В теоретической части я не буду углубляться в историю создания сотовой связи, о её основателях, хронологию стандартов и т.д. Кому это интересно – материала предостаточно как в печатных изданиях, так и в сети интернет.
Рассмотрим, что же из себя представляет мобильный (сотовый) телефон.
На рисунке очень упрощённо показан принцип работы:
Рис.1 Принцип работы сотового телефона
Сотовый телефон – это приёмо-передатчик, работающий на одной из частот в диапазоне 850МГц, 900МГц, 1800МГц, 1900МГц. Причём приём и передача разнесены по частотам.
Система GSM состоит из 3-х основных компонентов, таких как:
Подсистема базовых станций (BSS – Base Station Subsystem);
Подсистема переключения/коммутации (NSS –NetworkSwitchingSubsystem);
Центр управления и обслуживания (OMC – Operation and Maintenance Centre);
В двух словах работает это так:
Сотовый (мобильный) телефон взаимодействует с сетью базовых станций (БС). Вышки БС обычно устанавливают либо на своих наземных мачтах, либо на крышах домов или других сооружений, или же на арендованных уже существующих вышках всяческих ретрансляторов радио/ТВ и т.п., а также на высотных трубах котелен и других промышленных сооружений.
Телефон после включения и всё остальное время мониторит (прослушивает, сканирует) эфир на наличие GSM-сигнала своей базовой станции. Сигнал своей сети телефон определяет по специальному идентификатору. Если таковой имеется (телефон находится в зоне покрытия сети), то телефон выбирает лучшую по уровню сигнала частоту и на этой частоте посылает БС запрос на регистрацию в сети.
Процесс регистрации по сути является процессом аутентификации (авторизации). Его суть заключается в том, что каждая SIM-карта, вставленная в телефон, имеет свои уникальные идентификаторы IMSI (International Mobile Subscriber Identity) и Ki (Key for Identification). Эти самые IMSI и Ki заносятся в базу центра аутентификации (AuC) при поступлении изготовленных SIM-карт оператору связи. При регистрации телефона в сети идентификаторы передаются БС, а именно AuC. Дальше AuC (центр идентификации) передаёт телефону некоторое случайное число, которое является ключом для выполнения вычислений по специальному алгоритму. Это вычисление происходит одновременно в мобильном телефоне и AuC, после чего оба результата сравниваются. Если они совпадают, то SIM-карта признаётся подлинной и телефон регистрируется в сети.
Для телефона же идентификатором в сети является его уникальный номер IMEI (International Mobile Equipment Identity). Этот номер обычно состоит из 15 цифр в десятичном представлении. Например 35366300/758647/0. Первые восемь цифр описывают модель телефона и его происхождение. Оставшиеся – серийный номер телефона и контрольное число.
Данный номер хранится в энергонезависимой памяти телефона. В устаревших моделях этот номер можно сменить с помощью специального программного обеспечения (ПО) и соответствующего программатора (иногда и дата-кабеля), а в современных телефонах он дублируется. Один экземпляр номера хранится в области памяти, которую можно программировать, а дубликат – в зоне памяти OTP (One Time Programming), которая программируется производителем один раз и не имеет возможности перепрограммирования.
Так вот, если даже изменить номер в первой области памяти, то телефон, при включении, сравнивает данные обеих областей памяти, и, если обнаруживаются разные номера IMEI – телефон блокируется. Для чего всё это менять, спросите вы? На самом деле законодательство большинства стран запрещает это делать. Телефон по номеру IMEI отслеживается в сети. Соответственно при краже телефона его можно отследить и изъять. А если успеть изменить этот номер на любой другой (рабочий), то шансы найти телефон сводятся к нулю. Этими вопросами занимаются спецслужбы при соответствующей помощи оператора сети и т.д. Поэтому углубляться в эту тему не стану. Нас интересует чисто технический момент смены номера IMEI.
Дело в том, что при определённых обстоятельствах данный номер может повредиться в результате сбоя ПО или неправильного его обновления и тогда телефон абсолютно не пригоден для эксплуатации. Вот тут на помощь и приходят все средства, чтобы восстановить IMEI и работоспособность аппарата. Подробнее этот момент будет рассмотрен в разделе программного ремонта телефона.
Теперь кратенько о передаче голоса от абонента к абоненту в стандарте GSM. На самом деле это технически очень сложный процесс, который абсолютно отличается от привычной передачи голоса по аналоговым сетям как, например, домашний проводной/радио телефон. Чем-то отдалённо похожи цифровые DECT-радиотелефоны, но реализация всё равно другая.
