(shí)代主攻的是通信。在與她的商丈夫的婚姻生活中,海蒂·拉瑪掌握了大量無線電、擴(kuò)頻通信、魚雷等相關(guān)技術(shù)知識,并由此萌生了研究基于無線電控制的魚雷抗干擾問題的想法。這為她后來發(fā)明跳頻技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。1940年,受到鋼琴同步自動(dòng)演奏的啟發(fā),海蒂·拉瑪將這一原理創(chuàng)造性地應(yīng)用到控制魚雷電信號頻率上,最早的無線電跳頻技術(shù)就此誕生了。

  海蒂·拉瑪?shù)倪@項(xiàng)技術(shù)由兩個(gè)“姊妹系統(tǒng)”組成。一個(gè)系統(tǒng)上設(shè)置了88個(gè)隨機(jī)頻道,系統(tǒng)通過一定規(guī)律使得收發(fā)船舶和魚雷之間的同步可變波長無線個(gè)頻道上跳變,同時(shí)確保船舶上的發(fā)射機(jī)和魚雷上的接收機(jī)能夠同步實(shí)現(xiàn)跳頻,就像兩臺自動(dòng)演奏的鋼琴同時(shí)按下同一個(gè)鍵從而發(fā)出相同的聲音一樣。另一個(gè)系統(tǒng)則用于控制跳變頻率的最小廣播時(shí)長裝置,依靠無線電靜默時(shí)段的短暫爆發(fā)來大幅縮短傳遞信號的時(shí)長,這使得基于這項(xiàng)技術(shù)操控的無線電信號難以被敵方截獲或干擾。

  海蒂的跳頻方式在當(dāng)時(shí)已經(jīng)能夠很好地滿足信息加密的需求。隨著時(shí)代發(fā)展,人們又陸續(xù)設(shè)計(jì)出更加復(fù)雜的跳頻方式,如混沌跳頻序列、自適應(yīng)跳頻甚至混合跳頻等?;谔l的思想,跳變的對象也從載波頻率拓展到數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)隙……這些改變與發(fā)展進(jìn)一步增加了信息的安全性,從而更好地滿足了信息保密需求。

  跳頻技術(shù)最初并沒能像發(fā)明人設(shè)想的那樣,用到魚雷上,而是一直被用于制造防堵塞聲吶浮標(biāo)以及伴隨飛機(jī)的跳頻無線年代末,跳頻技術(shù)被廣泛運(yùn)用到軍隊(duì)計(jì)算機(jī)芯片中。后來,這項(xiàng)技術(shù)及其原理也啟發(fā)著科學(xué)家們將其擴(kuò)展到其他領(lǐng)域,如無線電話、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議等。如今,從手機(jī)到衛(wèi)星定位系統(tǒng),這些信息通信技術(shù)的背后,都有跳頻技術(shù)的影子。

  瞬息萬變,來去無影。跳頻通信抗干擾的機(jī)理類似于“打一槍換一個(gè)地方”的策略。一方面,載波頻率在跳變時(shí)依循的是事先設(shè)定好的“偽隨機(jī)序列”。這種序列周期長、隨機(jī)性高,如果沒有掌握序列規(guī)律,就會(huì)顯得雜亂無章,讓人難以捉摸。另一方面,跳變的頻率成千上萬且切換速度快,即便在某一頻率上或某幾個(gè)頻率上施放長時(shí)間的干擾也無法對信號產(chǎn)生有效影響。由于頻率跳變速率高,調(diào)頻系統(tǒng)從宏觀的層面上看就像是一段拓寬了的頻譜帶,也就是寬帶。大帶寬換取的是更好的信噪比。在擴(kuò)展了頻帶之后,信息不僅可以在較低信噪比下正常進(jìn)行傳遞,還能借此隱匿于噪聲之中,就像披上了“隱身衣”一樣,不露痕跡地保持可靠的通信。

