現(xiàn)代仿生學(xué)在通信工程中的應(yīng)用

1、現(xiàn)代仿生學(xué)在通信工程中的應(yīng)用YU通信工程（也作 信息工程、電信工程，舊稱(chēng)遠(yuǎn)距離通信工程、弱電工程） 是電子工程的重要分支，同時(shí)也是其中一個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科。該學(xué)科關(guān)注的是通信過(guò)程 中的信息傳輸和信號(hào)處理的原理和應(yīng)用。通信工程研究的是，以電磁波、聲波或光波的形式把信息通過(guò)電脈沖，從發(fā) 送端（信源）傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)接受端（信宿）。接受端能否正確辨認(rèn)信息，取決 于傳輸中的損耗高低。信號(hào)處理是通信工程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其包括過(guò)濾，編碼 和解碼等。通信工程的基礎(chǔ)建立于應(yīng)用數(shù)學(xué)中的數(shù)理方程。其理論起點(diǎn)是物質(zhì)與波在傅 里葉熱擴(kuò)散和麥克斯韋電動(dòng)力條件下觀察到的傳播現(xiàn)象。介紹完通信工程專(zhuān)業(yè)的解釋?zhuān)坪踝屓擞X(jué)得通信工程與現(xiàn)

2、代仿生學(xué)不會(huì)有任 何關(guān)聯(lián)，然后事實(shí)并非如此。例一：蜂窩與“蜂窩網(wǎng)絡(luò)”蜂窩網(wǎng)絡(luò)被廣泛采用的原因是源于一個(gè)與真正蜂窩一樣的數(shù)學(xué)結(jié)論，即以相 同半徑的圓形覆蓋平面，當(dāng)圓心處于正六邊形網(wǎng)格的各正六邊形中心，也就是當(dāng) 圓心處于正三角網(wǎng)格的格點(diǎn)時(shí)所用圓的數(shù)量最少。頂點(diǎn)到幾何中心等距的多邊形中，能夠完整（無(wú)重疊）地覆蓋某一區(qū)域可能的 幾何形狀有：正方形、等邊三角形和正六邊形三種形狀。在正方形、等邊三角形 和正六邊形中，正六邊形的面積最大。所謂蜂窩移動(dòng)電話(huà)是指服務(wù)區(qū)劃分為若十個(gè)彼此相鄰的小區(qū)，每個(gè)小區(qū)設(shè)立 一個(gè)基站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每個(gè)小區(qū)呈正六邊形，又彼此鄰接，形成“蜂窩”網(wǎng)。用 若干蜂窩狀小區(qū)覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)的大

3、、中容量移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)就叫做蜂窩移動(dòng)電話(huà) 系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)蜂窩移動(dòng)電話(huà)。蜂窩移動(dòng)電話(huà)最大的好處是頻率可以重復(fù)使用。采用蜂窩結(jié)構(gòu)可以使用同一 組頻率在若十個(gè)相隔一定距離的小區(qū)重復(fù)使用，從而達(dá)到節(jié)省頻率資源的目的。蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的可靠性很強(qiáng)，如網(wǎng)絡(luò)出故障時(shí)提供有效的迂回路由，確保通 信暢通無(wú)阻;與專(zhuān)線(xiàn)或菊花鏈相比更具彈性和可靠性，而且網(wǎng)絡(luò)具有自配置、自 組織和自愈的能力。例二：大自然中的螺旋結(jié)構(gòu)與光子晶體光纖英國(guó)科學(xué)家模仿大自然中的螺旋結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出傳輸波長(zhǎng)為1.55 um且具有 高雙折射率以及色散可調(diào)變的光子晶體光纖(photonic crystal fiber, PCF)。 此種光纖號(hào)稱(chēng)成本低廉，并能產(chǎn)生

4、大頻寬的超連續(xù)光譜(super continua)信號(hào)， 可望應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、測(cè)量學(xué)以及電信上?？茖W(xué)家表示，這是仿生概念首度被應(yīng)用在PCF制作上。Rahman等人模擬向 日葵內(nèi)種子排序的方式來(lái)制作PCF，他們的PCF剖面含有43個(gè)相同且彼此間距 幾乎相等的空氣洞，空氣洞的直徑為0.36 um，在直徑約5-6 um的光纖芯中 以1.618的黃金比例(golden ratio)做螺旋狀旋轉(zhuǎn)排列。Rahman博士表示，此種螺旋架構(gòu)最能夠有效率地利用空間，并提供較大的 空氣填充率及較佳的局旋光性，且由于空氣洞的排列是非對(duì)稱(chēng)的，因此不會(huì)造成 模態(tài)的簡(jiǎn)并。此研究團(tuán)隊(duì)已著手制造上述PCF，并希望能夠研究更多自然

