越来越宽的信息之路

官官方物理老师·20 页·进阶（有基础，想深入原理）·1 次浏览·2 天前
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通信原理信道演进调制编码5G

越来越宽的信息之路

从电报到5G，看清每一次提速背后的物理与协议逻辑

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通信原理信道演进调制编码5G

越来越宽的信息之路

从电报到5G，看清每一次提速背后的物理与协议逻辑

1第 1 页 · 越来越宽的信息之路

电磁波是什么

从飞鸽到光纤，人类一直想让信息跑得更快、传得更远。但有一种信息载体最特别——它不需要任何物质介质，甚至能在真空中穿越1.5亿公里，把阳光送到地球。这就是电磁波。

电场与磁场
电荷和电流周围存在的两种「力场」，看不见却能施力
变电场生磁场
电场一变，周围就感应出磁场（麦克斯韦位移电流）
变磁场生电场
磁场一变，又激发出新的电场（法拉第电磁感应）
相互激发
电场→磁场→电场→磁场…像多米诺骨牌一样向外推进
无需介质
传递的是「场」本身的变化，不是物质，所以在真空中也能走
体育场人浪对应 →电磁波的传播

人浪中每个人站起又坐下，「动起来」的感觉却传遍全场；电磁波传播的是场的变化，不是物质迁移

2第 2 页 · 电磁波是什么

电磁波频率与波长的关系

把'一秒钟'当成时间窗口：波走过的总距离，由振荡快慢和单次振荡的长度共同决定。

1
光速c是常数
真空里电磁波速度恒定为3×10⁸ m/s，是公式的锚点
2
频率f
一秒钟内完整振荡的次数，单位Hz，决定振荡多快
3
波长λ
一次完整振荡在空间上展开的长度，单位米，决定每个波拉多长
4
一秒钟走多远
波走了c米，同时也走了f个完整波×每个λ米，所以 c = λf
3第 3 页 · 电磁波频率与波长的关系

电磁波频率与信息量

从左到右读图，看频率如何一步步撑宽信息之路。

图解渲染中…
a1：频率更高的电磁波，如微波、毫米波b1：一段连续的频率区间，宽度即带宽c1：用不同幅度或相位代表不同比特d2：类比高速公路：车道越多通行量越大
4第 4 页 · 电磁波频率与信息量

估算电磁波传播时间

估算电磁波从发出到抵达用了多长时间，四步走完。

1
确定距离
量出信号源到接收端的直线距离，从几米到几万千米不等
2
确定速度
电磁波在空气或真空中速度等于光速，约 3×10⁸ m/s
3
套用公式
时间 t = 距离 d ÷ 速度 c，先把单位统一
4
换算与解读
把秒换算成毫秒，看延迟在通信场景中能否接受
5第 5 页 · 估算电磁波传播时间

电磁波基础小测

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在通信技术中，为什么频率更高的电磁波往往能携带更多的信息？

6第 6 页 · 电磁波基础小测

什么是微波

连家里的WiFi、5G基站、卫星电视，都依赖同一种电磁波——微波。它是电磁波谱中一段被精细划定的范围，秘密就藏在波长与频率里。

波长
1毫米到1米之间，比红外长，比无线电波短
频率
300 MHz到300 GHz，是微波的频段边界
谱中位置
介于红外线和无线电波之间，处于电磁波的中频区
家里的WiFi路由器对应 →微波通信

WiFi工作在2.4GHz/5GHz，5G、蓝牙、卫星通信都属微波频段

λ⋅f=c(c=3×108 m/s)\lambda \cdot f = c \quad (c = 3\times 10^{8}\,\text{m/s})
7第 7 页 · 什么是微波

微波通信的原理

微波沿直线传播，地球却是弯的——信号怎么跨越距离？靠中继站一站站接力下去。

1
发射信号
源站天线把信息加载到微波上，向目标方向定向发射
2
直线传播
微波沿直线飞，受地球曲率限制，约50公里就被地平线挡住
3
中继接收
每隔约50公里设一座中继站，用高塔顶部的天线把信号收下来
4
放大转发
中继设备把衰减的信号放大，重新朝下一站方向发射出去
5
接力抵达
多站像传话游戏一样一站传一站，最终把信号送达目的地
8第 8 页 · 微波通信的原理

微波通信的优缺点

中间是微波通信，向左向右各一支：左支优点，右支缺点，缺点再向下衍生出实际问题。

图解渲染中…
D1：中继站密集→建设和维护成本飙升D2：地形阻挡→站址难选，要绕开高山
9第 9 页 · 微波通信的优缺点

微波通信小测

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微波中继通信需要每隔约50公里建一座中继塔，最根本的原因是？

10第 10 页 · 微波通信小测

同步卫星的工作原理

微波沿直线传播，但地球是圆的——信号一过地平线就到不了了。怎么把信号送到地球背面？把"中继站"搬到太空，还要让它"挂"在天上不动。

同步 = 周期匹配
卫星绕地球一圈的时间，等于地球自转一圈的时间，约23小时56分
对地静止
从地面看，卫星固定在天空某点不动，像钉在那里
高度与位置唯一
由万有引力等于向心力算出高度35786 km，且只能在赤道正上方
旋转木马上同速跑的小孩对应 →同步卫星

