Принцип работы мобильной связи

Мобильный, или сотовый, телефон — это миниатюрная комбинация телефона, радиоприемника и радиопередатчика, ставшая возможной только благодаря достижениям современной физики.

Главное преимущество такого телефона состоит в том, что он поддерживает постоянную радиотелефонную связь при перемещении абонента в пределах так называемой «зоны покрытия».

Вся зона покрытия разделена на ячейки, называемые также «сотами» (отсюда и название телефона). В каждой ячейке имеется свой приемник-передатчик (их антенны устанавливают на телебашнях, высоких зданиях и на специально построенных вышках). Включенный сотовый телефон автоматически через определенный промежуток времени посылает сигналы, поддерживая радиосвязь с ближайшим приемником-передатчиком, который предоставляет ему один из свободных каналов.

При перемещении мобильного телефона из одной ячейки в другую он автоматически переключается на свободный канал ближайшего приемника-передатчика.

Связь мобильных, или, как их еще называют, сотовых, телефонов осуществляется не при помощи проводов, как в обычной телефонной системе, а посредством радиоволн. Чтобы позвонить по мобильному телефону, необходимо как обычно набрать номер. Тем самым радиопослание поступает на базовую станцию, управляемую сотовой телефонной компанией. На станции, которая обслуживает все звонки в пределах данного радиуса или зоны, контроллерное устройство определяет звонок в свободный радиоканал. Кроме того, оно направляет сигнал в автоматическую телефонную станцию сотовой связи. Считывая специальные коды, передаваемые телефоном, АТС следит за передвижением абонента по зоне первой станции. Если во время звонка абонент минует зону и оказывается в следующей, звонок автоматически переводится на базовую станцию, действующую в той зоне. При звонке по мобильному телефону звонящий подключается к автоматической телефонной станции для сотовой связи, которая определяет местонахождение мобильного телефона, запрашивает свободный радиоканал у контроллерного устройства цепи и осуществляет связь - через базовую станцию - с нужным номером. Затем мобильный телефон звонит. Когда абонент поднимает трубку, цепь замыкается. (Рис.3)

Работа базовой станции

Каждая базовая станция принимает сигналы, испускаемые в радиусе от трех до шести миль. Чтобы избежать шумов, базовые станции с совпадающими границами должны работать на различных частотных каналах. Но даже в пределах одного города достаточно удаленные друг от друга станции могут без труда работать на одном канале. Местная телефонная система, которая обслуживает и дома и офисы, основана на проводах, тянущихся под и над землей и подсоединенных к автоматической станции. (Рис.3)

Местонахождение и канал

Автоматическая телефонная станция определяет местоположение абонента, в то время как контроллер цепи направляет звонок в коммуникационный канал.

Область звонка

Когда абонент выезжает за пределы зоны самой удаленной базовой станции, он больше не может пользоваться сотовой связью. Если звонок сделан на пути к границе зоны, сигнал становится слабее, а потом исчезает совсем.(Рис.3)

На пути от станции к станции

На всем протяжении мобильного звонка автоматическая телефонная станция для сотовой связи фиксирует местонахождение движущегося абонента по силе исходящих от него радиосигналов. Когда сигнал становится слишком слабым, автоматическая телефонная станция предупреждает базовую станцию, которая, в свою очередь, передает звонок для обслуживания соседней станции.

Рис.3 Принцип мобильной связи

Любой мобильный телефон – это сложное техническое устройство, состоящее из множества функционально законченных модулей, которые взаимосвязаны между собой и в целом обеспечивают нормальную работу аппарата (Рис.4) Выход из строя хотя бы одного модуля влечёт за собой минимум – частичную неисправность аппарата, максимум – телефон полностью неработоспособен.

(Рис.4)

1. Аккумуляторная батарея (АКБ ) – основной (первичный) источник питания телефона.

2. Контроллер питания – служит для преобразования напряжения АКБ.

3. SIM-holder (sim – коннектор) – держатель SIM – карты.

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.

5. Динамик (разговорный динамик) – служит для преобразования электрических сигналов в звуковыеколебания. 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.

6. Спикер (буззер, звонок, полифонический динамик) – тот же динамик, только в большинстве случаев предназначен для воспроизведения мелодии звонка, смс, MP3 и т.д.

7. Центральный процессор (CPU ) – является основным устройством мобильного телефона.Это тот же процессор, который присутствует в любом персональном компьютере.

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.).

9. RAM – память (ОЗУ). Служит для временного хранения данных.

10.Клавиатурный модуль – стандартная цифровая клавиатура для набора номера абонента, текста смс.

11. LCD –дисплей – собственно дисплей (экран) телефона.

12. Приёмопередатчик – служит для приёма и передачи сотового GSM-сигнала.

13. Усилитель мощности – предназначен для усиления сигнала, вырабатываемого приёмопередатчиком, до уровня мощности, необходимого для излучения антенной в эфир.

14. Антенный переключатель (свитч) – предназначен для сопряжения (подключения) приёмного и

передающего тракта GSM-модуля к антенне телефона.

15. Антенна – предназначена для накопления энергии, излучаемой базовой станцией и последующей передачи её в цепи приёмного тракта. При передаче сигнала всё наоборот: с передатчика сигнал усиливается усилителем мощности и подаётся в антенну,которая излучает сигнал в эфир.

Сотовый телефон – это приёмо-передатчик, работающий на одной из частот в диапазоне 850МГц, 900МГц, 1800МГц, 1900МГц. Причём приём и передача разнесены по частотам. (Рис.5)

 

(Рис.5)

Передача голоса - 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 (EnhancedFullRate - усовершенствованная система кодирования речи, разработанная финской компанией Nokia).

Все сигналы кодека обрабатываются очень полезным алгоритмом на основе принципа DTX (DiscontinuousTransmission) 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 (VoiceActivatedDetector) –детектор активности речи.

У принимаемого абонента все преобразования происходят в обратном порядке.