Дело в том, что голос абонента, прежде чем будет передан в эфир, подвергается множеству преобразований. Аналоговый сигнал разбивается на отрезки длительностью 20мс, после чего преобразовывается в цифровой, после чего кодируется путём применения алгоритмов шифрования с т.н. открытым ключом – система EFR (Enhanced Full Rate - усовершенствованная система кодирования речи, разработанная финской компанией Nokia).
Все сигналы кодека обрабатываются очень полезным алгоритмом на основе принципа DTX (Discontinuous Transmission) –прерывистой передачи речи. Его полезность заключается в том, что он управляет передатчиком телефона, включая его только в том момент, когда начинается произношение речи и отключает в паузах между разговором. Всё это достигается с помощью включенного в кодек VAD (Voice Activated Detector) –детектор активности речи.
У принимаемого абонента все преобразования происходят в обратном порядке.
Устройство мобильного телефона и его основные функциональные узлы (модули).
Любой мобильный телефон – это сложное техническое устройство, состоящее из множества функционально законченных модулей, которые взаимосвязаны между собой и в целом обеспечивают нормальную работу аппарата. Выход из строя хотя бы одного модуля влечёт за собой минимум – частичную неисправность аппарата, максимум – телефон полностью неработоспособен.
Схематически мобильный телефон выглядит так:
Рис.2 Устройство сотового телефона
Назначение и работа отдельных узлов.
1. Аккумуляторная батарея (АКБ) – основной (первичный) источник питания телефона. В процессе эксплуатации имеет одно неприятное свойство – старение, т.е. потеря ёмкости, увеличение внутреннего сопротивления. Это необратимый процесс и скорость старения аккумулятора зависит от многих факторов, ключевыми из которых является правильная эксплуатация и хранение.
Раньше основная масса АКБ для телефонов производилась по технологиям NiCd (на основе никеля и кадмия), NiMH (никель-металлгидрид). В настоящее время данные аккумуляторы сняты с производства. С распространением АКБ на основе технологии Li-Ion (литий-ион), последние показали лучшее соотношение цена-качество, а также имели ряд преимуществ, в частности отсутствие т.н. «эффекта памяти». Продолжительность срока службы составляет примерно 3-4 года. Не так давно на рынке появились Li-Pol (литий-полимерные) аккумуляторы. Они стоят дешевле литий-ионных, но срок службы у них тоже меньше – примерно 2 года.
Современные АКБ признаются работоспособными, если у них сохранилось не менее 80% от номинальной ёмкости. На практике же встречаются АКБ с 50% и меньше. То есть многие пользователи пытаются «выжать» из аккумулятора последние миллиамперы, из-за чего сами потом и страдают, так как нередко изношенный аккумулятор начинает вздуваться, что может приводить к поломкам корпуса телефона, а иногда даже к выходу из строя сетевого зарядного устройства, цепей зарядки телефона, контролера питания. Так что, на АКБ денег экономить не стоит. Телефону тоже нужно хорошее питание
Особого ухода АКБ не требуют. Главное, не допускать переохлаждения в зимнее время (до -10°С), т.к. ускоряется разряд и старение. А так же нагрев до 50-60°С и выше. Это опасно – АКБ может попросту вздуться и даже взорваться (именно для литиевых АКБ это критично)!!!
АКБ мобильного телефона состоит из 2-х частей: собственно батареи и маленькой платы электроники-автоматики.
Рис.3 Устройство аккумуляторной батареи
На рисунке для наглядности я показал уже испорченную вздувшуюся батарею. Чаще всего это происходит в результате использования дешёвых зарядных устройств, при неисправностях схемы зарядки телефона, а также при выбранных производителем больших зарядных токов (для сокращения времени заряда АКБ). Ну и, конечно же, дешёвые неоригинальные батареи «толстеют» очень быстро.
Что касается платы электроники, то она выполняет защитную функцию, предотвращая как саму батарею, так и телефон от внештатных ситуаций, таких как:
Короткое замыкание (КЗ) питающих клемм аккумулятора;
Перегрев батареи в процессе зарядки и эксплуатации;
Разряд батареи ниже установленной минимально допустимой нормы;
Перезаряд батареи;
При возникновении одной из них, срабатывает т.н. электронное реле и выходные клеммы АКБ обесточиваются.
