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海蒂-拉玛之跳频怪想

coolients (苦丁山)

1941年,二战硝烟弥漫,美国陆军战斗力还行,海军建设却相当落伍,曾经出过发射十五枚鱼雷都打不沉日本一艘油船的伤心业绩。美国政府焦急万分,向老百姓发出呼吁,请人民群众为提高海军军事技术贡献力量。其中一个课题是如何能让鱼雷转弯。

推出这个课题是因为,当时美国的鱼雷跟炮弹没区别,发射出去就只会走直线。军方扶额冥想:如果能用无线信号控制鱼雷,让鱼雷不断调整方向追踪目标,那就断不至于再有鱼雷打不沉油轮这样的糗事。

说起来让鱼雷转弯比让炮弹转弯要容易得多,炮弹出膛就成了自由落体。鱼雷却是靠动力在水中挺进,类似一个水上摩托,只不过是个没舵的摩托。以当时的机械和无线电技术,给鱼雷装个舵,然后用无线电控制鱼雷转弯,这本身其实不难做到。真正的难点是怎么防止敌方干扰。

我们先看看无线电干扰是怎么回事。

现在的娱乐传媒是电视一统天下。80年代以前,广播还是主导媒体。那时候广播的干扰和抗干扰是个重要研究课题。广播是要走一个固定频率的。就是说,每个广播节目都必须固定在一个频率上播放。比如10千赫是中央台,20千赫是西藏 台,各自有专用频道。收听广播节目是用半导体收 音机。打开收音机,拧一个叫做“调谐”的小旋钮,拧到不同的“频率”上,就能听到不同电台的广播。因为这种节目必须走专用频道的特点,就有了无线电干扰这种技术。比如要是有个电台是用95千赫这个频率来播放节目,然后您特别不喜欢这个节目。赶巧您手里有个电台发射站,那您就可以用您的电台干扰那个节目。怎么干扰?您就用95千赫这个频率播放大音量的信号,不是新闻不是歌曲,就是播放持续不断的奇怪杂音。不为别的,就是要用这种杂音把对方节目内容跟淹没了。有人把他的收音机调到95千赫想收听电台节目,听到的却只是您发送的刺耳杂音,于是这个节目就成功的被破坏了。这就叫做无线电干扰技术。在20世纪的一大半时间里,干扰境外电台广播是各红色国家广播电台的一个重要工作内容。

现在我们看看为什么无线电控制鱼雷会有困难。

因 为敌人会用电子干扰技术实施破坏。不拘你用什么频道去控制鱼雷,95千赫也好59兆赫也好,对方只要用信号监测设备监听,就能随时测出你的控制信号是什么频道,然后人家就可以用同样的频道播放大功率噪音。他的大嗓门杂音跟你的控制信号走的是同一个频道,结果你的控制信号全被掩盖了,鱼雷根本无法接收。

这个问题很不好解决。当时各路电子专家奋力研究数月,苦无良策。直到1942年8月,才有人提出了一个解决方案。该方案经专利局鉴定,证实确实是解决这个问题的有效方案,于是被授予了专利。

发明控制技术并且得到专利,这本来不新鲜,值不得写一篇文章的。1942年这个专利有点新鲜,是因为发明人不是教授也不是工程师,而是一个电影演员,还是个女演员。

这个演员名叫海蒂-拉玛(Hedy Lamarr),奥地利人。要是单看长相您大概不会认为这人能有发明电子控制专利的本事,因为她长得太漂亮。参见照片。

 

 


这人有多漂亮呢?当时她的演艺圈的同僚们有两种评价。一个是说她是全欧洲最漂亮的女人。另一个是说她是全地球最漂亮的女人。至于哪个说法更准确,您自己做判断好了。

海蒂脸蛋儿漂亮,可惜演技不是特别出色。她在演艺圈打拼了二十八年,一直没能拍出啥留名的作品。尽管如此,在当时她的知名度还是很高的,除了因为脸蛋是全欧洲抑或是全地球最漂亮之外,她出道第一部片里就正面全裸,还很生动的给高潮表情来了一段大特写。要知道那是1933年,即便是在西方,社会风气也还是相当保守。

