45分钟你深度解读手机所有重要组件的工作原理

45分钟为你深度讲解手机每个零部件的工作原理，看完这个视频，你才算真正会玩手机。我们先从手机的芯片说起，如果你拆开一台手机，就会在一块电路板上找到一个芯片，这个芯片被称为SOC，它是整台手机的大脑。下面我们就详细了解一下SOC芯片的构造。SOC芯片内部非常复杂，他们根据用途被分成了很多不同的功能块，这些功能块并不是由单独一个公司设计，而是由几十家公司一起设计完成，每个功能块都会发挥相应的作用，从而让我们手机完美运行。下面我们就来具体讲解一下每个功能块。这两个是多核CPU，充当整台手机的大脑，这个是GPU，用于渲染图形使用。接着这个是手机的共享内存，这个是数字信号处理器，主要用于处理扬声器、麦克风、传感器以及很多其他设备接口的数据。这个是显示引擎，用于处理与触摸屏。相关的操作。视频处理器则用于对图像或者视频进行压缩或者解压缩，并实现4K视频的录制和播放，图像信号处理器用于处理摄像头拍摄的图片和视频，调制解调器可以与各种无线网络进行连接，存储控制器用于保存和加载闪存芯片的信息，这4个是内存控制器，用于管理和优化设备的内存资源，这个是安全处理器，可以执行加密并管理设备的公钥和私钥。最后还有一些外围功能，例如时钟、温度传感器、调试端口、通用输入输出以及始终在线的微控制器。最后这些是SOC的片上网络，它仲裁或者管理通过SOC和手机的部分数据流，起到路由器和交换机的作用，控制着数据流的运行。另外，有些SOC可能还有电源管理电路，还有些SOC有NPU单元，Npuu能处理神经网络数据，能比CPU更有效、更快的执行机器。学习算法现在我们就以常用的拍照功能来看一下SOC整个功能模块是如何协同工作的。当我们用手机拍照时，首先来自场景的光子进入相机的镜头，流过一个彩色绿光片阵列，并击中光电二极管传感器，这些彩色过滤的光子被每个光电二极管吸收并转换成模拟电流，接着转换成12位的二进制值。一个1200万像素的相机图像就有1200万个这样的12位二进制纸，每个像素都是红色、绿色或蓝色的。这种图像还是原始图像，必须经过图像处理才能将原始图像转换为可识别的图像。首先，原始图像的数据会通过相机传输并来到mipi接口，从而进入到SOCmipi接口可以以每秒5~8g的速度发送和接收数据，然后该图像数据再由片上网络通过SOC路由到内存控制器，并进入到GRM存储器。接着，图像信号处理器或SOC上的isp读取原始的未压缩的图像数据，并执行一些图像处理步骤。首先校正由于镜头阴影导致的传感器边缘较暗的像素。然后Isp执行去马赛克过程，包括获取图像数据和相机颜色滤镜上的图案，并为每个像素计算红绿蓝值。接下来，图像信号处理器去造锐化增强图像，因为相机上的红绿蓝滤镜与显示器上红绿蓝像素的色调不直接匹配，所以还需要进行颜色校正。最后用图像信号处理器对图像进行色调映射。在所有处理完之后，我们就能得到一张1200万像素的图片，每个像素都有8位的红绿蓝值。接着将这些RGB图像数据通过isp接口发送到GPU，在GPU中，它被叠加到相机应用程序的图形中，并缩放已适应屏幕得到的RGB值被发送到显示引擎处理处理。完成后，图像再传送到显示器，这时你用相机拍下的照片就能在屏幕上显示出来了。那拍下的照片是怎么存储到相册的了？首先需要对图片进行压缩，为压缩的图像会被发送到一个专用的视频编码处理器，处理器会将红绿荷蓝的值转换为YUV颜色编码值。接下来，这些数据经过一系列算法，在去除人眼无法检测到的信息，并将图像压缩为大约3兆的JPG格式的图片。压缩后的图像被发送回DRM，然后路由到智能手机的闪存进行长期存储，照片就被长期保存下来了。现在，如果你想将这张照片发给你的朋友，压缩后的照片会从闪存读取到DRM里面，然后路由到调制解调器，在调制解调器中将其分割并打包成数据包，然后发送到4g、5g或者WiFi芯片，芯片会将图片转成电磁波信号，并转发到蜂窝或者WiFi网络。从而将照片发送出去。说完SOC芯片，我们接着说芯片的安装载体，那就是PCB电路板。PCB电路板是一切电子元器件的载体，摄像头、扬声器、显示器、WiFi天线、GPS、电池、指纹传感器和数十个微芯片都安装在上面。如果放大PCB内部，它实际上是一个由数百根铜线组成的多层迷宫，这些铜线可以让各个元器件进行通信以及协同工作。那这些电子元器件都是如何安装到PCB上面的呢？刚开始制造出来的PCB是这样子的，它上面并没有安装任何重要部件，所以需要焊接到主板上。但是像摄像头这种组件并不能直接焊接，而是通过一组连接器连接到PCB的。