Мобильный телефон с точки зрения физики

Annotation:

The rapid development of communications has taken place over the past 20 years. This is due to the transition from data transmission via cable (model of Alexander bell's telephone) to modern satellite systems (radio waves). The article is devoted to the basic principles of mobile phone operation. A cell phone is a technical device that combines a receiver and a radio transmitter. All devices work on the same principle – they are emitters of electromagnetic waves.

Keyword: mobile (cell) phone, base stations (antennas), SIM card, radio signal, control module.

Человечество всегда нуждалось в общении на расстоянии. В древние времена посылали гонца для передачи сообщения, позже появился телеграф. В XX веке люди часто писали письма, чтобы поделиться новостями. Сегодня, чтобы рассказать новости другу, находящемуся вдали от нас, достаточно позвонить ему. Еще совсем недавно телефон был не в каждой квартире, а сегодня его имеет практически каждый школьник.

Стремительное развитие средств связи произошло за последние 20 лет. Это связано с переходом от передачи данных посредством кабеля (модель телефонного аппарата Александра Белла) к современным спутниковым системам (радиоволны).

Прототип современного мобильного телефона появился в 1973 году, на прилавки магазинов они поступили спустя 10 лет. В жизнь обычного человека мобильный телефон прочно вошел только в XXI веке. И очень стремительно: если сначала это была дорогая вещица для статуса обладателя, то уже сегодня необходимость для каждого человека. Мы не мыслим свою жизнь без этого устройства. Социологические исследования показывают высокий статус телефона как жизненно необходимого инструмента современной жизни.

Мобильный телефон похож на рацию, для передачи сигнала используются радиоволны. Рации подключаются к одной антенне, и работают, поймав сигнал от неё. Сотовые телефоны не зависят от конкретной станции. Не случайно, первые сотовые телефоны были очень похожи на трубки обычных раций, имея даже внешнюю антенну. Сегодня они подключаются к базовой станции с самым сильным сигналом. Вышки базовых станций (антенна) построены по всему миру, располагаясь на крышах зданий, столбах, рекламных щитах и во многих других неожиданных местах. Каждая станция покрывает некоторую зону (в форме шестиугольника). Естественно, шестиугольники могут покрывать единые области. На схемах граничащие друг с другом территории напоминают пчелиные соты (рис. 1). Поэтому и связь называется сотовой (по примеру пчелиных сот).

Рисунок 1. Структура системы сотовой связи

Для использования телефона необходима сим-карта. Современные телефоны имеют несколько карт для подключения к сетям разных операторов. Это становится очень удобным для решения многих информационных задач обычным пользователем. Каждая SIM-карта имеет уникальные идентификаторы IMSI (InternationalMobileSubscriberIdentity) и Ki (KeyforIdentification).

Мобильный телефон постоянно проверяет эфир на наличие GSM-сигнала своей базовой станции. Сигнал своей сети определяется по специальному идентификатору. Если телефон находится в зоне покрытия сети, то выбирается лучшая по уровню сигнала частота. После набора номера вызываемого абонента, телефон передает информацию о вызываемом абоненте на антенну с самым мощным сигналом. Оператор находит свободный канал и соединяет абонентов.

Сам разговор - сложный технический процесс. Происходит дискретизация звукового сигнала (разделяется на отрезки длительностью 20 миллисекунд и преобразовывается в цифровой формат) и ее кодирование. Из зашифрованных сигналов удаляется посторонний шум.

Мобильный (сотовый) телефон – это техническое устройство, сочетающее в себе приёмник и передатчик радиосигнала (рис. 2). Все аппараты работают по единому принципу – они являются излучателями электромагнитных волн.

Рисунок 2. Принцип работы мобильного телефона

Условно схему мобильного телефона можно разделить на три модуля (рис. 3): радиочастотный модуль, низкочастотный модуль и модуль управления. Каждый модуль имеет свою функцию преобразователя сигнала. Динамик и микрофон позволяют телефону выступать и в роли приемника звукового сигнала, и в роли получателя.

Рисунок 3. Устройство мобильного телефона

Радиочастотный модуль обрабатывает все радиосигналы, принимаемые или передаваемые телефоном. Антенна встроенная присутствует в современных моделях устройств. Принимаемые сигналы преобразуются. Выходной сигнал с радиочастотного модуля поступает на низкочастотный модуль. В сотовом телефоне используется синтезатор частот. Частота канала определяется модулем управления. При перемещении телефона в пространстве от ячейки к ячейке, частоты приема и передачи переключаются, чтобы соответствовать доступным каналам связи в новой ячейке.

Однако сложность устройства не мешает работать с ним пенсионерам и маленьким детям. Современный мобильный телефон не случайно называется смартфоном (от англ. «умный телефон»). В устройстве также расположены часы, будильник, калькулятор, календарь, фонарик, фотоаппарат, возможность выхода в интернет, плеер и многое, многое другое.