海蒂一生六次结婚。本篇重点是海蒂那个发明,所以不准备列举她的六位夫君。但是她的第一任丈夫曼德尔却必须说一下。因为此人对海蒂后来的那个专利发明有重要影响。

曼德尔是个军火商,家里每天来的客人不是买家就是业务伙伴,所以谈话离不开武器。海蒂演技平平,对她的脸蛋是一种辜负。但是海蒂除了脸蛋漂亮之外还有一个天赋,就 是对机械和数学有一种天生的感受力,而且海蒂一直在努力利用这个天赋。她十六岁就辍学进入演艺界当场记,没受过任何正式工程学训练,就靠着旁听曼德尔跟别人的谈话,几年下来她吸收了大量军械知识。

曼 德尔是个成功商人,但是不喜欢海蒂的演艺生活。他花大价钱把海蒂拍的那部裸体片的胶片尽力从市面清除,然后不让海蒂继续拍戏。海蒂作为演技一般但是大脑好使的 女子,不愿意受这种约束,于是几年之后设计逃亡。一个版本的故事是说,她去参加一次晚宴的时候,成功编造出一套理由,让曼德尔同意她把所有贵重首饰全套披挂上阵。饭没吃完她找个机会消失在夜幕中。先逃到巴黎再到伦敦,后来在朋友引荐下跑到电影之都好莱坞,从此定居美国。

美军向民间高手发出诉求之后,海蒂虽然祖籍奥地利,但如同所有追寻美国梦的人一样,对美国有发自内心的热爱。凭着自己在曼德尔时期学来的军械知识,她开始琢磨怎么能让鱼雷转弯这种锦衣卫级别的尖端技术。

起先她跟那些军方的和民间的工程师一样,试图用物理学和电气学的各种定律(以她在第一任丈夫家里学到的知识所能及)来想办法,于是也就跟那些工程师一样找不着办法。

作为演艺圈人,海蒂时常参加聚会结交朋友。在一个宴会上,有个叫安塞尔的人引起了海蒂的注意。这人本行是音乐家,但是兴趣广泛,涉猎诸多杂学,比如女性内分泌学。他以这方面的心得出过几本书,教导男人研习腺体激素对外形的影响,于是能科学的判断一个女孩是不是容易上手。这种用高科技术语包装的奇门异术总是能有广大听众的。海蒂作为形象胜于演技的演员,知道保持形体优势十分要紧。听说安塞尔对女性内分泌有研究,聪慧过人的海蒂就立刻联想到,说不定他对于如何提升女性胸部尺寸也有研究。于是海蒂虚心请教。作为民间科学家,安塞尔的建议来得十分快捷,当场就给出建议,说可以考虑服用性激素腺体的提取物。谈话进行得很愉 快,而且席间海蒂意外发现安塞尔跟自己住在同一条街,属于邻居。这是件好事。以后可以多学习内分泌美容技术。于是第二天海蒂就到安塞尔家拜访,两人继续畅谈。接下来有点让人惊奇的是,话题不知怎么的就从内分泌转向了鱼雷控制,而且是海蒂而不是安塞尔改变的话题。推想起来,有可能是因为闲聊之中安塞尔透露了自己的另一个研究领域,就是用电子技术控制几台钢琴同步演奏。海蒂连日苦思那个无数专家强攻不破的鱼雷问题,听安塞尔说到同步控制技术,脑子里忽然就有一团模糊亮光在某个角落闪烁。海蒂一时不能捕捉住这团亮光,就让安塞尔详细介绍他的钢琴同步控制是怎么做到的。

等到听明白了安塞尔的钢琴控制原理,海蒂一拍大腿说:“有主意了!咱可以用很多个频道同时发送信号!”

