电子通讯专家戴夫·莫克(Dave
Mock),在2005年编著的《高通方程式》一书中写道:“只要你使用手机,你就应该认识并且感激她。这位美丽性感女明星,为世界无线通讯技术所做的巨大贡献,至今无人企及。”

这是去中心化思想系列科普的第9篇

三、海蒂·拉玛

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1938年海蒂·拉玛第一次出现在了好莱坞的影片《阿尔及尔》之中,1939年她为米高梅拍摄了第一部影片。她拒绝了主演1942年的《北非谍影》以及1944年的《煤气灯下》,要不然还可以获得更大名声,而英格丽·褒曼则因为主演这两部影片获得了很大的声望。不过海蒂·拉玛依旧出演过许多颇受欢迎电影,同她合作过的男演员包括克拉克·盖博、史宾塞·屈赛等人。1940年夏天,拉玛在一个聚会上认识了从欧洲移民来的钢琴家乔治·安塞尔,当时拉玛正同第二任丈夫分居。拉玛曾把安塞尔邀请到家中,开玩笑般询问他如何增大自己的胸部。后来他们讨论了更为严肃的话题,拉玛想起自己的第一任军火商丈夫,某次晚宴上她曾听到纳粹官员谈起过如何操控鱼雷的内容。[5][3]如果是直接使用遥控则很容易被相同频率的信号干扰从而使鱼雷偏离目标,某个下午安塞尔漫不经心地弹着钢琴,拉玛想到如果改变钢琴按键就能改变声音,那么改变无线电信号频率同样能改变信号。如果不停随机地改变信号频率,敌人的干扰影响就会减小很多。而安塞尔则想出了具体的实施方法,他曾经在1926年的《机械芭蕾》(Ballet
Mecanique)中使用了16架自动演奏钢琴,这些钢琴由滚筒驱动。当在鱼雷的接收器和舰船的发射器内安装上相同编码的滚筒,让两者同时运转时,就可以完成这种跳频扩频。1942年8月11日,海蒂·拉玛与乔治·安塞尔从美国专利局获得了名为秘密通信系统(Secret
Communications
System)的专利,编号为2,292,387。事实上在他们的专利中一共使用了88种频率,这个数字和钢琴的按键相同。获得专利后他们没有开发相关的商业用途而是直接交给了政府,他们还需要为此担负相关的专利维护费。然而那时候还未发明晶体管以及集成电路,想要将庞大的电子管设备塞入鱼雷之中困难重重,因而海军拒绝了这一想法。虽然拉玛和安塞尔没有继续他们的发明,但是实际上日后扩频技术在CDMA、Wi-Fi中发挥了很大的作用。二战时拉玛还通过贩售战争债券的方式帮助抵抗法西斯,其中在一个晚上她就售出了7百万美元的债券,平均下来每个吻卖掉了2万5千美元的债券。

50年代以后随着海蒂·拉玛美貌不再加上新一代的电影演员迅速崛起,她渐渐地淡出了银幕。1951年之后她就很少拍电影了,1958年她在自己44岁那年正式退休。1967年后她出版了自传然后定居到了佛罗里达州,1991年时已经78岁的拉玛因为在商店顺手牵羊被逮捕再次登上新闻。实际上在1966年时已经发生过类似的事情,那时12名陪审员中有10人认为拉玛无罪。2000年1月19日,85岁的拉玛死于佛罗里达的家中。

海蒂·拉玛一共经历过6段婚姻,最后一段婚姻结束于1965年在那之后她再也没有结过婚并于不久后移居到了佛罗里达。所有的这些婚姻都没能长久,最长的第5段婚姻也不过只持续了7年,这一任的丈夫是一位德克萨斯的石油商人。她一共生下了两个孩子并领养过一个男孩。

ps:下面是海蒂拉玛的18岁作品国外的IMDB评价和ebay售卖

这句话中的主角叫做,海蒂·拉玛(Hedy Lamarr)。

这是1940年,夏天。

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好莱坞明星海蒂·拉玛在一次聚会上认识了钢琴家乔治·安塞尔。她邀请他到家中做客。两人聊起了瘦身,随后谈起了人生。

