Принцип роботи і пристрій телефону

Пристрій телефону сильно змінилося з моменту його винаходу. Сьогодні це навіть не той апарат, який просто передає голос однієї людини іншій на великі відстані. У сучасному світі це складне технічне засіб з штучним інтелектом, яка вміє не тільки дзвонити і передавати повідомлення, а також відтворювати відео і аудіо, виходити в Інтернет, обробляти великі обсяги інформації, одночасно виконувати безліч операцій і завдань. Що ми знаємо про те, як телефон влаштовано і як працює? В рамках цієї статті спробуємо розібратися в цьому питанні.

Зародження і еволюція телефону

Засновником першого апарату для передачі інформації на відстань прийнято вважати Семуеля Морзе, який винайшов телеграф і азбуку Морзе. Назвати цей апарат повноцінним телефоном складно, так як інформація передавалася за допомогою замикання контактів і спеціально розробленого для нього коду "морзянки", як її часто називають скорочено.


Деякі історики приписують винахід першого телефону Антоніо Меуччі, який він назвав телектрофоном. Він розробив креслення, але з невідомої нікому причини не зареєстрував своє творіння. Тому патент належить Олександру Беллу. Його пристосування було без дзвінка і зовні не мало нічого спільного з сучасними апаратами. Пристрій телефону було громіздким і незручним для переговорів, вага - близько восьми кілограмів. Однак це не завадило його популяризації і широкого поширення по всіх країнах. До початку двадцятого століття у світі налічувалося вже більше десяти тисяч станцій. З кожним разом у його конструкцію вносили зміни і доопрацювання, оскільки з'явився окремо мікрофон і динамік в його конструкції.


Глобальне будівництво АТС призвело до модернізації апаратів. У них з'явилася трубка і диск для набору номера абонента. Циферблат містив цифри і букви, крім літери "З", так як вона нагадує трійку. На кнопкових стаціонарних телефонах така нумерація збереглася і донині. Це зроблено зовсім не для відправки повідомлень, так простіше запам'ятовувати номер. Перші апарати в радянській Росії належали двом компаніям: "Ерікссон" і "Сіменс". Це були телефони без зарядного пристрою, що працюють за принципом передачі і прийому простих електричних імпульсів. Бездротові телефони з'явилися в нашій країні в 70-х роках двадцятого століття. Вони передавали радіосигнал на базу, яка, в свою чергу, по лінії через комутатори пов'язувалася з іншим абонентом. Їх торгова назва "Алтай", вони являли собою прототип мобільного зв'язку. Важила така установка сім кілограмів. Для перенесення вона не годилася, тому нею оснащували автомобілі оперативних служб. Припинила своє існування тільки в 2011 році. В Росії перша стільниковий зв'язок з'явився в 1991 році, і працювала вона по стандарту NMT. Першими постачальниками мобільних телефонів стали "Нокія" та "Моторола". Ціни на апарати були космічними, і могли їх собі дозволити тільки дуже багаті люди. Стандарт GSM з'явився в 1993 році і, перемігши своїх конкурентів, прижився в багатьох країнах. Він дозволяє реалізувати великий функціонал, в тому числі передавати короткі повідомлення. Спочатку їх припускали відправляти в якості сервісних повідомлень, але опція настільки сподобалася користувачам, що перетворилася в окрему послугу стільникових операторів.
Зі вступом в еру портативних апаратів пристрій мобільних телефонів ставало все складніше, розміри і вага менше, а можливості - більше. З трикілограмових гігантів вони перетворилися в мініатюрні засоби зв'язку, які легко поміщаються навіть в руці дитину. З часом реальну кнопкову клавіатуру замінила віртуальна на сенсорному екрані. На панелі з'явилися камери, сканери відбитків пальців і багато інші пристосування.