如果在X光下观察PCB，可以发现深色的区域是导电线，数量非常多，其余的则是绝缘体。这些导电线层层堆叠，但是彼此之间并没有。接触转到PCB的另外一边，这个就是我们前面说到的SOC芯片了，它通过底部的针脚与PCB上网格状的焊盘相连接。主板上还有很多元器件也是通过这样的方式与主板连接，比如内存和无线芯片以及电阻、电容和其他元件。这15条线从SOC连接到后置摄像头，而这10条线从SOC连接到了前置摄像头上。每一条走线都是需要进行电气隔离的，不允许接触到其他走线。这里有32条沿着主板边缘走的线，他们一直走到连接触摸屏的排线口上。所有电路排线都在PCB里面，宽度不超过1mm。手机的PCB板并不是单纯的一层，而是多达十几层，顶层和底层用于安装元器件并充当天线。由于主板上的元器件需要电源和接地，因此，这层红色和这些绿色分别叫做电源层和接地层，接地层还起到电磁屏蔽的作用。其余的4个中间层。用于装在所有通信线和信号线。每个导电层都是由纯铜制成的，层与层之间是绝缘的玻璃纤维和环氧树脂材料，以防止发生短路。此外，底部和顶部还有一层彩色的阻焊层，一般都是绿色的。既然层与层之间是绝缘的，那么信号又如何从一层传到另一层的呢？其实层与层之间是有很多孔的，这些孔主要分为三种类型，这是通孔，是指从顶层穿透到底层的孔，这个是盲孔，可以将顶层或者底层连接到中间层，这个是买孔，能将几个中间层相互连接起来。由于通孔连接多层，所以当不想连接到某一层时，可以将通孔周围的同一除掉。手机的PCB发展到现在重量已经非常轻，只有十几克。尽管如此，科学家们依旧还在尽可能的缩小芯片、电容器等元器件的尺寸，以便我们的手机更轻薄、更好用。说完手机的主板，我们接着说手机用于存储文件和视频的闪存芯片。这是手机的闪存存储芯片，这是将闪存芯片放大到纳米级别后的样子。我们手机里面的文件就存储在几十亿个这种存储单元里面。存储单元由同心圆组合而成，内部包含多层，这是存储单元的平面图。存储单元分为山脊、电荷井以及通道，它们中间都通过绝缘的电介质隔开，电介质可以防止电子流失。这些结构中，电荷井就是用来存储电子的。当我们盲闪存存储文件，就相当于往存储单元的电荷井内充入电子。问题来了，电子是怎么进入到电荷井的呢？现在我们换个角度来探讨这个问题。我们把电荷井想象成一个封闭的房间，而房间两边绝缘的电介质想象为房间的墙壁，进入到房间内的电子都无路可逃，以至于能待上十几年之久，当我们需要写入数据时，数据会通过中间的通道来到需要写入的位置，但是通道和电荷井之间隔着一道墙。他们。一开始都是相安无事的，通道的电子是无法越过墙壁进入房间的，因为电子移动是需要一定能量的。那能不能加大电压呢？问题是这样做可能会破坏掉墙壁，怎么才能穿透这堵墙呢？这就要用到量子力学的原理。在量子力学中，电子不是像经典物理学中的粒子那样具有确定的位置和动量，而是具有一定的概率分布。当在另一堵墙后面的山脊上施加一个正电压，正电场会将带有负电的电子从通道上吸引过来，并往房间这边拉。如果绝缘的电介质足够薄，并且施加在山脊上的电压拉力足够大，通道中概率分布的电子就能直接穿越电介质屏障进入到房间中来，这种现象被称为量子碎穿效应。电子进入房间的数量有多有少，电子数量最少或者没有时，用一一表示，电子数量装满时，用000表示，一共可以存入8个不同的二进制组合。当我们存储照片时，照片就是通过这种方。是存储到每个房间的。这是一套极其复杂的量子力学方程，作为理论基础的，它能计算出电介质屏障到底应该有多薄，以及山脊电压需要多大才能让电子穿过电介质进入电荷井。但是我们在使用手机和硬盘时，并不需要懂任何量子力学的知识，这一切都要归功于科学家天才般的设计。数据存入硬盘后，那要怎么将数据读取出来呢？我们还是回到存储单元的结构上来。为了更容易理解，我们先简化设计一下，将存储电子的电荷井先去掉。通常情况下，通道里面电子是不流动的，也就是通道是关闭的。但是当一个电压施加在山脊上时，会产生一个电场，在电场的作用下，电子就会在通道中流动了，这个打开通道的最小电压称为阈值电压，也就是低于阈值电压通道关闭，高于阈值电压通道打开。现在我们将电荷井放回去，当增加山脊电压，电子会发生量子碎穿，从而进入。电荷井中当电荷井中有电子后，我们施加一个超过阈值的电压到山脊，有趣的事情发生了。按照前面讲到，超过阈值电压通道的电子应该流动才对。但是由于电荷井的电子扰乱了山脊的电压，所产生的电场通道的打开被阻止了，也就是电荷井的电子能抑制通道的打开。为了克服这个问题，需要在山脊10家更大的电压，我们通过这种阈值电压的差异就能读取数据了。