電子信息核心技術(shù)與主要應(yīng)用領(lǐng)域研究

顧峻華

隨著信息時(shí)代的來臨，電子信息技術(shù)呈現(xiàn)出一種蓬勃發(fā)展之勢(shì)，無論是傳統(tǒng)的藍(lán)牙技術(shù)還是最新的5G技術(shù)，都正在或即將改變?nèi)藗兊纳?，成為互?lián)網(wǎng)時(shí)代的“基礎(chǔ)設(shè)施”。本文從摩斯密碼開始，介紹了電子信息技術(shù)的發(fā)展歷程。并重點(diǎn)對(duì)藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)和5G技術(shù)的基本原理、主要優(yōu)勢(shì)及不足和技術(shù)展望三方面進(jìn)行了論述，并以無人機(jī)、機(jī)器人和消費(fèi)電子產(chǎn)品為例，介紹了電子信息技術(shù)在產(chǎn)業(yè)界和大眾消費(fèi)品中廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

1.前言

1.1 電子信息技術(shù)前沿動(dòng)態(tài)

據(jù)新聞報(bào)道，美國(guó)第三和第四大電信運(yùn)營(yíng)商T移動(dòng)通訊公司和斯普林特公司日前宣布，兩家公司以全股票交易方式合并。新公司計(jì)劃投資400億美元擴(kuò)張業(yè)務(wù)和建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)。而近年來，華為與美國(guó)公司的多次正常交易都受到了美國(guó)政府的阻撓，電信分析師梁振鵬在接受《國(guó)際金融報(bào)》記者采訪時(shí)曾表示，美國(guó)此舉是想打擊中國(guó)的5G發(fā)展。由是可見，在4G技術(shù)剛剛普及的今天，5G已經(jīng)開始嶄露頭角，并將在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)、時(shí)代發(fā)展重點(diǎn)。

1.2 電子信息發(fā)展歷程

5G技術(shù)作為電子信息行業(yè)的典型技術(shù)，是電子信息技術(shù)的發(fā)展歷程的重要里程碑。回顧整個(gè)電子信息技術(shù)的發(fā)展史，要從1752年富蘭克林進(jìn)行風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)說起，隨后，伏打電池的發(fā)明揭開了電學(xué)的發(fā)展序幕。而電子信息技術(shù)起源是電子管的發(fā)明，這種被抽成真空的玻璃管可以減少電子流動(dòng)的阻礙；隨著半導(dǎo)體材料進(jìn)入研究者的視野，晶體管逐漸替代了電子管的地位；為了進(jìn)一步減小體積，降低能耗，人們又將各種元件及布線互連一起，這便是集成電路；進(jìn)入數(shù)字電子技術(shù)時(shí)代后，生產(chǎn)工藝的發(fā)展和設(shè)計(jì)水平的飛躍使得電路的集成度進(jìn)一步提高，而對(duì)電路復(fù)雜性的需求使小規(guī)模集成電路逐漸演變成為大規(guī)模集成電路——這便是目前電子技術(shù)的核心技術(shù)，而未來發(fā)展的重點(diǎn)是微電子和納米電子技術(shù)。

兩百年前，莫爾斯有線電報(bào)的發(fā)明宣告了近代通訊技術(shù)的產(chǎn)生，大名鼎鼎的摩斯密碼便起源于此。貝爾不滿于現(xiàn)狀，電流讓線圈振動(dòng)發(fā)聲的現(xiàn)象給他帶來了靈感，歷經(jīng)夜以繼日的研究，最終發(fā)明了電話。有線通訊受空間、設(shè)備等諸多因素的限制，促進(jìn)了人們對(duì)于無線通信的研究：1895年，馬可尼通過電磁波接收與發(fā)射技術(shù)成功進(jìn)行了通報(bào)實(shí)驗(yàn)，這也預(yù)示著無線通信技術(shù)的崛起，為人類的通訊技術(shù)開辟了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域；歷史車輪滾滾向前，1906年，物理學(xué)家費(fèi)森登主持組織了第一次實(shí)驗(yàn)性的無線電廣播；1925年英國(guó)青年貝爾德在經(jīng)歷19年艱苦卓絕的研究后，終于發(fā)明出了具有實(shí)用意義的電視機(jī)，至此，電子信息技術(shù)已初具雛形。

