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.

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.

Хотя большинство из нас считают стационарный телефон само собой разумеющимся, телефон в вашем доме — одно из самых удивительных устройств, когда-либо созданных. Если вы хотите поговорить с кем-нибудь, все, что вам нужно сделать, это поднять трубку телефона и набрать несколько цифр. Вы в любой момент обратитесь к этому человеку и пообщаетесь с ним.

Телефонная сеть распространяется по всему миру, так что вы можете дозвониться почти к каждому на планете. Если вспомнить, что всего 100 лет назад и даже менее, посылка письменного сообщения кому-либо могла занимать несколько недель…

Удивительно, но телефон это одно из самых простых устройств в вашем доме. Принципы телефонной связи не изменялись почти столетие. Если у вас есть старинный телефон, сохранившийся с 1930-х годов, можно подключить его к вашей телефонной розетке, и он будет работать нормально!

Внутренности телефона

Простейший телефон состоит из трех частей:

1. Переключатель, подключающий и отключающий телефон от сети. Этот переключатель обычно называют рычажным переключателем . Он подключает телефон к сети, когда вы поднимаете трубку.

2. Д инамик . Это, самый обычный динамик размером с 50 копеечную монету и сопротивлением 8 Ом.

3. Микрофон . В прошлом, телефонные микрофоны были крайне просты и состояли из гранул активированного угля, зажатого между двух тонких металлических пластин. Звуковые волны от вашего голоса сжимали и разжимали гранулы, меняя их сопротивление и регулировали ток, протекающий через микрофон.

И он будет работать! Вы можете набрать номер на этом телефоне, быстро нажимая на рычажный переключатель — все телефонные коммутаторы по-прежнему распознают «импульсный набор номера ». Если вы поднимете трубку и быстро простучите по переключателю четыре раза, коммутатор телефонной компании поймет, что вы набрали «4».

Единственная проблема с таким телефоном, что во время разговора вы будете слышать свой голос через динамик.

Провода и кабели

Телефонная сеть начинается в вашем доме. Пара медных проводов бежит от вашего телефона до толстого кабеля, содержащего множество таких медных пар. В зависимости от того, где вы находитесь, этот толстый кабель будет входить непосредственно в коммутатор телефонной станции в вашем районе, или будет подключен в коробку размером, примерно, с холодильник, которая выступает в качестве цифрового концентратора .

Оцифровка и доставка голоса

Концентратор оцифровывает ваш голос с дискретизацией 8000 раз в секунду и 8-битным разрешением. Затем он собирает в себе ваш голос и десятки других, и отправляет их все в один провод (обычно коаксиальный кабель или волоконно-оптический кабель) ведущий к телефонной станции. Так или иначе, ваша линия соединяется с линейным разъединителем, и вы можете услышать длинный гудок, поднимая трубку.

Если вы вызываете кого-то, связанного с той же самой станцией, то переключатель просто создает замкнутую цепь между вашим телефоном и телефоном человека, которого вы набрали. Если это междугородний звонок, то ваш голос оцифровывается и объединяется с миллионами других голосов. Ваш голос, обычно, идет по волоконно-оптической линии в телефонную станцию принимающей стороны, но он может также быть передан спутником или вышками связи.

Создание собственной телефонной сети

Не только телефон простое устройство. Связь между вами и телефонной станцией еще проще. В самом деле, вы можете легко создать свою собственною телефонную сеть с использованием двух телефонов, 9-вольтового аккумулятора и резистора на 300 Ом, который можно купить на радиорынке. Вы можете собрать все это оборудование следующим образом: один провод соединяет оба телефона напрямую, а ко второму проводу, соединяющему телефоны, последовательно подключены источник питания и резистор. Если оба человека одновременно возьмут телефонные трубки, то они смогут нормально разговаривать друг с другом на расстоянии нескольких километров.

Единственное, что ваш маленький домофон не сможет сделать — это позвонить на другой телефон, чтобы попросить человека на другом конце провода взять трубку. Для сигнала звонка подается 90 вольт переменного тока частотой 20 герц.

Подключение к телефонной станции состоит из двух медных проводов. По одному из них передается от 6 до 12 вольт постоянного тока, примерно 30 мА. Микрофон модулирует звуковые волны, динамик на другом конце воспроизводит этот модулированный сигнал. Вот и все.

