[激光原理与应用-287]：理论 - 波动光学 - 电磁波既能承载能量，又能承载信息？

电磁波既能承载能量，又能承载信息，这一特性源于其物理本质和调制技术的结合。以下从能量承载和信息承载两方面进行详细解析：

一、电磁波如何承载能量？

电磁波的能量承载源于其电场和磁场的周期性振荡，具体机制如下：

1. 电磁场的能量密度
   电磁波由相互垂直的电场（E）和磁场（B）组成，其能量密度（单位体积内的能量）为：

u=21​(ϵ0​E2+μ0​B2​)

其中，ϵ0​为真空介电常数，μ0​为真空磁导率。由于电磁波中E和B的振幅成正比（E=cB，c为光速），能量密度主要由电场强度决定。

1. 能量传输方式

   • 坡印廷矢量（S）：表示单位时间内通过单位面积的能量，方向为电磁波传播方向：

S=μ0​1​E×B

其大小与电场和磁场的振幅平方成正比，因此高频电磁波（如微波、光波）能携带更多能量。

• 实例：
  • 微波炉：利用2.45GHz的微波（低能量但穿透性强）使水分子振动，将电磁能转化为热能。
  • 太阳能：太阳光（可见光频段）通过光电效应或热效应被吸收，转化为电能或热能。

1. 能量与频率的关系
   单个光子的能量由普朗克公式决定：

E=hν

其中，h为普朗克常数，ν为频率。高频电磁波（如X射线、伽马射线）单个光子能量高，但总能量还取决于光子数量（即场强）。

二、电磁波如何承载信息？

电磁波通过调制技术将信息编码到其振幅、频率或相位中，具体方式如下：

1. 调制技术
   • 调幅（AM）：改变电磁波的振幅以承载信息。
     • 应用：传统调幅广播（如AM电台）。
     • 特点：易受干扰，但传输距离远。
   • 调频（FM）：改变电磁波的频率以承载信息。
     • 应用：调频广播（如FM电台）、卫星通信。
     • 特点：抗干扰能力强，音质更好。
   • 调相（PM）与正交振幅调制（QAM）：
     • 调相：改变电磁波的相位（如数字通信中的PSK）。
     • QAM：同时调制振幅和相位，提高数据传输速率（如4G/5G、Wi-Fi）。
2. 信息编码与解码
   • 编码：将数字或模拟信号转换为电磁波参数的变化。
     • 数字信号：通过二进制（0/1）控制调制方式（如QPSK、16-QAM）。
     • 模拟信号：直接映射到振幅或频率（如AM/FM广播）。
   • 解码：接收端通过解调技术还原原始信息。
     • 实例：手机接收5G信号时，通过QAM解调还原视频流。
3. 多路复用技术
   为提高频谱利用率，电磁波可同时承载多路信息：
   • 频分复用（FDM）：将频段划分为多个子信道（如广播电台）。
   • 时分复用（TDM）：按时间分割信道（如TDD模式的5G）。
   • 码分复用（CDM）：通过编码区分用户（如CDMA技术）。

三、能量与信息的协同关系

1. 能量是信息传输的基础
   • 电磁波需具备足够能量才能被接收端检测到（如手机需接收微弱信号）。
   • 高频电磁波（如毫米波）能量集中，适合短距离高速传输（如5G室内基站）。
2. 信息调制影响能量分布
   • 调制会改变电磁波的频谱成分（如AM产生边带），需合理设计以避免能量浪费。
   • 实例：5G采用高阶调制（如256-QAM）提高速率，但需更高信噪比（SNR）保证可靠性。
3. 能量效率与信息容量的平衡

   • 香农定理：信道容量（C）与带宽（B）和信噪比（S/N）相关：

C=Blog2​(1+S/N)

提高频率可增加带宽（如从4G的20MHz到5G的100MHz），但需优化能量分配以避免干扰。

四、实际应用案例

1. 无线通信（5G/Wi-Fi）
   • 能量：基站发射高频电磁波（如28GHz毫米波），通过波束成形集中能量。
   • 信息：采用QAM调制，每符号携带更多比特（如1024-QAM）。
2. 卫星通信
   • 能量：使用Ku/Ka频段（12–40GHz）提高增益，补偿长距离衰减。
   • 信息：通过QPSK或8-PSK调制，兼顾速率和可靠性。
3. 光纤通信
   • 能量：激光（光波频段）通过全反射传输，能量损耗极低。
   • 信息：采用相干调制（如DP-QPSK），实现Tb/s级传输。

总结

电磁波通过电场和磁场的振荡承载能量，其总能量取决于频率和场强；通过调制技术（如AM/FM/QAM）将信息编码到振幅、频率或相位中，实现无线传输。能量是信息传输的基础，而信息调制需优化能量分布以提高效率。两者协同作用，支撑了现代通信、能源传输和传感技术的广泛应用。