Как правило, современная АКБ имеет минимум 3 контактных вывода для подключения к батарейному разъему мобильного телефона. Это соответственно «+», «-», и «TEMP» (датчик температуры, с помощью которого контроллер батареи совместно с контроллером питания телефона управляют процессом зарядки батареи, уменьшая или увеличивая зарядный ток, а при перегревах или КЗ вообще отключают батарею от клемм платы электроники).
Рис.4 Расположение контактов АКБ
Следует заметить, что у разных производителей расположение контактов может отличаться!!!
Основными характеристиками АКБ являются:
Номинальное напряжение – как правило 3,6 – 3,7Вольт. Для полностью заряженного аккумулятора 4,2 – 4,3 Вольт.
- ёмкость – для современных телефонов примерно от 700мА до 2000мА и более.
Внутреннее сопротивление - чем меньше - тем лучше (примерно до 200 миллиОм)
2. Контроллер питания – служит для преобразования напряжения АКБ в несколько видов напряжений для питания отдельных узлов и устройств телефона, таких, как CPU (центральный процессор), RAM и ROM (микросхемы памяти), всевозможных усилителей, иногда подсветок клавиатуры и дисплея и т.д., а так же управляет процессом зарядки АКБ. Совместно с процессором активирует встроенные в него или же внешние усилители звука разговорного динамика, микрофона, буззера (полифонического громкоговорителя). Плюс ко всему обеспечивает обмен данными с SIM-картой.
Конструктивно выполнен в виде отдельного чипа. Иногда может быть совмещён с процессором (китайские подделки известных брендов типа Nokia N95 и т.д.)
При нормальной эксплуатации телефона контроллер питания редко выходит из строя. Чаще всего это случается во время зарядки при перегреве или при использовании неоригинального или неисправного зарядного устройства(ЗУ). Реже - если телефон подвергся воздействию влаги, был сильно ударен.
Внешний вид представлен на рис.2 и может отличаться (зависит от конкретной модели телефона и его производителя).
3. SIM-holder (sim – коннектор) – держатель SIM – карты. Исходя из названия – служит для подключения SIM – карты к телефону. Конструкция практически одинакова для всех телефонов, так как современные SIM – карты приведены к одному стандарту. Имеет в себе 6 (редко 8) подпружиненных контактов, с помощью которых осуществляется электрическая связь SIM – карты и контроллера питания либо процессора. Отличаются лишь конструкцией крепления (удерживания) SIM – карты. К поломкам можно отнести обламливание контактов при частой смене SIM – карт или же неумелом (неправильном) их извлечении, когда пользователь начинает применять подручные средства для подковыривания SIM – карты для дальнейшего захвата пальцами и извлечения из держателя. Часто к этому прибегают наши прекрасные дамы, используя свои длинные, с дорогим маникюром ногти. В итоге – страдает и телефон и маникюр
Специального ухода коннектор не требует. Но бывают случаи (опять таки зависит от пользователя), когда контакты окисляются, засоряются, теряют свои пружинящие свойства. В таком случае допускается ОЧЕНЬ ОСТОРОЖНО!!! протереть их стирательной резинкой (ластиком) и ОЧЕНЬ ОСТОРОЖНО!!!, слегка, иголкой или деревянной зубочисткой подогнуть контакты вверх.
При описанных выше неисправностях SIM – холдера (держателя), телефон не будет «видеть» вашу SIM – карту и постоянно будет выводить на дисплей сообщение типа: «Вставьте SIM – карту». Сломанные держатели ремонту не подлежат и требуют замены на новые.
4. Микрофон – служит для преобразования голоса пользователя в слабые электрические сигналы с целью их дальнейшего усиления, преобразования и отправки в эфир. В сотовых телефонах бывают двух типов: аналоговые и цифровые. Последние имеют более сложную конструкцию и требуют больше трудозатрат при демонтаже и замене.
Микрофоны теряют свои эксплуатационные характеристики или выходят из строя в основном при загрязнении, попадании воды, при ударах телефона (особенно это касается цифровых микрофонов, т.к. они сами по себе очень хрупкие).
При неисправностях микрофона в телефоне могут быть такие дефекты:
Второй абонент не слышит пользователя вообще;
Второй абонент слышит пользователя очень слабо;
В слуховом (разговорном) динамике слышен треск (т.н. наводка GSM – сигнала). Такой же шум можно услышать, поднеся сотовый телефон в режиме разговора или отправки sms к работающему радиоприёмнику, усилителю, компьютерным колонкам и т.д. Как привило, микрофоны не ремонтируются и подлежат замене (кроме случаев засорения отверстий, звуководов корпуса мобильного телефона. Их следует просто очистить от пыли, грязи и т.д.)