Если вернуться к временам ручного коммутатора, то легко понять, как работала когда-то большая телефонная сеть. В те дни было множество пар медных проводов, идущих от каждого дома к телефонной станции в центре города. Оператор коммутатора сидела перед большим щитом с одним гнездом для каждого абонента. Над каждым разъемом была небольшая лампочка. Большой аккумулятор был подключен через резистор для каждой проводной пары. Когда кто-то поднимал трубку на своем телефоне, рычажный переключатель замыкал цепь и пускал ток по проводам между домом и телефонной станцией. Это зажигало свет лампочки над этим разъемом на распределительном щите. Оператор соединял свою гарнитуру с этим разъемом и спрашивал, с кем этот человек хотел бы поговорить. Затем оператор отправлял сигнал звонка получающей стороне и ждал, чтобы там кто-то взял трубку. После того, как трубка поднималась, оператор соединял двух людей вместе, точно так же, как простая интерком-связь. Это очень просто!

Тональный набор

В телефонах современной системы, операторы были заменены на электронный переключатель . Когда вы поднимаете трубку, переключатель чувствует замыкание цепи и играет звук длинного гудка. Таким образом, вы знаете, что переключатель и ваш телефон работают. Звук длинного гудка — это сочетание 350 Герц тона и 440 Герц тона. Набор цифр номера также сопровождается звуками различной тональности. Если номер занят, вы слышите прерывистый сигнал «занято», который составлен из 480 Герц и 620 Герц тона.

Ширина полосы пропускания

В целях обеспечения более дальних звонков, передаваемые частоты ограничены полосой пропускания около 3000 Герц. Все частоты в вашем голосе ниже 400 Герц и выше 3400 Герц исключаются. От этого голос по междугородному телефону имеет характерное звучание.

Поэтому лучше не устраивать музыкальные перформансы по телефону, чтобы не стать героем анекдота:

Встречаются Петька и Василий Иванович. Василий Иванович говорит: «Что только люди находят в этих Битлз?! Они же поют монотонно!» Петька спрашивает: «Василий Иванович, да где же ты Битлов то слушал?!» Василий Иванович: «Как где? Мне вчера Фурманов пару их вещей напел по телефону…»

Сотовая связь с недавних пор так прочно вошла в нашу повседневную жизнь, что трудно представить современное общество без нее. Как и многие другие великие изобретения мобильный телефон сильно повлиял на нашу жизнь, и на многие ее сферы. Трудно сказать каким было бы будущее, если бы не этот удобный вид связи. Наверняка таким же, как и в фильме "Назад в Будущее-2", где есть летающие авто, ховерборды, и многое другое, но нет сотовой связи!

Но сегодня в специальном репортаже для будет рассказ не о будущем, а о том, как устроена и работает современная сотовая связь.

Для того, чтобы узнать о работе современной сотовой связи в формате 3G/4G, я напросился в гости к новому федеральному оператору Tele2 и провел целый день с их инженерами, которые объяснили мне все тонкости передач данных через наши мобильные телефоны.

Но расскажу вначале немного об истории возникновения сотовой связи.

Принципы работы беспрводной связи были опробованы почти 70 лет назад - первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 г. в Сент-Луисе, США. В Советском союзе опытный образец мобильного радиотелефона был создан в 1957 году, потом ученые других стран создавали подобные устройства с различными характеристиками, и только в 70-х годах прошлого века в Америке были определены современные принципы работы сотовой связи, после чего и началось ее развитие.

Мартин Купер - изобретатель прототипа портативного сотового телефона Motorola DynaTAC весом в 1,15 кг и размерами 22,5х12,5х3,75 см

Если в западных странах к середине 90-х годов прошлого века сотовая связь была распространена повсеместно и ей пользовалась большая часть населения, то в России она только начала появляться, и стала доступной для всех чуть более 10 лет назад.

Громоздкие кирпичеобразные мобильники работавшие в форматах первого и второго поколений ушли в историю, уступив место смартфонам с 3G и 4G, лучшей голосовой связью и высокой скоростью интернета.

Почему связь называется сотовой? Потому что территория, на которой обеспечивается связь, разбивается на отдельные ячейки или соты, в центре которых располагаются базовые станции (БС). В каждой "соте" абонент получает одинаковый набор услуг в определенных территориальных границах. Это означает, что перемещаясь от одной "соты" к другой, абонент не чувствует территориальной привязанности и может свободно пользоваться услугами связи.