5、中的螺旋結(jié)構(gòu)， 例如他們正在研究等角螺旋(equiangular spiral)設(shè)計(jì)，并且希望能夠應(yīng)用在可 見(jiàn)光及兆赫頻段，同時(shí)希望能夠利用復(fù)合玻璃材料來(lái)制作這些光纖組件。例三：海豚與新型海嘯預(yù)警系統(tǒng)去年7月份的一天，海嘯警報(bào)讓泰國(guó)的部分游客與居民陷入恐慌。許多人逃 到了山上。不過(guò)他們很走運(yùn)，海嘯并未出現(xiàn)，幾小時(shí)后驚魂未定的人們回到村莊。 這件事表明，目前安裝在近海的新型海嘯預(yù)警系統(tǒng)還不夠可靠，信息傳送遲緩。這些問(wèn)題即將得到解決。德國(guó)萊布尼茨海洋科學(xué)研究所的科學(xué)家們研制出了 一種新型調(diào)制解調(diào)器。它可將海底傳感器發(fā)出的信號(hào)迅速傳送至預(yù)警浮標(biāo)，后者 則會(huì)通過(guò)衛(wèi)星將信號(hào)直接傳輸至監(jiān)控中心。研制出這種

6、調(diào)制解調(diào)器的德國(guó)科學(xué)家從海豚的叫聲中得到啟迪?？邓固苟】?布卡爾在柏林理工大學(xué)研究仿生學(xué)與海洋動(dòng)物的聲音傳播，他發(fā)明的無(wú)線(xiàn)傳輸技 術(shù)可從海底迅速且不受干擾地向海面?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)?？瞬伎栒f(shuō)：“我們?cè)诤诤５膶?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，海豚靠在超聲波領(lǐng)域調(diào)制信號(hào)來(lái) 彼此聯(lián)絡(luò)?！币?yàn)樗?、礁石和海底斷層反射聲波，所以海洋?dòng)物會(huì)根據(jù)環(huán)境改變 發(fā)音頻帶以調(diào)整自己的聲音信號(hào)。這樣即便在不利于聲波傳導(dǎo)的環(huán)境中，海豚也 能將信息傳遞數(shù)公里遠(yuǎn)?！昂ｋ嗟耐ㄓ嶎l率在4千赫到80千赫之間。它們能以16千赫的頻率將叫聲傳至10公里之外，”這位仿生學(xué)家說(shuō)。達(dá)到這一距離是科學(xué)家的遠(yuǎn)期目標(biāo)。目前這種超聲波調(diào)制解調(diào)器可將數(shù)據(jù)傳 送2公里遠(yuǎn)，科學(xué)家計(jì)劃

7、下一步將距離延長(zhǎng)至6-8公里，從而使深海海溝也能處 在監(jiān)測(cè)下?！斑@種超聲波調(diào)制解調(diào)器每秒可傳送33K字節(jié)的數(shù)據(jù)，因此能傳送海底傳感 器拍攝的錄像與圖片，”克布卡爾說(shuō)。調(diào)制解調(diào)器的發(fā)射頻率會(huì)根據(jù)波浪的起伏 和其他干擾因素自動(dòng)作出調(diào)整。在北海和波羅的海的測(cè)試中這種設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好。去年11月，它將作為德國(guó)地學(xué)研究中心研制的海嘯預(yù)警系統(tǒng)的一部分在印 度尼西亞沿海投入使用。這套預(yù)警系統(tǒng)寄希望于無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。地震傳感器被固定在5公里深的海底， 可通過(guò)超聲波調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)傳送至安裝了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的浮標(biāo)。迄今的 海嘯預(yù)警系統(tǒng)均使用電纜傳送數(shù)據(jù)，因此建立完備的預(yù)警系統(tǒng)需要鋪設(shè)上千公里 的特種電纜，耗資巨大。布卡爾說(shuō)：“敏感的預(yù)警系統(tǒng)沒(méi)什么用，它的數(shù)據(jù)不可靠，傳送速度慢。”新 系統(tǒng)恰好解決了這些問(wèn)題。一旦發(fā)生地震，壓力傳感器就會(huì)報(bào)警。幾分鐘后，預(yù) 警系統(tǒng)就會(huì)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和短信發(fā)布警報(bào)，使人有足夠的時(shí)間逃生。通過(guò)以上幾個(gè)例子，每個(gè)人都會(huì)對(duì)仿生學(xué)的運(yùn)用