Как работает телефонная линия. Как устроена и работает мобильная сотовая связь

Люди уже давно научились общаться на расстоянии. В древности с вестями посылали гонца, позже писали письма. Теперь, чтобы сказать далёкому другу пару слов, можно просто позвонить ему. Главное иметь при себе сотовый телефон. Но как они соединяются между собой, если у них даже нет проводов? В этом рассказе я расскажу вам как работает телефон.

Что это такое?

Мобильный телефон больше похож на рацию, чем на обычный проводнойтелефон. Для передачи сигнала используются радиоволны.

Разница в том, что рации подключены к одной антенне, и могут соединяться, лишь поймав сигнал от неё. Сотовые телефоны не привязаны к конкретной станции. Во время передвижения они подключаются к той антенне, от которой поступает самый сильный сигнал, поэтому мы можем пользоваться связью практически во всем мире, не меняя сим-карту. Антенны, или базовые станции, построены по всему миру, они прячутся в рекламных щитах, часах, столбах и даже в деревьях. Каждая из них отвечает за свою зону, имеющую форму шестиугольника. На схемах эти граничащие друг с другом территории напоминают пчелиные соты. Отсюда и название - сотовая связь.

Кто был первым?

Как вы думаете, кто самым первым поговорил по мобильному телефону? Разумеется, что это был сотрудник компании Motorola, которая их выпустила. В 1973 году, находясь на одной из улиц Нью-Йорка, он позвонил и похвастался звонком с необычного в то время телефона своему главному конкуренту. Этот телефон стал прототипом первого мобильника, поступившего на прилавки магазинов спустя 10 лет.

Чтобы телефон заработал, нужно вставить в него сим-карту. На ней записана информация об абоненте, то есть о человеке, который ею пользуется. Мобильный телефон начинает проверять все доступные ему частоты, их около 160. Шесть лучших сигналов записываются на сим-карту, это и есть сигналы именно вашей сети.

После того как вы набрали номер вашего приятеля, ваш телефон передает информацию о вас на антенну с самым мощным сигналом. Ваш оператор (например, МТС или Билайн) узнаёт вас, находит свободный канал, на котором может происходить ваш разговор, и соединяет вас. Все это занимает всего несколько секунд.

Сам разговор - это достаточно сложный технический процесс. Наш голос разбивается на отрезки длительностью 20 миллисекунд и преобразовывается в цифровой формат, затем кодируется специальной системой. Зашифрованные сигналы обрабатываются ещё раз, чтобы убрать посторонний шум.

Сейчас сотовый телефон служит не только для разговоров. В одном маленьком устройстве умещается такие простые механизмы как простые часы, будильник, калькулятор, календарь, фонарик, так и сложные фотоаппарат, выход в интернет, плеер и многое другое.

Сотовым телефоном пользовались практически все, но мало кто задумывался – как же все это работает? В данном литературном опусе мы попытаемся рассмотреть, как же происходит связь с точки зрения Вашего оператора связи.

Когда Вы набираете номер и начинаете звонить, ну, или Вам кто-нибудь звонит, то Ваш аппарат по радиоканалу связывается с одной из антенн ближайшей базовой станции.

Каждая из базовых станций содержит от одной до двенадцати приемо-передающих антенн, направленных в разные стороны, чтобы обеспечить связью абонентов со всех сторон. На профессиональном жаргоне антенны также называют «секторами». Вы их сами наверняка неоднократно видели – большие серые прямоугольные блоки.

От антенны сигнал по кабелю передается непосредственно в управляющий блок базовой станции. Совокупность секторов и управляющего блока обычно и называется – BS, Base Station, базовая станция . Несколько базовых станций, чьи антенны обслуживают какую-либо определенную территорию или район города, подсоединены к специальному блоку – так называемому LAC, Local Area Controller, «контроллер локальной зоны» , часто называемому просто контроллером . К одному контроллеру обычно подключается до 15 базовых станций.

В свою очередь, контроллеры, которых также может быть несколько, подключены к самому центральному «мозговому» блоку – MSC, Mobile services Switching Center, Центр Управления Мобильными услугами , в простонародье более известный как коммутатор . Коммутатор обеспечивает выход (и вход) на городские телефонные линии, на других операторов сотовой связи и так далее.