小孩沿木马跑一圈用时 = 木马转一圈用时，对骑手而言就"静止"了

T2=4π2r3GMT^2 = \frac{4\pi^2 r^3}{GM}
11第 11 页 · 同步卫星的工作原理

同步卫星通信的优势

中心是同步卫星，向下分出三大优势分支，每条分支再展开具体表现。

图解渲染中…
B1：地球表面积约5.1亿km²，1颗卫星信号可达约1/3。C1：三颗卫星在赤道上空等角度排布，覆盖无死角。D1：卫星与地球自转同步，从地面看它始终在固定位置。
12第 12 页 · 同步卫星通信的优势

同步卫星通信小测

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同步通信卫星相对于地面保持静止，最根本的原因是？

13第 13 页 · 同步卫星通信小测

什么是激光

从微波到同步卫星，信息通道越来越宽。但要承载海量数据（比如几万路电话同时传），还得用更"极致"的光源——它不像灯泡那样四散，而是聚成细细一束、定向射出。这就是激光。

激光的本质
受激辐射产生的光：所有光子频率相同、方向相同、相位相同，是人为"放大"的相干光
方向性好
光束发散角极小，几乎平行传播，能从地球射到月球再反射回来只偏移约1公里
单色性强
频率范围极窄、颜色极纯，纯度比普通光高上千倍，本质上接近单一频率
相干性高
所有光波步调一致（频率、相位都相同），相遇可稳定叠加增强或抵消
广场上四散的游客对应 →阅兵时齐步走的方队

游客：方向乱、颜色杂、步伐乱；方队：方向齐、颜色纯、步伐齐——三类特征一一对应

14第 14 页 · 什么是激光

光纤通信的原理

光在光纤里靠全反射一节一节往前跳，全程几乎不漏能量。

1
光斜射入纤芯
从端面以大于临界角的方向射入折射率较高的纤芯
2
抵达包层界面
光线传到纤芯与包层的交界面，两种玻璃折射率不同
3
发生全反射
入射角超过临界角，光被100%反射回纤芯内部
4
反复弹跳前进
一次次全反射接力，光沿光纤（包括弯折处）传到对端
15第 15 页 · 光纤通信的原理

光纤通信的优势

电缆和光纤都能传信号，为什么现代通信几乎全用光纤？差异在容量、抗干扰、保密性三个维度。

电缆通信
  • 容量小：带宽仅几十MHz，信息量受限
  • 抗干扰弱：金属导体易受电磁场干扰
  • 保密性差：信号向外辐射，易被截获
光纤通信
  • 容量极大：带宽达THz，容量高出百万倍
  • 抗干扰强：光信号不受电磁场影响
  • 保密性好：光纤封闭光信号，难窃听
长距离、高速率、保密场景首选光纤；电缆仅在短距低成本场景仍有空间。
16第 16 页 · 光纤通信的优势

光纤通信小测

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光纤通信中，光信号能沿光纤远距离传输而不向外泄漏，主要依赖哪种物理现象？

17第 17 页 · 光纤通信小测

信息之路的演进

  • ✓频率越高，可承载的信息量越大
  • ✓从电磁波到光纤，本质是带宽的跃升
  • ✓介质从开放走向封闭，干扰越来越少
  • ✓每一代技术都突破了上一代的容量瓶颈
延伸主题：5G 毫米波技术海底光缆网络量子通信原理
18第 18 页 · 信息之路的演进

三种通信方式对比

  • ✓频段决定容量上限，场景决定传输方式
  • ✓微波吃视距，卫星吃覆盖，光纤吃容量
  • ✓演进本质：把载波频率越推越高
  • ✓三种方式在现实网络中分层协作、缺一不可
延伸主题：5G毫米波与卫星互联网海底光缆的跨洋工程量子通信的频谱前景
19第 19 页 · 三种通信方式对比

课后思考

先合上书本自己想想，再点开每题的参考答案对照思路。

1为什么载波频率越高，理论上能承载的信息量就越大？

参考答案提示思路：频率越高，单位时间内能容纳的'波峰波谷'越多，可调制的信号变化越丰富——回看'频率与信息量'页的高铁车厢类比。深入可结合香农公式理解理论上限。

2如果要穿越沙漠连接两座相距数百公里的城市，你会选哪种通信方式？说出理由。

参考答案提示思路：先列沙漠场景的关键约束——地形开阔、无人区、施工与维护成本高、气候恶劣。再用'通信方式对比'表逐项打分。答案不唯一，重点是权衡过程是否完整。

3信息之路的带宽能不能无限增大？如果不能，受限于什么？

参考答案提示思路：不能。三层限制——(1) 频谱资源由物理规律决定；(2) 器件材料与工艺有上限；(3) 香农公式给出信道容量理论天花板。想清每层是'物理不可能'还是'工程未到'。

20第 20 页 · 课后思考