每天,人们使用移动设备进行通信、流媒体视频、查看天气、导航、玩游戏以及使用成千上万的其他应用程序。直到最近几十年,这些技术才变得更容易获得。无线技术也是射电天文学、卫星、电视和无线电广播、地理定位和导航服务以及遥感的基础。

Vintage black and white photo of Guglielmo Marconi working with equipment at a workbench.

使我们每天都在使用的无线服务的最初实验并不像一些人想象的那么古老。事实上,就在125年前,美国第一个已知的远程无线传输是在圣母大学的校园里完成的。

这是美国已知的第一次长距离传播

在1894年末和1895年初的意大利,意大利发明家古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)正在试验将无线电信号传输到更远的距离。他发现,他的信号甚至可以从建筑物内部传播到门窗打开或关闭的室外,并被接收。这一发现鼓舞了马可尼和他的团队。他致力于自己的设备,九博体育研究当时的其他创新者,并逐渐将传输距离增加到一英里。他后来搬到英国继续他的实验。

A vintage black and white photo of Professor Jerome Green looking to the right.
杰罗姆·格林教授的肖像。图片由巴黎圣母院档案馆提供。

1899年4月,在马可尼成功的基础上,圣母大学教授杰罗姆·格林和他的助手们开始制造他们自己的传输设备。他们开始的方式和马可尼一样,从科学大厅(今天的拉福学生中心)的房间里发送信号,然后发展到从科学大厅向校园的索林大厅发送信号。根据1899年4月22日《巴黎圣母院学术杂志》上的一篇文章,格林决心让他的助手站在无线电传输技术的最前沿。

“他让他们整个星期都在九博体育研究马可尼无线电报,”文章写道。“据我们所知,到目前为止,他们在这里的运作比在美国任何其他机构的运作都要成功。”

这些实验引起了该地区的注意。《芝加哥每日新闻》1899年4月18日版的九博体育是“文字在空中飞舞:印第安纳州南本德的无线电报测试证明完全成功”。在这篇文章中,格林说:“这是第一次用不从国外进口的仪器进行成功的实验。当然,想到我是这个国家第一个制造这种设备的人,我感到一点也不自豪。也许我是在要求一种不属于我的荣誉,但是在这个国家里,如果还有其他人用自己的机器完成了这项工作,我还没有听说过他。”

成功传输的距离继续增加,4月19日,格林和他的团队利用圣心大教堂的塔传输了远距离信号。格林在218英尺高的塔尖附近挂了一根由150英尺长的电线制成的天线。他和他的团队使用了一个赫兹波发射器,这是他和他的助手们建造的。

这条线路在圣母院和圣玛丽学院(今天的圣玛丽学院)之间架起了桥梁,在圣玛丽湖和两所学校之间的树林上空传输了一英里多的距离。

A vintage photo of a Spark-gap transmitter used in Green's testing.
火花隙变送器用于格林的测试。图片由巴黎圣母院档案馆提供。

格林的团队与圣玛丽学院(Saint Mary 's Academy)的英语和物理教师M. Antonine (Farmer)修女(c.s.c.)合作,她鼓励并领导了该学院女性的科学九博体育研究。她和她的学生们使用马可尼相干器(一种用于探测无线电波的设备)接收到传输信号。安东尼修女和格林教授是当时合作做实验的同事。

1899年4月22日的《巴黎圣母院学术杂志》详细描述了这一事件:

“准备一切花了两三个小时,学校里的每个人都在焦急地等待审判的结果。当一切都结束后,接线员按下了键,发出了一个信号,学院回复说已经收到了。据我们所知,这是在这个国家发送信息最远的距离,科学部门的男孩们为他们的成功感到欢欣鼓舞。格林教授正在准备一种新仪器,并将在不久的将来进行进一步的实验。”

具有讽刺意味的是,通过校园间的固定电话,格林和安东尼的团队之间的无线传输被证实是成功的。

圣母大学对该实验的官方描述被认为直接来自1934年11月的圣玛丽学院校友杂志《信使》。它是由玛丽昂·麦坎德利斯写的,她是1890年的校友,也是安东尼修女的学生,当时在圣玛丽学院学习物理。

A black and white poster created to promote the wireless experiments on Notre Dame and Saint Mary's campuses.
为宣传巴黎圣母院和圣玛丽大学校园无线实验而制作的海报。

