5.1 射频电磁流：从数字数据包到空中微波的飞跃
你在手机上点下“发送”，一张照片就出发了。从按下按钮到信号离开机身，这段路程只有几厘米，时间也短得察觉不到，但数据的形态在途中换了好几次：先是一串 0 和 1，然后变成起伏的模拟波形，再被搬到每秒振荡数十亿次的高频上，被放大上千倍，最后从金属边框的缝隙里辐射出去，成为空中的电磁波。
本节沿着这条路线走一遍，看一个数据包怎样从芯片里的数字信号变成空中的微波。
5.1.1 第一站：基带把比特“画”进波形里
数据包最先交给基带芯片（Baseband）。基带负责通信协议和编码，它要解决的第一个问题是：电磁波只是一种连续振荡，怎样让它携带 0 和 1？
办法是改变波的形状。一个正弦波有两个容易调节的量：振幅，也就是波峰有多高；相位，也就是波从哪个时刻开始起伏。现代手机采用 QAM 正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation），同时调节这两个量，让每一种“振幅＋相位”的组合代表一组固定的比特。
可以用一个类比来理解。假设你只能用手电筒给远处的朋友传话：
- 只用“亮/灭”，每次只能传 1 个比特；
- 如果亮度分成几个档位，再规定几种不同的闪烁起点，可用的组合就多了，每闪一次能表达的信息也更多。
QAM 就是在用这种思路，只是档位分得非常细。把所有组合画在一张平面坐标图上，会得到一片排列整齐的点阵，工程师叫它“星座图”。1024-QAM 表示星座图上有 1024 个点。因为 2 的 10 次方等于 1024，每个点正好对应一组 10 位的比特，所以一个符号周期能携带 10 个比特。
| 调制方式 | 星座点数 | 每个符号携带比特数 |
|---|---|---|
| 简单开关式 | 2 | 1 |
| 1024-QAM | 1024 | 10 |
点越密，单位时间传的数据越多，代价是相邻的点靠得更近，一点噪声就可能让接收端认错点。所以信号好的时候手机会用高阶调制，信号差时就退回点数较少、更不容易出错的方式。这个取舍背后的理论极限，第八章讲香农定理时再展开。
5.1.2 第二站：收发机把信号“搬家”到 3.5GHz
基带输出的波形频率比较低，还不能直接送上天线。原因之一是天线的尺寸和它工作的频率有关，低频信号需要的天线远远大于手机机身；另外，各国已经把空中频谱划分给不同用途，手机必须在获得授权的频段里发射。
于是信号进入收发机（Transceiver），在这里做一次“搬家”，学名叫混频。收发机内部有一个本地振荡器，会产生稳定的高频载波。把基带送来的模拟正弦波和这个载波混合，原来的波形就被整体平移到高频上。波形上的振幅和相位信息不会丢，只是换到了一个更高的频率位置。
打个比方：基带写好了一封信，信的内容就是调制好的波形；混频相当于把信装进一辆在指定高速公路上行驶的车。以 5G 常用的 n78 频段为例，这条公路位于 3.5GHz 附近，也就是每秒约 35 亿次振荡。车换了，信的内容不变。
5.1.3 第三站：功率放大器让信号“喊出声”
搬到 3.5GHz 的信号功率非常小，直接发出去，几米外就淹没在噪声里了。要让它到达几百米甚至更远的基站，必须先放大。这项工作由功率放大器（Power Amplifier，PA）完成。PA 位于射频前端，第二章拆解时我们见过它。
PA 能把信号功率提高数千倍，推升到大约 200 毫瓦。通信工程里习惯用 dBm 表示功率，这是以 1 毫瓦为基准的对数单位，200 毫瓦约等于 23dBm。用对数是因为信号强弱的跨度极大：从天线收到的微弱信号到发射出去的信号，相差许多个数量级，用普通数字写起来很不方便。
200 毫瓦和一个小指示灯的功率相近，听上去不大。但 PA 是整机最耗电的部件之一，而且它把电能转成射频能量的效率有限，没转成功的部分大多变成了热。打电话时手机靠耳朵的那一侧会发热，PA 是主要原因之一。
5.1.4 第四站：包络跟踪让供电“随形而动”
PA 的耗电还有一个来源。经过 QAM 调制的信号振幅一直在变，波峰很高，波谷很低。如果给 PA 提供恒定的高电压，确实能保证波峰时不失真，可到了波谷，大部分电压都用不上，白白变成热量。
这就像开车时不管上坡下坡都把油门踩到底，再靠刹车控制车速。
包络跟踪（Envelope Tracking，ET）芯片解决的就是这个问题。“包络”指的是把信号波峰连起来形成的那条外轮廓线。ET 芯片以每秒数兆次（数兆赫兹）的速度追踪这条轮廓，信号要冲高时立即提高供电电压，信号回落时随即降低电压，做到按需供电。
| 供电方式 | 做法 | 结果 |
|---|---|---|
| 固定电压 | 始终按波峰需求供电 | 波谷时浪费大，发热多 |
| 包络跟踪（ET） | 电压实时跟随信号轮廓 | 明显提高功放效率 |
功放效率明显提高，带来的是更长的通话和上网续航，以及温度更低的机身。数据通过这一站时内容并没有变化，但这一站决定了发送这份数据要消耗多少电。
5.1.5 终点：天线缝隙把电流变成电磁波
放大后的信号此时是高频交变电流，它被送到天线上。许多手机的天线就是金属边框本身，边框上用塑料填充的细缝把它分成几段。第四章介绍过，这些缝隙是通过纳米注塑工艺做出来的。
高频电流在这段金属上快速往复，在缝隙周围激发出交替变化的电场和磁场。变化的电场产生磁场，变化的磁场又产生电场，两者相互激发，脱离机身，以光速向基站传播。从这一刻起，你的照片就成了空气中的电磁波。为什么交变电流能形成会“飞走”的电磁波，答案在麦克斯韦方程里，第八章会专门讨论。
5.1.6 小结：一条五级接力链
回头看，这一路的分工如下：
- 基带：用 1024-QAM 把比特编进振幅和相位，一个符号携带 10 个比特；
- 收发机：通过混频，把信号搬到 3.5GHz 的 n78 频段；
- 功率放大器：把信号放大数千倍，达到约 200 毫瓦（23dBm）；
- 包络跟踪芯片：按信号轮廓动态供电，明显提高功放效率；
- 天线缝隙：把高频电流转换成电磁波，以光速发往基站。
每一级都在两个目标之间取舍：传得多，还是传得稳；发得远，还是省电少发热。射频是手机里流动最快的一股能量。下一节讨论的是另一股方向相反的流动：电能从充电器进入电池，速度同样快。