为什么安塞尔的钢琴控制技术能让海蒂茅塞顿开,跟一个叫做钢琴卷轴的东西有关。我们先看看啥叫钢琴卷轴。下面这个纸卷就是一个钢琴卷轴。

 

 

钢琴卷轴不是用来打印,而是用来播放音乐的。

现在人们要听音乐,在家可以用电脑,在路上可以用手机。在海蒂那个年代,要听音乐但是请不起私人演奏家的话,可以用自动钢琴。这种钢琴不需要人去弹奏,它自己可以弹奏。

严格地说,其实不是真的“自己演奏”,而应该叫做程控弹奏,就是设计一组控制信号,用控制信号来驱动钢琴键锤敲击琴弦发音。控制信号写在钢琴卷轴上,就是卷轴上面的那些小洞。只要把卷轴插进钢琴里面的一个机关里,机关转动,当那些洞孔对准了机关里面的感受器的时候,就会推动一个杠杆,让对应的琴键敲击琴弦,于是钢琴就会发音。

钢琴卷轴技术不是安塞尔发明的。这个技术早在19世纪中叶就已经在欧洲广泛使用。但那时一个卷轴只能控制一台钢琴。安塞尔的独特之处是,他发明了一套装置,能让一个卷轴控制十几台钢琴,让这十几台钢琴同步发音。让海蒂得到启发的,严格来说不是安塞尔的多管道同步技术,而是钢琴卷轴本身。她一边听安塞尔讲解钢琴卷轴的原理,一边拿着一卷钢琴卷轴在手里把玩。玩着玩着,她注意到了一个有趣之处。

这 种钢琴卷轴很宽,足足有88列洞孔,每一列洞孔对应一个琴键,就像下面这个图示意的这样:左边是琴键,右边是展开了的钢琴卷轴。卷轴上的每一行洞孔都对应着一个琴键。有些行是空白的,说明它对应的那个琴键在整个曲子里一直闲着不发音。有黑点的地方就说明到了那个点上,它对应的琴键就会发出“当”的一声。有些黑点连成了一条黑线,那是因为这段时间里它对应的琴键要连续敲击。

 

 

如果这个卷轴很窄,只有一列洞孔,那么它只能控制一个琴键,比如C键。这样的卷轴只能让钢琴发出一个C音。这还不好叫做音乐。

但是因为卷轴上总共有88列这种洞孔,每一列对应一个琴键,每一列的洞口处于不同的位置,可以分别在不同的时间激发对应的琴键。有这样的协同能力,钢琴就弹奏出一段完整的音乐了。比如“两只老虎”这个曲子的第一句,用简谱表示是 | 1 2 3 1 |,就是说第一拍是 1 (do),第二拍是 2 (re), 第三拍是 3 (mi),第四拍又是 1。 总共需要 1,2,3 (C, D, E )三个键参与,在四拍里完成。

要用卷轴来控制钢琴发出这四个音,应该怎么控制?我们看下面的图3。

 


图的左边是钢琴键的示意图,C键代表 “1” (do)。

图的右边是一截简化了的钢琴卷轴纸带(只画出6道,实际有88道)的开始一段。纸带下面有时间刻度。

纸带最下面一列对应的是C键(“1”音)。这一列的第一秒和第四秒有洞孔,所以纸带走动起来的时候,会在第一拍和第四拍控制C键发音,用简谱表示就是:

| 1 0 0 1 |

第二列是在第二秒的位置有洞孔,所以它控制D键在第二拍发出 ”2“ 音,用简谱表示:

| 0 2 0 0 |

卷轴的第三列在第三秒有洞孔,您现在可以自己猜到了,它控制E键在第三拍发出 ”3“ 音,就是:

| 0 0 3 0 |

第四秒的时候D键和E键不发音,而是C键又发出一个 ”1“,就是上面说的第一行的第二个洞孔控制的发音。

四秒钟走过去,这三列纸带洞孔通力合作,控制着钢琴发出 | 1 2 3 1| 这样一个小节的乐句。

海蒂从这种卷轴的工作原理里,看到了这么一个特性:卷轴要产生的音乐,本来是一首完整的曲子,但是这个设计卷轴洞孔分布的人,要把这曲子分解成88个“分曲”,每个“分曲”只负责一个音,比如第一行分曲只负责“1”。啥时候有“1”音它就控制钢琴敲一下C琴键。其他时候就歇着。第二行分曲只负责“2”音, 轮到它发音的时候它就指挥D琴键“当”一下,其他时候歇着。以此类推。88洞孔分别控制88个琴键。这些貌似各自行动的琴键,因为卷轴洞孔位置的精确设计,最后产生的综合效果就是一首完整的乐曲。

