现代仿生学在通信工程中的应用

现代仿生学在通信工程中的应用

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通信工程（也作 信息工程、电信工程，旧称远距离通信工程、弱电工程）是电子工程的重要分支，同时也是其中一个基础学科。该学科关注的是通信过程中的信息传输和信号处理的原理和应用。

通信工程研究的是，以电磁波、声波或光波的形式把信息通过电脉冲，从发送端 (信源)传输到一个或多个接受端(信宿)。接受端能否正确辨认信息，取决于传输中的损耗高低。信号处理是通信工程中一个重要环节，其包括过滤，编码和解码等。

通信工程的基础建立于应用数学中的数理方程。其理论起点是物质与波在傅里叶热扩散和麦克斯韦电动力条件下观察到的传播现象。

介绍完通信工程专业的解释，似乎让人觉得通信工程与现代仿生学不会有任

何关联，然后事实并非如此。 例一：蜂窝与“蜂窝网络”

蜂窝网络被广泛采用的原因是源于一个与真正蜂窝一样的数学结论，即以相同半径的圆形覆盖平面, 当圆心处于正六边形网格的各正六边形中心，也就是当圆心处于正三角网格的格点时所用圆的数量最少。

顶点到几何中心等距的多边形中，能够完整(无重叠)地覆盖某一区域可能的几何形状有：正方形、等边三角形和正六边形三种形状。在正方形、等边三角形和正六边形中，正六边形的面积最大。

所谓蜂窝移动电话是指服务区划分为若干个彼此相邻的小区，每个小区设立一个基站的网络结构。每个小区呈正六边形，又彼此邻接，形成“蜂窝”网。用若干蜂窝状小区覆盖整个服务区的大、中容量移动电话系统就叫做蜂窝移动电话系统，简称蜂窝移动电话。

蜂窝移动电话最大的好处是频率可以重复使用。采用蜂窝结构可以使用同一组频率在若干个相隔一定距离的小区重复使用，从而达到节省频率资源的目的。 蜂窝网状结构的可靠性很强，如网络出故障时提供有效的迂回路由，确保通信畅通无阻;与专线或菊花链相比更具弹性和可靠性，而且网络具有自配置、自组织和自愈的能力。

例二：大自然中的螺旋结构与光子晶体光纤

英国科学家模仿大自然中的螺旋结构，设计出传输波长为1.55 μm且具有高双折射率以及色散可调变的光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF)。此种光纤号称成本低廉，并能产生大频宽的超连续光谱(super continua)信号，可望应用于医学、测量学以及电信上。

科学家表示，这是仿生概念首度被应用在PCF制作上。Rahman等人模拟向日葵内种子排序的方式来制作PCF，他们的PCF剖面含有43个相同且彼此间距几乎相等的空气洞，空气洞的直径为0.36 μm，在直径约5-6 μm的光纤芯中以1.618的黄金比例(golden ratio)做螺旋状旋转排列。

Rahman博士表示，此种螺旋架构最能够有效率地利用空间，并提供较大的空气填充率及较佳的局旋光性，且由于空气洞的排列是非对称的，因此不会造成模态的简并。

此研究团队已着手制造上述PCF，并希望能够研究更多自然中的螺旋结构，例如他们正在研究等角螺旋(equiangular spiral)设计，并且希望能够应用在可见光及兆赫频段，同时希望能够利用复合玻璃材料来制作这些光纤组件。 例三：海豚与新型海啸预警系统

去年7月份的一天，海啸警报让泰国的部分游客与居民陷入恐慌。许多人逃到了山上。不过他们很走运，海啸并未出现，几小时后惊魂未定的人们回到村庄。这件事表明，目前安装在近海的新型海啸预警系统还不够可靠，信息传送迟缓。

这些问题即将得到解决。德国莱布尼茨海洋科学研究所的科学家们研制出了一种新型调制解调器。它可将海底传感器发出的信号迅速传送至预警浮标，后者则会通过卫星将信号直接传输至监控中心。

研制出这种调制解调器的德国科学家从海豚的叫声中得到启迪。康斯坦丁克布卡尔在柏林理工大学研究仿生学与海洋动物的声音传播，他发明的无线传输技术可从海底迅速且不受干扰地向海面传送数据。

克布卡尔说：“我们在黑海的实验中发现，海豚靠在超声波领域调制信号来彼此联络。”因为水、礁石和海底断层反射声波，所以海洋动物会根据环境改变发音频带以调整自己的声音信号。这样即便在不利于声波传导的环境中，海豚也能将信息传递数公里远。 “海豚的通讯频率在4千赫到80千赫之间。它们能以

16千赫的频率将叫声传至10公里之外，”这位仿生学家说。

达到这一距离是科学家的远期目标。目前这种超声波调制解调器可将数据传送2公里远，科学家计划下一步将距离延长至6-8公里，从而使深海海沟也能处在监测下。

“这种超声波调制解调器每秒可传送33K字节的数据，因此能传送海底传感器拍摄的录像与图片，”克布卡尔说。调制解调器的发射频率会根据波浪的起伏

和其他干扰因素自动作出调整。在北海和波罗的海的测试中这种设备运转良好。

去年11月，它将作为德国地学研究中心研制的海啸预警系统的一部分在印度尼西亚沿海投入使用。

这套预警系统寄希望于无线数据传输。地震传感器被固定在5公里深的海底，可通过超声波调制解调器将数据传送至安装了全球卫星定位系统的浮标。迄今的海啸预警系统均使用电缆传送数据，因此建立完备的预警系统需要铺设上千公里的特种电缆，耗资巨大。

布卡尔说：“敏感的预警系统没什么用，它的数据不可靠，传送速度慢。”新系统恰好解决了这些问题。一旦发生地震，压力传感器就会报警。几分钟后，预警系统就会通过互联网和短信发布警报，使人有足够的时间逃生。

通过以上几个例子，每个人都会对仿生学的运用大开眼界，即使在通信工程

这样略抽象的领域都能加以运用并取得不错的效果。

大自然现在存在的所有生物及非生物都是经过几千万年进化淘汰的成果，它

们的构造及机能都是极其完美高效的。对于它们的研究将会更加深入，仿生学也必将越来越炙手可热。

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