Як влаштовані аналогові телефонні апарати

Пристрій телефону з дисковим і кнопковим набором схоже за наявності складових блоків, але відрізняється принципом роботи. Агрегати включають в себе наступні модулі: Трубка з мікрофоном і динаміком. Телефон. Викличний засіб. Вузол набору номера. Трансформатор. Важільний вимикач. Розділяє конденсатор. Радіочастотний модуль (переносні станції). Важільний перемикач відповідає за підключення пристрою до абонентської лінії. У пристрої бездротового з'єднання телефону обумовлено включенням живлення трубки апарата. Мікрофон перетворює звукові хвилі в електричні сигнали. Прилади поділяються на електродинамічні, конденсаторні, вугільні, електромагнітні та п'єзоелектричні. Також їх поділяють на активні і пасивні. Активні утворюють з звуку електромагнітний імпульс, пасивні змінюють параметри інших вузлів, в основному ємність і опір. Для останніх необхідний додаткове джерело живлення.
Телефон переводить електричні імпульси в звук. Протікає по котушок електричний струм утворює змінне магнітне поле, яке змушує вібрувати мембрану динаміка. Електродинамічні та електромагнітні апарати використовують диференціальну магнітну систему, п'єзоелектричні деформують елементи мембрани пов'язаних з нею джерел звукових частот. Викличної вузол може бути індукційним і електронним. Необхідний для оповіщення абонента про вхідний виклик. Перший з допомогою протікаючого струму в котушках змушує вібрувати бойок і ударяти по звонковым чашечках. Електронний блок обробляє інформацію про вхідному сигналі і перенаправляє його на загальний динамік у вигляді імпульсів заданої частоти, який називається рінгтоном. Радіочастотний модуль присутній тільки в пристрої бездротових телефонів. Він призначений для обміну інформацією між телефоном і приймачем за допомогою радіосигналів. Трансформатор пов'язує окремі розмовні вузли між собою. Також усуває ефект локального луни в трубці і відповідає за узгодження з опором лінії. Розділовий конденсатор необхідний для з'єднання телефону з лінією в режимі прийому вхідного сигналу та очікування вихідного. Підтримує високий опір великому вхідному напрузі і низьке - малому. Номеронабирач буває імпульсним (дисковим) та електронним (кнопковим). У першому варіанті механічне колесо, обертаючись, замикає контакти і відправляє на АТС сигнали. Їх кількість відповідає конкретному числу номера абонента. Електронні працюють через інтегральні мікросхеми, які генерують штучно імпульси з допомогою твердотільних реле і відправляють їх на приймач станції. Сучасні АТС ще зберігають такий спосіб виклику абонента, але частіше використовують тональний набір. Сучасні апарати також підтримують ще IP-телефонію. Принцип дії тонального набору полягає в генерації короткочасних сигналів запрограмованих частот, кожне значення якої відповідає певному числу номери. Пристрій підключення телефону за протоколом IP передбачає використання сервера провайдера по виділеній інтернет-каналу, з якого здійснюється дзвінок. Мобільні апарати надсилають радіосигнали заданої частоти на систему комунікацій вишок мобільних операторів.

Принцип роботи апаратів в дротяних мережах

Для того щоб розуміти пристрій мобільного телефону в повному обсязі, необхідно знати, як працює аналогова система АТС. Незважаючи на те, що стільникові телефони являють собою складну цифрову структуру з інтегральними схемами, в їх роботу покладено базовий принцип звичайних стаціонарних апаратів. Кожен постачальник послуг надає своїм клієнтам унікальні ідентифікаційні номери, за якими він розрізняє їх між собою. В даному випадку це називається номером абонента або точки підключення, до якої підходять дроти. Коли АТС відправляє сигнал, телефон знаходиться у відключеному стані, тобто трубка знаходиться на апараті, а важільний перемикач - у розімкнутому положенні. При надходженні виклику з лінії струм проходить по первинній обмотці, змушуючи вібрувати кулачок і бити по чашечці. В електронних системах це відбувається інакше, сигнал подається на зовнішній динамік, і на виході ми чуємо мелодію або спів птахів, наприклад. Після того, як абонент підніме трубку, ланцюг переговорного модуля і набору номера замикається, а приймальна розмикається з допомогою реле.
Дзвінок іншому користувачеві відбувається в зворотному порядку. Людина знімає трубку, ніж замикає один ланцюг і роз'єднує іншу. Виклик відбувається в модулі набору номера шляхом надсилання імпульсів або сигналів на комутуючі пристрої станції. Вона, в свою чергу, розпізнає числа, комбінуючи їх в єдиний номер, перенаправляє на потрібну точку. Передача голосу в аналогових системах відбувається завдяки вібрації мембрани мікрофона. У вугільних вона створює ущільнення, що викликає обурення магнітного поля котушки. Таке коливання формує імпульс, який відправляє на інший приймач.

