Мобильный телефон является неотъемлемой частью современного, технологически развитого общества. Несмотря на обыденность и внешнею простоту этого прибора, очень не многие знают как работает мобильный телефон.
Устройство мобильного телефона
Современные технологии и постоянно движущийся вперёд прогресс позволяют создавать телефоны с огромным количеством функций и возможностей. С каждой новой моделью телефоны становятся всё тоньше, красивее и доступнее по финансам. Несмотря на огромную разновидность моделей и производителей, все эти приборы устроены по одному принципу.
По сути, мобильный телефон - это приёмно-передающее устройство, которое в своём корпусе имеет приёмник, передатчик и радиоантенну. Приёмник обеспечивает приём радиосигнала, преобразовывает его в электрические импульсы и посылает на динамик вашего телефона в виде электрических волн. Динамик преобразует эти электрические импульсы в звук, который мы слышим при разговоре с собеседником.
Микрофон воспринимает вашу речь, преобразует её в электрические сигналы и посылает на встроенный передатчик. Задача передатчика преобразовать электрические импульсы в радиоволны и передать на ближайшую станцию посредством антенны. Антенна служит для усиления приема и передачи радиоволн от телефона на ближайшую станцию сотовой связи.
Как работает телефон стационарный
Устройство стационарного телефона не сильно отличается от мобильного. В стационарном телефоне нет необходимости преобразовывать электрические импульсы в радиоволны, поскольку контакт с абонентом происходит по телефонному кабелю через Автоматическую Телефонную Станцию (АТС). Станция не нуждается в поиске аппарата по зоне своего действия и при наборе номера она автоматически вас соединяет с тем телефонным аппаратом, на который зарегистрирован этот номер.
Как работает мобильная связь?
Каждый из нас имеет возможность визуально наблюдать большое количество радиовышек, расположенных в разных частях города. Эти вышки, как правило, устанавливаются на максимально возвышенных местах, на крышах высотных зданий, на конструкциях других коммуникаций или на собственных стационарных вышках. Эти радиовышки называются базовыми станциями (БС). Вы можете заметить что в городах такие станции установлены гораздо чаще чем на междугороднем пространстве. Это связано с тем, что в городских условиях существует много естественных помех в виде бетонных зданий и различных металлических сооружений, которые значительно ухудшают качество сигнала. Одновременно в городах сосредоточено большее количество абонентов, которые создают сильную нагрузку на сотовую сеть и для поддержания хорошего качества связи требуется усиление зоны покрытия.
Ваш телефон имеет собственную идентификацию в виде мобильного номера вашей SIM карты. Во включённом состоянии, мобильный телефон постоянно сканирует пространство в поисках сети и автоматически выбирает ту Базовую станцию, которая обеспечивает лучшее качество сигнала. Одновременно он сообщает станции о своём местоположении и состоянии, таким образом, центральный компьютер оператора сотовой связи всегда знает, в зоне действия какой базовой станции находится телефон и готов ли он принять сигнал вызова. Как только другой абонент делает вызов вашего номера, компьютер определяет ваше местонахождение и посылает сигнал вызова на ваш телефон. Если телефон выключен или не находится в зоне действия ближайшей Базовой Станции, то компьютер сообщает вам что абонент находится вне зоны покрытия и не может принять звонок.
Звонок телефона раздается, как только вы садитесь обедать? Позор Алексу Беллу! Ведь это именно он, Александр Грейам Белл, запатентовал в 1876 году телефон, обогнав при этом многих изобретателей. Основной принцип действия телефона так и не изменился: все изобретатели сходились на том, что звук можно преобразовать в электрические сигналы, отправить их по проводам и превратить обратно в звук в другом телефоне в другом городе (или даже на другом континенте). Телефон - очень удачное название для этого устройства, оно происходит от двух греческих слов, означающих «далекий звук».
Как работает телефон? Телефон подключен к специальной сетевой электрической розетке. Электрический ток с особыми характеристиками идет из телефонной компании по проводам на столбах или под землей до самого вашего дома.
Когда вы снимаете трубку, чтобы позвонить бабушке, в проводах возникает электрический ток. Специальное устройство на телефонной станции, зарегистрировав этот ток, посылает обратно тональный сигнал готовности, давая знать, что станция готова к обработке вашего звонка.
Например, номер вашей бабушки 555-24-68. Вы набираете 5. Если у вас старый импульсный набор, когда нужно поворачивать диск телефона пальцем и отпускать его, то вы услышите пять щелчков, прерывающих электрический ток, а на телефонной станции специальная машина подсчитает щелчки. Если у вас тоновый набор, то номеронабиратель пошлет на станцию сигнал, для каждой цифры свой, и поэтому коммутационное оборудование отличит 5 от 2.
Когда вы наберете весь номер, коммутирующее устройство проверит, не говорит ли ваша бабушка в данный момент по телефону. Если она уже разговаривает, то устройство подаст вам сигнал «занято», если нет, то коммутатор заставит ее телефон зазвонить. Когда ваша бабушка снимет трубку, в ее телефон поступит ток, а коммутатор получит сигнал о том, что необходимо перестать звонить. И вот вы вдвоем на связи.
В нижней части любой телефонной трубки находится чаша, наполненная угольным порошком.
Когда ваша бабушка поднимает трубку, электрический ток поступает в порошок. С этим углем соприкасается тонкий металлический диск. Когда бабушка говорит, звуковые волны заставляют диск вибрировать. Вибрирующий диск сжимает крошечные частички угля, изменяя таким образом течение электрического тока через него. Голос вашей бабушки состоит из отдельных звуков, которые вызывают единственные в своем роде изменения в электрическом токе. В результате звуковые волны превращаются в электрические волны. Электрические волны, несущие эти звуки, идут по проводам до телефонной станции. Здесь этот ток перенаправляется на провода, ведущие к вашему дому, - все это в считанные доли секунды - и поступает в катушечный электромагнит в вашей телефонной трубке. Изменения в электрическом токе заставляют электромагнит излучать колеблющееся магнитное поле, которое непрерывно притягивает и отталкивает металлический диск, прикрепленный к крошечному постоянному электромагниту внутри раковины телефонной трубки. Движущийся металлический диск создает звуковые волны, несущие голос бабушки прямо вам в ухо. И вот вы слышите родной голос: «Привет, малыш!»