5. Динамик (разговорный динамик) – служит для преобразования электрических сигналов в звуковые колебания. То есть работает в обратном порядке микрофона. Один абонент говорит в микрофон, который преобразовывает голос в эл. сигналы, далее эти сигналы преобразовываются (см. описание выше), излучаются в эфир. Второй абонент принимает эти сигналы телефоном и слышит их в динамике телефона.
В большинстве телефонов установлено несколько динамиков – отдельно разговорный и отдельно полифонический. Полифонический динамик воспроизводит мелодию при входящем вызове, смс и т.д. Но есть телефоны (в большинстве фирмы Samsung), где роль разговорного и полифонического выполняет один и тот же динамик. Только при воспроизведении мелодии или других сигналов активируется дополнительный усилитель мощности звука. К неисправностям динамиков можно отнести частичную неисправность и полную. Частичная – это воспроизведение речи или музыки очень тихо, с хрипами и неприятным звоном. Это можно устранить, но лишь в тех случаях, когда, после внешнего осмотра будет видно, что динамик засорён посторонними предметами. Например такими, как очень мелкая металлическая стружка, которая любит проникать через специально отведённые отверстия для выхода звука динамика. Это обусловлено тем, что динамик в своей конструкции содержит постоянный магнит. Вот он и примагничивает к себе мелкие металлические предметы. Лично я сторонник замены таких динамиков на новые. Во-первых, это сэкономит вам время, которое вы будете тратить на чистку, а его вам понадобиться немало. Во-вторых, редко бывает, что после чистки динамик работает так же чисто, без искажений и так же громко. Так что, не думайте – сразу меняйте на новый. Особенно, если это телефон не ваш, а пришёл в ремонт.
Полная – отсутствие звука вообще. Причина – обрыв провода звуковой катушки динамика. Решается только заменой динамика. О том, как проверить динамик на исправность (целостность) я напишу ниже.
6. Спикер(буззер, звонок, полифонический динамик – это всё одно и то же) – тот же динамик, только в большинстве случаев предназначен для воспроизведения мелодии звонка, смс, MP3 и т.д. Но, как говорилось выше, может использоваться и для разговора. Неисправности и способы устранение такие же, как и для разговорного динамика.
7. Центральный процессор (CPU) – является основным устройством мобильного телефона. Это тот же процессор, который присутствует в любом персональном компьютере, ноутбуке и т.д., только немножко поменьше и попримитивнее. Предназначен для выполнения машинных команд, инструкций и операций, предусмотренных программным обеспечением (прошивкой –разг.) телефона, а также чёткого взаимодействия с остальными модулями и устройствами и последующего управления ими. Одним словом, процессор – это «мозг», который полностью управляет работой мобильного телефона. Конструктивно выполнен в виде отдельного чипа. Отвечает за множество процессов, происходящих во время нормальной работы телефона. Основные из них это: вывод изображения на дисплей, приём и обработка сигналов сотовой сети, приём и обработка сигналов клавиатурного модуля, управление работой камеры, устройств приёма/передачи информации, процессом зарядки аккумулятора (совместно с контроллером питания) и много другого.
При условии нормальной эксплуатации телефона процессор практически никогда не выходит из строя и никакого ухода не требует.
В современных телефонах, а особенно смартфонах (в переводе с англ. смартфон – умный телефон. Тот же телефон, только имеет сходство с компьютером в виду наличия операционной системы и множеством устанавливаемых программ для выполнения тех или иных задач) часто устанавливается 2 процессора. Один из них выполняет те же функции, что и в обычном телефоне, а второй предназначен для работы операционной системы и выполнения её программ.
При выходе из строя центрального процессора телефон полностью неработоспособен.
8. Flash – память. Отдельный чип (микросхема), который предназначен для хранения программного обеспечения телефона (прошивки, firmware), а так же данных пользователя (контакты, мелодии, фотографии и т.д.). Программное обеспечение (прошивка, firmware) – это разработанная производителем телефона программа, которая обрабатывается и исполняется процессором. Для пользователя – это то, что он видит на экране мобильного телефона и те функции, которые ему доступны в конкретной модели телефона.
