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公司 2010-01-12 11:34

移动网络山寨版(OpenBTS)【2】频段的故事

【2】频段的故事

OpenBTS 系统有两个看点。一个是无线收发,尤其是频段的处理,另一个是网络系统,尤其是替代传统的基站(BTS),基站控制器(BSC),移动控制中心(MSC),以及(HLR/VLR)的另类方案。

先说频段,故事要从1894年说起。这一年,德国物理学家 Heinrich Hertz 去世。 Hertz 一生成就颇丰,其中最重要的莫过于发现了电磁波。 Hertz 去世以后,生前没有发表的笔记被整理出版。这一年,年仅20岁的意 大利小伙子 Guglielmo Marconi 去阿尔卑斯山休假,行李里揣着一本 Hertz 笔记。在寂静而空气清新的山里,Marconi 潜心阅读这些笔记。读着读着,灵感突现,他想到 或许可以利用发射和接收电磁波的办法,来实现信息传递。越想越兴奋,于是他放弃了休假,连忙下山,回到实验室里奋战了十多天,历史上第一台无线电报机就这 样问世了。

接下去找风险投资,但是找遍意大利,没人理会。无奈之下,两年后,Marconi 决定去闲钱比较多的英国碰碰运气。果然伦敦是 Marconi 转运之地,无 线电报这个发明,得到了英国邮电部总工的青睐。有了强大的资金做后援,无线电报的发展一帆风顺。无线电台的发射半径从6公里,到16公里,急剧扩大到 3000公里。很快,越洋电报实现了,Marconi 的事业扩张到了北美。

Figure 7. Marconi’s antenna for cross-ocean telegraph, Poldhu, England, 1901. [1]
http://farm5.static.flickr.com/4044/4264557223_14c6f664f6_o.jpg

Figure 7 是 Marconi 在1901年,于英国东南角的一个乡村 Poldhu,架设的越洋电报天线。电报机十分庞大,安置在图中左下角的小屋里。电报机运转时,几千米以外能听到轰鸣声,夜里还能看到小屋里闪烁着的断断续续的刺眼的蓝色电弧光,情景十分恐怖[1]。

不仅恐怖,而且还有尴尬。当 Marconi 的事业扩张到了美国的时候,遇到了强劲的对手,美国发明家 Lee De Forest。De  Forest是 Illinois 的一位大学教授,三极电子管就是他的发明,一直到了1948年,William Shockley 等人发明了晶体管以后,三极管才逐渐淡出历史舞台。De Forest 也搞了一套无线电报系统。尴尬的事情发生了,两套系统不能同时用。无奈之下,双方只好协商,以五分钟为一段落,双方轮流使用。

为什么同一时段不能有多个无线电报系统同时工作?因为 Marconi 和 De Forest 的无线电报机的工作原理相似,都是使用放电(Spark Gap)的方式,产生电磁波,通过控制放电的节奏,使电磁波传递摩斯码(Morse Code),而摩斯码承载的是需要传递的信息。Spark Gap 方式产生的电磁波,占据了全部电磁波频段,所以一山不容二虎,唯一可能的合作方式是大家轮流坐庄。

这一困境,终于在1906年,被加拿大神童 Reginald Fessenden 突破。Fessenden 只有14岁的时候,就已经展现出了突出的数学天才,被校方指派代课数学,给其他小朋友上课。此后,他投身无线电研究,并且在40岁的时候,发明了大家现在耳熟能详的调幅(Amplitude Modulation)载波技术(Radio Carrier Wave)。Fessenden的办法,比 Marconi 和 De Forest 的办法有两个优势,一个是突破了摩斯码的限制,提高了信息传递的效率,另一个是允许多个无线电台同时工作。

1. 所谓调幅,就是通过调整电磁波的振幅,来传递信息。如果振幅只有高低两种状态,那么载波传递的就是摩斯码。如果把振幅设定为多种状态,那么载波传递的信息就远比摩斯码丰富。