Статьи и Лайфхаки
В нашей статье мы вкратце разберем внутреннее устройство современного мобильного телефона, остановившись на каждом из значимых блоков.
Речь идет именно о кнопочных «трубках», об устройстве смартфона мы поговорим в другой раз.
Корпус и клавиатура
На сегодняшний день почти все кнопочные модели выпускаются в корпусе из пластмассы.Исключением являются только некоторые дизайнерские телефоны, например, титановые гаджеты , но их можно не брать в расчет в силу малой распространенности.
Подавляющее большинство телефонов сегодня выпускается в форм-факторе , разнообразные раскладушки и слайдеры с рынка почти исчезли. В них задняя панель является съемной, а нередко и заменяемой.
Таким образом, пользователь получает доступ к слоту для сим-карты, карт памяти и батарее.
Клавиатура чаще всего выполнена из резины, обычно клавиши имеют подсветку, облегчающую использование аппарата в темное время суток.
Дисплей
Экраны большинства современных кнопочных моделей выполнены по .Логический блок
Мобильный телефон, как и смартфон, представляет собой специализированный миникомпьютер. Однако элементная база в нем используется совершенно иная, поэтому привычных по сенсорным гаджетам процессоров Qalcomm или MediaTek в «трубках» не встретишь.Более того – в спецификациях моделей практически никогда не указывается ни тип чипсета, ни даже количество оперативной памяти.
Единственное, о чем имеет смысл говорить – это встроенное хранилище, предназначенное, главным образом, для фотографий и музыки.
Помимо этого, многие сотовые телефоны поддерживают работу с microSD картами, обычно емкостью до 32 Гб. Впрочем, больше и не требуется.
Особо следует упомянуть энергонезависимую память, в которой хранится уникальный код устройства – IMEI.
Радиомодуль
Помимо голосовой связи по стандарту GSM, кнопочные устройства способны работать в интернете по технологии GPRS.
Скорость обмена данными у нее чрезвычайно низкая даже в сравнении с 3G, не говоря уже об LTE, а тарифы операторов делают такую связь абсолютно непригодной для использования.
Для обеспечения устойчивой связи в телефонах предусмотрена внутренняя штыревая антенна.
Иногда можно встретить модели, в которых есть поддержка 3G интернета. Это несколько расширяет возможности аппарата.
Аудиосистема
В простейшем варианте она состоит из микротелефона и микрофона, позволяющих использовать гаджет по прямому назначению – для разговоров.Практически неотъемлемой частью внутреннего устройства любого мобильного телефона является специальный 3,5-мм разъем для подключения наушников.
В некоторых моделях предусмотрен еще и динамик, который может использоваться как для hands-free связи, так и для воспроизведения музыки.
Сим-карта
Сим-карта представляет собой ключ аутентификации абонента. В отличие от смартфонов, в «трубках» до сих пор в большинстве используется стандарт mini-SIM.
Слот может быть как один, так и два. Последнее чаще встречается в моделях, оборудованных 3G модулем, чтобы можно было отдельно подключить карту для интернета.
Камера
В отличие от смартфонов, далеко не каждый телефон оборудован камерой. Да и там, где она всё-таки есть, ее разрешение весьма скромное – до сих пор встречаются 0,3-мегапиксельные модули, в лучшем случае можно надеяться на 3 мегапикселя.Ничего удивительного – вряд ли стоит надеяться встретить в устройстве за 2 тысячи рублей двухмодульную камеру с оптическим зумом. Поэтому рассчитывать на получение качественных фото в данном случае не стоит.
Аккумулятор
Батарея обеспечивает питанием все элементы мобильного устройства. Обычно она съемная, для ее извлечения достаточно снять заднюю панель. В современных моделях используются два типа аккумуляторов: литий-ионные и литий-полимерные.Последние считаются несколько более прогрессивными, поскольку создавались в ответ на склонность к вздутию и даже взрывоопасность литий-ионных батарей.
Как следствие, проблемы у кнопочных устройств в этом отношении те же самые, что и у смартфонов: холодобоязнь и ограниченное число циклов заряда.
Некоторые пользователи до сих пор пребывают в плену мифов и полагают, что аккумулятор обладает т.н. «эффектом памяти». Ничего подобного в современных телефонах нет.
Напряжение, используемое в современных моделях, обычно составляет 3,6 В.
Интерфейсы
Этот элемент предназначен для взаимодействия с другими устройствами.
Возможны три варианта :
- Полное отсутствие интерфейсов в самых примитивных моделях.
- Беспроводный интерфейс Bluetooth, позволяющий обмениваться файлами, например, с другим телефоном, настольным компьютером или ноутбуком.
- Порт USB, позволяющий подключить телефон к ПК при помощи кабеля.
Привычный для пользователей смартфонов Wi-Fi в данном случае отсутствует.
Прочие элементы
В кнопочных телефонах имеется несколько внутренних устройств, которые обычно не встречаются в смартфонах. Это может быть фонарик или вибратор, позволяющий принимать звонки, не включая звуковой сигнал вызова.Во всём остальном эти гаджеты практически не отличаются друг от друга.
В заключение
Как видим, за десятилетия, прошедшие с момента появления сотовой связи, устройство телефонов не слишком изменилось.И, несмотря на засилье на мобильном рынке смартфонов, вымирать эта категория устройств до сих пор не собирается.
Она заняла нишу, обеспечивающую потребности тех, кому не требуется от аппарата ничего, кроме его основной функции – возможности разговаривать с собеседником.