Флэш-память так же редко выходит из строя при условии нормальной эксплуатации. Но следует помнить, что эти чипы имеют хоть и большое, но всё же ограниченное количество циклов чтения/записи информации.
Флэш-память является энергонезависимой и сохраняет все записанные в неё данные даже после отключения источника питания (например, АКБ).
9. RAM – память (ОЗУ). Служит для временного хранения данных. В ней производятся все процессорные вычисления программного кода, а также хранятся результаты вычислений и обработки информации в конкретный текущий момент (например, прослушивание музыки, воспроизведение видео, работа приложений, игр и т.д.) За ненадобностью память очищается от одних данных и загружает новые и так постоянно.
Следует помнить, что память ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) является энергоЗАВИСИМОЙ и в случае отключения источника питания все данные, которые хранились в ОЗУ будут утеряны!!!
10. Клавиатурный модуль – стандартная цифровая клавиатура для набора номера абонента, текста смс сообщений + набор дополнительных кнопок, которые выполняют определённые программным обеспечением телефона функции, например регулировку уровня громкости, запуск программ, фотокамеры, диктофона и т.д. Для нормальной работы клавиатурного модуля основная задача пользователя – содержать клавиатуру в чистоте и не допускать попадания влаги, грязи и других предметов. В противном случае кнопки приходится давить с большим усилием или же телефон вообще не реагирует на нажатия. Восстановить работу клавиатурного модуля можно методом чистки от загрязнений. Если же контактные площадки и соединяющие их проводники были подвергнуты воздействию влаги или др. жидкостей и были повреждены, то такой клав.модуль подлежит замене на новый.
11. LCD –дисплей – собственно дисплей (экран) телефона. Предназначение всем понятно, поэтому углубляться на этом не стану. Основными характеристиками являются такие параметры, как:
Разрешающая способность, то есть количество воспроизводимых пикселей (точек). Чем выше этот параметр, тем чётче и качественнее будет картинка. Для более-менее современных телефонов свойственны такие разрешения экрана: 220Х176 пикселей, 320Х240. Для телефонов с большими сенсорными экранами: 400Х240, 640Х360, 800Х400.
Количество воспроизводимых (отображаемых) цветов. Тоже самое, чем больше, тем лучше. В устаревших телефонах с цветными дисплеями это значение в основном 4096 цветов. По мере совершенствования этот параметр увеличился до 65тыс., потом достиг 262тыс.. Сейчас все современные дорогие телефоны снабжены дисплеями с глубиной цвета 16млн.
При правильной эксплуатации телефона дисплей не требует никакого ухода. В некоторых случаях, когда телефон используется в запылённой среде или же просто со временем в корпус набилось много пыли и мусора, то дисплей необходимо АККУРАТНО протереть микрофиброй (специальная протирочная салфетка, которая хорошо очищает и не оставляет следов и разводов. Её можно приобрести в салонах продажи оптики. Некоторые виды очков комплектуются такой протирочной микрофиброй.) При эксплуатации телефона нельзя допускать физического воздействия на дисплей (удары, сдавливания, сильные перегибы), а также подвергать воздействию прямых солнечных лучей и повышенной температуры. Это приведёт к выходу его из строя.
12. Приёмопередатчик – служит для приёма и передачи сотового GSM-сигнала. Содержит в себе много функциональных элементов (генераторы управляемые напряжением приёмника и передатчика, полосовые фильтры, развязывающие конденсаторы, индуктивности и т.д.). Управляется процессором и кварцевым резонатором 26МГц.
При неисправностях приёмопередатчика телефон не сможет зарегистрироваться в сотовой сети и на дисплее будет отсутствовать индикатор уровня GSM-сигнала.
13. Усилитель мощности – предназначен для усиления сигнала, вырабатываемого приёмопередатчиком, до уровня мощности, необходимого для излучения антенной в эфир.
При неисправностях усилителя мощности телефон будет принимать сигнал сотовой сети, но зарегистрироваться в ней не сможет, так как не сможет передавать GSM-сигнал.
14. Антенный переключатель (свитч) – предназначен для сопряжения (подключения) приёмного и передающего тракта GSM-модуля к антенне телефона. Этим достигается наличие в телефоне одной общей антенны для приёма и передачи, а также исключается влияние усилителя мощности на приёмный тракт.
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 (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 (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).
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 (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.
Немного грустно, что подавляющее большинство людей на вопрос: «Как работает сотовая связь?», отвечают «по воздуху» или вообще - «не знаю».