Схематичне виконання мобільних телефонів

Пристрій стільникового телефону слід виділити в окрему категорію, так як за своїм виконанням вона нагадує DECT-системи, але з рядом відмінностей. Він також передає на приймач радіосигнал, але попередньо його шифруючи. Використовує свої частоти і канали для роботи. Але представляти мобільний телефон як телефон не зовсім правильно. Це вже давно багатофункціональний пристрій. Якщо говорити про зовнішньому виконанні, то слід відзначити наступне: Форм-фактор. Це може бути розкладний або розсувний корпус. Камера. Мікрофон. Динамік. Екран. Клавіатура. USB-роз'єм. Акумуляторна батарея. Зарядний пристрій для мобільних телефонів. Сім-карта. Багато гаджети доповнені різними аксесуарами, що розширює область їх застосування. Принципова схема внутрішнього пристрою представлена на малюнку нижче. Незважаючи на це, прилад працює виключно з аналоговими радіосигналами, всі процеси в ньому повністю оцифровані. Його мікросхема містить аналогові і цифрові блоки.

Аналоговий модуль

Він включає в себе засіб прийому і передачі сигналів. Зазвичай розташовується окремо від цифрового вузла. За своїм робочим характеристикам нагадує радіотелефон, але працює за стандартом GSM. Приймач і передавач працюють не синхронно, відправлення сигналу відбувається з 1/8 затримкою. Це дозволяє економити заряд батареї і інтегрувати підсилювач із змішувачем. Оскільки прилад ніколи не працює на прийом і передачу одночасно, то він являє собою якийсь комутатор, який з'єднує антену з одного режиму на інший. На прийомі після проходження фільтра каналів сигнал посилюється з допомогою МШУ і вирушати на змішувач. Далі він демодулируется і передається на аналого-цифровий перетворювач, який перетворює його в цифровий сигнал, необхідний для роботи центрального процесора. На передачу логічний генератор модулює цифрові дані в сигнал. Далі через змішувач він надходить на частотний синтезатор, після якого переходить на канальний фільтр і посилений. Тільки сигнал достатньої потужності подається на антену, звідки він іде в простір.

Цифровий модуль

Головним елементом і мозком всієї системи є центральний процесор, який обробляє всю інформацію, що надходить. Чіпсет мікросхеми використовується аналогічний комп'ютерного, але по продуктивності і потужності він не може з ним конкурувати. Крім ЦПУ в цей блок входить: Аналого-цифровий перетворювач, який перетворює аналогові сигнали мікрофона в цифровий вигляд даних. Кодер і декодер мови і каналів. Перетворювач цифрового сигналу в аналоговий. Дешифратор і шифратор. Детектор активності мови. Забезпечує роботу вузлів, тільки коли присутня мова абонента. Термінальні кошти. Утворюють інтерфейс зв'язку з зовнішніми пристроями, наприклад ПК або пристрій для зарядки телефону. Модулі бездротових мереж. Клавіатура. Дисплей. Динамік. Мікрофон. Модуль камери. Знімний накопичувач. Сім-карта. Деякі компанії використовують два мікрофони. Один необхідний для придушення зовнішніх шумів. Також іноді застосовуються два динаміка: один - для телефонних розмов, іншої - для відтворення музики.