То есть в итоге вся схема выглядит примерно так:

В небольших GSM-сетях используется только один коммутатор, в более крупных, обслуживающих более миллиона абонентов, могут использоваться два, три и более MSC , объединенных между собой.

Зачем же такая сложность? Казалось бы, можно антенны просто подключить к коммутатору – и все, никаких проблем бы не было... Но не все так просто. Дело тут в одном простом английском слове – handover . Этим термином обозначается эстафетная передача обслуживания в сотовых сетях. То есть, когда вы идете по улице или едите на машине (электричке, велосипеде, роликовых коньках, асфальтоукладчике...) и при этом разговариваете по телефону, то, для того чтобы связь не прерывалась (а она не прерывается), необходимо вовремя переключать Ваш телефон из одного сектора в другой, из одной BS в другую, из одной Local Area в другую и так далее. Соответственно, если бы сектора были напрямую подключены к коммутатору, то всеми этими переключениями пришлось бы управлять коммутатору, которому и без того есть, чем заняться. Многоуровневая схема сети дает возможность равномерно распределить нагрузку, что снижает вероятность отказа оборудования и, как следствие, потери связи.

Пример – если вы с телефоном переходите из зоны действия одного сектора в зону действия другого, то переводом телефона занимается управляющий блок BS, не затрагивая при этом «вышестоящие» устройства – LAC и MSC . Соответственно, если переход происходит между разными BS , то им управляет LAC и так далее.

Работу коммутатора следует рассмотреть чуть подробнее. Коммутатор в сотовой сети осуществляет практически те же функции, что и АТС в проводных телефонных сетях. Именно он определяет, куда Вы звоните, кто Вам звонит, отвечает за работу дополнительных услуг, и, в конце концов – вообще, определяет, можно ли звонить или нет.

На последнем пункте остановимся – а что происходит, когда Вы включаете свой телефон?

Вот, включаете Вы свой телефон. На Вашей SIM-карте есть специальный номер, так называемый IMSI – International Subscriber Identification Number, Международный Опознавательный Номер Абонента . Это номер уникален для каждой SIM-карты в мире, и как раз по нему операторы отличают одного абонента от другого. При включении телефона он посылает этот код, базовая станция передает его на LAC, LAC – на коммутатор, в свою очередь. Тут в действие вступают два дополнительных модуля, связанных с коммутатором – HLR, Home Location Register и VLR, Visitor Location Register . Соответственно, Регистр Домашних Абонентов и Регистр Гостевых Абонентов . В HLR хранятся IMSI всех абонентов, которые подключены к данному оператору. В VLR в свою очередь содержатся данные обо всех абонентах, которые в данный момент пользуются сетью данного оператора. IMSI передается в HLR (разумеется, в сильно зашифрованном виде; вдаваться подробно в особенности шифрования мы не будем, скажем только, что за этот процесс отвечает еще один блок – AuC, Центр Аутентификации), HLR , в свою очередь, проверяет – есть ли у него такой абонент, и, если есть, то не заблокирован ли он, например, за неуплату. Если все в порядке, то этот абонент прописывается в VLR и с этого момента может совершать звонки. У крупных операторов может быть не один, а несколько параллельно работающих HLR и VLR . А теперь попробуем все вышесказанное отобразить на рисунке:

Вот мы вкратце рассмотрели, как работает сотовая сеть. На самом деле там все куда сложнее, но если описывать все как есть досконально, то данное изложение по объему вполне может превысить «Войну и мир».

Далее мы рассмотрим, а как (и главное – за что!) оператор списывает у нас деньги со счета. Как Вы уже наверное слышали, тарифные планы бывают трех разных типов – так называемые «кредитные», «авансовые» и «припейд», от английского Pre-Paid , то есть предоплаченный. В чем же различие? Рассмотрим, как может происходить списание денег при разговоре:

Допустим, Вы куда-либо позвонили. На коммутаторе зафиксировалось – абонент такой-то звонил туда-то, поговорил, допустим, сорок пять секунд.

