Беспроводная телефония. Устройство беспроводного та.
Беспроводные телефоны – это аппараты, которые осуществляют связь между абонентами по радиоканалу и телефонным линиям связи через АТС. В простейшем варианте – беспроводной телефонный аппарат это устройство, состоящее из носимой микротелефонной трубки (НМТ) и стационарного блока (СБ), подключенного к абонентской линии телефонной сети общего пользования. Связь между этими блоками осуществляется по радиоканалу с использованием амплитудной (АМ) или частотной (ЧМ) модуляции. Можно сказать, что беспроводной телефон – это объединенные в одном устройстве радиостанция и электронный телефон.
В стационарный блок установлены все функциональные узлы, которые осуществляют связь с телефонной линией, своя система управления и полноценная УКВ-радиостанция. Источником питания для СБ служит обычная электрическая сеть. Основные узлы НМТ: приемопередатчик, микрофон и телефонный капсюль, DTMF-клавиатура. НМТ питается от аккумуляторов. В СБ и НМТ установлены отдельные независимые управляющие микропроцессоры.
Для того чтобы беспроводной телефон мог работать в дуплексном режиме (т.е. чтобы по нему можно было говорить и слушать одновременно), прием и передача ведутся на разных частотах. Сигналы от стационарного блока к НМТ передаются на одной частоте, а от НМТ к СБ – на другой. Две частоты должны быть хорошо подобраны, чтобы гарантировать при дуплексной работе отсутствие взаимных помех между передаваемым и принимаемым сигналами.
В старых моделях беспроводных телефонов используется единственная пара частот. В современных аппаратах можно выбирать частоты своих передатчиков, отстраиваясь от внешних помех. Большой набор частот в большинстве случаев позволяет подобрать канал связи, достаточно защищенный от местных помех. Наиболее перспективное направление в радиотелефонии – цифровая обработка сигнала. В этом случае устраняется влияние помех. В цифровом беспроводном телефоне речевой сигнал в передающем устройстве преобразуется в цифровую форму, передается по радиоканалу и телефонным линиям, а затем в приемном аппарате происходит обратное преобразование в сигнал звуковой частоты.
В настоящее время нет устоявшихся международных стандартов на частотные диапазоны беспроводных телефонов.(Фирма Sony выпускает БТ, использующие частоты в области 300…400 Мгц, фирма Siemens предлагает аппараты с рабочей частотой 1,2 Ггц, а фирма Philips - с рабочей частотой 900Мгц). Четырех основных частотных диапазонов для радиосвязи между СБ и НМТ: 31/40, 46/49, 250/380 и 900 Мгц. В нашей стране официально разрешены к использованию только два – 31/40 и 900 Мгц. В частотном диапазоне 46/49 происходит частичное пересечение с первым каналом телевидения, а частотный диапазон 250/380 затрагивает диапазоны используемые в служебных целях.
Упрощенная структурная схема стационарного блока.
В стационарный блок входят четыре группы функциональных узлов: приемник, передатчик, интерфейс телефонной линии (разговорная схема) и схема управления (МП). В состав СБ входит также зарядное устройство для аккумуляторов, встроенных в НМТ. Источник питания стационарного блока и зарядное устройство представляют собой отдельный функциональный узел.
Телефонный интерфейс связывает СБ с телефонной линией. В обычном телефоне при разговоре замкнут рычажный переключатель. В беспроводном телефоне, при нажатии кнопки "Разговор" на НМТ, на стационарный блок посылается соответствующий управляющий сигнал, приняв который микропроцессор СБ вырабатывает команду включения реле захвата линии, контакты которого соответствуют рычажному переключателю. Таким образом разговорная схема СБ подключается к телефонной линии. По линии начинает протекать ток, что станция воспринимает, как снятие телефонной трубки. На СБ от АТС поступает сигнал готовности, который по радиоканалу передается в НМТ, и вы можете его слышать. После этого можно начинать набор номера.
Сигналы, передаваемые НМТ, принимаются антенной и поступают на усилитель радиочастоты (усилитель РЧ), где происходит их предварительное усиление. Радиосигналы содержат: несущую (синусоидальный сигнал с определенной частотой), спектральные компоненты речевого сигнала (в диапазоне ± 4 кГц от несущей), и сигналы управления, которые координируют совместную работу СБ и НМТ. Принимаемый радиочастотный сигнал (РЧ) необходимо преобразовать, чтобы выделить из него речь и сигналы управления. Поэтому РЧ-сигнал поступает на один из входов смесителя, где он смешивается (перемножается) с сигналом гетеродина. В выходном сигнале смесителя содержится множество комбинационных (суммарных и разностных) частот входных сигналов (РЧ и гетеродина) и их гармоник, но выделяется только сигнал с частотой, равной разности между частотами РЧ-сигнала и гетеродина. Этот полезный сигнал называется сигналом промежуточной частоты (ПЧ). Значение ПЧ зависит как от частоты РЧ-сигнала, так и гетеродина, а их выбирают с учетом многих факторов: помехозащищенности, простоты фильтрации, стабильности и т.п.
ПЧ-сигнал усиливается в усилителе ПЧ и детектируется (детектирование может быть частотным или амплитудным – в зависимости от вида модуляции). Управляющие импульсы проходят через формирователь логических сигналов и поступают в схему управления на микропроцессор, а речевые сигналы проходят через усилитель звуковой частоты (ЗЧ) и подаются на ИС разговорной схемы для передачи их в телефонную линию.