这是两个相连的存储单元，左边的电荷井中没有电子，而右边的电荷井中有很多电子。当一个电压施加在两个存储单元的山脊时，左边的通道会打开，电子会流动，而右边由于电荷井中有电子，通道不会被打开。接下来我们施加一个更高的电压，这时右侧通道也被打开了，也就是说这两个存储单元有不同的阈值电压，左边的阈值电压比较低，它的电荷中没有多余的电子，我们读取为二进制的1。而右边的。阈值电压比较高，电荷井中有大量的电子，我们读取为二进制的0，根据世家在山级电压的高低，我们就能读取SSD里面的数据了。但是这种是存储1比特数据的情况，如果是存储3比特的数据，又是怎么读取的呢？我们通过这一页为例，同一页上的储存单元，一个相同的电压会被施加到这一页上所有储存单元的山脊上。我们先往山脊施加一个很小的电压，然后检查每一个通道是否有电子流动，如果检查到这个储存单元有电子流动，说明通道是打开的，这意味着电荷井没有电子，我们就读取为111。接着我们提高山级的电压，并检查通道的电子流动，这时这个储存单元的通道被打开了，这说明电荷井有少量的电子存储的直读为110，继续提高电压，我们就能读取到每个电荷井存储的二进制值了。说完存储，我们接着说手机的摄像头。就是你平时拍照用的手机摄像头这么个小玩意儿是如何拍照的呢？摄像头的前面是透镜组件，中间是对焦马达，最后面的是摄像头的图像传感器，它是摄像头最重要的核心。传感器中间是一个巨大的感光方块网格，这里面的一个网格被称为一个像素，1000万像素的相机就有1000万个这种小网格，我们取其中的10×10大小的网格来具体看一下传感器是如何工作的。传感器上的网格分为三层，最上面是微透镜，中间是彩色滤光片，它由红、绿、蓝三种颜色组成，下面是光电二极管，进入镜头的光子首先会来到微透镜，微透镜会对光线进行聚焦，聚焦的光线通过彩色滤光片，比如光线通过红色的滤光片，滤光片会过滤掉除了红色外的所有颜色，所以最终只有红色能到达光电二极管，光电二极管能够吸收光子，并将吸收的能量转化为电能。这是如何。做到的呢？光电二极管的内部其实是一个PN节，制造二极管的材料主要是硅，硅外层有4个电子，它与其他硅原子共享电子，从而达到8个外层电子处于最稳定状态。如果想要增加硅的导电性，就必须进行掺杂。这是一块硅片，当往里面掺入磷元素时，由于磷元素最外层有5个电子，它和硅元子结合时会多出来一个电子，电子获得足够的能量时就会自由移动，这种掺入磷元素的硅片被称为N型半导体。这是另外一块硅片，当往里面掺入硼元素时，硼元素外层有3个电子，和硅原子结合时就会缺少一个电子，从而产生一个空穴，这种掺入硼元素的硅片被称为P型半导体。当我们将两块掺杂的硅片结合在一起时，N型半导体多出的电子会向P型半导体的空穴移动，这样在没有自由电子和空穴的地方就形成了耗尽层，导致N型半导体带少量的。电荷P型半导体带少量的负电荷，从而在耗近层形成一个电场，当光线照射到PN接上时，PN节的共价键被电离，导致耗尽层产生空穴和电子对。在电场的作用下，电子会向N型半导体移动，空穴会向P型半导体扩散，这会在PN半导体之间形成非常大的电位差。如果我们在PN半导体之间连接上灯泡，电子就会开始流动并填充P型半导体的空穴。光电二极管就是这么将光子转换成电流的。二极管上的网格电路会采用逐行扫描的方式读取到这个电流值，然后魔术转换器会将模拟电流转换成数字信号，也就是二进制值生成的原始图像，接着会发送到手机的SOC芯片，通过mipi接口经过一系列传输，最终存入手机内存中SOC芯片的图像信号处理器会从内存拿到图像数据，然后进行一系列处理，比如阴影像素矫正、去马赛。刻、去噪、锐化、增强图像等等。优化完的图片接着会发送到GPU进行处理，GPU会将图像叠加到相机应用程序并缩放以适应屏幕，得到的图片数据接着发送到显示引擎处理，处理完成相机拍下的照片就能在屏幕显示出来了。那拍摄好的照片又是如何保存到相册的呢？想要保存照片，首先需要将照片发送到视频编码处理器进行压缩，在这里，红、绿、蓝的值被转换为YUV值。接下来这些数据经过一系列算法会去除人眼无法检测到的信息，并将图像压缩为3兆左右的照片。压缩后的照片被发送回内存，然后经过路由进入到手机的闪存进行长期存储。如果你想要把照片发送给你的朋友也很简单，照片首先会被读取到手机内存中，然后路由到调制解调器，在这里，照片会被分割和组装成数据包，然后通过4g网络或WiFi的微信片。将数据转换成电磁波并发送出去，你的朋友通过蜂窝网络或者WiFi路由器就能收到你分享的照片了。接下来我们说一下手机的另外一个重要部件，那就是触摸屏。手机触摸屏的原理看似复杂，其实一点也不简单。