Радиосенсоры и радиолокаторы
13.2. Мобильные телефоны
Вместе с радиоприемниками к семейству интеллектуальных радиосенсоров принадлежат также широко известные ныне мобильные телефоны. Сто лет назад даже фантасты не писали о том, что люди будут носить беспроводный телефон в кармане и будут разговаривать с коллегами, родственниками или друзьями, сидя далеко-далеко от них где-нибудь на пляже.
13.2.1. История создания мобильных телефонов
Поучительная история создания и совершенствования мобильных телефонов началась в середине XX в. Уже тогда функционировали системы мобильной радиосвязи в полиции и в других силовых ведомствах. Но теперь речь шла уже о мобильных телефонах, которые могли бы служить нам всем. В 1947 году такую цель поставили перед собой американская Bell Laboratories (компания AT&T) и шведская компания Televerker.
И уже 3 декабря 1950 г. инженер-изобретатель Стюре Лаурен (Sture Lauhren), сидя за рулем автомобиля, поднял трубку сконструированного им мобильного телефона и набрал телефонный номер службы точного времени. Спустя мгновение он услышал четкий ответ, – и радости его не было границ. Ведь это был первый в мире сеанс мобильной телефонной связи! Правда, мобильный телефонный аппарат Лаурена имел массу около 40 кг и размещался на двух задних сидениях автомобиля, а телефонная трубка с наборным диском располагалась между двумя передними сидениями. Лишь в 1956 г. разработанная шведами система мобильной телефонии (Mobil-telefonsystem А) была введена в эксплуатацию в Стокгольме и в Гетеборге. Но из-за высокой цены, которая составляла тогда половину стоимости автомобиля, частных абонентов набралось лишь несколько десятков.
Первым сотовую систему мобильной связи, которая может покрывать территорию нескольких государств, предложил в 1969 г. выпускник Стокгольмской высшей технической школы Естен Мякотило в своем проекте NMT (Nordisk MobilTelefon – скандинавская мобильная телефония). К сожалению, полноценную реализацию проекта надолго задержало отсутствие недорогих экономных микропроцессоров, пригодных для применения в мобильных телефонах.
Первой успешной коммерческой сотовой телефонной сетью была финская сеть Autoradiopuhelin (автомобильный радиотелефон), запущенная в эксплуатацию в 1971 г. Она работала на частоте 150 МГц и обслуживала свыше 30 тыс. клиентов.
В конце 70-х гг. ХХ в. для пяти североевропейских стран (Дания, Исландия, Норвегия, Финляндия, Швеция) был разработан стандарт NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) с рабочей частотой 450 МГц. В разработке проекта NMT приняли участие свыше 40 фирм. Благодаря их совместным усилиям и появлению на рынке подходящих по техническим параметрам и приемлемых по цене микропроцессоров, удалось в короткие сроки разработать и наладить выпуск не только мобильных телефонов нового образца, но и новых базовых телефонных станций и линейных коммутаторов. Финансово проект очень своевременно поддержала Саудовская Аравия, где были и острая потребность в телефонизации, и необходимые деньги. В 1981 г. система NMT была введена в эксплуатацию именно в Саудовской Аравии – на несколько месяцев раньше её старта на родине. Система NMT качественно опережала системы мобильной связи, которые функционировали тогда в США и Японии, и стала на самом деле массовой. Но и она была рассчитана лишь на автомобилистов, так как мобильные телефоны имели тогда еще сравнительно большие габариты и массу.
Первый портативный мобильный телефон Motorola DynaTAC 8000X с массой порядка 1 кг появился на рынке в 1983 г. Он открыл первое поколение аналоговых мобильных телефонов с частотной или фазовой модуляцией.
13.2.2. Мобильные телефоны 2-го поколения
Следующим этапом была разработка мобильных телефонов с цифровыми методами обработки сигналов. В 1990 г. были утверждены стандарты цифровой сотовой связи в США (IS-54 или D-AMPS), Великобритании (PCN-Personal Communication Networks, 1989 г.) и странах ЕС (GSM – Global System for Mobile Communications). Эти стандарты, благодаря значительному уменьшению влияния помех, позволили заметно улучшить качество мобильной телефонной связи и позволили пользователям обмениваться также текстовыми сообщениями (SMS).
На рис. 13.6 показан один из типичных мобильных телефонов 2-го поколения Nokia 1112. Он работает в стандарте GSM с частотой 900 или 1800 МГц. Масса 80 г, размеры 104x44x17 мм. Имеются встроенная антенна, монохромный экран 96x68 пикселей с подсветкой, 4-позиционная клавиша для работы по меню. Кроме голосовой связи, обеспечивается также передача SMS сообщений. Телефон выполняет также много сервисных функций: определение номера вызывающего абонента; запоминание вызовов и SMS сообщений; регулирование звука; возможность бесшумного вибровызова; запоминание номеров абонентов и ускоренный набор номера, автодозвон; подсчет времени и стоимости разговора; запрет звонков от некоторых указанных владельцем абонентов. Мобильный телефон запрограммирован и может использоваться также как цифровые часы, будильник, секундомер, таймер, калькулятор, записная книжка, электронная игра. Эти функции получили название функций "органайзера".
