本帖最后由 h68810115 于 2018-3-11 16:12 编辑
4. 通信发展回顾 从前面的3个章节,大略的介绍了一下从电报的诞生,到当前最新的4G/5G的主要通信过程,当然是粗线条的介绍主要的关键点,电报意味着包含设备商(比如西门子)和电信运营商(比如大东电报局)的电信行业诞生,只有大量企业的行业产生了,企业就会拿着丰富的资金去研究和投资,不断的推动行业和技术的进步,比如AT&T投资下的贝尔实验室。
4.1 通信技术进步的基础 通信技术发展从1840年左右到目前的2017年大概有170多年,虽然时间是足够长,但是这100多年的技术发展和整个科技的节奏也基本上是一致的,也就是前面的技术发展相对比较慢,后面的技术发展逐步加快,而在半导体和芯片充分发展之后应用在通信之后,技术的进步就在逐渐加快,并且成本也在快速的降低。
4.1.1 数字化之前 在通信行业诞生之后数字化之前,通信行业已经构建基本产品部件,细分领域和网络架构,在这120年中,通信行业的技术进步主要是体现在了理论的进步,电信网络构建与细分,自动化和高集成度(小型化)。 理论的进步 这里的进步包括的基础理论以及在通信领域的关键技术和理论。 基础理论是包括了原比电信行业诞生之前早的电学和电磁学开始,到后面用于电话发明的声学技术基础理论,再到用于无线的电磁场理论,正是有了这几个关键基础理论的发现和突破,特别是无线相关理论的突破,通过电磁场定量的计算和应用,奠定了整个通信大厦的基础,在这个基础理论什么,随着行业技术的进步,也逐渐补齐和加深了部分电磁学基础,比如电磁波的传播理论。 而通信领域的关键技术和理论则结合得紧密得多,至于是理论还是工程技术的进步,不一定那么清楚。比如,控制理论及技术与产品的实践,扩频的理论与扩频通信的产品,无线信号传播的理论与实际产品的发明和应用。从最开始莫尔斯码的最初理论或者基础技术开始,经过有线电话,到交换机,再到无线电报,微波,这个中间任何一次的突破都是需要关键技术的突破,比如有线电话就涉及到了声音到电流和电流到声音的转换,而无线电报就涉及到了不同频率的调谐,载波通信的相关理论和技术等等。在无线电台之后通过理论,需求及设备的结合,又产生了无线通信的相关理论,虽然在移动通信之前,并没有大规模投入商用。 正是由于通信关键技术和理论的充分结合,使得理论也在实践中不断的完善和进步。 电信网络构建与细分: 电信网络构建也是一个逐渐的过程。电信行业从电报开始,从最初的点到点,再到全国的电报网络,就已经将电报分为电报设备和传输电缆,并在各自的轨道上面分头并进。比如电报机,从最开始的全手工发报机,到后面经过机代演进为全自动电报机,大大提高了发报的效率。而电缆则从开始的明显,再到后来的屏蔽线,同轴电缆,构建了传输设备的模型。 而电话的发明也是类似的路线,从最开始的电话机原理,在投入实际使用之后,很快就分为电话机制造和交换机制造两个细分领域,虽然在初期基本上是一家制造,但是随着各自领域的技术进步,在各自方向上不断进步,交换机逐渐从人工总机演进为自动交换机再到后来程控交换机,单独形成了一个细分领域。 电报和电话的对通信容量和距离的需求,使得在用户与设备,设备与设备之间产生了强烈的需求,在之前电报电缆的基础上,逐渐演进为真正的传输细分行业,在电缆基础之上,增加了专门的传输设备。而无线电报的演进则就更多了,从无线电报,到雷达,无线电话,微波通信,卫星通信,移动通信等等。 在通信产业数字化之前,就已经基本上形成了现在主要的细分领域,电报,电传,电话机,交换机,有线传输,微波传输,卫星通信等,也形成了现在电信行业的不同分层和架构,当然这个架构也会随着行业的发展也在不断动态的调整。 自动化和高集成度(小型化): 在细分领域诞生之后,在这个行业的厂商和技术人员都会不停的开发和利用新技术,使得该细分领域能够不断发展,而自动化和和高集成度则是两个主要方向。 自动化是从电报开始,莫尔斯电报的接收端设计有纸带装置,这个装置就是把很长的细纸带卷在一个纸带盘上。当发报端开始用莫尔斯电码发报时,接收端的纸带就会转动,输出纸带。在纸带的输出端有一只笔与电磁铁相连。发报端按下按键开关,接收端的笔就会落到纸带上,在纸带上画出与按下开关时间长度一致的线段。莫尔斯电报机把发报内容直接记到了纸上,不需要专门的收报人员。而发报机也做了自动编码翻译和发报的改进。