Принцип роботи мобільних пристроїв в мережі

Мобільні телефони працюють в мережі стандарту GSM на чотирьох частотах: 850 МГц. 900 МГц. 1800 МГц. 1900 МГц. Стандарт системи включає в себе три основних компонента: Підсистеми базових станцій (BSS). Підсистему комутаційних перемикань (NSS). Центр обслуговування і управління (OMC). Апарат взаємодіє з базовими станціями (вишками). Після включення він починає сканування мереж свого стандарту, які дізнається трансльованому по ідентифікатору. При її наявності телефон вибирає ту станцію, чий рівень сигналу вище. Далі проходить аутентифікацію. Ідентифікаторами є унікальні номери сім-карти IMSI і Ki. Далі центр аутентифікації (AuC) відправляє пристрою число випадкового порядку, яке є ключем для спеціального алгоритму обчислень. Одночасно система проводить такий розрахунок у себе. Якщо результати бази та апарату збігаються, то відбувається реєстрація телефону в мережі. Унікальним ідентифікатором для апарату є його IMEI, який зберігається в енергонезалежній пам'яті. Цей номер задається заводом-виробником і є його паспортом. Перші вісім цифр IMEI включають в себе опис пристрою, решта - серійний номер з контрольним числом. Після успішної реєстрації телефон готовий до обміну сигналами з базовими станціями. Як вже говорилося раніше, пристрій телефонів стільникових операторів схоже на систему апаратів DECT, але зі своїми відмінностями. Перед виходом в ефір сигнал мобільного шифрується і ділиться на відрізки по 20 мс. Кодування проводиться за алгоритмом стандарту EFR з використанням відкритого ключа. І антена активується детектором активності мовлення (VAD), тобто коли людина починає говорити. Уривчастість мови обробляє кодек за алгоритмом DTX. У приймаючої сторони сигнал обробляється аналогічним чином, але в зворотному порядку.

Зарядні пристрої

Зарядні пристрої для мобільних телефонів є важливим компонентом, так як завдяки ним апарат продовжує функціонувати. Їх пряме призначення - зменшувати напругу і струм електромережі до необхідних значень і подавати його акумулятора. В основному на виході напруга становить 5 В, сила струму залежить від моделі і ємності акумулятора. Від його сили залежить також час заряду батареї. Зарядні засоби ділять: На трансформаторні. Імпульсні. Перші не бояться перепадів напруги і завжди мають великий запас по струму. Принципова схема їх дуже проста. На знижувальну котушку подається мережеве напруга, яка зменшує його до потрібних значень. Струм з другої обмотки переходить на діодний міст, де встановлений конденсатор. Він виконує роль фільтра від стрибків напруги і забирає надлишки на себе. Далі резистор знижує струм і передає його акумулятора. Схема імпульсних ЗУ більш складна і виконана з застосуванням діодів і транзисторів.

Підтримка бездротових систем передачі даних

В даний час існує три способи передачі даних: Інфрачервоний порт. Bluetooth. Wi-Fi. Перший довів свою неефективність, тому не використовується. Останні два реалізовані практично на всіх апаратах. Bluetooth, має малий радіус дії і застосовується в основному з метою організації інтерфейсу зв'язку з портативними пристроями для телефону. Wi-Fi вважається більш розширеним форматом і використовується для виходу в Інтернет. Слід зазначити, що існують спеціальні програмні забезпечення, які дозволяють здійснювати дзвінки за допомогою Інтернет, не використовуючи стільниковий зв'язок. Також за допомогою даної технології можна організовувати локальну мережу, до якої можуть підключитися відразу декілька пристроїв і обмінюватися даними.

Додаткові аксесуари

Компанії-виробники всіляко намагаються залучити клієнтів до своєї продукції, тому постійно розширюють асортимент пропонованої номенклатури. Сюди входять: Чохли. Захист стекол. Портативні пристрої для телефону, наприклад гарнітура. Знімні накопичувачі. Засоби мультимедіа. Розумні кошти. USB-пристрою для телефону, наприклад кабелі, перехідники або зарядні кошти. Подібні утиліти значно розширюють можливості гаджетів і спрощують життя своїм власникам.