弄明白了这个原理,海蒂脑子一激灵,冒出一个绝妙想法:我们可以用类似钢琴卷轴的原理,把控制鱼雷的无线电信号拆散开来,用很多个频道来分别发送这些拆散了的信号“碎片”。

我们用上面的图4来解释一下这个构思。图上方的一条绿框表示的是原始的控制信号(简明起见,我们假设当时是用类似莫尔斯电码那样的信号来控制鱼雷),下方的 五条绿框则是示意把这组信号拆分成五个片段,分别用五个不同的频道来发射。每个绿色长条表示一个频道,每个频道只传送两到三个信号碎片。


图上方的一条绿框表示的是原始的控制信号(简明起见,我们假设当时是用类似莫尔斯电码那样的信号来控制鱼雷),下方的五条绿框则是示意把这组信号拆分成五个片段,分别用五个不同的频道来发射。每个绿色长条表示一个频道,每个频道只传送一到两个信号碎片。

鱼雷上面的接收器同时接受这五个频道的信号。虽然各个频道传过来的都只是整个信号里的一部分碎片,但是只要把五组碎片重新组装起来,就可以知道原始信号是啥样的了。

鱼雷怎么知道要按什么顺序来重新组装?

简单。就用钢琴卷轴的原理。设计好一个卷轴的洞孔序列之后,用这个序列来控制原始信号的拆分,然后鱼雷里面的判读装置也安装一个同样的卷轴,鱼雷收到那些拆 散的信号之后,因为它手里有这个卷轴,事情就很简单了,就按照卷轴洞孔指定的拆分序列,做一个逆向操作给组装回去就可以了。只要发射一方和接受一方都有一份同样的卷轴,这个拆分的信号就保证能还原。

对于接受的鱼雷来说,这种重新组装毫不费力。但是对于试图监测拦截我方控制信号的敌军来说,想要干扰我方的控制信号就很难。因为现在没有哪一个频道会出现那种连续不断的控制信号。拆分之后的信号,每个频道只有稀稀拉拉的一点信号残片,监听的人不可能判断出哪个频道是在传送控制信号。这就无法实施干扰。何况,海蒂和安塞尔发明的那个信号拆分装置,不是只拆分成5个不同频道。他们是按照钢琴卷轴的原始做法,一家伙给拆解成了88个不同的频道。敌方就算真能监测出是哪88个频道,要是想同时干扰这88个不同的频道,那基本上就是在干扰所有能用的电子通讯频道。这么做,他们自己也别想进行正常的电子通讯了。这是不现实的。

这种把本来是在一个频道传送的信号拆解成一组碎片,分别用不同频道来分散发送的办法,有点像儿童们玩的跳格子游戏,目的是前方终点线,但中间走的路却是要在 各个通道之间跳来跳去。所以海蒂想出来的这种把原始信号拆分开来,以多个频道分散发送的技术,后来就叫做“跳频”技术,就是在多个传输频道里跳来跳去让敌人无法追踪的意思。

这个主意确实精彩,几乎像是个天外飞来的奇思妙想。海蒂和安塞尔把这个构想送到专利局之后,专利局的人立刻看到了其中的技术潜力。不过海蒂和安塞尔都不是 科班工程师,这个设计在概念上很不错,但他们捣鼓出来的具体实现方法就比较粗糙。专利局的人很热心,给他们推荐了一位大学里的电子学教授,指导他们如何具 体落实这种设计。最后他们的设计真的在1942年8月11日拿到了专利,美国专利号 2,292,387 。