1941年10月1日,纽约时报报道说:“海蒂·拉玛,今天被赋予一个新的角色,发明家。她的发明对于国防安全至关重要,但在目前,政府部门拒绝透露任何相关细节。”谁曾想,六十年后,这项曾秘而不宣的发明已与现代人生活密不可分。
该技术正是通讯领域著名的“展布频谱”(
维基
),我们如今所使用的3G网络和Wi-Fi,都是基于它而逐步发展起来的。

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说来也算是机缘巧合。在加入好莱坞之前,拉玛的第一任丈夫是奥地利军用设备制造商,其供给对象正是二战时期的轴心国。在日常与纳粹集团的密切接触过程中,拉玛对国防设备产生了浓厚的兴趣,她不仅有机会得知最新的导弹装备,同时也能了解到国防研发中亟待解决的问题:比如,如何避免通讯信号在传输过程中,被敌方干扰或截获。

安塞尔痛恨法西斯,他想为打败法西斯轴心国尽一份力。拉玛想起她的第一任丈夫,一个与希特勒和墨索里尼做生意的军火商,她曾经在一次晚宴上听到纳粹官员谈起过如何操控鱼雷的事。

对此,拉玛提出,可以将传输信号打散到更宽的频谱上,并且在传输过程中进行频繁变换,便可实现有效的抗干扰,这正是后来展布频谱技术的思想雏形。这个想法直至遇到她的第二任丈夫乔治·安泰尔(George
Anteil)之后,才得以完善成形。

鱼雷的发射通过无线信号遥控,以确保命中目标的准确性,但这种方式很容易被相同频率的信号干扰,从而使鱼雷偏移目标。

安泰尔是当时闻名遐迩的先锋派作曲家,其创作风格激进,又十分乐衷于弄潮儿,甚至试图将爵士音乐旋律和机器声融合于交响乐中,大胆地运用了钢琴、飞机螺旋桨的声音、电钟等音响组成音乐,与传统的音乐风格大相径庭,引起了当时音乐界的广泛争议和关注。

当安塞尔漫不经心的弹起钢琴时,拉玛灵光一现,她想,既然按下不同钢琴按键就能发出不同声音,那么在发射器和接收器之间不停的随机改变无线信号频率,不就可以避免鱼雷被信号干扰和拦截吗?

同时,他还尝试发明一种用于教学基本钢琴指法的机械钢琴,虽然没有成功,但该想法与拉玛的频谱变更想法碰撞出了火花。安泰尔提出更为完善的思路,为确保信号的正确接收,发送方和接收方必须也拥有相同的切换频率。他比喻说,“就像是让两台不同的钢琴同步演奏着相同的旋律。”结合拉玛的想法,把信息分段存储在不同频率上以获得更好的抗干扰能力,他们发明了一种新型的鱼雷引导方法,并申请了专利。如果你对通讯技术足够了解,就会敏锐地发现这其实也是CDMA的基本思路。

关键的问题是如何保证发射器和接收器在随机改变频率时保持同步,刚好,安塞尔热衷于音乐实验,在声音同步方面拥有丰富的经验。

展布频谱技术示意图:

安塞尔想出了具体的实施办法,他们在鱼雷的接收器和舰船的发射器内安装相同编码的滚筒,使两者同时运转,借此调整频率来保持同步。他们设计的系统采用了88个频率
,这刚好是钢琴上的按键数量。

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1941年,拉玛和安塞尔提交了专利申请,次年获得秘密通讯系统专利。

将传输信号打散到不同的频谱上,提高传输效率和稳定性。

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尽管他们认为这一发明可以帮助政府赢得战争,但是,这个秘密通讯系统从未在二战期间使用过。美国海军似乎不太相信一个明星和一个钢琴家的发明,把“钢琴放在鱼雷里”,大兵们觉得不可思议。

发送方和接收方拥有同步的频谱切换频率,能够实现对信号的有效发送和接收。

图片 7海蒂·拉玛尔(Hedy
Lamarr)

 