Первый случай – у Вас кредитная или авансовая система оплаты. В таком случае происходит следующее: данные о Ваших и не только Ваших звонках накапливаются в коммутаторе и затем, в порядке общей очереди, передаются в специальный блок, называемый Биллингом , от английского to bill – платить по счетам. Биллинг отвечает за все вопросы, связанные с деньгами абонентов – рассчитывает стоимость звонков, списывает абонентскую плату, списывает деньги за услуги и так далее.

Скорость передачи информации из MSC в Биллинг зависит от того, какова вычислительная мощность биллинга , или, другими словами, с какой скоростью он успевает переводить технические данные о совершенных звонках в непосредственные деньги. Соответственно, чем больше абоненты разговаривают, или чем более «тормозной» биллинг, тем медленнее будет двигаться очередь, соответственно, тем больше будет задержка между самим разговором и фактическим списанием денег за этот разговор. С этим фактом связано часто высказываемое некоторыми абонентами недовольство – «Мол, деньги воруют! Два дня не разговаривал – энную сумму списали...». Но при этом совсем не учитывается, что за разговоры, которые происходили, например, три дня назад, деньги-то сразу и не списали... Хорошее люди стараются не замечать... А в эти дни, например, биллинг мог просто не работать – из-за аварии, или из-за того, что его как-нибудь модернизировали.

В обратную сторону – от биллинга к MSC – стоит другая очередь, в которой биллинг сообщает коммутатору о состоянии счетов абонентов. Опять же довольно частый случай – задолженность счета может достигать нескольких десятков долларов, а по телефону еще можно звонить – это как раз из-за того, что «обратная» очередь еще не подошла и коммутатор пока не знает о том, что Вы злостные неплательщик и Вас давно надо заблокировать.

Авансовый же от кредитного тарифы отличаются лишь способом расчета с абонентом – в первом случае человек вносит какую-либо сумму на счет, и деньги за разговоры постепенно вычитаются из этой суммы. Это способ удобен тем, что позволяет в какой-то мере планировать и ограничивать свои расходы на связь. Второй вариант – кредитный, при котором суммарная стоимость всех разговоров за какой-либо период («биллинговый цикл »), обычно за месяц, выставляется в виде счета, который абонент должен оплатить. Кредитная система удобна тем, что страхует Вас от тех случаев, когда срочно необходимо позвонить, а деньги на счету вдруг закончились и телефон заблокирован.

Припейды устроены совсем по-другому:

В припейде биллинг как таковой обычно называют «Припейд платформой ».

Непосредственно в момент начала телефонного соединения устанавливается прямая связь между коммутатором и припейд платформой . Никаких очередей, данные передаются в обе стороны непосредственно в процессе разговора, в режиме реального времени. В связи с этим припейдам присущи следующие характерные черты – это отсутствие абонентской платы (так как нет такого понятия, как биллинговый период ), ограниченный набор дополнительных услуг (их технически трудно тарифицировать в режиме «реального времени»), невозможность «уйти в минус» - разговор просто прервется, как только кончатся деньги на счету. Явным достоинством припейдов является возможность точно контролировать количество денег на счету, и, как следствие, свои расходы.

В припейдах еще иногда наблюдается некоторое забавное явление – если припейд платформа по каким либо причинам отказывается работать, например, из-за перегрузки, то, соответственно, для абонентов припейд-тарифов в это время все звонки становятся абсолютно бесплатными. Что, собственно, их – абонентов - не может не радовать.

А как же рассчитываются наши деньги, когда мы разговариваем, находясь в роуминге ? Да и как вообще телефон работает в роуминге? Что же, попробуем ответить и на эти вопросы:

Номер IMSI состоит из 15-ти цифр, и первые 5 цифр, так называемые СС – Country Code (3 цифры) и NC – Network Code (5 цифр) – четко характеризуют оператора, к которому подключен данный абонент. По этим пяти цифрам VLR гостевого оператора находит HLR домашнего оператора и смотрит в нем – а, собственно, можно ли этому абоненту пользоваться роумингом у данного оператора? Если да, то IMSI прописывается у VLR гостевого оператора, а в HLR домашнего – ссылка на тот самый гостевой VLR , чтобы знать, где искать абонента.

