无线电是怎么把声音和数据送到你手机里的？

《手机怎么知道你在哪？》里说：「手机从来不给 GPS 卫星发信号，卫星也看不见你……手机只是在『听』：听天上的卫星报时。」可是打电话、刷视频的时候，手机不光在听，也在说：把你的声音和数据发出去，再从空中一大堆信号里，把别人发给你的那一份挑出来。看不见、摸不着，这些声音和数据到底是怎么飞过来的？

先猜一猜

常听到的说法有：「无线电波是一种声音，只是频率太高，耳朵听不见」；「信号满格，网速就一定快」；「手机辐射和 X 光一样，会打坏细胞」。

都不对。无线电波不是声音，而是电磁波，和光是一家人：不需要空气，在真空里照样跑，速度就是光速。所以 GPS 卫星和飞出太阳系的探测器，都能用它把信号送回地球。信号格数只说明信号有多强，网速还要看有多少人在一起用。至于手机辐射，它的「一小份」能量，不到可见光的十万分之一，连一个化学键都打不断；后面会细说。

电子跑一跑，电磁波就飞出去了

电荷周围有电场，电荷一动，又会产生磁场。1865 年，英国物理学家麦克斯韦把电和磁的规律写成了一组方程，发现了一件奇妙的事：变化的电场会产生磁场，变化的磁场又会产生电场，两者一环扣一环，可以离开电荷，自己往前跑。他算出这种波跑得多快，结果正好等于光速。他由此断定：光就是一种电磁波。

天线就是一根（或几根）金属杆。发射机推着天线里的电子，一秒钟上下来回跑几十万到几十亿次：一会儿上端多了正电荷、下端多了负电荷，一会儿又反过来。电场跟着变，可是这种变化往外传，最快也只能是光速。离天线远的地方还没「接到通知」，近处的电场已经反过来了，于是电场线被一圈一圈地「甩」了出去，自己往外飞。下面的动画，是按麦克斯韦方程算出来的：

注意，天线正上方和正下方几乎没有电波，两侧最强。所以手机基站的天线都是竖着装的，让电波贴着地面水平地铺出去，而不是射向天空。

1887 年，德国物理学家赫兹第一次在实验室里造出了电磁波：让两个金属球之间不停地打电火花，几米外一个带缺口的铁丝圈，缺口上也跟着冒出了小火花。他还证明这种波能像光一样反射、聚焦，测出了它的波长。频率的单位「赫兹」（Hz）就是用他的名字命名的：每秒振动 1 次是 1 Hz；1 kHz（千赫）是每秒 1000 次，1 MHz（兆赫）是 100 万次，1 GHz（吉赫）是 10 亿次。1901 年，意大利的马可尼把无线电信号送过了大西洋。

波长：天线为什么有长有短

电磁波跑得一样快，频率越高，波长就越短：频率 × 波长 = 光速。调频广播约 100 MHz，也就是每秒振动 1 亿次，波长约 3 米；手机信号约 2 GHz，波长约 15 厘米。

天线的长度，最好和波长差不多，常见的是波长的一半或四分之一。这和推秋千一个道理：天线里的电子也有自己的「节奏」，长度合适，正好合拍，收发都最省力。汽车上收调频广播的那根天线，约 75 厘米，正是 3 米的四分之一。手机的波长短，天线只要几厘米，藏在机身里：金属边框上那几道塑料细缝，就是把边框隔成几段，各段分别当天线用。中波广播的波长有几百米，所以中波电台的发射塔高达上百米；收音机里装不下这么长的天线，就用一根绕着线圈的磁棒来收，效率低一些，好在电台的信号足够强。

那为什么不直接把声音变成电磁波发出去？人耳听得见的声音，每秒振动 20 到 2 万次。按这个频率，电磁波的波长有 15 公里到 1.5 万公里，天线根本做不出来；而且所有电台都挤在同一段频率上，收的时候就乱成一锅粥。

把声音「骑」在电波上

办法是：每个电台先选一个自己专用的高频率，叫「载波」，再让声音去改变它。有两种最常见的改法：

调幅（AM）：声音越大，电波就越高，中波广播用的就是它。收音机只要把电波的「轮廓」描出来，就还原出了声音。

调频（FM）：电波高低不变，声音越大，波就越密（频率越高）。打雷、电器打火这些干扰，主要改变的是电波的高低；调频收音机只管波的疏密，不管高低，所以调频广播比中波干净得多。调频的每个台也分得更宽（约 200 kHz，中波只有 9 kHz），能送更高的音调和立体声。

