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History

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2.6长途电话

  Graham Bell 在1876年为电话申请了专利。最初,电话是通过转接板连线到中转中心的。电话的数量急剧增长。许多通话是用分频的方法在同一线路中传输的。电话行业集中程度之高甚于电力行业,因为它是由私有公司或国家垄断组织和行业所推动的。

  横贯美国大陆的电话行业的增长是通信,也是控制间接而深刻的驱动力之一(Mindell, 2002)。1887年左右,Oliver Heaviside表明增加线路中的电感可以减少信号传输中的失真。1899年,哥伦比亚大学的 Mihajlo Pupin申请了加感线圈(loading coil)的专利(Pupin, 1899),与此同时,AT&T的George Campbell在1900年将加感线圈改进并应用在了电话线路上。这项技术随后被用于长途线路和线缆上。但是,长途信号是被动传输的,同时加感线圈技术在1911年左右达到了它允许的信号失真和衰减的极限。该项技术在纽约丹佛的线路上进行了使用。在1913年,AT&T买下了当时由Lee de Forest在1907年发明的三极管技术(Lee_De_Forest, 1906),并将其由Harold Arnold进一步开发。它使用了八个中继放大器连接纽约和旧金山,将线路从丹佛延长到了加利福尼亚。中继器的数量因更多的城市互联而增加,但就像Bode所指出的(1960),失真在这之后成为了一个主要的问题:

“大家都毫无疑问对自家高保真系统的音频放大器感到骄傲,但是我估计你们当中不会有很多人乐意听信号经过几十甚至几百个你们家里那种良好的放大器串联后得到的声音。”

  因此,利用多路复用技术增加电话线路的负载能力就有了巨大的动力,这项技术连同电缆的使用大大增加了对中继器的需求,也需要高质量的低失真放大器。在当时,主要的放大装置还是电子管,但是它有着非常严重的缺陷,如随着时间变化的非线性特性。在当时,有很多人尝试着去解决这个问题,但直到1927年贝尔实验室的Harold Black开发了负反馈放大器才取得实质性进展(Black, 1934)。其核心思想是利用无源线性原件为放大器提供反馈以减小失真。在这里引用Bode的一段文字(1960):

** “引起失真的原因有很多种,包括电源噪声,增益变化等。但决定性问题却是由终端管子的轻微非线性引起的互调(inter-modulation)。为了改善该状况做了很多种不同的尝试,如选择不同的管子,仔细调节偏移量,通过匹配管子的推拉来提供补偿特性。但在Black的发明出现之前,没有一个方法对这种情况做出彻底改善。”**

  值得注意的是,Black指的“稳定”是用来描述放大器的增益不因温度变化、下雨、天气和原件老化等原因而变化的常值性,却不是描述它对“啸叫”或者振荡的免疫性(Black, 1934)。反馈可以利用有不良特征的原件制作优良的放大器。在这项发明五十年之后,Black在他的论文中对他的发明给出了这样的观点:

“我突然意识到,如果我把放大器的输出以相反地相位反馈给输入,并且保持设备不振荡(那时也被我们称之为啸叫),我将得到我正想要的一种消除输出失真的方法。 …构建一个增益被刻意定制的放大器,也就是说比必要的高出40分贝,接着将输出反馈于输入从而抛弃了多余的增益,我们发现这样对放大的常值性和摆脱非线性产生了异常的提高。”

  Black的专利花费了九年才被授权,一定程度上是因为专利授予官员不愿相信放大器能够正常工作。他们不相信一个高达数百回路增益的反馈回路是稳定的(Black, 1977)。

  不稳定或“啸叫”常常出现在反馈放大器的试验中。因此,长途电话通信的技术挑战带来了反馈回路的稳定性问题。1932年,亨利.奈奎斯特(Harry Nyquist)就遇到了这个问题,当时他和Black参与了一个联合计划,要测试新的载波系统中的负反馈放大器。为了解决这个问题,奈奎斯特用了与麦克斯韦和Vyshnegradskii稳定性结果完全不同的方法。他探索了正弦信号如何沿着控制回路传播,而不是分析特征方程,由此产生了“奈奎斯特判据”。电子放大器的稳定性是由Kupfmüller (1938)独立研究的。他引入了信号流图,并用积分方程分析电路。

  通信的性能要求需要反馈回路的设计进一步发展。Hendrik. Bode在1934年设计均器网络时,深入洞察了反馈放大器。他研究了衰减和相位之间的关系,并引入了增益裕度和相位裕度以及最小相位的概念(Bode, 1940)。他还证明了控制系统设计的基本局限性。特别是,他证明了灵敏度函数幅值的对数积分是常值,这意味着控制本质上是一种折衷:减小一个频率的灵敏度,就会增加另外一个频率的灵敏度。他还证明了如果系统不是最小的相位的,甚至存在更加严格的限制。Bode还发展了基于图方法(Bode图)设计反馈放大器的工具,即今天所谓的环路整型。处理三极管增益的大变化特别困难。他表明,对于很大的增益变化,通过整形环路传递函数可以保持恒定的相位裕度,使得Nyquist曲线贴近一条经过原点的直线,他称其为“理想截断特性”。Bode的设计方法是鲁棒控制的第一个案例。他的研究结果基于复变函数理论,汇总在他的重要著作(Bode, 1945)中。

  AT&T公司开始把工业研究实验室作为其控制美国电信行业战略的一部分。为了执行这一战略,他们想要通过获取或防止他人获得关键专利来控制技术变革的速率和方向。他们的研究实验室在确保AT&T持有技术和专利权的控制方面发挥了重要作用(Bennett, 1993, p. 70–71)。在贝尔实验室的环境里,混合着像Bode、香农(Shannon)和奈奎斯特一类的科学家和像Black一类的工程师,这里是技术发展和基础研究的沃土。贝尔实验室已经有13位诺贝尔奖获得者。对这些人物和研究环境的观察体现在Mindell的书中(Mindell, 2002)。

  控制用于电信行业和其他行业的主要区别在于,前者是由研究实验室和许多有资质的研究人员支持的。在这个行业中,理论与实践相互交织,用于陆地线路和水下电缆的中继设备被批量生产。

(yestoday译)