“虽然确切的记录已经丢失,但我们相信字母‘O’是用摩尔斯电码从圣母大学校园发出的,”电气工程系副教授乔纳森·奇苏姆(Jonathan Chisum)说。莫尔斯电码中的字母“O”很容易在接收端清楚地解释,因为它由三次较长的电报键按组成,称为破折号(- - -)。

在格林实验成功的消息传来后,九博体育研究小组将其传输目的地从圣玛丽转移到了南本德的另一个地标:大约三英里外的圣海德威格天主教堂的塔楼。这个实验再次取得了成功,格林被《芝加哥论坛报》邀请到芝加哥,在更大的范围内重复这个实验,他再次取得了成功。

1899年4月23日,芝加哥的《星期日纪事报》刊登了一篇关于“通过电报接收和发送图片”的文章。同一天,《芝加哥星期日论坛报》刊登了一篇关于格林成功的文章,题为《马可尼测试成功:从论坛报到马奎特大厦的电报信息无需电线就能发送》。杰罗姆·格林负责。首次证明了该系统可以在大型城市钢结构中应用。这些文章概述了自制设备的重要性和正在实现的新传输距离。

格林继续在圣母大学任教并从事九博体育研究工作,直到1915年搬到圣地亚哥。在那里,他曾在几所高中和大学任教,并担任太平洋技术大学(Pacific Technical University)电气工程教授和院长。他于1927年退休,1943年去世。

无线创新在巴黎圣母院扎根

自从格林在圣母大学首次涉足无线九博体育研究以来,圣母大学就以他的遗产为基础,继续在这一重要九博体育研究领域进行投资。

自格林时代以来,在圣母大学从事无线技术和九博体育研究工作的著名教师包括詹姆斯·梅西(James Massey),他是前弗兰克·m·弗雷曼(Frank M. Freimann)电气工程教授,在信息理论、编码理论和密码学领域的数字通信方面取得了进展;Dan Costello, Bettex电气工程荣誉教授,他在数字通信方面的九博体育研究主要集中在错误控制编码和编码调制;电气工程教授、原工程学院教育与本科专业高级副院长黄奕芳;电气工程教授兼工业实验室主任托马斯·富贾(Thomas Fuja)是圣母大学与当地工业合作的平台。Costello, Huang和Fuja还担任了电气工程系的连续主席,并聘请了一些对无线通信和网络感兴趣的额外教员。这些员工包括电气工程副教授乔纳森•奇苏姆(Jonathan Chisum);电气工程教授、电气工程多样性、公平性和包容性主管莫尼卡·高希;弗兰克·m·弗雷曼(Frank M. Freimann)电气工程教授马丁·亨吉(Martin Haenggi);弗兰克·m·弗雷曼(Frank M. Freimann)电气工程教授、无线九博体育研究所联合主任伯特兰·霍克瓦尔德(Bertrand Hochwald);电气工程教授、无线九博体育研究所联合主任、美国国家科学基金会(NSF)频谱创新中心SpectrumX主任Nick Laneman;托马斯·普拉特,电气工程九博体育研究教授。

自2010年以来,该大学通过工程学院的无线九博体育研究所组织了在该领域不断增长的九博体育研究。该九博体育研究所的建立是为了利用圣母大学的丰富经验,解决涉及无线电技术和频谱政策的重要跨学科问题,并扩大大学对世界的影响。在Hochwald和Laneman两位共同主任的领导下,该九博体育研究所已经成为一个大创意和大型项目的孵化器,涉及来自大学和全国各地各个学科的教师。

通过无线九博体育研究所,教师们在圣母大学创建了第一个NSF工业大学合作九博体育研究中心项目,现在领导着SpectrumX。SpectrumX是世界上最大的学术中心,无线电频谱利益相关者在这里进行创新、合作,并为九博体育研究和频谱政策做出贡献,目标是最大限度地提高无线电频谱本身的社会福利。该中心目前拥有30个成员机构。今年,SpectrumX将在弗吉尼亚州阿灵顿市举办第二届年度NSF频谱周,并在同一地点举办六场与频谱相关的活动。