但这一发明并未被人们遗忘。

这个极富艺术感染力的形象比喻,却没有打动当时的军方人员。据安泰尔回忆说,当时美国海军在回绝这项发明时说:“我们又不能在鱼雷中,真的塞进一台自动演奏钢琴。”甚至,军方放言称,如果拉玛真的想要为国出力,还不如多利用她的美貌和明星的地位帮助政府多卖出一些公债。事实上,拉玛真的出力,卖了七百万美金的公债,而她与丈夫的伟大发明,则一直处于被冷冻的状态,直到上世纪50年代才得到正视,当时,美国海军给霍夫曼无线电公司一份匿名的专利,让它据此生产声纳浮标,这就是当年拉玛和安泰尔的专利。后来军方对据此专利发展起来的展布频谱技术解禁,于是成就了现在的高通公司。

1962年,古巴导弹危机爆发,一场核噩梦把美国搅得天翻地覆。西尔凡尼亚电子国防实验室为此开发了一种电子扩频系统,用于处理美国的安全通信,其技术实现正是基于拉玛和安塞尔的秘密通讯系统专利。不过,这个时候该专利已经过期了。

上天要有多宠爱一个女人,才会给予她如此丰厚的礼遇。福布斯旗下的《美国发明与科技遗产》杂志发了专刊,用大块文章介绍她的科技贡献,并将其玉照作为当期封面。至今人们仍评价说:“那是有史以来,在所有科学技术刊物里,最漂亮的封面。

1960年代早期,“扩频”这个词开始被使用,它指在传输信息之前对所传信号进行频谱扩宽处理,并采用加密技术获得更强抗干扰能力,同时,可在相同的频带上承载不同用户的信息。

图片 8

拉玛和安塞尔设计的系统,实际就是扩频技术。他们设计的扩频系统今天被称为“跳频”。

这般传奇,真是令世人叹为观止。

扩频技术最初用于军事通信,直到1980年代中期,美国军方对其銷密后,才开始走进民用市场。CDMA的基础技术即扩频,它允许多个手机通话共享相同的频率。摘自:

 

本篇延续去中心化的视角,解读无线电通信技术中关于频谱和时间资源的利用。

信息来源:
gizmodo

说起CDMA可能很多对无线通信技术不熟悉的朋友有点陌生,可能最多的是从中国联通,电信有过一些了解。但是它是我们今天整个移动互联网通信的重要基础技术之一。

“互联网的通信带宽就像古代烧制瓷器的炉温一样,决定了互联网文明的阈值——吴军”

学过中学无线电通信的同学都知道,收音机有调频和调幅两种常用方式。

电台会经常性的重复他们的频率,FM103.4。这个频率是独占的,而且过去大家也可能都体验过,手机放在收音机或者电话旁边的时候是可能会干扰,有杂音。

关于调频和调幅的基本原理,我们就不在这里做详细介绍了。感兴趣的可以去搜索一些资料。

简单来讲,调幅是固定一个频率,信号的变量通过波幅的变化来实现。调频是在一个细小的区间段的频率中,通过频率的波动来表示不同的信号变化。

调频的中心和调幅的中心都有一个限定的通信容量边界,也就是这种技术,也就是这种通信的技术,难以承载大规模的通信应用。

根据香农第二定律,任何频率都是有一个理论的容量上限的,频率越高,通信的容量就越高,所以即将到来的5G,就是利用了比4G更高的频段。

在过去通信不发达的情况下,都是通过比较低频率的广播等频率来进行载波传输信号,我们用的消费电子产品是收音机,再后来有了卫星广播,我们用更高频率的KU波段来接收卫星电视信号。

再后来,互联网发展起来,我们用2.4G和5G波段的WIFI来上网,看视频,打游戏等。

最开始农村上网的时候,包括城市互联网刚开始在中国普及的时候,是通过电话线来进行载波通信的。网速大概只有几十K,下载一个几百兆的电影要一个下午。也只有进行一些简单文字聊天,网页浏览等应用可以用。

到后来手机上的电话功能开始成为一个不太重要的基础性功能,上网功能越来重要,人们对于流量的消费开始快速的增加。这个时候对于无线通信技术,就有了更高的要求。

根据上面说的调频和调幅的描述,只要这种技术有一个中心存在,根据香农第二定律,无论是哪种调制方式,都会有一个确定的上限。

在移动通信中,这个中心有几种类型:以时间为中心,TDMA,以频谱为中心,FDMA。下面会有一些详细的说明。

那么有没有一种无中心化频谱,️能够打破这个魔咒满足人们对于高带宽通信的需求呢?