收的时候，要把这一步倒过来，叫「解调」。调幅最简单：收音机里有一个二极管，只让电流朝一个方向通过，相当于把波的下半截切掉；再用一个电容把快速的振动抹平，剩下的就是那条轮廓，也就是声音的电流，送去推动喇叭的纸盆前后振动。早年的「矿石收音机」，用一块矿石和一根细金属丝当二极管，连电池都不用，靠的就是电台送来的那一点点能量。调频则要用专门的电路，把波的疏密变成电压的高低，再送给喇叭。

电波还比声音快得多。在只有模拟广播的年代，音乐厅里坐在最后一排、离舞台 30 米的听众，要 0.09 秒才听到声音；而 1000 公里外守着收音机的人，只要 0.003 秒多，比现场还早听到。

满天的电台，怎样只挑一个

此刻你周围的空气里，同时有几十个广播电台、好几家运营商的手机信号、邻居家的 Wi-Fi……它们一齐打在天线上，天线里的电子跟着每一个都晃一点。收音机怎么只听其中一个？

还是靠「节奏」。《原子钟为什么这么准？》里说：「秋千有自己的节奏，跟着它的节奏推，每次都推在点上，越荡越高；节奏差一点，有时顺着推，有时顶着推，怎么也荡不起来。」收音机里有一个线圈和一个电容组成的小电路，它也有自己的节奏，像一架秋千。只有频率正好对上的那个电台，能把它推得越荡越高；别的电台节奏不对，推不起来。

转动旋钮，转的是一个可变电容，电容变了，这架「秋千」的节奏就变了，对上的就是另一个台。

不过，光靠这一架秋千还不够挑。中波电台之间只隔 9 kHz，旁边的台照样能推动它八成。1918 年，美国的阿姆斯特朗发明了「超外差」：先把选中的电台统一挪到一个固定的频率上（中国的中波收音机用 465 kHz），再用几级精心调好的电路一起筛，就能把隔壁台干净地去掉。直到今天，收音机和手机里用的都是这个思路，只是手机里的「秋千」，大多变成了芯片里的计算。

晚上，收音机能收到更远的台

用过中波收音机的人可能发现过：白天只能收到本地的几个台，到了晚上，几百、上千公里外的电台也一个个冒了出来。

这是天上的一层「镜子」在帮忙。《手机怎么知道你在哪？》里说：「离地面几十到几百公里高的地方，空气被阳光电离成带电的粒子。」这就是电离层。白天，最低的一层（离地约 60 到 90 公里）把中波吸收掉了；太阳一落山，这一层很快消失，中波就能一直上到一两百公里高的地方，被反射回地面，跳到很远的地方去。短波还能在地面和电离层之间来回跳好几次，绕半个地球。

调频广播和手机的频率高得多，会直接穿过电离层飞走，只能「看得见」才收得到：一座调频发射塔，只能覆盖几十公里；手机基站，在城市里每隔几百米就得有一个。

手机怎样送数据：每一下，都是几个 0 和 1

手机送的不是声音，而是数据：一长串 0 和 1。它的办法是给电波设计很多种「样子」：每一下，电波可以强一点或弱一点，起步可以早一点或晚一点。把每一种样子画成一根从中心出发的箭头：箭头越长，波越强；箭头逆时针转过的角度，表示这段波比标准的波晚多少起步。波每振动一次，相当于箭头转一整圈 360°，所以转 90°，就是晚四分之一个振动。箭头的尖端就是一个点，一个点代表一种样子。如果有 64 种样子，每一下就能送出 6 个 0 或 1（2 的 6 次方是 64）。

信号强的时候，手机和基站用 64 种甚至 256 种样子，一下送 6 位、8 位；信号弱了，噪声把这些点糊在一起，就退回到 4 种样子，一下只送 2 位，慢一些，但不出错。这个选择随时在调整，不到 1 毫秒就能换一次。5G 还同时用几千个靠得很近的频率一起送，每个频率一秒钟送 2.8 万下，再加上几根天线同时收发，一秒钟就能送几亿个 0 和 1。