И если раньше появлялись кнопочные модели, имевшие претензию на соперничество с сенсорными, то сегодня из их конструкции исчезло всё лишнее, оставив только необходимый минимум.
Это и позволило снизить цену аппарата до абсолютного минимума.
Часть текста, а также схемы и диаграмма напряжений АТС-абонент взяты из книги Евсеева А.Н. «Радиолюбительские устройства телефонной связи» (М.: Радио и связь, Малип, 1999г) Параграф «Устройство телефонного аппарата и основы телефонной связи»
Основные компоненты телефонного аппарата использующего проводную связь.
В состав телефонных аппаратов, предназначаемых для работы в телефонных сетях, входят обязательные элементы: объединенные в микротелефонную трубку микрофон и телефон, вызывное устройство, трансформатор, разделительный конденсатор, номеронабиратель, рычажный переключатель.
Микрофон служит для преобразования звуковых колебаний речи и электрический сигнал звуковой частоты. Микрофоны могут быть угольными, конденсаторными, электродинамическими, электромагнитными, пьезоэлектрическими. Их можно классифицировать на активные и пассивные. Активные микрофоны непосредственно преобразуют звуковую энергию в электрическую. В пассивных же микрофонах звуковая энергия преобразуется в изменение какого-либо параметра (чаще всего - емкости и сопротивления). Для работы пассивного микрофона обязательно требуется вспомогательный источник питания. На принципиальных схемах микрофон обозначают латинскими буквами ВМ .
Устройство телефона
электромагнитного типа
Телефоном называют прибор, предназначенный для преобразования электрических сигналов в звуковые и рассчитанный для работы в условиях нагрузки на ухо человека. (Более расширенное определение на странице Телефон. Понятие и история)
В зависимости от конструкции телефоны подразделяют на электромагнитные, электродинамические, с дифференциальной магнитной системой и пьезоэлектрические. В старых телефонных аппаратах использовали телефоны электромагнитного типа. В них телефонах катушки закреплены неподвижно. Под действием протекающего в катушках тока возникает переменное магнитное поле, приводящее в движение подвижную мембрану, которая и излучает звуковые колебания.
Трубка от
старого
телефонного
аппарата
Полоса рабочих частот для микрофонов и телефонов, используемых в телефонных аппаратах, составляет примерно 300...3500 Гц. На принципиальных схемах телефон обозначают латинскими буквами BF .
Для удобства пользования микрофон и телефон объединены в микротелефонной трубке.
Вызывное устройство служит для преобразования вызывного сигнала переменного тока в звуковой сигнал. Применяют электромагнитные или электронные вызывные устройства.
В аппаратах старого типа вызывное устройство представляло собой одно- или двухкатушечный звонок. Звуковой сигнал образовывался в результате удара бойка о звонковые чашки. Протекающий в катушках ток частотой 16...50 Гц создавал переменное магнитное поле, которое приводило в движение якорь с бойком. В телефонных звонках использовали постоянные магниты, создававшие определенную полярность магнитопровода, поэтому такие звонки называли поляризованными. Сопротивление обмоток звонка постоянному току 1,5...3 кОм, рабочее напряжение 30...50 В. На принципиальных схемах звонок обозначают латинскими буквами НА .
Практически во всех современных телефонных аппаратах сейчас используется электронное вызывное устройство. Оно преобразует вызывной сигнал в звуковой тональный сигнал, который может имитировать, например, пение птицы. В качестве акустического излучателя при этом используют телефон, компактный динамик или пьезоэлектрический вызывной прибор. Схемы электронных вызывных устройств выполняют на транзисторах или интегральных микросхемах.
Трансформатор телефонного аппарата предназначен для связи отдельных элементов разговорной части и для согласования их сопротивлений с входным сопротивлением абонентской линии. Он, кроме того, позволяет устранять так называемый .
Разделительный конденсатор служит элементом подключения вызывного устройства к абонентской линии в режиме ожидания и приема вызова. При этом обеспечивается практически бесконечно большое сопротивление телефонного аппарата постоянному току и малое сопротивление - переменному. В телефонных аппаратах применяют разделительные конденсаторы емкостью 0,25...1 мкф и на номинальное напряжение 160...250 В.
Номеронабиратель
дисковый
Номеронабиратель при импульсном наборе обеспечивает подачу импульсов набора номера в абонентскую линию с целью установления требуемого соединения. То есть линия номеронабирателем периодически замыкается и размыкается. В телефонных аппаратах применяют механические и электронные номеронабиратели.Причём дисковый механический номеронабиратель (имеет диск с десятью отверстиями) в современных аппаратах уже не устанавливается, Но для понимания принципа работы системы АТС-абонент именно его работа более наглядна.
При вращении диска по часовой стрелке заводится пружина механизма номеронабирателя. После отпускания диска он вращается в обратную сторону под действием пружины, при этом происходит периодическое размыкание контактов, замыкающих абонентскую линию. Необходимая скорость и равномерность вращения диска достигаются наличием центробежного регулятора или фрикционного механизма. Формирование импульсов при свободном движении диска обеспечивает их стабильную частоту и необходимый интервал между импульсными посылками, соответствующими двум соседним цифрам набираемого номера. Необходимый интервал обеспечивается благодаря тому, что число размыканий импульсных контактов всегда выбирается на одно два больше, чем требуется подать импульсов в линию. Этим обеспечивается гарантированная пауза между пачками импульсов (0,2...0,8 с). При этом указанные лишние импульсы в линию не поступают, поскольку в это время импульсные контакты шунтируются одной из групп контактов номеронабирателя. Имеются также контакты, замыкающие телефон при наборе номера, чтобы исключить громкие щелчки в телефоне. Частота импульсов, формируемых номеронабирателем, должна составлять (10±1) имп./с. Число проводов, соединяющих номеронабиратель с другими элементами телефонного аппарата, может быть 3 - 5.