Со списанием денег в биллинге ситуация тоже не очень простая. Из-за того, что звонки обрабатывает гостевой коммутатор, но деньги подсчитывает свой, «домашний» биллинг , вполне возможны большие задержки в списании средств – до месяца. Хотя существуют и системы, например, «Camel2 », которые и в роуминге работают по принципу припейда, то есть списывают деньги в реальном времени.

Тут возникает очередной вопрос – а за что списываются деньги в роуминге ? Если «дома» все понятно – есть четко прописанные тарифные планы, то с роумингом ситуация другая – денег списывают много и непонятно, за что. Ну что же, попробуем разобраться:

Все телефонные звонки в роуминге делятся на 3 основных категории:

Входящие звонки – в таком случае стоимость звонка складывается из:

Стоимости международного звонка из дома в гостевой регион
+
Стоимость входящего звонка у гостевого оператора
+
Некая надбавка, зависящая от конкретного гостевого оператора

Исходящий звонок домой:

Стоимость международного звонка из гостевого региона домой
+
Стоимость исходящего звонка у гостевого оператора

Исходящий звонок по гостевому региону:

Стоимость исходящего звонка у гостевого оператора
+
Некая надбавка, зависящая от конкретного оператора

Как видно, стоимость звонков в роуминге зависит только от двух вещей – от того, к какому оператору абонент подключен дома и того, каким оператором абонент пользуется в гостях. При этом выявляется одна очень важная вещь – стоимость минуты в роуминге абсолютно не зависит от выбранного абонентом тарифного плана.

Хотелось бы добавить еще одно замечание – если два телефона одного оператора вместе находятся в роуминге у другого оператора (ну, например, двое друзей поехали отдыхать), то разговаривать им друг с другом выйдет весьма накладно – звонящий платит, как за исходящий домой, а принимающий звонок – как за входящий из дома. Это один из недостатков стандарта GSM – то, что связь в этом случае идет через дом. Хотя технически вполне реально устроить связь «напрямую», но кто из операторов на это пойдет, если можно оставить все как есть и зарабатывать деньги?

Еще один вопрос, в последнее время часто интересующий владельцев более чем одного мобильного телефона – а сколько будет стоить переадресованный звонок с одного телефона на другой? И на этот вопрос ответить вполне реально:

Допустим, с телефона B установлена переадресация на телефон С. С телефона А звонят на телефон B – соответственно, звонок переадресовывается на аппарат С. В этом случае платят:

Телефон А – как за исходящий на телефон В
(вообщем-то, это логично – ведь он на него и звонит)
Телефон В – платит цену переадресации
(обычно несколько центов за минуту)
+
стоимость международного звонка из региона, где зарегистрирован В, в регион, где зарегистрирован С
(если телефоны одного региона, то это составляющая равна нулю).
Телефон С – платит как за входящий с телефона А

В завершении тем хотелось бы упомянуть еще один тонкий момент – а сколько будет стоить переадресация в роуминге? А вот тут начинается самое интересное:

Например, в телефоне стоит переадресация по условию занятости на домашний номер. Тогда при входящем звонке образуется так называемая «роуминговая петля » - звонок пойдет на домашний телефон через гостевой коммутатор , соответственно, стоимость такого переадресованного звонка для роумера будет равна сумме стоимостей входящего и исходящего домой звонков плюс еще стоимость самой переадресации. И что забавно при этом – роумер может даже не знать, что подобный звонок имел место быть, и впоследствии удивиться, увидев счет за связь.

Отсюда следует практический совет – при поездках желательно отключать все виды переадресации (можно оставить только безусловную – в этом случае «роуминговой петли» не получается), особенно переадресации на голосовую почту – иначе впоследствии можно долго удивляться – «Куда ж это деньги делись-то, а?»