这也是「信号满格，网速不一定快」的原因：信号格数只反映信号有多强；一个基站能送的总量是一定的，在演唱会、体育场里，几万人一起用，每个人分到的就少了。那么多手机挤在一起，手机怎么知道哪些是给自己的？基站会给每部手机分好频率和时间上的「格子」，手机只读属于自己的那几格。

信号能弱到什么程度

手机打电话时，一般最多只发出 0.2 瓦，比一个小手电筒的灯泡还小。而国际通信标准规定，手机收到的信号即使弱到约 2 × 10⁻¹³ 瓦，也必须能正常工作，这只有 0.2 瓦的万亿分之一。

信号会随距离一路变弱：距离远一倍，同样大的天线收到的只剩四分之一。电梯是一个金属盒子，电波几乎进不去；地下室、地下停车场隔着厚厚的土和钢筋混凝土，也很难进去。所以很多地铁、地下商场里，都专门装了小天线。频率越高，穿墙的本事越差，这也是 5G 需要更多基站的原因之一。

更远的还有。1977 年发射的旅行者 1 号，按美国国家航空航天局的计算，2026 年 11 月 18 日离地球正好 1 光日：它发出的信号，要整整一天才能到达地球。它的发射机功率只有约 22 瓦。信号走了一整天到达地球，已经弱得难以想象：地球上用直径 70 米的大天线去收，收到的信号功率只有约 3.5 × 10⁻¹⁹ 瓦（估算），可还是能从里面读出每秒 160 个 0 和 1。

手机辐射：真相是什么

光和无线电都是一份一份地传递能量的，每一份叫一个「光子」。要直接打断分子里的一个化学键，靠的是单个光子的能量够不够大，而不是一共有多少个光子：能量不够的光子，来得再多，也只是让东西变热（只有极强的激光，才能让几个光子同时起作用）。可见光的一个光子约 2 电子伏；要打断化学键、破坏 DNA，一般要几个电子伏以上，所以紫外线会晒伤皮肤，X 光更厉害。手机信号的一个光子，只有约百万分之三到十万分之二电子伏，是可见光的十万分之一到百万分之一，打不断化学键。

手机信号唯一确定的作用，是让身体发一点点热，道理和微波炉一样。身体里大部分是水，水分子一头带一点正电，一头带一点负电；电波的电场一秒钟来回翻转几亿到几十亿次，就拽着水分子跟着来回扭，还推着体液里带电的离子来回跑，它们和周围的分子碰来碰去，电波的能量就变成了热。只是微波炉把约 1000 瓦关在一个金属盒子里，手机一般最多 0.2 瓦，还向四面八方散开。中国的国家标准和国际导则都规定，手机让头部和躯干发热的功率，任意 10 克组织平均不能超过每千克 2 瓦（美国规定任意 1 克平均不超过每千克 1.6 瓦）。作为对比，人安静坐着时，身体自己产生的热量大约就是每千克 1 瓦多。

2011 年，世界卫生组织下属的国际癌症研究机构，把射频电磁场（「射频」就是无线电用的频率，这里指 30 kHz 到 300 GHz）列为「可能致癌」（2B 类）。这一类的意思是「证据有限，还不能排除」，同一类里还有芦荟全叶提取物和传统腌菜。2024 年，世界卫生组织委托的一项系统综述，汇总了几十年的研究，没有发现使用手机和脑癌之间有关联；也有学者批评这项综述，相关研究还在继续。

一句话：天线里的电子来回跑，就把电场一圈圈「甩」成以光速飞行的电磁波；声音和数据改变它的高低、疏密和起步早晚，「骑」在上面；收音机和手机靠和它「合拍」，从满天的信号里只挑出自己的那一个。信号弱到发出时的万亿分之一，照样能用。

我们怎么知道

• 看看你的信号有多强。信号格只是个粗略的图标，具体的强弱用 dBm 表示：它拿 1 毫瓦来比，0 dBm 就是 1 毫瓦，每少 10，功率就小 10 倍，−100 dBm 就是 10⁻¹³ 瓦。大多数安卓手机在「设置 → 关于手机 → 状态信息（或 SIM 卡状态）→ 信号强度」里能看到，比如「−95 dBm」，不同品牌的菜单名称略有不同。这里显示的是 4G、5G 里一种「参考信号」的强度，比手机收到的总功率小一些：−80 左右很好，−110 以下就很弱了。iPhone 的设置里看不到这个数，可以打开「电话」的拨号键盘，输入 *3001#12345#*（最后还有一个星号），再按绿色的拨号键，进入「现场测试」（Field Test）模式，找 RSRP 这一项（不同系统版本的界面不一样）。
• 做一个电磁屏蔽。用几层铝箔把手机严严实实包起来，再用另一部手机打它，常常会提示「不在服务区」。要是包得不严，留了几厘米的缝，电波就会从缝里漏进去：缝和波长差不多大时，电波就挡不住了。
• 晚上听收音机。找一台能收中波的收音机，白天和晚上各转一遍旋钮，数数各能收到几个台。
• 量一量汽车天线。收调频广播的鞭状天线，大多在 75 厘米左右，正好是调频广播波长的四分之一。

