超强科普：从1G到5G
老和山下的小6月6日，中国5G商用牌照已经正式发放，花落四家机构。值此值得纪念的时刻，给大家分享一篇有关5G的科普文章。
一、电磁波
要说5G，不懂点电磁波是不行的。提问：仙人掌能防电脑辐射吗？知道答案的大盆友直接看后半篇，下面这段写给小盆友。
日常生活中，除了原子电子之外，剩下的几乎全是电磁波，红外线、紫外线、太阳光、电灯光、wifi信号、手机信号、电脑辐射、核辐射，等等。只要是波，就逃不过三个参数：波速、波长、振幅。电磁波的速度是恒定的光速，因此只需考虑：波长(或频率)、振幅(不考虑方向)，其中频率对于电磁波来说，尤为重要。
频率越高，对应着电磁波的波长越短，能量越高，衰减越快，穿透性越差，散射越少，对人体伤害越大。就着这个原则，咱从头到尾捋一遍。
长的电磁波波长能到1亿米，频率3Hz，1秒钟三个波，如果用来通信的话，等你一句话说完，就可以过年了。
稍微正常点的电磁波，波长几万米，用这通信，就一个字：稳！江河大山都挡不住，甚至能穿透几十米深的海水(海水导电，是电磁波的克星)。不过就这点频率，只能勉强携带点信息，发一个hello，大概需要半小时，也就比写信稍微强点。因为超长波实在是稳，一般用在岸台向潜艇单向发送命令。
再短点，几十米波长的电磁波，频率就到了百万赫兹MHz级别，能携带的信息就很可观了，一句话至少能说利索了。而且照样还能跑很远，几百公里不在话下，所以收音机广播、电报、业余无线电一般用这个频段。
说点有用的，假如你困在荒岛上，有个飞机路过，赶紧用121.5MHz呼救，这是民用紧急通信频率，还有个军用紧急通信频率243MHz，这些都是不加密的公共频率。上次解放军和台军战机对峙，双方用这个频率对话，结果被无线电爱好者录下来放网上了，吃瓜群众喜闻乐见之余，又担心我军通信太容易被破解，真是阿弥陀佛了。
波长再短点，到了1米~1厘米，就有意思了。一方面，虽然衰减已经很明显了，但一口气还能跑个百十公里，够用；另一方面，频率到了GHz级别，能携带足够多的信息，不但话能说利索了，还有多余功夫让你加个密什么的。所以这个波段是通信的焦点，什么1G2G3G4G，什么卫星通信雷达通信，全在这，统称微波通信。
到了毫米级，电磁波就跑不了多远了，虽然毫米波不太发散，但很容易被周边物质吸收或反射，几乎没啥穿透性，用来通信很鸡肋，不过用在导弹导引雷达或微波炉上棒棒的。但，毕竟频率超过了30GHz，携带的信息量实在太馋人，要不还是试试吧！于是，5G来了。
5G同志先等等，继续往下数，来到微米级。毫无疑问，能携带的信息量继续倍增，但波长0.7微米的电磁波就已经是可见光了。可见光都见过吧，别说穿墙了，一张纸都够呛，想接着按照7G8G9G的套路肯定走不通啊。然后，就有了激光通信，发射端和接收端必须瞄得准准的，中间还不能有阻挡，这优缺点自个儿体会体会。
波长到了0.3微米，也就是300纳米，先别管频率的事了，这玩意儿就是我们熟知的紫外线，终于对人体有害了。太阳光里的紫外线大约占了4%，如果你一天能晒上半小时太阳的话，那么前面提到的那些电磁波辐射基本可以无视了(不要钻电磁共振的牛角尖，咱只说普遍情况)。
波长200纳米的紫外线，在太阳光中几乎是没有的，所以在阳光太强时，紫外线通信就成了激光通信很好的补充，不但隐蔽性更好，还不用对得那么准，在几公里的距离上非常好用，是近些年军事通信的研究热点。
接下来就和通信无关了，波长到了纳米级就成了X光，就是在医院见到的那种，这么说的话，X光其实也能叫纳米技术(这是玩笑)。