当拆开触摸屏时，你会发现触摸屏由上下两层菱形网格组成，中间是一层透光的绝缘层。菱形网格的主要材料为氧化阴烯，具有半导体的特性。我们现在将触摸屏放大，当触摸屏工作时，触摸屏下面的蓝色菱形网格会积累电子。由于菱形网格之间有一层绝缘层，电子无法移动，从而产生一个负电场，这会导致一堆正电荷穿过绝缘层累积在黄色网格上。当你使用导电材料，比如手指接触屏幕时，指尖就会干扰电场，导致黄色网格上的正电荷发生电化。手机处理器可以测量这种电荷的感。变，从而将其记录为一次触摸。触摸的位置是通过扫描蓝色网格上电压的同时，不断的测量每列黄色网格电压的方式来获取的。需要注意的是，同一行的蓝色网格是连在一起的，同一列的黄色网格也是连在一起的，它们纵横交错。这里黄色和蓝色只是为了方便讲解，其实这些网格材料全部都是透明的。现在我们将网格简化为200个交叉点，来具体看看手机是怎么检测到触摸的。前面说过，触摸屏工作时会产生一个电场，在通过不断测量黄色和蓝色网格的电压就能确定其触摸位置，其实这不完全准确，比如我们触摸的这个位置，由于黄色网格的每一列都是连接在一起的，所以处理器无法区分我们触摸的是这里还是这里。如果我们单独测量每一个网格的电压变化，会导致计算量大大增加，这并不是最优的解决方案。那要怎么做呢？可以这样以极快的速度扫描电场，大概10微秒一行，并且在任何时间下只有一行蓝色网格是通电的，因此每次只有一行上的交叉点可以检测到。触摸手机的处理器会精准控制各行的电场，扫描并记录每一行上每一列测量的数据。在电场移动到下一行之前，每一列都会重置其测量值。然后处理器会将每一行被激活的时间与每一列的输出结合起来，以便重现一个完整的网格。经过处理器处理后，手机就能知道你是在点击屏幕、滑动屏幕或者缩放屏幕了。在触摸屏的最下方，其实还有一块显示屏，用于显示手机的图像，一般为LCD或者OLED。我们先来看LCD屏幕，这是一块彩色绿光片，绿光片后面使用一个白光led作为背光源，当led点亮时，屏幕会显示白色，Led关闭时，屏幕会显示黑色。但是这不是成黑白屏幕了吗？我们继续进行改进，为了呈现更多颜色，我们在彩色滤光片后面再添加两块偏振片和一块光学薄片。它们有什么用呢？我们先来了解一下光的特性。光有相互垂直的电场和磁场，它们垂直于光传播的方向。为了方便讲解，我们只展示电场，这种光被称为非偏振光。当光通过垂直偏振片时，偏振片有个特性，它只允许电场的垂直分量通过。我们现在回到显示屏这里可以看到光通过垂直偏振片时，的确只有垂直分量通过，其他的分量都被阻挡住了，接着分量会来到光学薄片，当我们给这个薄片一个旋转信号时，薄片会把垂直偏振光旋转到我们想要的角度，如果旋转角度为90°，那么偏振光刚好能通过下一个水平偏振片，但是如果旋转角度不到90°，水平偏振片就会遮挡一部分光线，那么光的强度就会降低。如果旋转角度为零度，那么整个光线都会被遮挡，三个这样的红绿蓝单元组合在一起就能构成一个像素。如果放大一个显示屏，你就会发现显示屏就是由一个个的像素组合而成，每个像素后面就是这种红绿蓝单元。这里有个问题，为什么一定是红、绿、蓝三种颜色呢？红绿蓝被称为三原色，当光以不同强度穿过红、绿蓝绿光片时，可以得到任何我们想要的颜色。这是如何做到的呢？我们现在将像素放大到一英寸，可以看到显示的还是红、绿、蓝三种颜色，只是红、绿、蓝深浅不同。但是一旦像素足够小，单个颜色就无法区分出来。由于人眼的视觉分辨率有限，看到的就是三种颜色混合后的色彩。现在我们再回到显示屏，如果我们想要获取到青色，只需要将红色绿光片的偏振光调整成垂直，就能得到青色了。同样的原理，为了得到黄色，只需要阻挡蓝色绿光。片的偏振光即可。现在有个问题，这个光学薄片到底是如何控制光的偏振的呢？其实在光学薄片内部还有液晶，正常情况下，液晶处于偏转状态，并且刚好能将入射光旋转90°，然后来到水平偏振片。但是如果在光学薄偏上施加电场时，分子就会发生扭曲，从而控制光的偏振。为了使显示屏显示的图像更平滑，在背光源前面还有一块漫射板，但是漫射板扩散范围太大了，所以在漫射板前面还有一块棱镜片，用于将光线向前集中。这就是LCD屏幕的工作原理。现在我们将计算机或者手机的数字信号转换成电信号，然后输入到光学薄片，就能控制液晶的偏转，从而显示出图像。但是LCD屏幕虽然看起来完美，还是有不少问题，比如我们要显示黑色，但是得到的结果却是这样的，这是因为奥义D背光源一直在持续发光，显示的并不是纯黑色。在持续发光的led也会导致不少的能源消耗，所以更加先进的OLED屏就诞生了，这也是目前绝大部分手机都在使用的屏幕。