Электронные номеронабиратели , которыми комплектуются современные телефонные аппараты, выполнены на интегральных микросхемах и транзисторах. Набор номера осуществляют нажатием кнопок клавиатуры - так называемой тастатуры. Поскольку скорость нажатия кнопок может быть сколь угодно большой, в среднем на наборе одной цифры номера экономится 0,5 с. Кроме того, тастатурные номеронабиратели предоставляют пользователям различные удобства, экономящие время: запоминание последнего набранного номера, возможность запоминания нескольких десятков номеров и др. Питание электронных номеронабирателей осуществляется как от абонентской линии, так и от сети напряжением 220 В через блок питания.
В настоящее время всё большее распространение получает тональный набор номера . В этом случае в линию аппаратом абонента посылаются не пачки импульсов а кратковременные сигналы определённых частот, каждое значение которых соответствует определённой цифре. Тональный набор номера более быстрый, так как не требуется дожидаться прохождения пачек импульсов от цифр с большим значением и нуля. Но естественно для использования тонального набора должна использоваться современная АТС с поддержкой возможности такого набора.
Тональный набор , он же DTMF или тональный сигнал (англ. Dual-Tone Multi-Frequency) - двухтональный многочастотный аналоговый сигнал, используемый для набора телефонного номера. В DTMF передаваемая цифра кодируется сигналом полученным суммированием двух синусоидальных напряжений определенной частоты. Используется две группы по четыре частоты звукового диапазона в каждой.
Таблица частот тонального набора номера DTMF
| 1 | 2 | 3 | A | 697 Гц |
| 4 | 5 | 6 | B | 770 Гц |
| 7 | 8 | 9 | C | 852 Гц |
| * | 0 | # | D | 941 Гц |
| 1209 Гц | 1336 Гц | 1477 Гц | 1633 Гц |
В современных проводных телефонных аппаратах часто реализуется возможность выбора стандарта набора номера. Это либо переключатель «PULSE/TONE » либо возможность программно изменить вид набора. Кстати возможность этого переключения часто создаёт проблемы у несведущих пользователей. Случайно переключив переключатель «PULSE/TONE» в неправильное положение люди несут аппараты в ремонтные мастерские с проблемой «не набирается номер».
Рычажный переключатель обеспечивает подключение к абонентской линии вызывного устройства телефонного аппарата в дежурном состоянии (трубка лежит) и разговорных цепей или номеронабирателя в рабочем состоянии (трубка снята). Рычажный переключатель представляет собой группы из нескольких переключающих контактов в старых аппаратах, срабатывающих при снятии телефонной трубки; или одного контакта (иногда геркона) в аппаратах современных.
Местный эффект в телефонах и способ его ослабления.
При работе телефонного аппарата в разговорном режиме возникает местный эффект , т.е. прослушивание собственной речи в телефоне аппарата. Местный эффект объясняется тем, что ток, протекающий через микрофон, поступает не только в абонентскую линию, но и в собственный телефон. Для устранения этого нежелательного явления в современных телефонных аппаратах используют противоместные устройства.
Существуют различные типы подобных устройств. Одно из них представлено на рис. 1.
Рис.1. Функциональная схема телефонного аппарата с противоместным эффектом
Микрофон ВМ1, телефон BF1, балансный контур Zб и линия Zл связаны между собой обмотками трансформатора Т1: линейной I, балансной II и телефонной III. Во время разговора, когда сопротивление микрофона изменяется, разговорные токи звуковой частоты протекают по двум цепям: линейной и балансной. Из схемы видно, что токи, протекающие через обмотки I и II, суммируются с противоположными знаками, поэтому ток в обмотке 111 будет отсутствовать в том случае, если токи в линейной и балансной обмотках равны по величине. Это достигается соответствующим выбором элементов балансного контура Zб, параметры которого зависят от параметров линии Zл. Сопротивление линии содержит активную и емкостную составляющие, поэтому балансный контур выполняют из резисторов и конденсаторов.
Полное устранение местного эффекта достигается только на одной определенной частоте и определенных параметрах линии, что в реальности невыполнимо, так как речевой сигнал содержит широкий спектр частот, а параметры линии изменяются в широких пределах (зависят от удаленности абонента от АТС, переходных сопротивлений и емкостей в кабелях и др.). Практически же местный эффект полностью не пропадает, а только ослабляется подобными схемами.
Миллионы людей во всем мире пользуются мобильными телефонами, поскольку благодаря мобильным телефонам стало намного легче общаться с людьми всего мира.
В наши дни мобильные телефоны представляют целый ряд функций, и с каждым днем их становиться все больше. В зависимости от модели мобильного телефона, можно делать следующее:
Сохранять важную информацию
Делать заметки или составлять список заданий
Записывать важные встречи и включать сигнал для напоминания
использовать для расчетов калькулятор
отсылать или получать почту
искать информацию (новости, высказывания, анекдоты и многое другое) в Интернете
играть в игры
смотреть телевизор
отправлять сообщения
пользоваться другими устройствами, например МР3 плеером,
устройствами PDA и навигационной системой GPS.
Но разве Вас никогда не интересовало как работает мобильный телефон? И что отличает его от простого стационарного телефона? Что означают все эти термины PCS, GSM, CDMA и TDMA? В этой статье речь пойдет про новые возможности мобильных телефонов.
Начнем с того, что мобильный телефон, по сути, это радио – более усовершенствованного вида, но тем не менее радио. Сам телефон был создан Александром Грехемом Беллом в 1876 году, а беспроводная связь немного позже Николаем Теслой в 1880-е годы (впервые о беспроводной связи начал говорить итальянец Гуглиельмо Маркони в 1894 году). Было суждено, чтобы эти две грандиозные технологии объединились.
В давние времена, когда еще не было мобильных телефонов, люди для общения устанавливали в машины радио телефоны. Такая радиотелефонная система работала за счет одной главной антенны, установленной на башне в меже города, и поддерживала около 25 каналов. Для подключения к главной антенне телефон должен был иметь мощный передатчик – с радиусом около 70 км.