自动化电报接收机
而交换机的进步就更加明显,在总机诞生之后,原来是在总机都必须是人工转接,到步进制自动交换机,电话的接续实现了由机器自动完成,设备只要自动化之后,所有的再改进自然也是自动化,这也就有了后面的纵横制交换机和程控交换机。 而小型化在所有的电信设备,甚至所有的行业都是一种趋势,只有将设备做了小,在同样的空间和提及中,才能支持更大的容量,更多的用户,而对于终端类的产品,更小才能便于移动和携带。小型化关键在数字化是设备中的关键部件的小型化,比如从步进制核心改为纵横制核心,无线设备的天线小型化,而包括电子管和晶体管的在内的基础元器件的进步,是所有部件小型化的前提。 因此所有细分领域产品的自动化,小型化及提高集成度是数字化之前通信设备的两个主要改进路径。
4.1.2 数字化之后 从第一台计算机ENIAC开始,电脑就逐渐开始向各个行业在渗透,当然最早的还是军方使用。最早的计算机是采用电子管,使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线,耗电量150千瓦,无论是在体积,功耗还是在可靠性上,都存在很大的不足,当然计算的性能也仅仅完成5000次的加法运算。 而真正影响对通信行业产生重大影响的则已经是CPU和集成电路问世之后了,在此之前,电子行业则经过了电子管到晶体管,晶体管到集成电路,CPU的诞生这3个阶段。 晶体管对电子管的替代 什么是晶体管呢?通俗地说,晶体管是半导体做的固体电子元件。像金银铜铁等金属,它们导电性能好,叫做导体,木材、玻璃、陶瓷、云母等不易导电,叫做绝缘体,导电性能介于导体和绝缘体之间的物质,就叫半导体,晶体管就是用半导体材料制成的。 晶体管是由美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组发明的。早在1936年,当时的研究部主任,后来的贝尔实验室总裁默文·凯利就对肖克利说过,为了适应通讯不断增长的需要,将来一定会用电子交换取代电话系统的机械转换。默文·凯利从30年代起,就注意寻找和采用新材料及依据新原理工作的电子放大器件.在第二次世界大战前后,敏锐的科研洞察力促使他果断地决定加强半导体的基础研究,以开拓电子技术的新领域。 1945年夏天,贝尔实验室正式决定以固体物理为主要研究方向,1946年1月,贝尔实验室成立了以肖克利为首的固体物理研究小组,下辖若干小组,其中之一包括布拉顿、巴丁在内的半导体小组,这个小组里包括了理论物理学家、实验专家、物理化学家、线路专家、冶金专家、工程师等多学科多方面的人才。 经过不断的理论和实验探索,终于在1947年12月23日,固体物理小组终于在实验室制造出第一个晶体管,实验人员把两根触丝放在锗半导体晶片的表面上,当两根触丝十分靠近时,放大作用发生了,世界第一只固体放大器——晶体管也随之诞生了。但是基于严谨性的科学态度,贝尔实验室并没有立即发表肖克利小组的研究成果。他们认为,还需要时间弄清晶体管的效应,以便编写论文和申请专利。但是由于世界上还有其他团队也在研究半导体,由于竞争的需要,在晶体管发明半年以后,在1948年6月30日,贝尔实验室首次在纽约向公众展示了晶体管.这个伟大的发明使许多专家不胜惊讶.但是对于如何使用,还存在一定的疑问,主要是因为晶体管,很不稳定,噪声大,频率低,放大功率小,性能还赶不上电子管,制作又很困难。
首个晶体管 随后团队又将主要的精力放在如何提高可靠性和降低成本上。直到1950年,人们才成功地制造出第一个具备实际使用价值的PN结型晶体管。 晶体管是电子技术发展史上一座里程碑,和电子管相比,晶体管具有诸多优越性: 1,晶体管是能够保持性能稳定的,而无论多么优良的电子管,都会因为老化,晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍,称得起永久性器件的美名., 2,晶体管耗电极少,仅为电子管的十分之一或几十分之一. 3,晶体管不需预热,一开机就工作,而电子管则需要预热,例如,晶体管收音机一开就响,而电子管收音机非得等一会儿才听得到声音。