OLED屏采用了完全不同的技术，它的光源基于半导体材料，在半导体材料中，处于稳定状态的电子位于homo能级，处于激发态的电子位于罗某能极。当我们在半导体材料的阴极和阳极接通电源时，阳极的电子就会脱离产生空穴，并通过导线来到阴极，进入阴极的电子会重新填充之前的空学，填充的过程中，电子会以光子的形式释放能量，并发出明亮的光。当然实际情况肯定不是这么简单，在电极之间其实还有很多层，这些层可以使得电子更好的进行迁移，并且能耗也能大幅降低。然后将led放置在彩色滤光片后面，就组成了一个像素单元OLED屏，每个像素点都可以单独开启和关闭，所以屏幕能展现更纯。碎的黑色效果，并且可以再现任何想要的颜色。由于OLED屏去掉了背光层和液晶层，因此可以做到更纤薄、更轻巧，也更容易弯曲。说完触摸屏，我们接着来说手机电池。手机电池为什么使用一两年就不耐用了呢？看完电池的工作原理就明白了。所有的电池都有一个正极一个负极，智能手机里带负电的电子流从负极流出，然后来到正极，从而形成了电流。那电子流是从哪里来的呢？手机电池一般都是使用的锂电池，电池的负极由锂元素构成，离储存在碳石墨层之间，碳石墨有非常漂亮的晶体结构，所以锂元素可以稳定的嵌入石墨的每一层。锂元素有一个固有特性，就是总想扔掉最外层的电子，这是为什么呢？我们知道，原子是由原子核和电子组成，电子带负电荷，原子核带正电荷。一般情况下，原子是处于中性状态的，正负电荷彼此相等。但并不是所有的原子都处于稳定状态，只有当最外层电子达到2个或者8个时才会最稳定。有些原子为了保持自身稳定，就会失去或者得到电子。原子失去电子会导致负电荷量减少，正电荷量大于负电荷量，这种原子被称为阳离子，可以用元素符号带一个加号表示，如果失去两个电子，就用2加表示，相反，如果得到电子就会变成阴离子，并在元素符号上用负号表示。现在我们回到锂电池，锂元素最外层有3个电子，为了达到稳定，锂元素会失去一个电子，这个电子就会从锂中分离出来，并开始向电池正极移动。失去电子的锂离开石墨并带正电荷成为锂离子。当大量锂原子离开石墨时，电子流也就形成了，它们沿着导线来到正极，正极主要由鼓组成，骨跟氧气反应会失去一些电子，因此古代正电并想要得到电子。所以当我们把正府两端连接到智能。手机上时，电子就会从锂这边流向想要获得电子的鼓内变。但是有个问题，电子流到正极后，鼓会得到电子带上负电，这就导致正极的负电荷越来越多。由于一极相吸，同极排斥，这就导致电子流动趋势越来越小，从而难以产生持续的电流。为了解决这个问题，这就需要在正负极之间添加一层电解质，电解质允许锂离子从负极迁移到正极，但是却不允许电子通过锂离子来到骨这边后与钴和氧发生反应，形成氧化谷里，从而中和负电荷的积累，保持锂离子的平衡。当你的手机使用了一整天后，大量的锂原子离开石墨层形成电子和锂离子，它们分别通过导线和电解质来到负极发生化学反应。当所有的锂都离开石墨层来到正极后，那么你的手机也就没电了，那怎么为手机充电呢？当我们给智能手机插上电源时，USB充电器会对电子流动施加更大的力。在正极这。边电子从中被拉了出来，重新流向负极，同时锂离子也通过电解质回到了石墨层，这使得大量的电子又重新嵌入石墨中，这个过程跟之前刚好相反。另外，如果电解质层干涸或者损坏，这会导致正负极直接连通，化学反应会不受控制的加速，从而导致电池爆炸。所以电解质中间还需添加一层不导电的半透性分离器。由于石墨和氧化钴不擅长收集或分配电子，因此在负极和正极分别还需要放置导电同层和导电铝层作为收集器。现在我们回到开头的问题，为什么电池会越来越不耐用呢？第一个原因就是电池里面的锂和进入的电子与电解质和有机溶液反应，会形成固体电解质化合物，这会减少锂的总量，从而降低电池的最大容量。另一个原因是，当你把手机电池用到完全没电时，可能会使得骨这一侧有过多的锂，从而导致不可逆的生成氧化锂和氧。化骨这两种氧化物，这又进一步减少了锂合骨的数量，使得电池的使用寿命降低。最后，为了使电池电量最大化，电池内部会被折叠成很多层并进行封装，最终形成我们能够使用的手机电池。另外，手机除了常规充电方式外，还可以进行无线充电。手机是怎么实现无线充电的？我们先来看一个小实验，这是一个线圈，线圈两端连接着电流表，当我们将一块条形磁铁插入线圈，电流表的指针就会向右移动，如果将磁铁移开，电流表的指针就会向左移动。也就是说磁铁在线圈内来回移动时产生了电流。那电流是怎么产生的？由于磁铁周围会产生磁场，根据法拉第电磁感应定律，磁铁来回移动时磁场发生变化，这就会导致线圈中产生电流。