Но не многие могли пользоваться такими радио телефонами из-за ограниченного количества каналов.
Гениальность мобильной системы заключается в разделение города на несколько элементов(«сот»). Это способствует многократному использованию частоты по всему городу, поэтому миллионы людей могут пользоваться мобильными телефонами одновременно. «Сота» выбрана не случайно поскольку именно сотами(формой в виде шестиугольника) наиболее оптимально можно покрыть площадь.
Для того, чтобы лучше понять работу мобильного телефона, необходимо сравнить CB radio (т.е. обычное радио) и радиотелефон..
Полнодуплексное переносное устройство против полудуплексного – радиотелефон как и простое радио являются полудуплексными устройствами. Это значит, что два человека пользуются одной и той же частотой, поэтому они могут говорить только по очереди. Мобильный телефон – это полнодуплексное устройство, что означает, что человек пользуется двумя частотами: одна частота предназначена для того, чтобы слышать человека, находящегося на другой стороне, другая – для того, чтобы говорить. Поэтому по мобильным телефонам можно разговаривать одновременно.
Каналы - радиотелефон использует только один канал, в радио около 40 каналов. В простом мобильном телефоне может быть 1,664 канала и более.
В полудуплексных устройствах оба радиопередатчика используют одну и ту же частоту, поэтому говорить может только один человек. В полнодуплексных устройствах 2 передатчика используют разные частоты, поэтому люди могут говорить одновременно. Мобильные телефоны относятся к полнодуплексным устройствам.
В типовом аналоге мобильной системы в США, пользователь мобильного телефона использует около 800 частот для разговора по городу. Мобильный телефон разделяет город на несколько сот. Каждая сота имеет определенный размер и покрывает площадь в 26 км2. Соты похожи на шестигранники, заключенные в решетку.
Поскольку мобильные телефоны и станции используют маломощные передатчики, то несмежные соты могут использовать одинаковые частоты. Две соты могут использовать одинаковые частоты. Сотовая сеть - это мощные скоростные компьютеры, базовые станции (многочастотные УКВ приемопередатчики), распределенные по всей рабочей зоне сотовой сети, мобильные телефоны и пр. высокотехнологичное оборудование. О базовых станциях мы расскажем далее, а сейчас давайте рассмотрим «соты», которые составляют сотовую систему.
Одна сота в аналоговой сотовой системе использует 1/7 часть доступных двухсторонних каналов связи. Это значит, что каждая сота (из 7 сот в решетке) использует 1/7 часть доступных каналов, которые обладают своим набором частот и за счет этого не накладываются друг на друга:
Пользователь мобильного телефона обычно получает 832 радио частоты для разговора по городу.
Каждый мобильный телефон использует по 2 частоты на звонок – т.н. двухсторонний канал – поэтому на каждого пользователя мобильного телефона приходится 395 каналов связи (оставшиеся 42 частоты используются главным каналом – про него мы расскажем далее).
Таким образом, каждая сота имеет до 56 доступных каналов связи. Это значит, что одновременно разговаривать по мобильным телефонам смогут 56 человек. Аналогом сотовой сети считается первая мобильная технология 1G. С тех пор как начали использовать цифровую передачу информации (2G) число каналов значительно увеличилось.
В мобильных телефонах встроены маломощные передатчики, поэтому они работают на 2 уровнях сигнала: 0,6 ватт и 3 ватт (для сравнении приведем простое радио, которое работает на 4 ваттах). Базовые станции также используют маломощные передатчики, однако они имеют свои преимущества:
Передача сигнала базовой станции и мобильного телефона внутри каждой соты не позволяет далеко отходить от соты. Такими образом обе соты могут повторно использовать те же 56 частот. Те же частоты можно использовать и по всему городу.
Расход заряда мобильного телефона, который обычно работает от аккумулятора, значительно не высокий. Под маломощными передатчиками подразумевается маленькая батарейка, что и делает мобильные телефоны более компактными.
Сотовая сеть нуждается в ряде базовых станций, независимо от размеров города. В небольшом городе должно быть несколько сотен вышек. Всеми пользователями мобильных телефонов в любом городе управляет один главный офис, который называют Центром коммутации для мобильных телефонов. Этот центр контролирует все телефонные звонки и базовые станции в данной местности.
Коды мобильных телефонов
Электронный порядковый номер устройства (ESN) – уникальный 32-битный номер, запрограммированный в мобильный телефон производителем.
Мобильный идентификационный номер (MIN) – 10-значный код, выведенный из номера мобильного телефона.
Код идентификации системы (SID) – уникальный 5-значный код, который закреплен за каждой компанией Федеральной комиссии связи
Последние два кода, MIN и SID, программируются в мобильный телефон, когда покупаешь карточку и включаешь телефон.
Каждый мобильный телефон имеет свой код. Коды нужны для распознания телефонов, владельцев мобильных телефонов и мобильных операторов. Например, у Вас есть мобильный телефон, Вы включаете его и пытаетесь позвонить. Вот что происходит в это время:
Когда Вы только включаете телефон, он ищет код идентификации на главном канале управления. Канал – это особая частота, которой пользуются мобильные телефоны и базовая станция для передачи сигналов. Если телефон не может найти канал управления, то он находится в зоне недосягаемости и на экране высвечивается сообщение "нет сети".
Когда телефон получает код идентификации, он сверяет его со своим кодом. При совпадении мобильному телефону разрешается подключение к сети.
Вместе с кодом, телефон запрашивает доступ в сеть и Центр коммутации для мобильных телефонов фиксирует положение телефона в базе данных, поэтому Центр коммутации знает каким телефоном Вы пользуетесь, когда хочет отослать вам сервисное сообщение.
Центр коммутации принимает звонки и может вычислить ваш номер. В любой момент он может просмотреть ваш номер телефона в своей базе данных.