Список терминов, использовавшихся в тексте:

AuC – Autentification Center, Центр Аутентификации, отвечает за кодирование информации при передаче в сети и приеме из сети
Billing – Биллинг, система учета денежных средств у оператора
BS – Base Station, базовая станция, несколько приемо-передающих антенн, принадлежащих одному управляющему устройству.
Camel2 – одна из систем Prepaid, в которой реализовано мгновенное списывание средств в роуминге
CC – Country Code, код страны в стандарте GSM (для России – 250)
GSM – Global System for Mobile Communications, самый распрострастраненный в мире стандарт сотовой связи
Handover – передача управления трубкой от одной антенны/базовой станции/LAC к другой
HLR – Home Location Register, реестр домашних абонентов, содержит подробную информацию о всех абонентах, подключенных к данному оператору.
IMEI – International Mobile Equipment Identification, международный серийный номер оборудования в стандарте GSM, уникален у каждого аппарата
IMSI – International Mobile Subscriber Identification, международный серийный номер подписчика на услуги стандарта GSM, уникален у каждого абонента
LAC – Local Area Controller, Контроллер Локальной Зоны, устройства, управляющее работой некоторого количесва базовых станций, чьи антенны обслуживают опеределенную территорию.
Local Area – Локальная зона, территория, обслуживаемая BS, входящими в состав одного LAC
MSC - Mobile services Switching Center, Центр Управления Мобильными услугами, коммутатор – центральное звено сети GSM.
NC – Network Code, Сетевой Код, код конкретного оператора в данной стране в стандарте GSM (для MTS – 01, BeeLine – 99).
Prepaid – Припейд, предоплата – система биллинга, основанная на мгновенном списании средств.
Roaming – Роуминг, пользование сетью другого, «гостевого» оператора.
SIM – Subscriber Identification Module, Модуль Опознавания Абонента, СИМ-карта – электронный блок, вставляемые в телефон, на котором записан IMSI абонента.
VLR – Visitor Location Register, реестр активных абонентов – содержит информацию об всех абонентах, кто в данный момент пользуется услугами данного оператора.

В теоретической части мы не будем углубляться в историю создания сотовой связи, о её основателях, хронологию стандартов и т.д. Кому это интересно – материала предостаточно как в печатных изданиях, так и в сети интернет.

Рассмотрим, что же из себя представляет мобильный (сотовый) телефон.

На рисунке очень упрощённо показан принцип работы:

Рис.1 Принцип работы сотового телефона

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

Система GSM состоит из 3-х основных компонентов, таких как:

Подсистема базовых станций (BSS – Base Station Subsystem);

Подсистема переключения/коммутации (NSS –NetworkSwitchingSubsystem);

Центр управления и обслуживания (OMC – Operation and Maintenance Centre);

В двух словах работает это так:

Сотовый (мобильный) телефон взаимодействует с сетью базовых станций (БС). Вышки БС обычно устанавливают либо на своих наземных мачтах, либо на крышах домов или других сооружений, или же на арендованных уже существующих вышках всяческих ретрансляторов радио/ТВ и т.п., а также на высотных трубах котелен и других промышленных сооружений.

Телефон после включения и всё остальное время мониторит (прослушивает, сканирует) эфир на наличие GSM-сигнала своей базовой станции. Сигнал своей сети телефон определяет по специальному идентификатору. Если таковой имеется (телефон находится в зоне покрытия сети), то телефон выбирает лучшую по уровню сигнала частоту и на этой частоте посылает БС запрос нарегистрацию в сети.

Процесс регистрации по сути является процессом аутентификации (авторизации). Его суть заключается в том, что каждая SIM-карта, вставленная в телефон, имеет свои уникальные идентификаторы IMSI (International Mobile Subscriber Identity) и Ki (Key for Identification). Эти самые IMSI и Ki заносятся в базу центра аутентификации (AuC) при поступлении изготовленных SIM-карт оператору связи. При регистрации телефона в сети идентификаторы передаются БС, а именно AuC. Дальше AuC (центр идентификации) передаёт телефону некоторое случайное число, которое является ключом для выполнения вычислений по специальному алгоритму. Это вычисление происходит одновременно в мобильном телефоне и AuC, после чего оба результата сравниваются. Если они совпадают, то SIM-карта признаётся подлинной и телефон регистрируется в сети.

Для телефона же идентификатором в сети является его уникальный номер IMEI (International Mobile Equipment Identity). Этот номер обычно состоит из 15 цифр в десятичном представлении. Например 35366300/758647/0. Первые восемь цифр описывают модель телефона и его происхождение. Оставшиеся – серийный номер телефона и контрольное число.