2. 当多个无线电台同时工作时,每部电台占用一个频率,这样就避免了相互干扰。

如果说 Marconi 开拓了无线通讯这个新领域,那么这个领域走向成熟,离不开 Reginald Fessenden 的贡献。调幅载波这个发明的意义很大,它不仅解决了一两个技术难题,而且发现了一个新的思路。这个思路就是载波,不仅调幅可以载波,而且调整频率或者调整相位也可以载波。所以,调频(Frequency Modulation)技术的出现是顺理成章的后续发展。1933年,调频技术专利由美国人 Edwin Armstrong 获得[2]。

在无线电技术突飞猛进的同时,世界经历了一战,而且二战的威胁也越来越强烈。美国军方认为,无线电技术被英资背景的 Marconi 公司把持,对美国国家安 全不利。在美国海军的操纵下,通用电气买下了 Marconi 美国分公司的资产,并联手其它美国公司,包括 AT&T,西屋电气等等,成立了美国无线 电公司(Radio Corporation of America),垄断美国无线电业务。

Figure 8. RCA chief David Sarnoff jumps for joy on Dec 17, 1953 upon being informed the FCC has approved the RCA/NBC color TV standard [4].
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提到RCA,不能不说 David Sarnoff。Sarnoff 出身在一个贫穷的俄国犹太移民家庭,幼年时沿街卖报补贴家用。15岁时,进 Marconi 美国分公司做学徒。虽然没有扎实的教育基础,但是凭着他的勤奋和天份,Sarnoff 步步高升,13年后出任公司商务经理。

1919年,通用电气购买了 Marconi 美国分公司,并成立 RCA 公司,Snarnoff 也随即成为 RCA 雇员。次年,Sarnoff 开始掌舵 RCA, 在位时间长达半个世纪。在他的推动之下,广播和电视成为新兴产业,NBC 和 ABC 成长为覆盖全美的媒体寡头,同时带动了从通讯设备到个人电子消费品的整个 产业链的繁荣。1970年,79岁高龄的 Sarnoff 退休,并把如日中天的 RCA 交给自己的儿子。可惜儿子没有继承父亲的衣钵。RCA从此江河日下,苟 延残喘到了1986年,终于寿终正寝。

历代都有商业巨子,但是像 David Sarnoff 这样,能够洞悉新技术的潜力,正确地预见一个新兴产业的前景,并且大刀阔斧地迅速做大做强,在人类历史上并不多见。

1906年,Sarnoff 进 Marconi 美国分公司做学徒,十年后,他对无线电这个新技术的理解已经非常透彻。当时学者专家们对于电磁波应用的设想, 停留在电报和电话这些点到点的通讯领域,而 Sarnoff 另辟蹊径,他认为可以把无线电技术移花接木,应用在其它领域。1916年,他提出“音乐匣子”的 设想,也就是收音机和广播电台的雏形。但是因为第一次世界大战,收音机的设想直到1921年才实现。这一年,Sarnoff 成功地组织了一场拳击比赛的实 况广播,吸引了30万听众。一旦证实了广播市场大有可为,Sarnoff 孤注一掷般疯狂推进,在不到两年的时间,就确定了 RCA 在新兴的广播市场的霸主地 位。

广播业务高歌猛进,1926年,Sarnoff 把广播业务从 RCA 公司中独立出来,成立 NBC 广播公司。很快,NBC 成为全美媒体的巨无霸公司。1943 年,迫于反垄断压力,NBC 被一拆为二,成为 NBC 和 ABC 两家公司。二战结束后,电视业务也突飞猛进。NBC 和 ABC 成为广播和电视双栖巨头。

广播电视业的繁荣,加上电报等等通讯事业,导致无线电频段的占用日益拥挤。1934年,美国成立了联邦通讯委员会(Federal Communications Commission, FCC),负责协调频道的分配等等事项。
Reference,
[1] The Marconi section of the broadcast archive. (http://www.oldradio.com/archives/jurassic/marconi.htm)
[2] The father of FM. (http://inventorspot.com/father_of_fm?page=0%2C2)
[3] RCA History. (http://en.wikipedia.org/wiki/RCA)
[4] David Sarnoff’s jumps for joy. (http://www.cedmagic.com/featured/war-worlds/sarnoff-jumps.html)

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