还不知道什么

能用的频率越来越挤。下一代的 6G，打算用 100 GHz 以上、接近太赫兹（THz，1 THz 是 1000 GHz）的频率，那里有大片空闲的频率，能送的数据多得多；可是波长只有几毫米，甚至更短，一只手、一堵墙就能挡住大半，怎样让它在日常生活里好用，还在研究。

另一方面，人们已经把每一份频率用到了接近理论的极限。1948 年，美国数学家香农算出了在一定的信号强度和噪声下，一条线路最多能送多少数据；今天 5G 用的纠错方法，已经离这个极限很近。以后要送得更多，只能靠更多的频率、更多的天线和更密的基站。

还有一个问题，人们一直在找答案：宇宙里有没有别的文明，也在用无线电？天文学家用射电望远镜听了几十年，到现在还没有收到一个能确认的信号。1977 年美国一台射电望远镜记录到的「哇！信号」，只出现过一次，至今也没有定论。

进阶：天线的电场、调制、调谐和数据

麦克斯韦方程和光速。在真空里，电场和磁场满足波动方程，传播速度 $c = 1/\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0} = 299\,792\,458$ 米每秒。麦克斯韦 1865 年的论文《电磁场的动力学理论》。频率和波长：$f\lambda = c$。

图 1：振荡电偶极子。偶极矩 $p(t) = p_0 \cos\omega t$（天线比波长短得多，叫赫兹偶极子），精确解（含近场）：$E_r \propto 2\cos\theta\,[1/(kr)^3 - i/(kr)^2]\,e^{i(kr-\omega t)}$，$E_\theta \propto \sin\theta\,[1/(kr)^3 - i/(kr)^2 - 1/(kr)]\,e^{i(kr-\omega t)}$（取实部）。电场线是 $\psi = \sin^2\theta\,[\sin(kr-\omega t) + \cos(kr-\omega t)/(kr)]$ 的等值线；程序里随机取点，数值验证了 $\nabla\psi$ 处处垂直于电场。远处只剩 $1/r$ 的项，辐射强度正比于 $\sin^2\theta$：沿天线方向为零，垂直方向最强。

天线长度。常见的是半波振子（$\lambda/2$）和四分之一波长的单极天线（$\lambda/4$，另一半由地面或金属外壳「镜像」出来）。100 MHz：$\lambda/4 = 0.75$ 米；2 GHz：$\lambda/4 = 3.7$ 厘米。

调幅和调频。调幅 $s(t) = A[1 + m\,x(t)]\cos(2\pi f_c t)$，$x(t)$ 是声音，$m$ 是调制深度；占用的带宽是声音最高频率的 2 倍。中国中波 531–1602 kHz，台间隔 9 kHz，声音约 4.5 kHz以内。调频 $s(t) = A\cos[2\pi f_c t + 2\pi k_f \int x\,dt]$，调频广播最大频偏 ±75 kHz，声音到 15 kHz，按卡森公式带宽约 $2(75 + 15) = 180$ kHz，台间隔 200 kHz。调频广播 87–108 MHz。

图 4：调谐。线圈 $L = 230$ µH，可变电容 43–391 pF，谐振频率 $f_0 = 1/(2\pi\sqrt{LC})$，覆盖 531–1602 kHz。品质因数 $Q = 40$，频率 $f$ 的电台被听到的比例 $|H| = 1/\sqrt{1 + Q^2 (f/f_0 - f_0/f)^2}$；1 MHz附近的带宽 $f_0/Q = 25$ kHz，相隔 9 kHz的台仍有 0.81，所以要靠超外差（中频 465 kHz，调频收音机用 10.7 MHz）。图中六个电台的频率和强弱是假设的。