Данный номер хранится в энергонезависимой памяти телефона. В устаревших моделях этот номер можно сменить с помощью специального программного обеспечения (ПО) и соответствующего программатора (иногда и дата-кабеля), а в современных телефонах он дублируется. Один экземпляр номера хранится в области памяти, которую можно программировать, а дубликат – в зоне памяти OTP (One Time Programming), которая программируется производителем один раз и не имеет возможности перепрограммирования.

Так вот, если даже изменить номер в первой области памяти, то телефон, при включении, сравнивает данные обеих областей памяти, и, если обнаруживаются разные номера IMEI – телефон блокируется. Для чего всё это менять, спросите вы? На самом деле законодательство большинства стран запрещает это делать. Телефон по номеру IMEI отслеживается в сети. Соответственно при краже телефона его можно отследить и изъять. А если успеть изменить этот номер на любой другой (рабочий), то шансы найти телефон сводятся к нулю. Этими вопросами занимаются спецслужбы при соответствующей помощи оператора сети и т.д. Поэтому углубляться в эту тему не стану. Нас интересует чисто технический момент смены номера IMEI.

Дело в том, что при определённых обстоятельствах данный номер может повредиться в результате сбоя ПО или неправильного его обновления и тогда телефон абсолютно не пригоден для эксплуатации. Вот тут на помощь и приходят все средства, чтобы восстановить IMEI и работоспособность аппарата. Подробнее этот момент будет рассмотрен в разделе программного ремонта телефона.

Теперь кратенько о передаче голоса от абонента к абоненту в стандарте GSM. На самом деле 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 (Enhanced Full Rate - усовершенствованная система кодирования речи, разработанная финской компанией Nokia).

Все сигналы кодека обрабатываются очень полезным алгоритмом на основе принципа DTX(Discontinuous Transmission) –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 (Voice Activated Detector) –детектор активности речи.

У принимаемого абонента все преобразования происходят в обратном порядке.

На примере рассмотрения устройства и работы проводного телефона познакомимся со способами превращения энергии звуковых волн в электрический переменный ток и обратного превращения энергии этого тока в энергию звуковых волн. Преобразование энергии звуковых волн, созданных голосом говорящего, в энергию переменного тока может осуществляться, например, при помощи микрофона и трансформатора. Этот ток передается по проводам в то место, где голос говорящего должен быть услышан. В этом месте преобразование электрической энергии в звук производится при помощи телефона.

Микрофон. В проводном телефоне, а также в радиостанции типа «Урожай» применяется так называемый угольный микрофон. Его разрез показан схематически в левой части фиг. 1. Микрофон состоит из угольной колодки К и тонкой угольной пластинки - мембраны М, между которыми насыпан угольный порошок П, через который от мембраны к колодке проходит электрический ток батареи Б. Сопротивление угольного порошка электрическому току зависит от плотности прилегания друг к другу частиц порошка.

Предположим, что перед микрофоном колеблется струна с частотой 440 гц. При этом в воздухе вокруг струны распространяются звуковые волны, т. е. последовательные сжатия и разрежения воздуха. Каждое сжатие воздуха, достигнув мембраны, создает давление на нее.

Фиг. 1. Схема телефонной передачи по проводам.

Вследствие этого мембрана несколько прогибается внутрь и уплотняет порошок. Следующее вслед разрежение, достигнув мембраны, вызывает обратное действие: центр мембраны удаляется от колодки, и степень уплотнения порошка уменьшается по сравнению с первоначальным. Так как при частоте колебаний 440 щ до мембраны достигает в течение секунды 440 сжатий и разрежений воздуха, то мембрана 440 (раз в секунду уплотнит порошок и столько же раз уменьшит степень его уплотнения. Будет изменяться и сопротивление микрофона. Так как микрофон соединен последовательно с батареей, то при каждом изменении его сопротивления изменится проходящий через него ток. Другими словами, 440 раз в секунду получится увеличение тока в цепи и столько же раз ослабление его. Графически это показано на фиг. 2,а. Такой ток, проходящий все время в одном направлении, но периодически меняющийся по величине, называется пульсирующим током. Его можно рассматривать как два тока, существующие одновременно в цепи: 1) постоянный1, величина которого равна среднему между самым большим и самым малым значениями пульсирующего тока, и 2) переменный 2, «наложенный на постоянный ток».