那就是我们今天日用而不知的移动通信的基础技术CDMA

关于CDMA的一些资料,我引用吴军老师的一些资料。

昨天我们介绍了通信中最重要的解码算法——维特比算法。今天我们介绍一下维特比其人,因为他不仅是大科学家,而且是一位非常了不起的企业家。如果你有足够的能力,将来想名利双收,维特比就是榜样。

维特比是美籍意大利犹太移民,他原名叫Andrea
Viterbi,但是Andrea这个名字在英语里是个女孩子的名字,因此他把自己的名字改成安德鲁。在维特比从麻省理工学院毕业到33岁之前,他的身份是单纯的工程师和科学家,先后在著名的国防公司雷神、著名的喷气推进实验室工作,然后在南加州大学(University
of Southern
California)完成了博士学位。之后他在加州大学担任教职,从事兴起的数字通信的研究,几年后,也就是1967年,他发明了昨天说的维特比算法。后来他创办了昨天说的小公司Linkabit,成为了企业家。

到了上个世纪80年代,移动通信还没有开始兴起,维特比看到了它未来的发展前景,致力于用一种新型的技术解决移动通信的传输安全和带宽问题。他就和老搭档雅各布斯一起创办了后来大名鼎鼎的高通公司,而他看重的技术就是CDMA

CDMA技术,也就是码分多址技术,在数学上极为漂亮,这一点我们今天先不讲,这里我们只是简单地看一下它的历史,以及维特比在这方面的贡献。

CDMA技术的历史其实很悠久,其中最关键的跳频技术早在上个世纪40年代就被发明了。发明它的人叫海蒂·拉玛尔(Hedy
Lamarr),是一位奥匈帝国出生的美籍犹太裔人,她被很多人称为史上最美丽的科学家。

图片 9海蒂·拉玛尔(Hedy
Lamarr)

其实拉玛尔的主要职业是演员,搞发明是她的副业。拉玛尔从小学习舞蹈和钢琴,
并因此进入了演艺界。拉玛尔在演奏钢琴时,想到用钢琴不同键所发出的不同频率来对信号进行加密。如果接收者知道跳频的序列就可以解码收到的信号,如果不知道这个序列,就无法破解。这就像如果你听过并记得肖邦的《英雄波兰舞曲》,你就知道演奏的是什么,否则它对你来讲就是一些凌乱的音符而已。

图片 10海蒂·拉玛尔(Hedy
Lam

拉玛尔和她的邻居、作曲家乔治·安泰尔(George
Antheil)一道发明了一种称为”保密通信系统”的跳频通信技术。在这种技术中,通信信号的载波频率是快速跳变的,只要发送方和接收方事先约定一个序列(一般是一个伪随机数序列)即可。想截获信息的人因为不知道这个序列而无能为力。拉玛尔最早是采用钢琴的
88 个键的频率做载波频率,将约定好的跳频序列做在钢琴卷(Piano Roll)2
上,然后载波频率根据钢琴卷上的打孔位置而变化。我不知道从拉玛尔的成功,你能否悟出通识教育的重要性。

拉玛尔1941年获得了关于这种跳频技术的美国专利。美国军方曾经想在二战中使用这种技术实现一个敌人无法发现的无线电控制的鱼雷,但是还没来得及实现二战就结束了。这项技术直到1962年都没有找到好的用处。

越战期间,跳频技术终于派上了用场。越南军方发现被击落的美国飞行员可以通过一种检查不出频率的设备呼救。他们缴获这种设备后,搞不清它的原理,
也不知道如何能破解它产生的信号,于是他们把这个设备交给援越的中国顾问团。我在清华的导师王作英教授当时是顾问团里的通信专家,他们发现这种设备能以极低的功率在很宽的频带上发送加密信号。对于试图截获者来讲,这些信号能量非常低,很难获取,即使截获了,也会因为不知道密码而无法破解。而对于接收者来讲,他可以通过把很低的能量积累起来获得发送的信息,并且因为知道密钥,能实现解码。

准确地讲,CDMA技术不是维特比发明的,但是今天人们谈到CDMA时,首先能想到的科学家却是维特比,因为当年维特比在开始思考移动通信的解决方案时,就想到了这种技术,并且最先采用它用于民用通讯。早期的移动通信所面临的还不是保密问题,更多地是如何利用极为有限的带宽传输更多信息的问题,同时还需要解决移动通信的抗干扰问题。在这两方面,CDMA有着天然的优势。