Очень важно, чтобы была непрерывность соединения при перемещении. Это обеспечивается благодаря так называемому хэндовер (Handover), при котором соединение установленное абонентом как бы подхватывается соседними сотами по эстафете, а абонент продолжает разговаривать или копаться в соцсетях.

Вся сеть делится на две подсистемы: подсистема базовых станций и подсистема коммутации. Схематически это выглядит так:

В середине "соты", как было сказано выше находится базовая станция, которая обычно обслуживает три "соты". Радиосигнал от базовой станции излучается через 3 секторные антенны, каждая из которых направлена на свою "соту". Бывает так, что на одну "соту" направлены сразу несколько антенн одной базовой станции. Это связано с тем, что сеть сотовой связи работает в нескольких диапазонах (900 и 1800 МГц). Кроме того, на данной базовой станции может присутствовать оборудование сразу нескольких поколений связи (2G и 3G).

Но на вышках БС Tele2 стоит оборудование только третьего и четвертого поколения - 3G/4G, так как компания решила отказаться от старых форматов в пользу новых, которые помогают избегать обрывов голосовой связи и обеспечивают более стабильный интернет. Завсегдатаи соцсетей поддержат меня в том, что в наше время скорость интернета очень важна, 100-200 кб/с уже не достаточно, как это было пару-тройку лет назад.

Наболее привычным местом размещения БС является башня или мачта, построенная специально для нее. Наверняка вы могли видеть красно-белые вышки БС где-то в отдаленности от жилых домов (в поле, на холме), или там, где поблизости нет высоких зданий. Как вот эта, которая видна из моего окна.

Однако, в условиях городской местности трудно найти место под размещение массивного сооружения. Поэтому в крупных городах базовые станции размещаются на зданиях. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 км.

Это антенны, само оборудование БС находится на чердаке, или в контейнере на крыше, которое представляет из себя пару железных шкафов.

Некоторые базовые станции расположены там, где вы даже не догадаетесь. Как например на крыше этой парковки.

Антенна БС состоит из нескольких секторов, каждый из которых принимает/отправляет сигнал в свою сторону. Если вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, то круглая соединяет БС с контроллером.

В зависимости от характеристик, каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно. БС может состоять из 6 секторов, и обслуживать до 432 звонков, однако обычно на станциях устанавливают меньше передатчиков и секторов. Сотовые операторы, такие как Tele2, предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи. Как мне сказали, здесь используется самое современное оборудование: базовые станции Ericsson, транспортная сеть - Alcatel Lucent.

От подсистемы базовых станций сигнал передается в сторону подсистемы коммутации, где и происходит установление соединения с нужным абоненту направлением. В подсистеме коммутации есть ряд баз данных, в которых хранятся сведения об абонентах. Кроме того эта подсистема отвечает за безопасность. Если сказать проще, то коммутатор выполняет те же функции, что и девушки операторы, которые раньше руками соединяли вас с абонентом, только сейчас все это происходит автоматически.

Оборудование для этой базовой станции спрятано в этом железном шкафу.

Кроме обычных вышек есть также и мобильные варианты базовых станций, размещенные на грузовиках. Их очень удобно использовать во время стихийных бедствий или в местах массового скопления людей (футбольные стадионы, центральные площади) на время праздников, концертов и различных мероприятий. Но, к сожалению, из-за проблем в законодательстве широкого применения они пока не нашли.

Для обеспечения оптимального покрытия радиосигналом на уровне земли, базовые станции проектируются специальным образом, потому несмотря на дальность в 35 км. сигнал не распространяется на высоту полета самолетов. Однако некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих бортах небольшие базовые станции, обеспечивающие сотовую связь внутри самолета. Такая БС соединяется с наземной сотовой сетью с помощью спутникового канала. Система дополняется панелью управления, которая позволяет экипажу включать и выключать систему, а также отдельные типы услуг, например, выключать голос на ночных рейсах.

Также я заглянул в офис Tele2, чтобы увидеть как специалисты контролируют качество сотовой связи. Если несколько лет назад такая комната была бы увешана до потолка мониторами показывающими данные сети (загруженность, аварии сети, и т.п.) то со временем надобность в таком количестве мониторов отпала.