Порівняльні характеристики сучасних моделей телефонів

Для того щоб зрозуміти, що собою являють сучасні телефони, необхідно побачити наочно їх параметри. Але розглядати одну торгову марку несправедливо. Огляд одного зразка не дасть повної картини, тому для порівняння і аналізу були взяті три флагманських смартфона торгових марок Samsung (пристрій телефонів цієї марки не надто відрізняється від інших), Apple і Xiaomi. По ціновій категорії вони вишикувалися в наступному порядку: Apple. Samsung. Xiaomi. Судячи за ціною, пристрої телефонів "Айфон" використані передові технології, які володіють найбільш високими параметрами. Проте компанія "Самсунг" присутня на ринку з 1938 року і накопичила великий досвід. Взагалі, метою порівняння не є виявити переможця і відповісти на питання, що краще - пристрій телефонів на "Андроїд" або на платформі iOS. Завдання полягає в тому, щоб показати, яких висот досягли технології. Таблиця технічних характеристик

Найменування параметрів



Apple



Sumsung



Xiaomi



Розміри, мм



774x1575x77



764x1619x88



749x1509x81



Вага, г



208



201



189



Підтримка мереж



Телефони Samsung, Apple і Xiaomi підтримують мережі наступних поколінь: 2G, 3G, 4G



Сім-карти



1 ноноразмерная



2 нанорозмірні



Розмір дисплея діагоналі, дюйми



65



64



599



Дозвіл екрану



2688x1242



2960x1440



2160x1080



Щільність точок на дюйм



458



516



403



Технологія виготовлення



OLED



Super AMOLED



IPS



Кількість кольорів на екрані



16 млн



17 млн



167 млн



Система



iOS



Android



Виробник процесора



Apple



Samsung



Qualcomm



Модель процесора



A12 Bionic



Exynos 9810



Snapdragon 845



Кількість ядер



6



У пристрої телефонів Xiaomi і Samsung з їх 8 в загальній конфігурації, по 4 на кожну



Частота, ГГц



25



19; 29



18; 28



Технологія, нм



7



10



Оперативна пам'ять, ГБ



4



6



Внутрішня пам'ять, ГБ



256



128



Вбудовані датчики



Датчик освітлення; датчик наближення; компас; барометр акселерометр; гіроскоп



Датчик освітлення; датчик наближення; компас; барометр; акселерометр; гіроскоп; датчик Холла; датчик серцевого ритму



Датчик освітлення; датчик наближення; компас; барометр; акселерометр; гіроскоп; датчик Холу



Дозвіл тиловий камери, Мп



Основна: 12 Мп Допоміжна: 12 Мп



Світлочутливість діафрагми



Основна: f/2.4 Допоміжна: f/1.8



Основна: f/2.4 Допоміжна: ?/1.5



Основна: f/2.4 Допоміжна: f/1.8



Дозвіл фронтальної камери, Мп



7



8



5



Світлочутливість діафрагми



?/2.2



?/1.7



?/1.7



Підтримка технології бездротових комунікацій



Bluetooth, Wi-Fi



Супутникове позиціонування



GPS, ГЛОНАСС, A-GPS



Ємність акумулятора, mah



3174



4000



3400



Захисні системи



Сканер відбитків пальців; сканер райдужної оболонки ока; сканер особи



У телефон "Самсунг" передбачений лише сканер особи



У "Сяоми" сканер відбитка пальця

Як видно з таблиці, технічні характеристики і пристрій телефонів "Самсунг", "Сяоми" і Apple практично однакові. Це говорить лише про здорову конкуренцію і прагненні зробити свій продукт краще для користувачів. Всі виробники впроваджують новітні технології, які не стоять на місці і стрімко розвиваються.

Висновок

З моменту появи першого телефону пройшло не так багато часу. За цей період вони перетворилися із звичайного набору деталей в розумні пристрої. Вони поєднують в собі безліч функцій, які раніше покладалися на інші прилади. І такий розвиток буде продовжуватися далі.