Фиг. 2. Графические изображения тока через микрофон (а) и э. д. с. на вторичной обмотке трансформатора (б) в схеме фиг. 1.

При этом можно считать, что в те моменты, когда величина пульсирующего тока становится больше величины образующего его постоянного тока, переменный ток имеет то же направление, что и постоянный ток; в те же моменты, когда величина пульсирующего тока делается меньше постоянного тока, переменный ток течет навстречу постоянному току, ослабляя его. Эти переменный и постоянный ток и часто называют также переменной и постоянной составляющими (или слагающими) пульсирующего тока.

1 Постоянным током называется электрический ток, текущий все время в одном направлении и не изменяющийся по величине. Соответственно постоянным напряжением, постоянной электродвижущей силой (э. д. с.) называются f неизменные во времени напряжение, э. д. с.
2 Переменным током называется электрический ток, направление которого через равные промежутки времени изменяется. Величина его тоже непрерывно изменяется. Наибольшее ее значение называется амплитудой.

Проходя по сопротивлению, пульсирующий ток создает на нем пульсирующее напряжение (постоянное то направлению, но периодически изменяющееся по величине). Пульсирующее напряжение можно «разложить» на одновременно действующие постоянное и «переменное напряжения и назвать их соответственно постоянной и переменной составляющими напряжения.

Трансформатор состоит из сердечника, собранного из стальных пластин, на который намотаны две обмотки из изолированного провода. Пульсирующий ток проходит по его первичной обмотке I (фиг. 1). Когда ток через микрофон и эту обмотку усиливается, во вторичной обмотке II получается э. д. с. одного направления, а когда он ослабляется, - э. д. с. другого направления. Частота э. д. с. на вторичной обмотке получается такой же, как и частота изменения тока через первичную обмотку. Электродвижущая сила на вторичной обмотке трансформатора изменяется так, как это графически показано на фиг. 2,6. Концы вторичной обмотки трансформатора соединяются проводами с телефоном (фиг. 1). Электродвижущая сила на вторичной обмотке трансформатора создает в проводах" и цепи телефона электрический переменный ток звуковой частоты.

При воздействии на микрофон сложных звуков, например при разговоре, на вторичной обмотке трансформатора получается ряд переменных э. д. с. с частотами, соответствующими передаваемому звуку.

Переменные электрические токи, э. д. с. и напряжения, возникающие в результате действия звука, по аналогии со звуковыми колебаниями часто называют электрическими колебаниями низкой (или звуковой) частоты1.

Телефон. Телефон электромагнитного типа содержит в себе постоянный магнит с полюсными наконечниками из мягкой стали, на которые надеты две катушки с обмоткой, состоящей из большого числа витков тонкого изолированного провода. Обмотки катушек соединены последовательно и их свободные концы выведены наружу. Вся магнитная система помещена в круглую коробку, сделанную из металла или пластмассы, нa края которой наложена круглая гонкая жестяная пластинка, носящая название мембраны.

Она расположена близко к полюсным наконечникам, но не соприкасается с ними. Мембрана закрыта круглой раковиной (амбушюром), служащей для прикладывания к уху и имеющей в середине отверстие для прохода звука.

Под действием притяжения магнита мембрана всегда несколько вогнута в середине. Если через обмотку телефона пропустить постоянный ток, то он будет создавать некоторое дополнительное намагничивание полюсных наконечников. При одном направлении тока это дополнительное намагничивание увеличит магнитный ток между полюсными наконечниками и середина мембраны прогнется сильнее. При обратном направлении тока магнитный поток между наконечниками уменьшится, а мембрана несколько выпрямится; при этом ее середина удалится от наконечников.
Если через обмотки телефона пропустить переменный ток от вторичной обмотки трансформатора (фиг. 1), то мембрана телефона будет колебаться с той же частотой, с какой колеблется мембрана микрофона, т. е. будет воспроизводить такие же звуки, какие действуют на микрофон. Звуки, создаваемые мембраной телефона, значительно слабее звуков, действующих на микрофон, и слышать их можно только, приложив телефон к уху.