Технологии со временем сильно развились и достаточно вот такой небольшой комнаты с несколькими специалистами, чтобы наблюдать за работой всей сети в Москве.

Немного видов из офиса Tele2.

На совещании сотрудников компании обсуждаются планы по захвату столицы) С начала стройки до сегодняшнего дня Tele2 успел покрыть своей сетью всю Москву, и постепенно завоевывает Подмосковье, запуская более 100 базовых станций еженедельно. Так как я живу теперь в области, мне очень важно. чтобы эта сеть как можно быстрее пришла в мой городок.

В планах компании на 2016 г. обеспечение высокоскоростной связи в метро на всех станциях, на начало 2016 связь Tele2 присутствует на 11 станциях: связь стандарта 3G/4G на метро «Борисово», «Деловой центр», «Котельники», «Лермонтовский проспект», «Тропарево», «Шипиловская», «Зябликово», 3G: «Белорусская» (Кольцевая), «Спартак», «Пятницкое шоссе», «Жулебино».

Как я говорил выше, Tele2 отказалась от формата GSM в пользу стандартов третьего и четвертого поколения - 3G/4G. Это позволяет устанавливать базовые станции 3G/4G с большей частотой (например, внутри МКАД БС стоят на расстоянии около 500 метров друг от друга), чтобы обеспечивать более стабильную связь и высокую скорость мобильного интернета, чего не было в сетях предыдущих форматов.

Из офиса компании я в компании инженеров Никифора и Владимира отправляюсь на одну из точек, где им нужно замерить скорость связи. Никифор стоит напротив одной из мачт, на которой установлено оборудование для обеспечения связи. Если приглядитесь, то заметите чуть далее слева еще одну такую мачту, с оборудованием других сотовых операторов.

Как это ни странно, но сотовые операторы часто разрешают своим конкурентам использовать свои башенные сооружения для размещения антенн (естественно на взаимовыгодных условиях). Это вызвано тем, что строительство башни или мачты - дорогое удовольствие, и такой обмен позволяет сэкономить немало средств!

Пока мы замеряли скорость связи, Никифора несколько раз прохожие бабушки и дядьки спросили не шпион ли он)) "Да, глушим радио "Свобода"!).

Оборудование на самом деле выглядит необычно, по его виду можно предположить все что угодно.

У специалистов компании немало работы, если учесть, что в Москве и области у компании более 7тыс. базовых станций: из них порядка 5тыс. 3G и около 2тыс. базовых станций LTE, а за последнее время количество БС увеличилось еще примерно на тысячу.
Всего за три месяца в Подмосковье было выведено в эфир 55% от общего количества новых базовых станций оператора в регионе. В настоящий момент компания обеспечивает качественное покрытие территории, на которой проживает более 90% населения Москвы и Московской области.
Кстати, в декабре сеть 3G Tele2 была признана лучшей по качеству среди всех столичных операторов.

Но я решил лично проверить насколько хороша связь у Tele2, потому приобрел симку в ближайшем ко мне торговом центре на м.Войковская, с самым простым тарифом "Очень черный" за 299 р (400 смс/минут и 4 ГБ). Кстати, у меня был подобный билайновский тариф, который на 100 рублей дороже.

Проверил скорость не отходя далеко от кассы. Прием - 6.13 Mbps, передача - 2.57 Mbps. Учитывая, что я стою в центре торгового центра это неплохой результат, связь Tele2 хорошо проникает сквозь стены большого ТЦ.

На м.Третьяковская. Прием сигнала - 5.82 Mbps, передача - 3.22 Mbps.

И на м.Красногвардейская. Прием - 6.22 Mbps, передача - 3.77 Mbps. Замерил у выхода из метро. Если принять во внимание, что это окраина Москвы, очень даже прилично. Считаю, что вполне приемлемая связь, уверенно можно сказать, что стабильная, если учитывать, что Tele2 появилась в Москве всего пару месяцев назад.

В столице стабильная связь Tele2 есть, это хорошо. Очень надеюсь, что они побыстрее придут в область и я смогу в полной мере пользоваться их связью.

Теперь и вы знаете как работает сотовая связь!

Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите пишите мне - Аслан ([email protected] ) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта http://ikaketosdelano.ru

Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках и в гугл+плюс , где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс материалы, которых нет здесь и видео о том, как устроены вещи в нашем мире.