无线九博体育研究所还领导着中西部无线创新战略发展联盟和经济发展管理局(EDA)技术中心计划的成员。该联盟将致力于发展一个由21个地区和国家合作伙伴组成的网络,这些合作伙伴将集中精力在印第安纳州、密歇根州和伊利诺伊州的无线技术创新、商业化和劳动力培训方面。

Portrait of James Massey

詹姆斯·梅西

前Frank M. Freimann电气工程教授

Portrait of Dan Costello

丹·科斯特洛

Bettex电气工程荣誉讲座教授

Portrait of Yih-Fang Huang

Yih-Fang黄

电气工程教授,前工程学院高级副院长,负责教育和本科项目

Portrait of Thomas Fuja

托马斯Fuja

电气工程教授,工业实验室主任

Portrait of Jonathan Chisum

乔纳森Chisum

电子工程副教授

Portrait of Monisha Ghosh

Monisha Ghosh

电气工程教授兼电气工程多样性、公平性和包容性主管

Portrait of Martin Haenggi

马丁Haenggi

弗兰克·m·弗雷曼电气工程教授

Portrait of Bertrand Hochwald

伯特兰Hochwald

弗兰克·m·弗雷曼(Frank M. Freimann)电气工程教授,无线九博体育研究所(Wireless Institute)联合主任

Portrait of Nate Laneman

尼克Laneman

电子工程教授,无线九博体育研究所联合主任,美国国家科学基金会(NSF)频谱创新中心SpectrumX主任

Portrait of Thomas Pratt

托马斯·普拉特

电子工程九博体育研究教授

Portrait of Paul Brenner

保罗·布伦纳

九博体育研究教授,计算九博体育研究中心高级副主任,实践教授

Portrait of Aaron D. Striegel

Aaron D. Striegel

计算机科学与工程教授

以重演纪念125周年

2024年4月19日,也就是格林在圣母大学校园里成功实验并在圣玛丽学院接收到信号125年后,两所大学的教师、学生和嘉宾聚集在一起,重现了信号传输的过程,提高了人们的认识。

“巴黎圣母院从无线技术诞生之初就参与其中,当时它还处于起步阶段,”电气工程教授奇苏姆说。“无线技术起源于这些最初的传输,在平民的日常生活、工业和国防目的中有很多用途。这就是为什么我们继续投资这一九博体育研究领域,现在庆祝它的影响。”

1899年,在最初的实验中,格林必须在一个功率水平和一个宽频带上传输一个莫尔斯电码字母,这在今天是不可能在不影响其他人的情况下复制的。如果今天使用像格林这样的发射机,它会中断蜂窝、Wi-Fi和应急响应无线网络,因为它在无线电频谱中如此广泛的频率范围内使用如此多的功率。

4 males, including Nick Laneman, Jonathan Chisum, and Bert Hochwald sit around a table collaborating.
巴黎圣母院电气工程教师Bert Hochwald, Jonathan Chisum, Nick Laneman和博士生Christopher Wahl讨论杰罗姆格林实验的现代重演。

在现代的重现中,奇索姆和他的团队不得不进行自己的实验,以找到发送和接收信号的最佳方式。在1899年,整个地理区域只有一个发射机和一个接收器接入无线电频谱。格林可以在今天用于关键基础设施的广泛频率范围内以非常高的功率自由传输。

当时只有一个发射机在工作,圣玛丽的接收器可以根据任何频率的信号被触发。通过早期的户外测试,奇苏姆和他的同事们很快意识到,相干接收器会不断地被许多其他使用当前频谱的无线信号激活,从而使通信变得不切实际。他们必须找到一种方法来避免对其他接收器产生干扰,并保护自己的接收器不受其他发射器的干扰。

奇苏姆和无线九博体育研究所的联合主任霍赫瓦尔德开发了一种火花隙发射机,与格林和马可尼使用的发射机类似,但发现它违反了联邦通信九博体育(亚洲版)在线官网(FCC)的规定。即使将发射机过滤到开放波段也是不够的。最终,他们决定尝试在FCC允许高功率传输的低频业余无线电频段上传输信号。

Man feeding wires through a tube protruding through a hole above a stained glass window from the interior of the basilica steeple. Looking up view of the wire hanging from the window of the basilica.
圣母院电气工程系的电子工程师Clint Manning和其他九博体育研究人员在圣母院校园的大教堂里安装传输设备。