Центр коммутации связывается с вашим мобильным телефоном, чтобы сообщить какую использовать частоту и после того, как мобильный телефон связывается с антенной, телефон получает доступ в сеть.
Сотовый телефон и базовая станция поддерживают постоянный радиоконтакт. Сотовый телефон периодически переключается с одной базовой станции на другую, от которой исходит более мощный сигнал. Если сотовый телефон выходит при движении из поля базовой станции, то он налаживает связь с другой, ближайшей базовой станцией, даже во время разговора. Две базовые станции «связываются» через Центр коммутации, который передает сигнал вашему мобильному телефону изменить частоту.
Бывают случаи, когда при движении сигнал переходит от одной соты на другую, принадлежащую другому мобильному оператору. В этом случаи сигнал не исчезает, а передается другому мобильному оператору.
Большинство современных сотовых телефонов могут работать в нескольких стандартах, что позволяет пользоваться услугами роуминга (англ. roaming - бродяжничество) в разных сотовых сетях. Центр коммутации, сотами которого вы теперь пользуетесь, соединяется с вашим центром коммутации и запрашивает подтверждение кода. Ваша система передает все данные про ваш телефон другой системе и Центр коммутации подключает вас к сотам нового мобильного оператора. И самое удивительное, что все это делается в течении нескольких секунд.
Самое неприятное во всем этом то, что за звонки по роумингу вы можете заплатить кругленькую сумму. На большинстве телефонах, когда вы только пересекаете границу, высвечивается услуга роуминга. В ином случае, вам лучше проверить карту покрытия мобильной связи, чтобы не пришлось впоследствии оплачивать «завышенные» тарифы. Поэтому проверьте сразу стоимости этой услуги.
Обратите внимание на то, что телефон должен работать не нескольких полосах, если вы хотите пользоваться услугой роуминга, Потому что разные страны используют различные полосы.
В 1983 был разработан первый аналоговый стандарт мобильной связи - AMPS (усовершенствованная подвижная телефонная служба). Этот аналоговый стандарт мобильной связи работает в диапазоне частот от 825 до 890 МГц. Для того, чтобы поддерживать конкуренцию и удерживать цены на рынке, федеральное правительство США требовало, чтобы на рынке было не менее двух компаний, занимающихся одной деятельностью. Одной из таких компаний в США была местная телефонная компания (LEC).
Каждая компания имела свои 832 частоты: 790 - для разговоров и 42 - для данных. Для создания одного канала использовались сразу две частоты. Диапазон частот для аналогового канала обычно составлял 30 КГц. Диапазон передачи и получения голосового канала разделен 45 МГц, для того, чтобы один канал не накладывался на другой.
Версия стандарта AMPS под названием NAMPS (узкополосная усовершенствованная система связи) использует новые цифровые технологии для того, чтобы система могла в три раза повысить свои возможности. Но даже несмотря на то, что она использует новые цифровые технологии, эта версия и далее остается всего аналогом. Аналоговые стандарты AMPS и NAMPS работают только на 800 МГц и не могут пока предложить большого разнообразия функций, как например, подключение к Интернету и работу с почтой.
Цифровые мобильные телефоны относятся ко второму поколению (2G) мобильных технологий. Они пользуются теми же радио технологиями, что и аналоговые телефоны, правда, немного иначе. Аналоговые системы не используют полностью сигнал между телефоном и мобильной сетью - аналоговые сигналы невозможно подавить или манипулировать ими также легко, как это можно делать с цифровыми сигналами. Это одна из причин, почему многие кабельные компании переходят на цифровую связь – таким образом, они могут использовать больше каналов в данном диапазоне. Просто удивительно насколько эффективной может быть цифровая система.
Многие цифровые мобильные системы используют частотную модуляцию (ЧМн) для передачи и получения данных через аналоговый портал AMPS. Частотная модуляция использует 2 частоты, одну для логической единицы, вторую для логического ноля, выбирая между двумя, при передаче цифровой информации между башней и мобильным телефоном. Для того, чтобы переделывать аналоговую информацию в цифровую и обратно необходима модуляция и схема кодирования. Это говорит о том, что цифровые мобильные телефоны должны уметь быстро обрабатывать данные.
По «сложности на кубический дюйм» мобильные телефоны являются одними из самых сложных современных устройств. Цифровые мобильные телефона могут производить миллионы вычислений в секунду для того, чтобы кодировать или раскодировать голосовой поток.
Любой обычный телефон состоит из нескольких деталей:
Микросхема (плата), которая является мозгом для телефона
Антенна
Жидкокристаллический дисплей (LCD)
Клавиатура
Микрофон
Динамик
Аккумулятор
Микросхема является центром всей системы. Далее мы рассмотрим какие бываю чипы и как работает каждый из них. Чип преобразования аналоговой информации в цифровую и обратно кодирует исходящий аудиосигнал с аналоговой системы в цифровую и входящий сигнал с цифровой системы в аналоговую.
Микропроцессор – это центральное процессорное устройство, отвечающее за выполнение основной доли работ по обработке информации. Он управляет клавиатурой и дисплеем, и многими другими процессами.
Чипы ROM и чип карты памяти позволяют хранить данные операционной системы мобильного телефона и другие данные пользователя, например, данные телефонной книги. Радиочастота управляет электропитанием и зарядом, а также работает с сотнями волн FM. Высокочастотный усилитель управляет сигналами, которые поступают на антенну или отражаются ею. Размер экрана значительно увеличился с тех пор, как в мобильном телефоне стало больше функций. Во многих телефонах есть записные книжки, калькуляторы и игры. А теперь еще многие телефоны подсоединяются к PDA или Web browser.
Некоторые телефоны сберегают определенную информацию, например, коды SID и MIN, в встроенной флэш-памяти, в других же используют внешние карты вроде карт SmartMedia.
Во многих телефонах установлены настолько крошечные динамики и микрофоны, что трудно представить, как они вообще издают звук. Как видно, динамики такого же размера, что и маленькая монетка, а микрофон – не больше батарейки для часов. Кстати, такие батарейки для наручных часов используют во внутреннем чипе мобильного телефона для работы часов.