Жми на иконку и подписывайся!

За прошедшие 20 лет мобильная связь прошла путь от предмета роскоши до массовой услуги, доступной даже школьникам. Многие из нас, пользуясь мобильным телефоном, даже представляют из чего он состоит. Да в принципе это нам и не к чему, если пользоваться им по его прямому назначению. Но есть среди нас и любознательные, которые всегда хотят знать, что находится внутри. Для них и предназначена данная статья об устройстве сотового телефона.

Современные мобильные телефоны уже превратились в многофункциональные комбайны. Производители оснащают телефоны помимо средства связи функциями радио, плеера, фотоаппарата, диктофона и т.п. Телефон давно стал помощником в повседневных делах и любимой игрушкой. Так, что же он имеет внутри?

Мобильный телефон имеет довольно сложное устройство, основообразующим элементом которого является электронная плата, к которой подключаются все остальные комплектующие. Если проводить аналогию с компьютером, то это материнская плата. К ней уже подключаются остальные запчасти для сотовых телефонов такие, как дисплей, антенна и другие составляющие. Подобно ноутбукам, данные платы в сотовых являются индивидуальной вещью для каждой модели. Их форм-фактор и функционал зависят от модели телефонного аппарата.

Детали корпуса

В основном на рынке присутствуют телефоны с тремя видами корпусов: моноблок, "раскладушка", слайдер. Возможны также комбинации и вариации этих трех основных видов. Само собой, что конструкция корпуса влияет и на тип комплектующих внутри. Так, в случае слайдера (или других моделей имеющих подвижные части) внутренние компоненты соединяются при помощи гибких шлейфов. Перетирание таких шлейфов становится одной из главных причин выхода их из строя.

Корпуса-моноблоки включают три основных составляющих: средняя часть, лицевая и задняя панели. Бывает, что задняя панель совмещена с крышкой аккумулятора. В состав "раскладушки" входят верхняя и нижняя части корпуса, а также поворотный механизм. В слайдерах также присутствуют салазки, которые могут иметь различную конструкцию в зависимости от модели.

Практически во всех корпусах клавиатуры имеют идентичную конструкцию и состоят из двух частей. Одна представляет собой клавиши на подложке, а вторая скрыта в корпусе и выполнена в виде подложки с металлическими площадками для замыкания контактов на плате. Клавиатура может быть совмещена с материнской платой, может быть выполнена отдельно от нее.

Аккумулятор

По типу аккумуляторов, которые устанавливаются в сотовых телефонах, их можно разделить на Ni-Mn (никель-металлогидридные), Li-On (литий-ионные), Li-Pol (литий-полимерные). Первый тип на данный момент уже являются устаревшими. Аккумуляторы обоих типов состоят из 2-х частей, самой батареи и электронного блока.

Дисплей

В телефонах присутствуют дисплеи, что называется "всех мастей". Они могут быть черно-белые и цветные и выполняются по различным технологиям. Среди последних можно отметить наиболее распространенные UFB, TFT, STN, OLED и некоторые другие. Все они различаются по качеству выводимого изображения и, соответственно по цене. Если смотреть по конструктивному исполнению, то среди дисплеев можно выделить две основные группы. Первая, это дисплеи, подключаемые к материнской плате на шлейфе, а вторая - это припаиваемые дисплеи.

Прочие запчасти

Кроме того, могут также присутствовать и другие запчасти для мобильных телефонов . Например, это может быть микрофон, динамики, вибромотор, фотокамера и т.п. Назначение таких комплектующих понятно и не требует особых объяснений. Отметим только, что в ряде мобильных телефонов для воспроизведения мелодий и разговора может применяться один динамик, а в других используются разные. Динамики могут фиксироваться на плате или на корпусе. В последнем случае они соединяются с платой при помощи специального разъема. Такая ситуация с микрофоном. Камера, как правило, уже установлена на материнской плате. Важной частью телефона является антенна, которая может быть расположена снаружи или внутри корпуса. Последний вариант наиболее распространенный, хотя модели с внешней антенной также встречаются на рынке.

Ну вот, собственно, и все. Мы рассмотрели все основные части, из которых состоит мобильный телефон. Обзор имеет довольно общее описание, но оно поможет Вам составить представление о том, как устроен современный сотовый телефон.