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【大象讲堂03】从海浪轻松理解手机通讯的基本原理

【大象讲堂03】从海浪轻松理解手机通讯的基本原理

疫情肆虐,偶尔在海边散步给家人打电话,看着远处一艘快艇驶过,海浪一波一波的涌来,拍打着岸边,发出哗哗的响声。

海浪似乎是从远处奔涌而来。不过仔细想想不对:港湾水流动很慢,远处的水跑过来很不容易,那些拍打岸边的,大都是靠近岸边的水。

就像球场观众席上的人浪从第一排传递到最后一排,但每一排其实都还在原地。“波浪”更多的是传递能量和信息,可以不传递物质。

图1. 海浪带着能量和信息而来

除了这个现象外,还有几个其他现象也很有趣:

  • 如果多艘船经过,产生的波浪会交叉碰撞,但交会过后还会继续按各自的波形前进,互相不影响。很多“过船事件”交叉在一起,浪花变得无规则,但仔细深究,每一朵浪花都在自己的位置记录了海面发生的“故事”。

  • 船只越大速度越快,激起的波浪幅度也越大,传播的距离越远。有时传到岸边波形已经很弱,但是放大观察,它们还都在杂波中保持原来的波形,直到最后被“淹没”观察不到。

  • 船体大小对波浪敏感程度不同,小船对大浪敏感,大船对小浪不敏感。假设岸边安装一个“波纹检测器”,根据波纹反推回去,就应该能知道远处船只大小、速度、方向、距离等信息,环境越安静越容易接收。

如果了解这些,其实就已经理解了无线通讯的基本概念。这些看似简单的自然现象中,已经包含了很多的科学原理:比如无线传输、叠加与干涉、功率放大与衰减、信号噪声比、天线灵敏度等等。

手机是现代科技的杰出代表,下面我们通过海浪来比拟,试图让更多人轻松理解现代科技的简单概念。毕竟每天都在用,了解更多心里会踏实些。


一、无线传输

电磁场跟水波类似,但它的速度等于光速。电子类似水分子,它们虽然也可以快速运动,但是做定向运动的速度很慢。就像水流比水波更难快速从远处跑过来一样,帮我们传递信息的,其实都是我们周围的那些电子。

比如我们从中国给美国打电话,电子无需从中国跑过去,只需要电场到了,那些电子就会随着电磁波的节拍运动,从而传递信息。

我们所处的空间,其实到处都充满了各种各样的电磁波,只是我们看不见它们。它们看似杂乱无章,但是我们却能从中接收分离得到各种有用信息,从而实现信息在全球无线传输,瞬间即通。

图2. 无处不在密密麻麻的电磁波


二、天线

手机靠天线接收信号,天线内的电子随着外来的电磁波节拍起舞,表现出它的波形信息。不同的天线对不同频率的电磁波敏感程度不一样。频率越高,波长越小。现代手机工作频率更高了,所以天线也比过去的大哥大线更小巧。下图形象展示了跟波长尺寸相当的物体更敏感,也就是它可以更准确的传递波动的信息。


图3. 不同尺寸对波的敏感不同


三、杂波与滤波

如同海水由船只,鱼,海风,岸等各种因素形成不规则的浪花一样,空气中电磁波远比海面的浪花复杂。移动基站、手机、WIFI、GPS卫星等等都在发射电磁波,都在影响电子的行为。这就需要一个“滤波器”来过滤其他波形,选择出我们需要观察的波形,才能得到我们想要的信息。

需要说明的是,所谓的“杂波”相对的。比如对收音机的而言,手机和电视信号都是杂波,因为收音机无法解调这些信号。

为了不互相干扰,国际组织还规定了各种设备所使用的频段。比如收音机、电视机、手机使用的频段都不相同。滤波器可以让需要的波形通过,而阻止其他波形,这样电信号更容易识别和处理。

图4. 滤波示意图


四、放大衰减与信号噪声比

大船掀起的浪花大传播的远,小船掀起的浪花小,会被“噪声”淹没。要在空气中传播电磁波,需要进行功率放大后发射出去。即便如此,远处的接收端的信号还是很微弱,因此需要低噪声放大器。发射靠的是大功率,接收靠的是高灵敏度。另外还要靠各种基站卫星中继,目的只有一个:就是让有用的信号更清晰传播更容易。

图5. 信号与噪声


手机发射接收信息的主要模块下面几个,我们已经理解了一大半:

1. 天线(Antenna):接收电磁波或将电磁波发射出去。
2. 滤波器(Filter):滤出需要的波,保障信号在不同频率互不干扰传输。
3. 功率放大器(PA):负责发射通道的射频信号放大;
4. 低噪声放大器(LNA):负责接收通道中的小信号放大;
5. 开关(Switch):负责接收、发射通道之间的切换;
6. 双工器(Duplexer):负责发射接收双工切换。
图6. 手机主要工作模块

至于其他的模块,比如电源提供电力,人机接口提供屏幕显示键盘输入耳机音箱等,基带和处理器都是处理数字信号,比较容易理解。

手机就像海岸边的“波纹检测器”一样,通过天线检测到一系列电磁波,然后滤波、放大,再根据规则(协议)把它还原出来,于是我们就看到了远处的信息图像,听见了远处的声音。我们的信息以相反的形式,通过天线发射出去,别人也听见看见了我们,就是这么简单而神奇。

(大象 20200331)
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