Работает мобильный телефон следующим образом. В режиме ожидания вызова чувствительные элементы, антенна и миниатюрный радиоприемник мобильного телефона, принимают радиоволны выделенной ему частотной полосы, усиливают полученные высокочастотные колебания, демодулируют их, формируя цифровые сигналы, которые передаются в микропроцессор. Микропроцессор согласно предусмотренному протоколу связи сравнивает полученные цифровые коды с позывными абонента, записанными на так называемой SIM-карте. Если они совпадают, то микропроцессор активирует предусмотренный сигнал вызова (звонок, зуммер, мелодию, вибрацию, световой сигнал и т.п. – по желанию абонента).
В режиме вызова, если абонент отвечает на вызов, микропроцессор организовывает передачу радиосигнала на ближайшую базовую станцию, определение телефонного номера звонящего абонента и отображение его на дисплее мобильного телефона. Звуковые колебания голоса владельца воспринимаются чувствительным микрофоном, превращаются в электрические аналоговые сигналы. Последние с помощью аналого-цифрового преобразователя трансформируются в цифровые коды, которыми модулируются выходящие радиосигналы. Микропроцессор организовывает передачу исходных радиосигналов согласно предусмотренному протоколу сотовой связи. Их воспринимает ближайшая базовая станция, усиливает и передает к той базовой станции, из которой был передан вызов. А последняя обеспечивает передачу этих радиосигналов на мобильный телефон позвонившего. Так организовывается и поддерживается разговор. При этом один или оба абонента могут свободно перемещаться. Когда абонент переходит из зоны одной базовой станции в зону другой, радиопередачи автоматически переадресовываются так, что абоненты этого даже не замечают.
Если владелец не отвечает на вызов, микропроцессор выполняет передачу предусмотренного на этот случай радиосообщения на базовую станцию, через которую информация о невозможности связи передается звонящему. Он может отменить вызов или отправить короткое текстовое сообщение (SMS), которое передается на мобильный телефон адресата и запоминается в нем. Когда адресат активирует свой мобильный телефон, микропроцессор сообщит ему об имевших место входящих звонках и о принятых SMS сообщениях.
В режиме исходящего звонка микропроцессор сначала организовывает диалог с пользователем через клавиатуру и дисплей мобильного телефона. В ходе диалога выясняется телефонный номер, на который пользователь желает позвонить по телефону. Для номеров, на которые абонент звонит по телефону часто, может быть организована сокращенная процедура вызова. Такие телефонные номера фиксируются в памяти мобильного телефона вместе с коротким именем или кодом. Микропроцессор выводит их на дисплей в виде меню. При выборе одного из них микропроцессор сам выполняет автоматический набор соответствующего телефонного номера. С помощью исходящего радиосигнала этот номер передается к ближайшей базовой станции, которая передает вызов по всей сети. Дальше, как описано выше, организовывается связь или приходит сообщение о том, что соответствующий телефонный номер недоступен или не отвечает. В последнем случае можно отправить ему короткое SMS сообщение.
Как видно из описания работы мобильного телефона, он является на самом деле комбинированным сенсором. Ведь он "чувствует", воспринимает не только радиоволны, но и звуки живой речи пользователя, касания его пальцев к клавишам. И в этом смысле мобильный телефон можно отнести также к классам акустических и электрических сенсоров. Но всё-таки основным в нем является радиотелефонная связь. Не будь её, все остальные сенсорные функции утрачивают свое значение. Поэтому мы и относим мобильный телефон к классу интеллектуальных радиосенсоров.
Удобство мобильной связи и цены, которые уже стали доступными для многих клиентов, сделали мобильные телефоны в конце ХХ века товаром массового потребления. Производители мобильных телефонов и компании-операторы сотовой связи начали получать большие прибыли.
Как видим, от возникновения идей и первых разработок мобильных телефонов до их массового применения прошли десятки лет.
Так происходит с разработками и многих других интеллектуальных сенсоров, вообще со многими сложными научно-техническими инновационными разработками. Десятки лет могут отделять "посев от жатвы". И основные прибыли получают, как правило, не авторы идеи и разработчики первых образцов, а те компании, которые уже на заключительных этапах своевременно сделали инвестиции в организацию производства и массового внедрения инноваций. Настоящие же новаторы, изобретатели и разработчики нередко не имеют даже морального вознаграждения: остаются неизвестными, забытыми. Стоит ли при таком положении вещей удивляться тому, что подавляющее большинство талантливой молодежи отдает сейчас предпочтение коммерции, бизнесу, менеджменту, финансовой деятельности, и лишь совсем небольшая часть молодых людей стремится стать изобретателями, разработчиками, исследователями?
13.2.3. Мобильные телефоны "2,5G"
Мобильные телефоны второго поколения (2G) еще не позволяли быстро передавать значительные объемы информации (файлы электронной почты, музыку, изображения). Поэтому шла интенсивная работа по решению этих задач. В конце ХХ в. произошел переход от сетей сотовой связи 2G к так называемым "сетям 2,5G". Мобильные телефоны усовершенствованного второго поколения позволили обмениваться уже и "EMS" и "МMS" сообщениями" объемом до 100 килобайт, "скачивать" на телефон облюбованные мелодии, расширить палитру возможных дополнительных услуг.
О мобильных телефонах третьего поколения (3G) мы расскажем Вам в следующей "Радиотелевизионные сенсоры" .