  一帶千碼,擴(kuò)洼成洋。隨著無線傳輸?shù)钠占?,頻譜資源變得愈發(fā)寶貴。在無線通信普及的初期,用戶常常會(huì)遇到網(wǎng)絡(luò)堵塞帶來的問題。比如在10多年前,我國每到除夕夜就會(huì)因短信在短時(shí)內(nèi)過量發(fā)送而導(dǎo)致信息擁堵。從本質(zhì)上看,這正是由頻帶擁擠所引起的。為了防止這類情況發(fā)生,提高頻譜利用率也就成了現(xiàn)代通信的基本要求之一。跳頻通信就像二維碼一樣,可以在載波頻率和傳輸時(shí)隙上應(yīng)用千變?nèi)f化的跳頻圖案,從而在一定帶寬內(nèi)允許多個(gè)跳頻通信系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行,大大節(jié)省了頻譜資源空間。

  當(dāng)然,跳頻通信也并非“無解”,跟蹤式干擾乃是它的“頭號天敵”。以其戰(zhàn)場應(yīng)用為例,在作戰(zhàn)過程中,一方可以通過使用某種偵察接收機(jī)對另一方發(fā)出信號進(jìn)行偵聽,破解其所使用的跳頻圖案后,就能夠迅速以相同的跳頻圖案進(jìn)行跟蹤式干擾。現(xiàn)有的偵察接收機(jī)對一定跳速下的跳頻圖案截獲概率目前已非常高。為了應(yīng)對這種情況,跳頻信號的駐留時(shí)間就應(yīng)當(dāng)盡可能縮短,不讓偵察接收機(jī)有“可乘之機(jī)”。

  自20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)第一臺超短波跳頻電臺,到如今每秒幾千跳的高速跳頻系統(tǒng),問世幾十年來,跳頻通信在軍事領(lǐng)域大放光彩。跳頻通信被視為制造軍事通信設(shè)備和進(jìn)行信息戰(zhàn)、電子戰(zhàn)的一項(xiàng)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

  在軍事通信方面,跳頻技術(shù)保證了通信的機(jī)密性、穩(wěn)定性。如果把軍事通信系統(tǒng)比作戰(zhàn)場信息傳輸?shù)募~帶,那么跳頻技術(shù)就是將紐帶兩端牢牢握緊的手。科索沃戰(zhàn)爭中,盡管北約使用了最先進(jìn)的電子戰(zhàn)手段、最先進(jìn)的隱形戰(zhàn)機(jī)和巡航導(dǎo)彈,但南斯拉夫聯(lián)盟的指揮中心仍然和武裝部隊(duì)保持著密切聯(lián)系,其中一個(gè)重要原因,就是南斯拉夫聯(lián)盟信息系統(tǒng)的跳頻通信技術(shù)發(fā)揮了重要作用。

  縱觀軍事通信領(lǐng)域的光纖網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、無線通信、衛(wèi)星通信、水下通信等技術(shù)手段,無不以跳頻技術(shù)為托底。當(dāng)前美軍所使用的數(shù)據(jù)鏈終端——“MIDS”多功能信息分發(fā)系統(tǒng)就應(yīng)用了以快速跳頻技術(shù)為主的電子戰(zhàn)防護(hù)技術(shù);而基于跳頻等技術(shù)所研發(fā)的AN/PRC系列便攜式通信設(shè)備,更是對傳統(tǒng)電臺的“降維打擊”。

  在電子對抗方面,跳頻技術(shù)不僅可以用來抗干擾,更能基于其抗干擾的優(yōu)良特性為信息干擾系統(tǒng)保駕護(hù)航。憑借跳頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)“隱身”的遠(yuǎn)程對空搜索雷達(dá),能夠?qū)Υ蠓秶鷥?nèi)的空中目標(biāo)進(jìn)行跟蹤與搜索;有了跳頻技術(shù)為屏障,電子戰(zhàn)飛機(jī)在執(zhí)行雷達(dá)干擾、通信干擾、摧毀敵防空、電子監(jiān)視和信號情報(bào)偵察等任務(wù)時(shí)更加如魚得水……在偵察和反偵察、干擾與抗干擾的角力之中,跳頻技術(shù)不僅是“固盾之材”,更是“利矛之鋼”。