Самое удивительное это то, что 30 лет назад многие такие детали занимали целый этаж здания, а теперь все это помещается на ладони человека.
Существует три самые распространенные способа использования радиочастот мобильными телефонами сети 2G для передачи информации:
FDMA (англ. Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с разделением каналов по частоте) TDMA (англ. Time Division Multiple Access - множественный доступ с разделением по времени) CDMA (англ. Code Division Multiple Access) - множественный доступ с кодовым разделением.
Хотя названия этих способов кажутся такими запутанными, можно легко догадаться о том, как они работают, просто разбив название на отдельные слова.
Первое слово, frequency, time, code, указывает на метод доступа. Второе слово, division, “разделение”, говорит о том, что он разделяет звонки, основанные на методе доступа.
FDMA размещает каждый телефонный звонок на отдельной частоте TDMA выделяет каждому звонку определенное время на указанной ему частоте CDMA присваивает уникальный код каждому звонку и дальше передает его на свободную частоту.
Последнее слово каждого способа multiple – «множественный» говорит о том, что каждой сотой могут пользоваться несколько человек.
FDMA
FDMA (множественный доступ с разделением каналов по частоте) - способ использования радиочастот, когда в одном частотном диапазоне находится только один абонент, разные абоненты используют разные частоты в пределах соты. Является применением частотного мультиплексирования (FDM) в радиосвязи. Для того, чтобы лучше понять работу FDMA, нужно рассмотреть как работают радиостанции. Каждая радиостанция посылает свой сигнал на свободные полосы частот. Способ FDMA используется преимущественно для передачи аналоговых сигналов. И хотя этот способ несомненно может передавать и цифровую информацию, его не используют, так как он считается менее эффективным.
TDMA
TDMA (множественный доступ с разделением по времени) - способ использования радиочастот, когда в одном частотном интервале находится несколько абонентов, разные абоненты используют разные временные слоты (интервалы) для передачи. Является приложением мультиплексирования канала с разделением по времени (TDM - Time Division Multiplexing) к радиосвязи. При использовании TDMA, узкая полоса частоты (ширина 30 КГц и длина 6,7 миллисекунды) разбивается на три временные слоты.
Под узкой полосой частоты, обычно, понимают «каналы». Голосовые данные, превращенные в цифровую информацию, сжимаются, за счет чего они занимают меньше места. Поэтому, TDMA работает в три раза быстрее аналоговой системы, используя одинаковое количество каналов. Системы TDMA работают на диапазоне частоты 800 МГц (IS-54) или 1900 МГц (IS-136).
GSM
TDMA в настоящее время является доминирующей технологией для мобильных сотовых сетей и используется в стандарте GSM (Global System for Mobile Communications) (русск. СПС-900) - глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением канала по принципу TDMA и высокой степенью безопасности благодаря шифрованию с открытым ключом. Однако, GSM иначе использует доступ TDMA и IS-136. Представим, что GSM и IS-136 это разные операционные системы, которые работают на одном процессоре, например, обе операционные системы Windows и Linux работают на базе Intel Pentium III. Системы GSM используют метод кодирования для засекречивания телефонных звонков с мобильных телефонов. Сеть GSM в Европе и Азии работает на частоте 900 МГц и 1800 МГц, а в США на частоте 850 МГц и 1900 МГц и используется в мобильной связи.
Блокирование вашего GSM телефона
GSM является международным стандартом в Европе, Австралии, большей части стран Азии и Африки. Пользователи мобильных телефонов могут купить один телефон, который будет работать везде, где поддерживается этот стандарт. Для того, чтобы подключиться к определенному мобильному оператору в разных странах, пользователи GSM просто меняют SIM карту. SIM карты сохраняют всю информацию и номера идентификации, которые необходимы для подключения к мобильному оператору.
К сожалению, частоты 850МГц/1900-МГц GSM, используемые в США, не совпадают с частотами международной системы. Поэтому, если вы живете в США, но за границей вам очень нужен мобильный телефон, вы можете купить трех- или четырехполосной телефон GSM и пользоваться им на родине и за ее пределами или просто купить мобильный телефон со стандартом GSM 900МГц/1800МГц для поездки за границу.
CDMA
CDMA (множественный доступ с кодовым разделением). Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного числового кода, который распространяется по всей ширине полосы. Нет временного разделения, все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладываeтся друг на друга но, поскольку их коды отличаются, они могут быть дифференцированы. CDMA является основой для IS-95 и работает на полосах частот 800 МГц и 1900 МГц.
Двухполосной и двухстандартный мобильный телефон
Когда вы едете путешествовать вам несомненно хочется найти такой телефон, который будет работать на нескольких полосах, в нескольких стандартах или будет совмещать и то и другое. Давайте более подробно рассмотрим каждую из этих возможностей:
Многополосной телефон может переключаться с одной частоты на другую. Например, двухполосный телефон TDMA может пользоваться службами TDMA в системе 800 МГц или 1900 МГц. Двухполосной телефон GSM может пользоваться службой GSM в трех полосах – 850 МГЦ, 900 МГц, 1800 МГц или 1900 МГц.
Многостандартный телефон. «Стандарт» в мобильных телефонах означает вид передачи сигнала. Поэтому телефон со стандартами AMPS и TDMA при необходимости может переключаться с одного стандарта на другой. Например, стандарт AMPS позволяет вам пользоваться аналоговой сетью в тех районах, в которых не поддерживается цифровая сеть.
Многополосной/ многостандартный телефон позволяет вам менять полосу частоты и стандарт передачи.
Телефоны, которые поддерживают данную функцию, автоматически меняют полосы или стандарты. Например, если телефон поддерживает две полосы, то он подключается к сети 800 МГЦ, если не может подключиться к полосе 1900 МГЦ. Когда в телефоне несколько стандартов, он вначале использует цифровой стандарт, а в случае его отсутствия переключается на аналоговый.