当我们不停的来回移动，磁铁电流的方向也会来回切换，交流电就是这么产生的，而且电流会随着磁铁的速度或线圈的数量增加而增大。那这跟无线充电有什么关系呢？这是无线充电器里面的线圈，当电流通过充电线圈时，就会产生磁场，这个线圈就相当于前面的磁铁，这个黄色的是智能手机里面的线圈，如果你把智能手机线圈放下去，由于磁场发生变化，线圈就会有感应。电流。但是当手机静止不动时，磁场不再变化就不会产生电流。难道我们一直像磁铁一样来回移动智能手机吗？当然不是，既然不能一直移动手机，那我们就让磁场主动变化。怎么做呢？首先，家用交流电通过适配器会转换为适当电压的直流电，直流电来到无线充电设备后，会将直流电转化为交流电，交流电会使正极和负极不断变化，这会导致磁场的方向也会不断改变。由于电磁感应，手机线圈就会接收到这个磁场，并通过电路中的电容产生感应交流电。接着交流电通过整流稳压后重新转换为直流电，就能为手机电池充电了。接下来我们来说手机的扬声器，一个小小的手机扬声器，想不到如此复杂，扬声器一般有两个，顶部和底部各有一个，它们的结构差不多，我们以顶部的扬声器为例来讲解。扬声器主要由四部分。组成分别是隔膜、阴圈、磁铁以及定心织片，另外还有两块极板、一个塑料外壳以及一个前盖。这些组件都是起一个固定、支撑和保护作用。我们重点来看看它的主要结构，这是扬声器的隔膜，它是一块非常薄的硬质塑料，能来回移动产生声波。具体过程是这样的，隔膜向前移动，压缩空气粒子，从而产生高压波，而后向后移动产生低压波，这种来回移动的频率高达每秒数千次。这些声波从扬声器传播出来，然后来到我们的耳膜，被我们感知为具体的声音。那扬声器的这个隔膜究竟是怎么移动的呢？这就要看第二个关键组件了，那就是音圈，它固定在隔膜上，由多圈绝缘铜线构成。除此之外，隔膜和阴圈的周围是磁铁，它是一块具有很强磁性的女磁铁，现在我们来看一下它们是如何协同工作的。当电流流过阴圈时，其四周就。会产生出一个感应磁场，另外这块女磁铁它周围也会产生磁场，如此一来，在两个磁场的相互作用下，音圈和隔膜就会开始运动起来。当电流发生变化时，感应磁场的方向也会发生变化，这种变化导致的直接结果就是音圈、隔膜的运动状态也跟着变化。这里有一张电流大小的曲线图，可以看到随着电流曲线的变化，音圈也会随着进行变化，并带动隔膜进行前后移动，移动会产生声波，从而产生出我们耳朵所能够听到的声音。接下来我们再说一个手机比较常用的功能，那就是定位导航。手机的GPS是怎么实现定位导航的呢？其实很简单，假如你现在站在地球的这个位置，有两颗卫星正在与你通信，假设两颗卫星到你的距离分别为R1和R2，我们以R1为半径画圆，然后再以R2为半径画圆，这时就能得到两个。将焦点第一和第二，但是怎么确定你到底是在第一还是第二呢？很简单，你站在地球上，地球的曲线必然会跟第一产生一个焦点，如此一来，你在地球的位置就被测量出来了。真的这么简单吗？其实不然，这只是二维平面的定位方式，如果是三维空间呢？还是一样。这次我们不再画圆，我们分别以R1和R2为半径画球体，这两个球体必然会产生一个交集，就是这个红色的部分，也就是说你可能位于红圈内的任何位置。怎么定位到你呢？这就需要再加一颗卫星，我们以二、三为半径再画一个球体，这样就会产生两个焦点，剩下的就和二维平面定位一样了，你站在地球上，位置必然在下面这个焦点，这个焦点就是你的三维空间的坐标，到这里你是不是觉得就完美了？其实远远比这更复杂。上面的定位方式有个很重要的参数，就是半径，也就是卫星到你的距离，这个距离怎么测算呢？我们知道，卫星是以电磁信号的方式向手机发送的，这个信号以大约每秒30万公里的光速传播，通过接收信号的时间T2减去卫星发送时间T1的差值，就得到信号传播时间，然后用这个时间乘以光速就能得到距离。有个问题，卫星上安装有原子钟，它的时钟极其精准，但是手机的时钟并不是原子钟，这就导致T2的误差很大。最起码有三个因素影响到T2的准确性。第一就是测量仪的精确性。由于信号以光速传播，我们必须使用具有足够精准的时钟来准确计算距离。举个具体的例子，由于信号仪每秒30万公里的速度传播，测量结果有一微秒的差异，距离就会误差300米，这个误差是不可接受的。第二个就是时钟同步问题。根据爱因斯坦的相对论可以知道，由于时间膨胀会导致时钟的不同步，简而言之就是速度越快，时间越慢。假设我们有两个原子中一个安装在地面的接收器上。另一个在卫星内部，由于他们相互之间的高速运动以及地球质量对时空的扰动，这就会导致两个时钟开始是完全同步，仅仅一天之后，它们之间的值就会有38.4微秒的差异，这就意味着定位的误差达到几公里。