教授们参观了圣心大教堂(Basilica of The Sacred Heart),发现了一个开口,可以作为通往建筑物外部的通道,在塔下大约150英尺(约合160米)处放置一根天线线,格林就是这么做的。在美国圣玛丽大学的933校区,教职员工和学生助理在伯特兰大厅的屋顶上悬挂了一个50英尺高的天线。这两个点之间的直接传输路径为1.1英里,从无线电波传播的角度来看,今天的传输路径与1899年非常相似,都是穿过湖泊和一小片树林。

在重现的那天早上,奇索姆指挥由教职员工和学生组成的团队完成了传输,其中包括圣母大学电气工程专业大三学生杰克·科拉奥(Jack Corrao)和圣玛丽学院物理学专业大四学生、圣母大学电气工程专业大三学生布里安娜·杜威(Brianna Dewey)。随着传输的建立,奇森介绍了一些早期科学家的历史背景,这些科学家的发现推动了无线电报的发明。

Team working on the roof of Bertrand Hall to install a rod that is used to hang the wire needed for the experiment. A team of researchers and students watching a spectrum analyzer inside Bertrand Hall. The screen of a spectrum analyzer showing colors and gradients of measured spectrums.
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除了庆祝125年的无线九博体育研究,这次活动还强调了巴黎圣母院和圣玛丽大学之间的长期合作关系。两所学校通过科学、技术、工程和数学(STEM)领域的合作伙伴关系继续保持合作关系,其中包括一个为期五年的双学位工程项目。该计划从学生开始在圣玛丽学习开始,并逐步将他们的学习融入两所学校的融合中。

“科学一直是圣玛丽教育的核心。圣玛丽学院生物学教授、环境九博体育研究系主任、科学、技术、工程和数学(STEM)系主任Cassie Majetic说:“安东尼修女从一开始就明白,与圣母大学建立牢固的关系会拓宽学生的机会和视角。”“从最初的、历史性的交流——一个在两位科学家和朋友之间想象的事件——到今天我们两个校区之间持续的学术机会,我们看到我们两个机构之间的合作精神得到了确认和巩固。我们是致力于推进STEM领域的共同社区的一部分。”

Map of transmission path from the basilica on Notre Dame's campus to Bertrand Hall on Saint Mary's campus.
地图显示从圣母大学到圣玛丽学院的传播路径。

无线的未来仍在南本德书写

电气工程教授莫尼莎·高希说:“尽管第一次已知的无线传输发生在125年前,但直到最近50年,消费者才真正从无线连接中受益。”

Monisha Ghosh looking left with a spectrum allocation map poster behind her.
moisha Ghosh,电气工程教授,她的海报九博体育是“美国频率分配;背景是“无线电频谱”。

自从第一次已知的无线通信以来,电磁频谱已经变得相当拥挤。Ghosh解释说,这意味着我们需要更有效地管理频谱,并在不造成有害干扰的情况下在不同用例之间共享频谱。这是具有挑战性的,因为一些需要频谱资源的系统对国家安全至关重要。

高希说:“在拥有大量土地的郊区,人们可以建造一个由间隔良好的单户住宅组成的社区。”“然而,在人口密集的城市环境中,土地稀缺,人们需要垂直建造。因此,您可以将不同的用途分层到同一块空间中。频谱是相似的:当许多用例竞争同一频谱时,使用技术在时间、频率和/或空间上有效地共享频谱变得越来越重要。”

考虑到频谱九博体育研究的未来增长和投资需求,无线九博体育研究所联合主任兼SpectrumX主任Nick Laneman表示,现在是一个关键时刻,既要从过去学习,又要与合作者合作,为未来创新。“所有这些技术和无线应用的成功现在带来了平衡无线电频谱多种用途的挑战。这个时机非常吸引人,因为目前正在围绕美国国家频谱战略进行讨论,以及SpectrumX如何做出贡献,”他说。“在圣母院,我们深深地参与了这一讨论和相关的九博体育研究项目。通过该中心和我们参与的其他倡议,我们正在努力使学术九博体育研究对政策制定者更有用。这是美国无线创新和监管的关键时刻。”

圣母大学与包括圣玛丽学院在内的众多合作伙伴一道,继续走在无线技术、政策和九博体育研究的前沿。在剑桥大学庆祝无线技术125周年之际,九博体育研究人员展望了下一个125年的创新。

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