Передача стационарным блоком сигналов речи и управления на НМТ происходит несколько проще. Речевые сигналы из телефонной линии, подаются на разговорную схему и далее поступают на усилитель ЗЧ. Усиленный звуковой сигнал (вместе с подмешанными управляющими сигналами) поступает на вход генератора несущей частоты, где осуществляется модуляция радиосигнала. Дальше сигнал усиливается в усилителе РЧ и поступает на антенну и НМТ.
Схема управления координирует работу всех узлов телефона. Схема управления СБ, кроме МП, включает детектор вызова, звонок, реле захвата линии, полную DTMF-клавиатуру или только тональный генератор. В СБ микропроцессор управляет процессами приема и передачи радиосигнала, формирует управляющие сигналы, передаваемые на НМТ, обрабатывает поступающие с него команды, детектирует сигналы вызова, вырабатывает необходимые импульсные или тональные сигналы номера и взаимодействует с телефонной линией через соответствующий интерфейс. Совместно с МП используется ИС памяти для хранения постоянных инструкций и данных.
Рисунок 2 – Упрощенная структурная схема стационарного блока
Структурная схема носимой микротелефонной трубки (НМТ)
В состав структурной схемы НМТ входят те же основные функциональные узлы, что и в структурную схему СБ. А именно: приемник, передатчик и схема управления, а также микрофон и телефонный капсюль. В большинстве НМТ устанавливается наборная клавиатура, которая подключается непосредственно к микропроцессору. При наборе номера МП НМТ вырабатывает управляющие сигналы, которые передаются на СБ, преобразуются в соответствующие DTMF-сигналы и поступают в телефонную линию. Простейшая зарядная схема – в виде защитного диода – используется для подзарядки аккумуляторов НМТ, когда трубка лежит в гнезде СБ.
Сигнал, принимаемый антенной НМТ, подается на усилитель РЧ, который усиливает слабый радиосигнал, передаваемый стационарным блоком. Этот сигнал содержит те же составляющие (несущую - синусоидальный сигнал с определенной частотой, спектральные компоненты речевого сигнала и сигналы управления), что и "обратный" сигнал НМТ и его преобразование происходит точно также, как и в СБ. Единственное отличие заключается в том, что выделенный из РЧ речевой сигнал поступает не на разговорную схему, а на телефонный капсюль или громкоговоритель.
При передаче речи с НМТ источником сигнала является обычно электретный или электродинамический микрофон. Речь преобразованная в микрофоне в электрический сигнал звуковой частоты поступает на усилители звуковой частоты и далее на генератор несущей. На второй вход генератора поступают управляющие сигналы с МП. Здесь осуществляется модуляция радиосигнала. Дальше сигнал через усилитель РЧ поступает на антенну и СБ.
Схема управления формирует управляющие сигналы, передаваемые на СБ, обрабатывает поступающие с него команды. Когда СБ обнаруживает сигнал вызова и передает соответствующую команду на НМТ, ее МП вырабатывает звуковой сигнал, чтобы предупредить о вызове. В схему управления включается ИС памяти для хранения программных инструкций и данных.
Системы управления БТА строятся на основе микропроцессорных устройств, выполненных на специализированных БИС типа контроллера. Они объединяют в одном корпусе ключи, детекторы управляющих сигналов, схемы сравнения, управление индикаторами, кодер и декодер сигналов от несанкционированного доступа и т.д.
Рисунок 3 – Структурная схема НМТ
Схемы вызывных устройств БТА отличаются от соответствующих схем электронных ТА. В БТА абонентская линия полностью изолирована от стационарного блока. Для гальванической развязки абонентской линии от аппарата в разговорном тракте используется разделительный трансформатор, а в вызывном устройстве – оптрон (детектор звонка).
В схемах ЭНН БТА применяются микросхемы, имеющие возможность кодировать цифры набираемого абонентского номера в импульсной и в частотной (DTMF) форме.
Для опознания СБ своей НМТ используются кодирующие устройства. В современных аппаратах кодирование НМТ производится автоматически при каждой укладке трубки на СБ. При этом по случайной выборке устанавливается один из нескольких десятков тысяч вариантов кода секретности ( сейчас до миллиона комбинаций). Это дает практически полную гарантию безопасности от постороннего вмешательства в линию по радиоканалу.
При рассмотрении структурных схем возникает вопрос: как можно одновременно подключить выход передатчика и вход приемника к единственной антенне и сохранить при этом работоспособность устройства? Для того чтобы достаточно мощный сигнал передатчика (выходное напряжение передатчика в антенне – доли вольта или единицы вольт) не "забивал" собственный приемник (чувствительность приемника – единицы микровольт), прием и передача ведется на различных частотах, а также на входе усилителя РЧ-приемника устанавливается узкополосный селективный дуплексный фильтр.
Недостатки БТА:
несовершенные источники питания (недостаток никелево-кадмиевых аккумуляторов начинает проявляться, если они регулярно разряжаются до некоторого определенного уровня, а потом снова заряжаются. Такие циклы частичного заряда-разряда приводят к развитию у аккумуляторов «памяти». При разряде ниже обычного уровня телефон отключается.);
ограниченный радиус действия – определяется мощностью передатчика (10-100 м в городе, 100-300 м в загородных домах);
помехи и затухание радиосигналов ( влияние помех можно уменьшить установив стационарный блок вдали от телевизора, компьютера, СВЧ-печи);
возможность нарушить конфиденциальность переговоров (теоретическая возможность настроить приемник на рабочую частоту передатчика или приемника БТА, но только в зоне действия беспроводного телефона).