2.電子信息核心技術(shù)研究

2.1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)具有成本低、短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，最初由電信巨頭愛立信公司于1994年創(chuàng)造。1999年5月20日，索尼、愛立信、IBM、英特爾等公司創(chuàng)立藍(lán)牙特別興趣組，制訂藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，此后藍(lán)牙技術(shù)便開始蓬勃發(fā)展。藍(lán)牙使用2.4～2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波，以某個(gè)設(shè)備為基點(diǎn)，于其周圍10m左右均可接收，且可同時(shí)連接多臺(tái)設(shè)備，克服了數(shù)據(jù)傳輸不便的問題，目前廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦、多功能耳機(jī)等設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向連接。藍(lán)牙的無線傳輸主要是由傳輸層協(xié)議管理，確認(rèn)接收方位置，建立物理邏輯鏈路，傳輸速率一般可達(dá)1MB/s。由于技術(shù)的發(fā)展，其芯片價(jià)格持續(xù)下降，且愈發(fā)小巧，同時(shí)，藍(lán)牙具有極高的兼容性和安全性，所以，藍(lán)牙目前仍有廣大的運(yùn)用前景。伴隨著干擾和漫游問題的解決，藍(lán)牙在智能家居、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等領(lǐng)域極具價(jià)值。但是在信息爆炸的今天，藍(lán)牙在傳輸速率和距離上仍有較大限制，同時(shí)伴隨著WLAN技術(shù)的發(fā)展，其勢(shì)必會(huì)受到一定沖擊。

2.2 Wi-Fi技術(shù)

Wi-Fi技術(shù)可以使電子設(shè)備連接到無線局域網(wǎng)（WLAN），讓千千萬萬的移動(dòng)設(shè)備成為網(wǎng)絡(luò)終端。2.4G UHF或5G SHF ISM 射頻頻段是Wi-Fi技術(shù)的常用頻段。Wi-Fi技術(shù)的興起具有偶然性，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)作出了一項(xiàng)裁決，開放了某些可以自由使用的頻段以便用于POS機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)，爾后，由此出乎意料地建立起一項(xiàng)無線通訊協(xié)議，即Wi-Fi技術(shù)。Wi-Fi的實(shí)質(zhì)是把有線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換成無線信號(hào)，使用無線路由器作為發(fā)射源，對(duì)支持Wi-Fi連接的電腦、手機(jī)等設(shè)備提供無線網(wǎng)絡(luò)連接。一旦連接了一條其他的ADLS線路，便被稱為“熱點(diǎn)”。相比于藍(lán)牙，Wi-Fi的傳輸速率可更快，可達(dá)54M/s，同時(shí)它的傳輸距離也有了極大的突破，甚至傳輸?shù)揭詿o線路由器為圓心、半徑100m的圓形區(qū)域。在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，用戶可以隨心所欲地觀看視頻、瀏覽網(wǎng)頁，在享受高速、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接的同時(shí)，無需承擔(dān)高昂的網(wǎng)費(fèi)。

2.3 5G技術(shù)

5G技術(shù)是一種高頻通信技術(shù)，可使用頻譜是28GHz和60GHz兩個(gè)頻段，其高頻特征決定了傳輸速度更快（傳輸速度達(dá)到4G的40倍）、時(shí)延更低，但是其衍射能力（即避開障礙物的能力）非常有限，同時(shí)傳輸距離較短，因此對(duì)基站的數(shù)量以及覆蓋率有很高要求。5G是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的“基礎(chǔ)設(shè)施”，想必終有一天會(huì)走進(jìn)千家萬戶，給互聯(lián)網(wǎng)用戶帶來“飛一般的”體驗(yàn)。

5G技術(shù)已經(jīng)歷經(jīng)了近十年的發(fā)展歷程。在2009年，華為就已經(jīng)展開了相關(guān)技術(shù)的研究，并在之后的幾年里向外界展示了5G原型機(jī)基站。2013年5月，韓國(guó)電信巨頭三星電子宣布，支持5G的核心芯片已經(jīng)順利完成研發(fā)階段，即將投入測(cè)試和試產(chǎn)。2015年諾基亞與加拿大某運(yùn)營(yíng)商成功測(cè)試5G，標(biāo)志著5G的普及更進(jìn)一步。2016年8月3日，澳大利亞電信宣布將于2018年在黃金海岸進(jìn)行5G試驗(yàn)。由此可見，5G技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的普遍應(yīng)用已經(jīng)呼之欲出。

3.電子信息技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 無人機(jī)