最后的一个影响因素就是大气层，更确切的说是信号穿过大气层时会发生折射，因此信号在其轨迹上有轻微的偏差，传播速度也会降低。怎么消除上面三个因素的影响呢？这就要用到第4颗卫星，这颗卫星就是专门用于解决误差的，它内部植入芯片，能全天候监测误差，并及时校准时间。信号的传播时间计算准确后，根据空间几何的三角函数就很容易计算出我们在地球的坐标了。GPS至少需要24颗卫星分布在6个轨道面上运行，可以确保每个接收器在任何时候、任何地方都至少有4颗卫星，可见全球覆盖率能达到98%。说完GP。接下来我们看一下手机是如何进行通信的，手机能够打电话和上网离不开这些信号塔。那信号塔是如何产生信号的呢？这就要用到电磁波。最容易产生电磁波的方式是使用一个闭合导体，输入不断变化的电信号，就能产生一个波动的磁场，但是这种电磁场只会围绕着导体波动，并不会传播出去。而信号塔的电磁波需要与导体分离，并且需要不断向外传播。怎么做到这一点呢？这是一对相隔一段距离的正负电荷，它们会产生一个电场。假设正负电荷开始震荡，可以看到电荷震荡到中间时速度是最快的，震荡到两端时速度为零。带电粒子的这种加速和减速也会带动磁场不断变化。我们只取其中的一条磁场线，可以看到，随着时间的推移，磁场会发生相应的变化，当在1/4时间段时，正负电荷会相遇，继续往前走就会发生。磁场的分离，电荷持续震荡运动，就能产生一个不断向前推进的电磁波。现实中是使用天线来发送电磁波的，取一根如图所示的弯曲导体，在其中心位置施加电压信号，在电压的作用下，电子将从导体的右侧流向左侧，右侧由于失去电子带正电，而左侧则带上负电，随着电压的变化，正负电荷会在导体间来回穿梭，从而产生跟之前一样震荡的电荷，这就能不断的向外辐射电磁波了。这种天线不仅可以发射电磁波，还能接收电磁波。当在天线周围施加一个电磁场时，电子会瞬间移动到导体的一端，如果电磁波不断变化，正负电荷也会根据电磁波的变化而变化，从而产生变化的电压信号。现在有个问题，这样产生的电磁波信号一般强度很弱，无法进行远距离传播，这就需要将基带信号调制成高频信号。那如何调制呢？我们来看一个简单的类比。我们将一张纸扔出去，这张纸不会被扔得很远。现在我们如果用纸包着一块石头在扔，纸就会被扔得很远。条制就跟这个类似。其中石头代表一种高频信号，被称为载波信号，只就代表我们要发送的基带信号。任何信号都有三个基本特性，幅度和频率以及相位。如果载波信号的频率根据基带信号的幅度而变化，这种技术被称为调频，如果载波信号的幅度根据基带信号的值而变化，这种技术被称为条幅。但是这些调制技术都是模拟类型的，已经过时了。现在的调制都是数字调制技术，也就是直接将数字信号转换成电磁波，我们可以根据数字信号调整载波信号的幅度。高振幅代表1，低振幅代表0，不同的二进制值产生不同的波形。现在使用最普遍的调制技术为正交调幅，将一个信号使用载波进行幅度调制，另一个信号也使用相同频率和幅。不得载波进行幅度调制，然后将两个载波信号进行90°相移，从而将两个调制信号混合在一起，形成一个单一的信号，称为多路复用信号。接收端在接收到多路复用信号后，可以很容易的从复用信号中分离出原始信号，从而大大的节省了宽带。比如我们现在要发送一个视频出去，视频的底层其实都是二进制值，我们可以将这些二进制纸每次比特打包在一起，然后通过正交条幅后产生不同的多路复用信号，接着将这些信号组合在一起，形成单一的电磁波，最终发送到用户的接收设备上。另外，为了实现全球互联和频率重复使用，需要用到蜂窝网络。什么是蜂窝网络呢？运营商会将地理区域划分成像蜂窝一样的六边形区域，每个六边形区域内都会建造一个信号塔，每个信号塔之间使用光纤电缆连接，为了防止你的手机接收到临近手机信号塔的信号，相邻的不同信号塔会分。配不同的频率，而相同信号塔下的用户则采用多指技术，以不同的无线信道分隔，从而防止相互干扰。有了蜂窝网络，下面我们就来看一下手机通话的整个详细过程。两人相隔千万里，为什么能实时通话呢？首先，当你拨打电话的瞬间，手机里的信号发射器会将信号以电磁波的方式向外发射，是直接发射到朋友的手机吗？当然不是，由于电磁波在传输时有很多限制，首先容易受到天气及电气的影响，另外，电磁波无法长距离传播，远距离通话时，地球的曲率也会对电磁波产生很大的影响。为了解决这些问题，蜂窝通信技术应运而生，运营商将地理区域划分成多个六边形的子区域，每个六边形区域都建有一个基站，每个基站之间都用光纤电缆连接，光纤被铺设在地下或海底，从而实现全球互联，所以手机发出的电磁波首先被基站。