  20世紀(jì)十年代,“無線”興起。數(shù)字蜂窩、移動(dòng)通信、藍(lán)牙系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)等新興通信方式為了擴(kuò)大用戶群、優(yōu)化通信體驗(yàn),亟須解決頻帶擁擠問題。于是,跳頻技術(shù)順理成章開始向民用通信領(lǐng)域進(jìn)軍。據(jù)了解,在移動(dòng)通信領(lǐng)域采用了跳頻及擴(kuò)頻碼分多址技術(shù)后,其通信容量提高了20倍之多;在廣播領(lǐng)域,原先一個(gè)調(diào)頻電臺只能傳送一個(gè)單聲道和一個(gè)立體聲節(jié)目,在采用了跳頻技術(shù)后,同時(shí)傳送75個(gè)立體聲調(diào)頻節(jié)目變得輕而易舉……

  跳頻技術(shù)對頻譜資源的極大拓寬,使得萬人乃至萬物互聯(lián)不再遙不可及。藍(lán)牙、Wi-Fi等這些需要被大量使用的信息技術(shù),都是在擴(kuò)展了頻譜資源、保證了通信不會(huì)頻繁紊亂的前提下開發(fā)使用的。可以預(yù)見的是,在未來,“無線辦公室”“無線城市”等基于跳頻技術(shù)的新興事物也將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

  雖然當(dāng)前跳頻技術(shù)的理論和應(yīng)用都已經(jīng)相當(dāng)成熟,我們?nèi)钥筛Q見其巨大的進(jìn)步空間和發(fā)展?jié)摿?。受到元器件、解編碼技術(shù)等多重因素的制約,跳頻在速率上和方法上仍然存在著發(fā)展瓶頸。為此,跳頻技術(shù)將瞄準(zhǔn)高速化、融合化、智能化等方向持續(xù)深入發(fā)展。在未來,跳頻技術(shù)會(huì)隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步突破而常用常新。(宋可旸 許凌馨 楊龍霄)

  在知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的基礎(chǔ)上,發(fā)展中部地區(qū)地理標(biāo)志特色產(chǎn)業(yè),對于促進(jìn)當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村全面振興,賦能經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展,意義重大。

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  國內(nèi)首臺工業(yè)級盾構(gòu)滾刀智能換刀機(jī)器人、全球首款人工智能骨科手術(shù)機(jī)器人、元宇宙數(shù)實(shí)融合應(yīng)用……

  醫(yī)生在浙江,患者在新疆。一場跨越近5000公里的5G超遠(yuǎn)程機(jī)器人肝臟腫瘤切除手術(shù)正在進(jìn)行。只見醫(yī)生在機(jī)器人手術(shù)操作臺上,靈活地操控機(jī)械臂;手術(shù)室中,機(jī)械臂收到指令,精準(zhǔn)地完成各項(xiàng)手術(shù)動(dòng)作……目前,浙江各醫(yī)院已完成50余例援疆5G超遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)。

  每一項(xiàng)重大科技應(yīng)用取得突破前后,均有對其理論上的持續(xù)爭論。著名小說《仿生人會(huì)夢見電子羊嗎?》引發(fā)的人與仿生人之間界限的討論雖產(chǎn)生于20世紀(jì),但一直延續(xù)至今,其蘊(yùn)含的法律問題是人工智能究竟是否具備法律人格。

  移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)是以移動(dòng)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)為載體,通過多網(wǎng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物泛在智聯(lián)的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施。

  據(jù)了解,“曉醫(yī)”依托訊飛星火醫(yī)療大模型,基于大量資深中醫(yī)診療經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識圖譜數(shù)據(jù),構(gòu)建了規(guī)模大、覆蓋病種全的知識庫,包括中醫(yī)病癥知識“400+”種、穴位知識“400+”種、常用中草藥“300+”種、古代醫(yī)案“6200+”份等。

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