这在军事、测量、记录等方面非常有优势的。 4,晶体管是固体的,结实可靠,耐冲击、耐振动,这都是电子管所无法比拟的. 5,晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一,发热很少,可用于设计小型、复杂、可靠的电路。 正因为晶体管的性能如此优越,晶体管诞生之后,就被广泛地应用于电子行业, 1953年,首批电池式的晶体管收音机一投放市场,就受到人们的热烈欢迎,人们争相购买这种收音机。 从晶体管到集成电路 随着晶体管的出现,开辟了电子器件的新纪元,引起了一场电子技术的革命。在短短十余年的时间里,新兴的晶体管不断应用到电子行业,迅速取代了电子管,随着电子技术应用的不断推广和电子产品发展的日趋复杂,电子设备中应用的晶体管也越来越多。部分设备要求将数千个晶体管与同样成千上万个传统元件手工连接在一起,从而组成电路。这项工作不仅耗时、成本高昂而且可靠性也令人堪忧。只要一个元件出现问题,那么整个系统都会彻底瘫痪。 全球各地的工程师都在寻求解决方案。德州仪器也开展了大规模的研发工作,在整个美国广招贤士,其中就包括1958年加盟的杰克·基尔比(Jack Kilby)。当时,德州仪器正在探索一种名为“微模块”的设计,在该模块中电路所有组成部分的大小和形态完全相同。基尔比对该设计持怀疑态度,很大程度上是因为它没有解决最基本的问题:减少晶体管元件的数量。 当时电子电路中都采用的电阻、电容、二极管、三极管等分立器件都已有了制造它的最好材料,但是这些器件使用的材料并不同意。在1958年暑假,基尔比因为是新员工,没有多少假期,整个TI只有极少数人在工作,基尔比正好在此期间整理出自己思路,首先使用硅一种材料将这些分立器件制造出来,然后再使用导线连接起来。等到研究小组里的其他同事回来时,基尔比向主管提出了用一种材料制作一个触发电路的方案,并在几个月之后取得初步的成功。这是一个相移振荡器,集成了2个晶体管、2个电容和8个电阻——共12个元器件 TI(德州仪器)在1959年2月提交了“微型电子线路”的专利申请,该申请材料称:“与过去的微型电子线路相比,该发明是基于全新的、完全不同于以往任何微型电子线路的理念。根据这一全新的工艺来实现微型电子线路,只需要一种半导体材料就能将所有电子器件集成起来,并且其工艺步骤是有限的,易于生产的”。1959年3月,在美国无线电工程学院(IEEE的前身)年会上,TI向新闻界发布了他们的革命性发明——“固体微型电子线路”。
第一个集成电路
虽然基尔比首先发明了集成电路,但是对于一个商用组织,真正投入批量生产的产品才是可用的。当基尔比发明集成电路的消息传到硅谷后,同时研究集成电路的仙童半导体公司当即召集会议商议对策。把器件制造在同一晶片上,基尔比和诺伊斯的想法相同,在器件的连接问题上,仙童公司诺伊斯的想法领先于基尔。比诺依斯提出:可以用平面处理技术来实现集成电路的大批量生产,仙童公司开始奋起疾追。1959年7月30日,他们采用先进的平面处理技术研制出集成电路,也申请到一项发明专利。 因此在1966年,基尔比和诺依斯同时被富兰克林学会授予美国科技人员最渴望获得的巴兰丁奖章。基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”,而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。1969年,美国联邦法院最后从法律上承认了集成电路是一项“同时的发明”。
集成电路 1964年,只有几家最先进的公司在生产集成电路,他们试图推广集成电路的应用。很快集成电路就成了业界主流。集成电路取代了晶体管,为开发各种功能的电子产品铺平了道路,并且大幅降低了成本,第三代电子器件从此登上舞台。 集成电路和晶体的关系,如果打个比方的话,晶体管就比如是钢材,而自行车虽然主体都是由钢材造的,假设把制造自行车的公司比做一个人的话,那么这个人要从最基本的钢材用不同工艺锻造出自行车的大梁,钢圈,钢丝,铃铛,刹车等所有的部件,对应电路上,一个公司需要用最基本的二极管,三极管,电阻电容设计一个产品里面所有的功能电路,并且可靠性还不高。