电离层。电离层对频率低于等离子体频率 $f_p \approx 9\sqrt{n_e}$ Hz（$n_e$ 是每立方米的电子数）的电波起反射作用；F 层 $n_e \sim 10^{12}$，$f_p$ 约 9 MHz，斜着入射时能反射的频率更高一些。白天 D 层（约 60–90 公里）电子和空气分子碰撞频繁，吸收中波；夜间 D 层迅速复合消失。调频和手机的频率远高于 $f_p$，直接穿过。

图 5：正交幅度调制。$M$ 种样子，每个符号送 $\log_2 M$ 位：4 种（QPSK）2 位，64 种 6 位，256 种 8 位。模拟：每种情况 3000 个符号，平均符号能量归一，加复高斯噪声，按最近的点判决；信噪比 $E_s/N_0 = 28$ 分贝时 64 种零差错，14 分贝时 64 种差错 44%，4 种零差错。香农极限 $C = B\log_2(1 + \mathrm{SNR})$：14 分贝时每 Hz 约 4.7 比特，28 分贝时约 9.3 比特。5G（n78 频段）子载波间隔 30 kHz，100 MHz带宽内 3276 个子载波，每个子载波每 0.5 毫秒 14 个符号，即每秒 2.8 万个；256 种样子时，一层约 $3276 \times 28\,000 \times 8 \approx 7.3 \times 10^8$ 比特每秒（未扣除开销），多根天线可以同时送几层。下行 256 种样子是 5G 的标准配置，更新的版本支持 1024 种。

图 6：功率。dBm 以 1 毫瓦为基准：$P_{\mathrm{dBm}} = 10\log_{10}(P/1\,\mathrm{mW})$。手机（功率等级 3）最大发射 23 dBm，即 0.2 瓦（有的 5G 频段允许 26 dBm，0.4 瓦）；3GPP TS 36.101 表 7.3.1-1：1 频段 10 MHz带宽的参考灵敏度 −97 dBm，约 $2 \times 10^{-13}$ 瓦，这是手机天线口收到的总功率。手机设置里显示的一般是 RSRP（参考信号接收功率），只是一个子载波上参考信号的功率；10 MHz 带宽有 600 个子载波，总功率约比它高 $10\log_{10}600 \approx 28$ dB。GPS L1 C/A 到达地面的最低功率 −128.5 dBm（IS-GPS-200），约 $1.4 \times 10^{-16}$ 瓦。中国 2.4 GHz无线局域网等效全向辐射功率上限 100 毫瓦（欧洲相同）。基站 40 瓦、调频台 1 万瓦、微波炉 1000 瓦为典型值，实际差别很大。旅行者 1 号：发射功率 22.4 瓦，频率 8420 MHz，3.66 米高增益天线（效率按 0.55 算，增益 47.6 dBi），距离 1 光日（$2.59 \times 10^{13}$ 米），70 米天线（效率按 0.6 算）：$P_r = P_t G_t A_e/(4\pi d^2) \approx 3.5 \times 10^{-19}$ 瓦，约 −155 dBm。1 光日的日期按美国国家航空航天局：2026 年 11 月 18 日。

光子能量。$E = hf$：1 GHz $4.1 \times 10^{-6}$ 电子伏，5 GHz $2.1 \times 10^{-5}$ 电子伏；绿光（540 THz）2.2 电子伏。手机的比吸收率限值：中国 GB 21288-2022 和国际非电离辐射防护委员会都是头部和躯干任意 10 克平均 2 瓦每千克（四肢 4 瓦每千克）；美国是任意 1 克平均 1.6 瓦每千克。成年人静息代谢约 80 瓦，体重 70 千克时约 1.1 瓦每千克。国际癌症研究机构的分类：IARC Monographs 第 102 卷（2013，会议在 2011 年）。系统综述：Karipidis 等，《国际环境》191 卷 108983（2024）。

历史。赫兹 1886 到 1888 年在卡尔斯鲁厄的实验；马可尼 1901 年 12 月 12 日，从英格兰康沃尔的波尔杜到纽芬兰（今属加拿大）的信号山，收到摩尔斯电码的字母 S。阿姆斯特朗 1918 年发明超外差，1933 年取得宽带调频的专利。香农，《通信的数学理论》（1948）。「哇！信号」：1977 年 8 月 15 日，美国俄亥俄州立大学的「大耳朵」射电望远镜。