В продолжение этой темы, у меня вышел один забавный разговор с другом на тему работы мобильной связи. Случилось это аккурат за пару дней до отмечаемого всеми связистами и телекомщиками праздника «Дня радио». Так уж сложилось, что в силу своей ярой жизненной позиции, мой друг считал, что мобильная связь работает вообще без проводов через спутник . Исключительно за счет радиоволн. Сначала у меня не получалось переубедить его. Но после непродолжительной беседы все встало на свои места.
После этой дружеской «лекции» появилась идея написать простым языком о том, как работает сотовая связь. Все как есть.
Когда вы набираете номер и начинаете звонить, ну, или вам кто-нибудь звонит, то ваш мобильный телефон по радиоканалу связывается с одной из антенн ближайшей базовой станции. Где же находятся эти базовые станции, спросите вы?
Обратите внимание на промышленные здания, городские высотки и специальные вышки . На них и располагаются большие серые прямоугольные блоки с торчащими антеннами разных форм. Но антенны эти не телевизионные и не спутниковые, а приемо-передающие операторов сотовой связи. Они направлены в разные стороны, чтобы обеспечить связью абонентов со всех сторон. Ведь мы же не знаем, откуда будет поступать сигнал и куда занесет «горе-абонента» с телефонной трубкой? На профессиональном жаргоне антенны также называют «секторами». Как правило, они устанавливаются от одной до двенадцати.
От антенны сигнал по кабелю передается непосредственно в управляющий блок станции . Вместе они и образуют базовую станцию [антенны и управляющий блок]. Несколько базовых станций, чьи антенны обслуживают отдельную территорию, например, район города или небольшой населенный пункт, подсоединены к специальному блоку - контроллеру . К одному контроллеру обычно подключается до 15 базовых станций.
В свою очередь, контроллеры, которых также может быть несколько, кабелями подключены к «мозговому центру» - коммутатору . Коммутатор обеспечивает выход и вход сигналов на городские телефонные линии, на других операторов сотовой связи, а также операторов междугородней и международной связи.
В небольших сетях используется только один коммутатор, в более крупных, обслуживающих сразу более миллиона абонентов, могут использоваться два, три и более коммутаторов , объединенных между собой опять-таки проводами.
Зачем же такая сложность? Спросят читатели. Казалось бы, можно антенны просто подключить к коммутатору и все будет работать . А тут базовые станции, коммутаторы, куча кабелей… Но, не все так просто.
Когда человек передвигается по улице пешком или идет на автомобиле, поезде и т.д. и при этом еще и разговаривает по телефону, важно обеспечить непрерывность связи. Связисты процесс эстафетной передачи обслуживания в мобильных сетях называют термином «handover». Необходимо вовремя переключать телефон абонента из одной базовой станции на другую, от одного контроллера к другому и так далее.
Если бы базовые станции были напрямую подключены к коммутатору, то всеми этими переключениями пришлось бы управлять коммутатору . А ему «бедному» и так есть, чем заняться. Многоуровневая схема сети дает возможность равномерно распределить нагрузку на технические средства . Это снижает вероятность отказа оборудования и, как следствие, потери связи. Ведь все мы заинтересованы в бесперебойной связи, не так ли?
Итак, достигнув коммутатора, наш звонок переводится д алее - на сеть другого оператора мобильной, городской междугородной и международной связи. Конечно же, это происходит по высокоскоростным кабельным каналам связи. Звонок поступает на коммутатор другого оператора. При этом последний «знает», на какой территории [в области действия, какого контроллера] сейчас находится нужный абонент. Коммутатор передает телефонный вызов конкретному контроллеру, в котором содержится информация, в зоне действия какой базовой станции находится адресат звонка. Контроллер посылает сигнал этой единственной базовой станции, а она в свою очередь «опрашивает», то есть вызывает мобильный телефон. Трубка начинает причудливо звонить.
Весь этот длинный и сложный процесс в реальности занимает 2-3 секунды !
Точно также происходят телефонные звонки в разные города России, Европы и мира. Для связи коммутаторов различных операторов связи используются высокоскоростные оптоволоконные каналы связи . Благодаря им сотни тысяч километров телефонный сигнал преодолевает за считанные секунды.
Спасибо великому Александру Попову за то, что он дал миру радио! Если бы не он, возможно, мы бы сейчас были лишены многих благ цивилизации.
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»
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.
| 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