Величина звукового давления, создаваемого мембраной телефона, приблизительно пропорциональна величине переменного тока, идущего через телефон, или величине переменного напряжения, которое получается на обмотке электромагнитов телефона.

Чтобы каждый из пользующихся телефонной связью мог говорить и слушать своего собеседника, на каждом конце линии связи включаются микрофон с батареей и трансформатором и телефон.

Звонок телефона раздается, как только вы садитесь обедать? Позор Алексу Беллу! Ведь это именно он, Александр Грейам Белл, запатентовал в 1876 году телефон, обогнав при этом многих изобретателей. Основной принцип действия телефона так и не изменился: все изобретатели сходились на том, что звук можно преобразовать в электрические сигналы, отправить их по проводам и превратить обратно в звук в другом телефоне в другом городе (или даже на другом континенте). Телефон - очень удачное название для этого устройства, оно происходит от двух греческих слов, означающих «далекий звук».Как работает телефон? Телефон подключен к специальной сетевой электрической розетке. Электрический ток с особыми характеристиками идет из телефонной компании по проводам на столбах или под землей до самого вашего дома.

Когда вы снимаете трубку, чтобы позвонить бабушке, в проводах возникает электрический ток. Специальное устройство на телефонной станции, зарегистрировав этот ток, посылает обратно тональный сигнал готовности, давая знать, что станция готова к обработке вашего звонка.

Например, номер вашей бабушки 555-24-68. Вы набираете 5. Если у вас старый импульсный набор, когда нужно поворачивать диск телефона пальцем и отпускать его, то вы услышите пять щелчков, прерывающих электрический ток, а на телефонной станции специальная машина подсчитает щелчки. Если у вас тоновый набор, то номеронабиратель пошлет на станцию сигнал, для каждой цифры свой, и поэтому коммутационное оборудование отличит 5 от 2.

Когда вы наберете весь номер, коммутирующее устройство проверит, не говорит ли ваша бабушка в данный момент по телефону. Если она уже разговаривает, то устройство подаст вам сигнал «занято», если нет, то коммутатор заставит ее телефон зазвонить. Когда ваша бабушка снимет трубку, в ее телефон поступит ток, а коммутатор получит сигнал о том, что необходимо перестать звонить.

Александр Грейам Белл запатентовал телефон в 1876 году. К августу 1877 в США уже использовались 700 телефонов.

И вот вы вдвоем на связи.

В нижней части любой телефонной трубки находится чаша, наполненная угольным порошком. Когда ваша бабушка поднимает трубку, электрический ток поступает в порошок. С этим углем соприкасается тонкий металлический диск. Когда бабушка говорит, звуковые волны заставляют диск вибрировать. Вибрирующий диск сжимает крошечные частички угля, изменяя, таким образом, течение электрического тока через него. Голос вашей бабушки состоит из отдельных звуков, которые вызывают единственные в своем роде изменения в электрическом токе. В результате звуковые волны превращаются в электрические волны. Электрические волны, несущие эти звуки, идут по проводам до телефонной станции. Здесь этот ток перенаправляется на провода, ведущие к вашему дому, - все это в считанные доли секунды - и поступает в катушечный электромагнит в вашей телефонной трубке. Изменения в электрическом токе заставляют электромагнит излучать колеблющееся магнитное поле, которое непрерывно притягивает и отталкивает металлический диск, прикрепленный к крошечному постоянному электромагниту внутри раковины телефонной трубки. Движущийся металлический диск создает звуковые волны, несущие голос бабушки прямо вам в ухо. И вот вы слышите родной голос: «Привет, малыш!»

Почему мобильные телефоны называют сотовыми?

Мобильные телефоны работают в диапазоне ультракоротких волн, которые распространяются прямолинейно, как свет. Чтобы такой телефон работал, он должен находиться на небольшом удалении от абонента. Но это было бы неудобно из-за малого радиуса действия. И здесь помогают ретрансляторы, принимающие сигнал телефона и передающие на него сигнал абонента.

Самое оптимальное их расположение, как установили специалисты, - в углах правильных шестиугольников, похожих на пчелиные соты. Компьютеры, установленные в сети, отслеживают положение абонента и переключают его телефон с одного ретранслятора на другой незаметно для пользователя.