而集成电路就是已经有人分别锻造出了自行车的大梁,钢丝,钢圈等部件,这些部件就相当于集成电路,自行车公司主要根据自己的设计要求,根据市场已经有的部件,设计自己的自行车,或者向这些公司提出自己的特殊规格,然后再将这些部件组装起来就是一个完整的自行车。集成电路就是完成某一个功能的分立元器件的组合,对于电子产品设计来讲,集成电路的应用能够简化产品的设计,提升产品的可靠性,降低产品的功耗,缩小产品的体积。 集成电路最直接的一个体现就是计算器,在微处理出现之前的电子计算器都是台式的,体积也比较大,售价也比较高,一般老百姓买不起,只能是企业或公司采购。1971年,Intel的第一块微处理器(CPU)4004诞生,首先被应用到Busicom计算器。在同一年,在TI的基尔比也开发小型计算器,该计算器重2.5磅,售价200美金,是当时的台式计算器售价的五分之一。 CPU的诞生和发展 Intel的4004则是集成电路的一个分水岭,使得通用中央处理(CPU,CentralProcessing Unit)或者微处理器(MPU , MicroProcessing Unit)成为集成电路中一个单独领域。4004是一个4位微处理器,只有45条指令,每秒只能执行5万条指令,运行速度只有108KHz,但是他的计算速度已经比1946年第一台计算机ENIAC快了很多,而它只有3mm×4mm大小,集成晶体管2300个,而售价却不到100美金。 Intel 4004微处理器最初是Intel专门为日本一家名为Busicom的公司设计制造,用于该公司的计算器产品。但由于技术原因,Intel的延期交货让Busicom公司颇为恼怒。与此同时,计算器领域的竞争日益激烈,当Intel彻底完成4004芯片的设计和样品的生产时,Busicom公司要求Intel打折扣,Intel同意了,但是它附加了一个条件:允许Intel在除计算器芯片市场之外的其它市场上自由出售4004芯片----至此,Intel公司完成了从单一的存储器制造商向微处理器制造商的转型。 在商用微处理器开始应用之后,后面发展的故事大家就都比较清楚了,Intel后来就开发了8086以及后来的80186,80286等系列芯片,Intel的芯片主要应用在PC领域。而在同时代的其他公司也开发了不同类型的CPU,比如1973年,摩托罗拉推出它的第一个MC6800型微处理器,使得CPU开始了大发展,集成度越来越高,功能也越来越完善,性能也越来越高。
对于集成电路集成度的发展,最有名的就是“摩尔定律”,摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。 集成电路对通信产业的影响 在前面的程控交换机部分曾经提到过,在朗讯的No1 ESS系统中,控制部分已经完全采用程序控制,当时贝尔实验室采用了分立二极管,三极管,电阻,电容搭建了一个CPU功能,实现了通信行业第一个程序化的控制。控制部分运行频率为200KHz,有5个机柜。要用分立的元器件实现CPU的功能,对设计能力要求不是一般的高,这个在摩托的第一部手机中也是一样,采用了分立元器件实现了第一部手机。 在集成电路发展之前,最早的内存是以磁芯的形式排列在线路上,每个磁芯与晶体管组成的一个双稳态电路作为一比特(BIT)的存储器,每一比特都要有玉米粒大小,那么一个房间也放不了多少内存。集成电路IC产业化初期主要用于航天和军事追求小型化和轻量化话的要求,因为也只有他们才能承担得起当时集成电路高昂的成本,应用的方式也及时实现专门的逻辑电路和控制功能。随着集成电路制造和应用的逐渐成熟,集成电路的功能也逐渐从功能电路逐渐的向专业化方向发展,逐渐诞生了微处理器MPU(CPU),内存,逻辑,DSP, AD/DA芯片等各种细分产品,真正支撑了通信产业的数字化。 正是由于集成电路和技术的快速发展,使得整个通信产业有了不断进步的基础。比如通信设备中使用占比比较多的CPU,处理能力基本上就和PC的CPU基本同步,从最开始的类似于8088性能再到后面的586性能以致后面的多核,基本上是同步引入到通信设备。而通信设备里面的内存也是同步引入的。 除了嵌入式系统中使用的CPU和内存之外,在AD和DA芯片, 专用AISC(专用处理芯片)也逐渐成熟。