最后，波长短到了0.01纳米以下，这就是闻之色变的伽马射线，来自核辐射，全宇宙最强的能量形式之一！若是要毁灭一个星系，伽马射线是不二之选。实际上，科学家一直怀疑，超新星爆炸产生的伽马射线爆已经毁灭了绝大部分的宇宙文明，好在太阳系处于比较角落的地带，周边恒星不多。
终于说完了波长频率，那振幅呢？连仙人掌能不能防辐射都不知道，也就没必要了解振幅的含义了，直接跳过。
二、1和0
回到微波通信。
为什么频率越高，能携带的信息就越多？以数字信号为例，信息就是一串串的1和0，所以先搞清楚怎样用电磁波表示1和0。
第一种方法叫“调幅”，基本思路是调整电磁波的振幅，振幅大的表示1，振幅小的表示0，如下图。收音机的AM就是调幅，缺点颇多。
第二种方法叫“调频”，基本思路是调整频率来表示1和0，比如，用密集的波形表示1，疏松的波形表示0。收音机的FM就是调频，优点多多的。
很显然，在单位时间内，发出的波越多，能表示的1和0就越多，换句话说，频率越高能携带的信息就越多。
这样算起来，频率800MHz意味着每秒产生800万个波，都用来表示1和0的话，1秒钟可以传输100M数据，这速度很快啊！为啥我们感觉不到呢？
古语有云，重要的事情说三遍，通信也是如此。无线电跋山涉水，弄丢几个1,0太正常了，防止走丢的土办法就是抱团。比如，用一万个连续的1表示一个1，哪怕路上走丢了两千个1，最后咱还能认得这是1。
这种傻办法只能用在民用通信，因为特征太明显，很容易被破解。还记得北斗民用信号被破解的新闻吧，原因就在此。
民用信号只要能和其他信号区分开就行，不会弄得太复杂，不然传输效率太低。按2G技术那样，800MHz的频率，传输数据大不过每秒几十K。
军用就两码事了，为了防止被破解，要用很复杂的组合来表示1和0，中间说不定还有很多无效信息，各种跳频技术扩频技术，还不停变换组合，总之越花哨越好。所以同样一句话，军事通信要用掉更多的1,0，因此为了保证传输效率，军用频率就比民用高很多。
就目前来说，顶级破解技术还干不过顶级加密技术，这里不包括尚未成熟的量子通信。
军事对抗是无止境的，干不过也不能认怂！那怎办？既然弄不清楚你的1,0，那我就索性再送你一堆1,0，把你原有的组合搞乱，让你自己人都懵逼。这就是电子对抗的环节，跑题了，还是说回5G。
三、关键技术
前面说的，都是不值钱的原理，下面看看值钱的技术。5G关键技术有一堆说法，咱给粗暴地归个类。
振荡电路插个天线就可以产生电磁波，用特定方法改变电磁波的频率或振幅，变成各种复杂的组合，这个过程叫调制。对应的，竖个天线就能收到空中的电磁波，按预定方法变回1,0，这个过程叫解调。
把电磁波发到空中，或者把空中的电磁波收下来，都需要天线，别以为现在手机光溜溜的就不需要天线了。手机与手机是无法直接通信的，而是通过周边的基站与别的手机联系。于是，问题来了，5G使用的毫米波在空气中衰减非常严重，但又不能无限制提高发射功率，怎么办呢？只能在天线上做文章了。
5G的第一个关键技术：大规模多天线阵列。大白话就是，增加天线的数量，不是增加一个两个，而是几百个。这个思路很好理解，但是呢，用那么多天线发射同一个信号，稍不留神就乱成一锅粥。
多天线加毫米波，对比原先的少天线加厘米波，无线电传播的物理特征肯定不一样，得重新建立信道模型。那信道模型怎么建立呢？相信我，你不会感兴趣的。
天线一多，不但能解决毫米波衰减的问题，传输效率、抗干扰等性能也是蹭蹭涨，算是5G必须课。
曾与华为齐名的大唐电信于2015年率先发布了256大规模天线，引爆全球通信业，一时风光无限！可惜后来突然闪崩，沦落到卖科研大楼求生，令人唏嘘！