先说说CDMA为什么能提高传输率。根据香农第二定律,一个移动网络只要传输的带宽固定了,整个网络的传输率就被限制死了。不过,通常一个网络上不会所有人都在同时进行通信,因此好的移动通信协议可以制定一个策略,让共享网络的人在使用时速度比人均带宽高很多。在CDMA以前,移动通信使用过两种技术:频分多址和时分多址。

所谓频分多址,顾名思义,是对频率进行切分,每一路通信使用一个不同的频率,对讲机采用的就是这个原理。由于相邻频率会互相干扰,因此每个信道要有足够的带宽。这些信道之间的带宽无法利用,就被浪费掉了,你可以把它们想象成经济学上所说的边际成本。如果用户数量增加,总带宽又无法增加,结果就是要么连不上网,要么通信的速度太慢,电话讲不清楚。

时分多址是将一个很宽的频带按时间分成很多份。每个人的通信数据在压缩后只占用这个频带传输的
1/N
时间,这样同一个频带可以被多个人同时使用。第二代移动通信的标准GSM都是基于TDMA的,为了便于你理解FDMA和TDMA的区别,我画了一个图。

图片 11FDMA和TDMA

形象地讲,FDMA是按照频率垂直划分,TDMA是按照时间水平划分。不论哪种划分的方法,中间白色的都是无法利用的空隙,它们影响了移动互联网的效率。

CDMA的做法和上述两种方法都不同,它既不是使用固定的频率传输,也不是分时共享,而是让每一个网络用户都可以占用很多频带,而且也不对时间进行划分。

当然可能有人会问,移动互联网上多个用户同时发射信息,岂不打架了?没关系,在CDMA协议中,每个发送者被赋予了不同的密码,接收者在接到不同信号时,通过密码过滤掉自己无法解码的信号,留下那些和自己密码对应的信号即可。由于这种方法是根据不同的密码区分信息的,因此称为码分多址。我也将码分多址对于频率和时间的使用画了下面一个示意图。从图中你可以看出,码分多址其实将边际成本降低到近乎零,同时允许用户在网络不繁忙时占用很多资源通信,因此网速显得特别快。

图片 12CDMA对频谱的利用效率示意图图片 13三种通信技术的对比

虽然CDMA中的跳频技术并非维特比发明的,而它本身用于无线通信是早在上个世纪60年代的事情,但是将这个技术完善,并且形成移动通信标准,是维特比等人的贡献。从1985年到1995
年,高通公司制定和完善了CDMA的通信标准CDMA1,并于2000
年发布了世界上第一个3G移动通信标准CDMA2000,后来又和欧洲、日本的通信公司一同制定了世界上第二个3G标准WCDMA。2007年,维特比作为数学家和计算机科学家,被授予美国科技界最高成就奖——国家科学奖。

我不敢说发明这些技术或者制度的人是先有了去中心化思想,然后做出这些事情的。就像我们不能说发明最早发明蒸汽机的人是先懂得了热力学第二定律,才发明的蒸汽机。但是系统学习了热力学第二定律的瓦特,做出了开创性的工作。

我们可以从这些事情的背后梳理出一些共同的规律,就是当遇到限制的时候,很多时候的困境不是出在资源本身,而是出在组织资源的方式上。不同的组织方式有完全不同的效果。

那么我们再遇到问题的时候,就可以利用这种思想,主动的去分析一些问题。所谓理论来源于实践,理论也能够指导实践。

也许有些地方,这些现象,案例,技术看起来和去中心化没有一丁点关系,我们似乎有为赋新词强说愁,刻意解读之嫌,但是不妨成为你思考问题的一种备用的哲学思想。

假设,我们回到越战那个时代,如果你是一位对去中心化思想有很深入思考的学者,在面临通信技术发展困境的时候,密码破译困境的时候,是不是一种可选的解题思路呢?

所谓大胆假设,小心谨慎。

而所谓自由,就是脑子里面没有障碍。

希望能够对你理解去中心化思想在技术的发展,应用中有所帮助。

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