4. Как работает мобильный телефон

Определения и обозначения

Мобильная связь — передача речи, сообщений и данных по радиоканалу между мобильным телефоном и сетью. Провод для этого не нужен: информация переносится электромагнитными волнами. Это понятие описывает весь способ обмена данными, а не только телефонный разговор.

Радиосигнал — электромагнитный сигнал, которым информация передаётся по воздуху. Он отличается от звука: звук является колебанием среды, а радиосигнал может распространяться в пространстве как электромагнитная волна. Именно радиосигнал позволяет телефону связываться с антенной станции.

Базовая станция — устройство сети, принимающее радиосигналы телефонов и передающее им сигналы. Она соединяет беспроводной участок связи с сетью оператора. Поэтому телефон обычно не передаёт голос прямо телефону собеседника.

Сотовая связь — организация мобильной сети, при которой территория разделена на зоны обслуживания — соты. В центре или около каждой такой зоны находится базовая станция, обслуживающая телефоны поблизости. Деление на соты позволяет одной сети работать на большой территории и обслуживать много абонентов.

Как это устроено

Когда человек говорит, воздух около его рта колеблется и создаёт звуковую волну. Микрофон улавливает эти колебания и превращает их в изменяющийся электрический сигнал. Форма электрического сигнала повторяет изменения голоса, поэтому по нему можно восстановить произнесённые звуки.

Перед отправкой телефон кодирует электрический сигнал, то есть представляет его в удобном для передачи виде. Кодирование помогает уменьшить влияние помех, а иногда и сжать данные, чтобы передавать их быстрее. Затем подготовленная информация управляет радиосигналом, который создаётся передатчиком телефона.

Телефон использует высокочастотный радиосигнал, потому что низкочастотные изменения голоса неудобно непосредственно передавать антенной на большие расстояния. Высокая частота позволяет эффективно излучать сигнал антенной и разделять передачи разных устройств. Электромагнитная волна распространяется в пространстве, а её параметры изменяются в соответствии с передаваемой информацией.

Антенна ближайшей базовой станции принимает радиосигнал и выделяет из него полезную информацию. Станция передаёт данные в сеть оператора, где оборудование определяет адрес телефона собеседника и маршрут передачи. Затем информация поступает к базовой станции, которая обслуживает этот телефон, и отправляется ему по радиоканалу.

Покрытие делят на соты, потому что одна станция не может одинаково хорошо обслуживать неограниченную территорию и всех абонентов. При перемещении телефон измеряет сигналы соседних станций и выбирает подходящую, а сеть передаёт ей соединение. В телефоне собеседника принятые данные превращаются в электрический сигнал, а динамик заставляет мембрану колебаться и создаёт слышимый звук, поэтому обмен информацией возможен в обоих направлениях.

Этапы передачи голосового сообщения по мобильной сети

Таблица показывает путь информации от говорящего человека до собеседника. При чтении полезно двигаться слева направо: на каждом этапе меняется либо форма сигнала, либо место его передачи. Один разговор включает одновременно такие же процессы и в обратном направлении.

Разбор задач

Задача 1. Путь голоса

Нужно объяснить, как голос одного человека доходит до динамика телефона собеседника. Важно не перепутать непосредственную передачу между телефонами с передачей через сеть. Восстановим всю последовательность превращений и устройств.

1. Звуковая волна от голоса действует на микрофон первого телефона.
2. Микрофон превращает колебания в электрический сигнал, а электронная схема кодирует его.
3. Передатчик и антенна превращают подготовленную информацию в радиосигнал и отправляют его базовой станции.
4. Станция передаёт данные через сеть оператора к базовой станции, связанной с телефоном собеседника.
5. Телефон собеседника принимает и декодирует сигнал, а динамик превращает его в колебания воздуха.

Ответ: звук проходит цепочку «звук — микрофон — электрический сигнал — радиосигнал — базовая станция — сеть — телефон собеседника — динамик».

Задача 2. Длина радиоволны

Телефон работает на частоте 900 МГц. Требуется найти длину волны, если скорость электромагнитных волн равна 3·10⁸ м/с. Сначала нужно привести частоту к единицам СИ, иначе в формулу попадут несовместимые единицы.

1. Переведём частоту: ν = 900 МГц = 900·10⁶ Гц = 9·10⁸ Гц.
2. Используем связь скорости, длины волны и частоты: c = λν, откуда λ = c/ν.
3. Подставим значения: λ = (3·10⁸ м/с)/(9·10⁸ 1/с) = 1/3 м ≈ 0,33 м.

Ответ: длина радиоволны равна примерно 0,33 м, или 33 см. При увеличении частоты при той же скорости длина волны становится меньше.

Задача 3. Переход между сотами

Телефон перемещается из одной зоны покрытия в другую во время разговора. Нужно объяснить, почему связь обычно не прерывается и какая часть сети выполняет переключение. Рассуждать следует по изменению качества сигналов, а не считать, что телефон навсегда закреплён за одной станцией.

1. Телефон принимает сигналы своей базовой станции и проверяет сигналы соседних станций.
2. Когда абонент удаляется от прежней станции, её сигнал ослабевает, а сигнал соседней может стать сильнее.
3. Сеть оператора выбирает новую станцию и передаёт ей активное соединение.
4. Телефон продолжает обмениваться радиосигналами уже через новую станцию.

Ответ: связь сохраняется благодаря автоматической передаче соединения между соседними базовыми станциями. За согласование этого перехода отвечает сеть мобильного оператора.

Типичные ошибки

Передача прямо от телефона к телефону. Так считают, потому что устройства находятся рядом с пользователями. На самом деле сигнал обычно проходит через базовую станцию и сеть оператора; проверьте, указаны ли эти звенья в цепочке.

Радиосигнал принимают за звук. Оба сигнала могут распространяться без видимых проводов, поэтому их легко перепутать. Звук создаёт колебания среды, а радиосигнал является электромагнитной волной.

Большей частоте приписывают большую длину волны. Ошибка возникает из-за представления, что «больше» одного параметра должно означать «больше» другого. Проверьте формулу c = λν: при постоянной c частота и длина волны обратно пропорциональны.

Телефон всегда связан с одной станцией. Такое предположение удобно, если человек стоит на месте. При движении сравнивайте сигналы соседних сот: сеть может автоматически переключить соединение на другую базовую станцию.

Связь с другими темами

Для понимания мобильной связи нужны знания о механических и электромагнитных волнах, частоте, длине волны и скорости распространения. Формула c = λν связывает основные характеристики радиосигнала.

Та же идея передачи информации электромагнитными волнами используется в радиосвязи, телевидении, Wi-Fi и Bluetooth. Отличаются главным образом частоты, способы кодирования и организация сети.

Знание устройства мобильной сети помогает объяснить зону покрытия и ослабление сигнала. Оно также показывает общий принцип работы многих беспроводных устройств.

Что запомнить

• Мобильный телефон передаёт информацию радиосигналом.
• Микрофон преобразует звук в электрический сигнал, а динамик выполняет обратное преобразование.
• Базовая станция связывает телефон с сетью оператора.
• Территория мобильной связи разделена на соты.
• При движении телефон может автоматически переключаться между базовыми станциями.
• Для электромагнитной волны выполняется соотношение c = λν.
• Качество связи зависит от расстояния до базовой станции, препятствий и условий распространения сигнала.