海蒂很兴奋,立即向美国海军提交了自己的专利。可惜,“由于种种原因”,海军并没有采用她和安塞尔发明的这个技术。

这事也不能说海军是白痴,白白浪费这么精妙的技术。客观的说,用卷轴来控制尖端武器设备,并不是很可靠的办法。鱼雷发射之后的控制时间是以秒计算的。如果鱼雷还需要不断转动卷轴来破译收到的信号碎片,速度确实有点跟不上。海军真正用到跳频技术是到了60年代,那时候电子技术进一步发展,信号拆分和重组的控制不再需要依靠转动的卷轴,而是可以用集成电路来完成, 这就保证了速度和精确度。只是那时候海蒂的专利不但已经过期失效,还因为尘封多年,早就被人遗忘。60年代美国军方使用的跳频技术,实际上是后人重新发明的类似技术。

虽然专利没被海军采用,海蒂还是为自己这个发明感到很自豪。她向美国国家技术发明委员会提出申请,希望成为会员。委员会权衡了海蒂的实力分配之后,认为海蒂拥有跳频专利,业绩固然骄人,但海蒂同时被誉为地球第一美人,她这个头衔要响亮得多。美女演员对于老百姓的号召力,通常远高于电子技术发明人的号召力。因此委员会对海蒂提出建议,说如果海蒂利用她的明星身份为国家推销战争债券,应该可以为打击希特勒做出更大的贡献。海蒂很理性,略作思考之后,认为委员们说的确实也有道理,于是接受建议,返回好莱坞,开始巡回推销战争债券。她使用的促销技术之一是,每购买五万美元的债券,海蒂本人就会对购买人发一个带响的飞吻。这个促销技术成绩斐然,海蒂顺利推销出七百万美元的债券,海蒂容颜之靓丽,魅力之汹涌,看来确实无可置疑。而国家技术发明委员会的建议,也应该说是慧眼识珠,料事精准。

记述海蒂这项发明的文章,有不少是展现了浓浓的爱意,把海蒂列为现代手机通讯技术之母。其实这个提法略微有些用力过猛。跳频技术确实在现代手机通讯中很重要,比如CDMA技术就用到跟跳频类似的扩频技术。但CDMA毕竟跟跳频还是不同的技术,何况CDMA的研发并没有倚赖海蒂的思路,而是在不知道海蒂专利的情况下独立研发出来,直到要申请专利的时候查询既往资料,才发现海蒂的这个专利。另外,海蒂也不是最早提出跳频构想的人。跳频技术的概念,最早在1908年就有人(Jonathan Zenneck)提出过,这比海蒂的设计要早34年。第一次世界大战期间,德军曾小范围使用过跳频技术来防止英军窃听。民间方面,1930年荷兰的布洛尔杰斯(Willem Broertjes)得到过一项跳频的专利,专利号1,869,659。

尽 管如此,海蒂的这个发明确实还是不简单。首先,这个技术确实是现代电子通讯里一个极为重要的技术。跳频技术不仅仅是可以防干扰防窃听,还有其他诸多优势,比如减少传输衰落,提升传输频道利用率和通讯质量等等。其次,不管技术本身的实用价值是不是这么重大,这个打破常规的思维方式本身就有足够的含金量。海蒂不是这项技术的唯一发明者,但她也不是科班出身的工程师。就凭在丈夫的客厅里旁听一些专业讨论学到的知识,加上一个音乐家的钢琴控制技术的启发,她能以中学教育背景,基本独立构思出这么奇妙的电子设计,这样的创意还是值得赞叹。

跳频技术广泛投入使用的时候,海蒂的专利早已过期,海蒂没能从来她的专 利里获得什么经济利益。倒是1997年,海蒂的专利过期三十多年之后,国际电子前哨基金会 (Electronic Frontier Foundation)给海蒂颁发了一个特殊奖项,感谢她当年做出的这项发明。1998年,加拿大一个 叫 Wi-LAN 的公司向海蒂购买了这项专利49%的专利权,购买金额未对外界透露。因为该专利已经过期,Wi-LAN 的这个购买应该说更多的是为了对海蒂表示敬意吧。

海蒂晚年一直住在弗罗里达的一个公寓里,靠演员养老金度日。2000年,海蒂86岁的时候去世。按照她的遗嘱,她儿子把她的骨灰带回她的祖国奥地利,撒在了维也纳的森林里。

 

(#11075034@0)
2017-9-27 -05:00
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