無人機(jī)是一種以無線電遙控或由自身程序控制為主的不載人飛機(jī)，在人類生活中正扮演著愈來愈重要的角色，可應(yīng)用于偵察、監(jiān)視，航天攝影，環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。無線圖像視頻傳輸系統(tǒng)是其重要組成部分，而傳統(tǒng)的無人機(jī)視頻主要采用模擬傳輸方式進(jìn)行視頻傳輸，存在傳輸距離有限、抗干擾能力不足等問題。

而通過架設(shè)在無人機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像頭和無線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)視頻采集與傳輸，借用增強(qiáng)Wi-Fi途徑，可以清晰多點(diǎn)傳輸視頻，大大增強(qiáng)了無人機(jī)多角度監(jiān)控的能力，提高了信息準(zhǔn)確性。5G 技術(shù)的助力，將為無人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景開啟更大的想象空間，近日中國(guó)電信與華為公司進(jìn)行了5G 無人機(jī)首飛，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī) 360 度全景4K 高清視頻的實(shí)時(shí)5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸。

3.2 機(jī)器人

隨著科技的發(fā)展，人類的雙手逐漸得到解放，智能家居機(jī)器人、運(yùn)輸機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人等一系列機(jī)器人早已步入人們的生活。而通過無線途徑控制機(jī)器人是機(jī)器人得以運(yùn)用的重要組成部分。增強(qiáng)后的Wi-Fi信號(hào)可以很有效的控制機(jī)器人，終端通過 Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)連接到機(jī)器人內(nèi)置的Wi-Fi 模塊上，并向其發(fā)出相關(guān)操作指令，實(shí)施在線控制，可以極大地提高工作效率。而伴隨著機(jī)器人逐漸走入人們家庭，小范圍的機(jī)器人控制愈發(fā)重要，相較于遙控器的功能單一，Wi-Fi遙控的成本較高，通過藍(lán)牙遙控，可以迅速有效地進(jìn)行手機(jī)遙控。而作為新興科技的5G，更是為機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制開創(chuàng)了新的紀(jì)元。目前，機(jī)器人的交互形式主要為高清顯示屏，而5G技術(shù)可以克服網(wǎng)速較慢帶來的卡頓、花屏等問題，也使得VR等對(duì)網(wǎng)速需求較高的新興技術(shù)得以在機(jī)器人產(chǎn)品中普及。同時(shí)，5G技術(shù)還可以在網(wǎng)絡(luò)安全、傳輸安全、終端安全等層面大大提升機(jī)器人的安全性，使得廣大用戶打消隱私泄露等顧慮。

3.3 消費(fèi)電子產(chǎn)品

電子產(chǎn)品已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分，互聯(lián)網(wǎng)終端包括手機(jī)、PC(個(gè)人電腦)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、投影儀等眾多產(chǎn)品，在數(shù)字家庭的構(gòu)建中起到重要作用。無論近年來興起的智能家居、智能機(jī)器人產(chǎn)品，還是普通的互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，都會(huì)用到Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)。Wi-Fi也可以大幅降低電纜的鋪設(shè)，從而達(dá)到節(jié)約資源，降低成本的作用。而藍(lán)牙作為小范圍低成本數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾緩?，目前已被廣泛運(yùn)用在電子穿戴設(shè)備上，人們可以通過藍(lán)牙，將智能手表、無線耳機(jī)、手機(jī)、電腦相連接，大大提升了人們的使用體驗(yàn)。相比于4G，5G的信息傳遞速度得到了巨大的提升，這也意味著手機(jī)、電腦等產(chǎn)品的加載緩慢、卡頓等問題即將得到解決。總之，5G時(shí)代的電子產(chǎn)品發(fā)展值得期待。

4.結(jié)論

自從兩百年前摩斯密碼誕生以來，電子信息技術(shù)已經(jīng)成為工程和民用領(lǐng)域最重要的技術(shù)之一，極大地提高了生產(chǎn)生活的效率。藍(lán)牙和Wi-Fi技術(shù)作為一種應(yīng)用廣泛的無線通信技術(shù)，在飛速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代面臨著新的挑戰(zhàn)。而5G作為一種新興技術(shù)，有著傳輸速度快、時(shí)延更低等特點(diǎn)，但是其技術(shù)特點(diǎn)對(duì)基站數(shù)量要求較高，因此5G技術(shù)的普及仍需時(shí)間。而無人機(jī)、機(jī)器人、消費(fèi)電子產(chǎn)品之中無處不在的電子信息技術(shù)，讓電子信息行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)長(zhǎng)盛不衰之態(tài)。（作者單位：?jiǎn)|市匯龍中學(xué)）