Мобильные телефона бывают двух- и трехполосные. Однако слово «трехполосной» может быть обманчивым. Оно может означать, что телефон поддерживает стандарты CDMA и TDMA, и аналоговый стандарт. И в то же время, оно может обозначать, что телефон поддерживает один цифровой стандарт в двух полосах и аналоговый стандарт. Для тех, кто отправляется в путешествие за границу, лучше приобрести телефон, который работает на полосе GSM 900 МГц для Европы и Азии и 1900 МГц для США, и помимо этого поддерживает аналоговый стандарт. В сущности, это двухполосный телефон, у которого один из этих режимов (GSM) поддерживает 2 полосы.
Сотовая связь и служба персональной связи
Служба персональной связи (PCS) – это по сути служба мобильных телефонов, которая делает акцент на персональную связь и мобильность. Основная особенность PCS состоит в том, что телефонный номер пользователя становится его персональным коммуникационным номером (Personal Communication Number - PCN), который "привязан" к самому пользователю, а не к его телефону или радиомодему. Путешествующий по миру пользователь с помощью PCS может свободно принимать телефонные звонки и электронную почту по своему PCN.
Сотовая связь изначально была создана для использования в автомобилях, в то время как персональная связь подразумевала большие возможности. По сравнению с традиционной сотовой связью служба PCS имеет ряд преимуществ. Во-первых, она полностью цифровая, что обеспечивает более высокую скорость передачи данных и облегчает применение технологий сжатия данных. Во-вторых, частотный диапазон, используемый для PCS (1850-2200 МГц), позволяет снизить стоимость коммуникационной инфраструктуры. (Поскольку габаритные размеры антенн базовых станций PCS меньше габаритных размеров антенн базовых станций сотовых сетей, то производство и установка их обходятся дешевле).
Теоретически, мобильная система в США работает на двух полосах частот – 824 и 894 МГц; PCS работает на частоте 1850 и 1990 МГц. И поскольку эта служба основывается на стандарте TDMA, то PCS имеет 8 временных слотов и интервал между каналами составляет 200 КГц, в отличие от обычных трех временных слотах и 30 КГц между каналами.
3G – это самая новейшая технология в области мобильной связи. 3G означает, что телефон принадлежит третьему поколению – первое поколение – аналоговые мобильные телефоны, второе – цифровые. Технология 3G используется в мультимедийных мобильных телефонах, которые обычно называют смартфонами. Такие телефоны имеют несколько диапазонов и высокоскоростную передачу данных.
3G использует несколько мобильных стандартов. Наиболее распространенными являются три из них:
CDMA2000 - является дальнейшим развитием стандарта 2 поколения CDMA One.
WCDMA (англ. Wideband Code Division Multiple Access - широкополосный CDMA) - технология радиоинтерфейса, избранная большинством операторов сотовой связи для обеспечения широкополосного радиодоступа с целью поддержки услуг 3G.
TD-SCDMA (англ. Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access) - китайский стандарт мобильных сетей третьего поколения.
Сеть 3G может передавать данные со скоростью до 3 Мб/с (поэтому для того, чтобы закачать МP3 песню длительностью 3 минуты необходимо всего около 15 секунд). Для сравнения приведем мобильные телефоны второго поколения – самый быстрый 2G телефон может достигать скорости передачи данных до 144 Кб/с (для закачивания 3-х минутной песни нужно около 8 часов). Высокоскоростная передача данных 3G просто идеальна для скачивания информации с Интернета, отправки и получения больших мультимедийных файлов. Телефоны 3G – это своего рода мини-ноутбуки, которые могут работать с крупными приложениями, например, получение поточного видео с Интернета, отправка и получение факсов и загрузка e-mail сообщений с приложениями.
Конечно, для этого нужны базовые станции, которые передают радио сигналы от телефона к телефону.
Базовые станции мобильных телефонов – это литые металлические или решетчатые конструкции, возвышающиеся на сотни футов вверх. На этом рисунке показана современная вышка, которая «обслуживает» 3 разных мобильных оператора. Если взглянуть на основание базовых станций, то можно увидеть, что каждый мобильный оператор установил свое оборудование, которое в наше время занимает очень мало места (у основания более старых башен для такого оборудования строили небольшие помещения).
Базовая станция. фотография с сайта http://www.prattfamily.demon.co.uk
Внутри такого блока помещается радио передатчик и приемник, благодаря которым башня связывается с мобильными телефонами. Радиоприемники соединены с антенной на башне несколькими толстыми кабелями. Если внимательно присмотреться, то можно заметить, что сама башня, все кабели и оборудование компаний у основания базовые станции хорошо заземлены. Например, пластина с прикрепленными к ней зелеными проводами – это медная пластина заземления.
В мобильном телефоне, как и в любом другом электронном приборе, могут возникнуть неполадки:
Чаще всего, к ним относится коррозия деталей, вызванная попаданием влаги в устройство. Если в телефон попала влага, то перед включением нужно убедиться, что телефон полностью высушен.
Слишком высокая температура (например, в автомобиле) может повредить аккумулятор или электронную плату телефона. В результате слишком низкой температуры может выключиться экран.
Аналоговые мобильные телефоны часто сталкиваются с проблемой «клонирования». Телефон считается «клонированным», когда кто-либо перехватывает его номер идентификации и может бесплатно звонить на другие номера.
Вот как происходит «клонирование»: перед тем, как кому-нибудь звонить, ваш телефон передает свои коды ESN и MIN в сеть. Эти коды уникальны и именно благодаря им компания знает, кому отсылать счет за разговоры. Когда ваш телефон передает коды MIN/ESN, кто-то может услышать (при помощи специального прибора) и перехватить их. Если эти коды использовать в другом мобильном телефоне, то с него можно буде звонить совершенно бесплатно, поскольку счет будет оплачивать владелец этих кодов.