接收基站将电磁波转换为高频光脉冲，光脉冲会流向信号塔底部的基站收发箱，经过处理后，信号会被发送到运营商所在城市的移动交换中心。移动交换中心简称MSCMSC基本上每个城市都有一个。当你办理新卡时，所有的信息都会被储存在新卡中，这张卡的归属地就属于运营商所在城市的MSC。如果你从北京去到上海，那么将由上海的MSC继续为你提供服务，这就会产生漫游。同时上海和北京的MSC会进行通信，北京的MSC会将你的位置信息更新为上海。所以不论用户去到哪里开卡地，都会瞬间找到他在哪个城市的哪个基站附近。所以当MSC接收到你那边基站发来的信号后，MSC能立即找到对方附近的基站，基站会立即向对方发送呼叫请求，对方接听。之后，当你对着麦克风说话时，手机的麦克风会立即收集到你的声音，然后传感。器会把收集到的声音转换成0和1的二进制数字信号，随后这些数字信号会通过手机里面的信号发射器以电磁波的方式向外发射出去，然后通过基站传输，对方就能通过信号接收器接收到你的全部请求，再进行转码，对方就能在千里之外听见你的声音了。除了打电话，手机还可以上网。这又是如何实现的呢？你现在刷到的这条短视频其实就存储在服务商的数据中心，更具体的说，它是存储在数据中心内的固态硬盘中，固态硬盘位于服务器内，在我们刷视频时，服务器就能响应我们的请求，将短视频传送出去。有个问题，视频到底是怎么传送到我们手机或电脑的呢？解决这个问题有一个简单的办法，那就是使用卫星视频数据通过数据中心发送到卫星，然后卫星再将数据转发到我们的手机。但是这种传输方式有个很大的问题，卫星到赤道的距离为3.5。万公里来回的数据传输超过7万公里，这会造成非常大的数据延迟。如果使用卫星不行，那又该怎么解决呢？答案就是使用光纤。这些光纤网络通过陆地和海洋遍布全球，从而实现全球互联。你的手机可以通过蜂窝数据或者WiFi路由器连接到互联网，但最终背后还是连接到光纤电缆网络。光纤电缆由数千根纤维束组成，每根纤维束的直径和人的头发丝一样细。光纤以光为载体来传递信息，这也决定了光纤的传输速度会非踌快。我们现在来看一个实验，这是一个三角形棱镜，当光穿过棱镜时会发生光的折射，现在我们通过掺杂来实时的提高玻璃的折射率，随着掺杂越来越多，光线会不断的向棱镜表面靠近，当所有杂质都射进去后，光会突然以纯反射的形式返回到棱镜里面，这种现象被称为全内反射，而光纤就是根据全内反射来传输光信号的。光纤的内部是一根高折射率的圆柱形玻璃，外部是一根低折射率的玻璃包裹，当光以高于临界角的角度射入时，就会发生全内反射，最后外部再加上一层保护层，这样一来，光就能实现远距离传输了。但是这个距离也不是无限远，超过100km后，由于各种损耗，光信号就会发生衰减。所以在光信号传输一定距离后，就需要通过放大器对光信号进行增强，然后再继续进行光信号传输。问题是，这些光信号是如何在茫茫人海中找到我们的手机或电脑的呢？这就要说到一个重要概念，那就是IP地址。无论是服务器、计算机或者手机，他们都有一个IP地址作为唯一标识。IP地址类似于你的家庭地址，有了这个地址，任何信息都可以准确的邮寄到家，你可以很容易在你的电脑或者手机上查看到设备的IP地址。另外，我们刷短视频的服务器也有一个IP地址，通过这个IP地址你可以访问。任何你有权限访问的信息，但是由于IP地址不好记忆，所以这就需要用到另外一个东西，那就是域名。域名便于记忆，并与IP地址是相对应的，所以我们在访问网站时都是使用域名。问题是，通过域名是怎么找到对应服务器IP的呢？这就又要用到一个新东西，那就是DNSDNS相当于我们的电话本，通过域名就能查找到对应的IP。互联网的服务提供商会管理这个DNS服务器。当手机或者电脑访问域名时，短视频的或者浏览器会向DNS服务器发送请求，获取对应的地址后，浏览器或者APP会将请求转发到对应数据中心的服务器，一旦服务器收到数据请求，就会将你刷到的视频转化为0和1的二进制数据，这些二进制数据接着又会被分成不同的数据包，每个数据包包括序列号、服务器和手机的IP地址等信息，然后这些视频数据就会通过光纤进行传送。每个数据包都能独立的选择可用的最佳路由。如果你是通过手机的蜂窝网络进行联网，那么数据包会先发送到信号塔，然后信号塔以电磁波的形式发送到你的手机，最终一个完整的短视频就呈现在你的手机上了。如果你的手机或者电脑是通过WiFi联网的，那么数据会通过光纤直接传输到你家的路由器，路由器将这些光信号转换成电信号，手机或者电脑再连上WiFi后，你就能愉快的刷上短视频了。

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