比如在最开始,AD/DA芯片只能8位采样,采样的速率也只能几十K,而随着对集成电路集成度越来越高,采样的位数和速率都快速增加,这也使得通信设备使用这样的芯片设计出集成度更改的功能。 总之,随着集成电路和处理芯片的不断增强,使得同样物理尺寸的单板能够处理更多的业务数据,处理更加复杂的功能,使得通信设备的集成度也越来越高。 通信理论和技术的进步 上面列的主要是支撑产品设计的硬件基础,而通信数字化使得设备也日趋复杂,通过日趋复杂的软件才能使得硬件发挥出自身的性能,也正是由于软件复杂化导致需要更强大的硬件能力。 数字化之后的通信设备,最消耗计算能力就是编解码,编解码同时也是各种通信技术进步的理论和基础。所谓编解码,就是将最终的要发送的真正用户数据,比如一段语音(已经数字化的编码/数据包),经过复杂的不同功能层的编码,发送到对方,而对方再反方向经过相同层的用约定的方式解码。这里的不同层,就是在通信中的不同协议层,特定的协议层主要是为了完成不同的功能。 对于不同协议层的理解,打个比方,如果有两个人,A在上海,B在南京,没有电话,没有电报,只能靠书信来往。A写了一封信,告诉B,“一周后的15日去南京”,用快递到南京。虽然实际的内容只有一句话,相当于我们在实际中的一个语音包,但是A只是写了这句话,然后A的秘书拿了一个信封,将这封信装了起来,这个就是第一层打包,因为A只管自己有东西要发送,其他事情他都不干,然后他的秘书只负责用信封封起来,秘书不管信里面的内容。然后顺丰快递的收件员过来之后,再给一个顺丰标准的快递大信封,顺丰的快递员只管将小信封装到顺丰的快递大信封中,并贴上地址,这个就是第二层打包,快递员不管是快递的一份文件还是一封信,都是统统放在标准的快递信封里面。从通信的这一方已经完成了2层打包,不管顺丰经过几道转运和分拣(对应到通信中不管传输经过几道中转),也不管顺丰是汽车,还是火车快递到南京(对应通信里面,不管实际承载用的是光纤还是同轴电缆),到了南京之后,有一个快递员送到B那里,同样,B也有一个秘书,秘书签收之后,先打开顺丰的快递大信封,取出小信封,然后打开小信封给B看,这就是反方向协议过程。如果B再回一个“收到”的信,再叫秘书用信封封起来,再快递到上海给A,就是另外一个方向的同样的过程。
而在不同的协议层,有不同的作用,比如用小信封封起来就是不让快递员知道快递的是一封信还是100块钱。对应到通信中,则有物理层,数量链路层等,在不同的系统中有不同分层。在每一层对等协议层中,都会有相应对等的编码约定。比如GSM的最初的语音编码就是13 Kbit/s的RPELTP(规则脉冲激励长期预测),其目的是在不增加误码的情况下,以较小的速率优化频谱占用,同时到达与固定电话尽量相接近的语音质量。而GSM的信道编码用于改善传输质量,克服各种干扰因素对信号产生的不良影响,但它是以增加比特降低信息量为代价的。编码的基本原理是在原始数据上附加一些冗余比特信息,增加的这些比特是通过某种约定从原始数据中经计算产生的,接收端的解码过程利用这些冗余的比特来检测误码并尽可能的纠正误码。如果收到的数据经过同样的计算所得的冗余比特同收到不一样时,我们就可以确定传输有误。GSM使用的编码方式主要有块卷积码、纠错循环码(FIRE CODE)、奇偶码(PARITY CODE)。编解码除了在无线系统通信系统之外,在固网,传输都会大量使用。 除编码之外就是就是各种上层的协议和功能处理大量消耗着处理资源,比如移动通信系统,在前期大区制使用效果不佳的情况下,贝尔实验室就提出小区制移动通信系统,在小区制的基础上,辅助以切换,功控,形成来移动通信系统的基本架构,而在系统中,这些功能很多都是针对单个用户管理的,随着设备支持用户和容量的增多,处理能力的需求也快速增长。比如最早的程控交换机,只支持几千用户,而进入21世纪的程控交换机,支持上百万用户也是小意思。 总之,随着通信技术的演进和设备集成度的提高,对于处理能力的要求也越来越高,而芯片技术的发展支撑了这种需求,也就支撑通信设备的演进。
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