Кириченко Максим Александрович

Краткая история развития мобильной связи

      Первые мобильные телефоны появились в 1946г. в г. Сент-Луис (США). Аппараты устанавливались в автомобили, базовая станция была одна, радиус действия которой составлял до 100 км. Рабочая частота таких аппаратов составляла150 МГц, а стандарт назвали ARP ( Automobile Radio Phone – автомобильный радио телефон). Максимально одновременно могли общаться не более 80и человек.
      В конце 70х годов 5 европейских стран: Швеция, Финляндия, Норвегия, Дания и Исландия объединились для разработки новых систем мобильной связи, результатом их деятельности стал стандарт NMT -450 ( Nordic Mobile Telephone – Северный мобильный телефон) с рабочей частотой 450 МГц, система первого поколения. Главным отличием этой технологии – много базовых станций (БС), а не одна. Стандарт NMT является аналоговым. Максимальная емкость одной базовой станции — 180 абонентов. Стандарт давал возможность передачи не только голос, а и данные, максимум до 4,8 Кб/с. В 1986 году стандарт усовершенствовали, поменялась рабочая частота станций и телефонов, теперь они работали на частоте 900 МГц.
      В Америка развивались свои аналоговые стандарты связи, AMPS , ( Advanced Mobile Phone Service – Улучшенная услуга мобильной телефонной связи, впервые была запущена в США в 1979. Система работает в диапазоне 825-890 МГц и имеет 666 дуплексных каналов при ширине полосы частот каждого канала 30 кГц.
      В 1985 году в Великобритании на основе стандарта AMPS была создана система TACS ( Total Access Communications System – Система связи всеобщего доступа). Практически полный аналог AMPS.
      В 1990 году в Америке приняли новый цифровой стандарт IS -54, более известный как D - AMPS от Digital – цифровой AMPS.
      В 1990м году началось опытное использование первой GSM сети (2-е поколение) создаваемой в Европе с 1982 года. Специально для этого было создана группа - Group Special Mobile. Аббревиатура GSM и дала название новому стандарту. GSM 900 - цифровой стандарт мобильной связи, использующий диапазон частот 890 - 960 МГц. Для защиты от ошибок применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением.
      Однако в больших городах сразу возникла проблема «перенаселения». Выходом из сложившейся ситуации послужил разработанный годом позже стандарт GSM -1800 Основным ее преимуществом стала возможность обслуживания большего числа абонентов, но путем уменьшения зоны покрытия одной БС.
      Параллельно в Америке развивали стандарт GSM работающий на частотах 850 и 1900 МГц, он получил название PCS.
      Поскольку скорость передачи данных GSM 9,6Кбит/с, то для ускорения передачи данных и доступа к Интернету была разработана технология GPRS (General Packet Radio Service) – технология пакетной передачи данных. Теоретический максимум в GPRS составляет 171,2 Кбит/с. Затем разработали технологию EDGE .
      EDGE - это передовая технология известна как EGPRS (EDGE - Enhanced Data for Global Evolution). Теоретически доступная скорость передачи информации составляет 474,6 Кб/с.
      Япония разрабатывала свои системы для передачи голоса и данных. Стандарт PDC (Personal Digital Cellular - Персональная цифровая сотовая связь) основан на доработанном и усовершенствованном американском D - AMPS стандарте.
      Следующим эпапом стал WCDMA ( Wideband Code Division Multiple Access - широкополосный CDMA ) скорость передачи информации составляет до 2 Мб/с на малых расстояниях и 384 Кбит/с на больших расстояниях. CDMA – самый перспективный стандарт мобильной связи, именно на его основе строятся все сети 3-его поколения.

Структура мобильного телефона

      Технологии мобильной связи настолько прочно проникли в нашу жизнь, что трудно представить, каково это – жизнь без мобильного телефона. Однако, держа в руках это устройство не каждый представляет что у него внутри.
      Рассмотрим основные составляющие мобильного телефона:
            - корпус
            - станина
            - основная плата
            - LCD
            - кнопки
            - динамик
            - бузер
            - микрофон
      
      
      



      Современный мобильный телефон имеет структуру микропроцессорной системы, которая содержит:
            - ЦП (один или два)
            - память (ОЗУ ПЗУ)
            - контролер питания
            - контролер зарядки
            - контролер (зачастую ПЛИС), усилитель, диплексер радиочастотного тракта
            - другая периферия
      Процессор как правило специализированный и содержит множество дополнительных возможностей.

                                          
                                          Рисунок 2 - Упрощенная структурная схема телефона.

Рассмотрим поподробнее некоторые узлы.

Клавиатура

      Клавиатура на всех мобильных телефонах матричная и подключается непосредственно к процессору (рис. 3). Нажатие клавиши обнаруживается программной процедурой сканирования.
                                                                  
                                                            Рисунок - 3 Реализация клавиатуры

      Когда какой-либо из контактов замыкается, процессор вырабатывает сигнал прерывания и начинает процедуру просмотра состояния клавиатуры. Таким образом и определяется пара замкнутых контактов, а значит, нажатая клавиша.

Подсветка.

      Информация которую мы видим на дисплее засвечивается светодиодами, их так же ставят для засветки клавиатуры и иногда для реализации световых эффектов.
      
                                                    
                                                                  Рисунок 4 - Реализация подсветки

      В современных телефонах стали отказываться от реализации подсветки клавиатуры светодиодами, из-за большого потребления, её заменяют на EL-foil подсветку (напряжение питания ~200В).

Преобразователи

      Поскольку напряжение аккумуляторной батареи уменьшается при ее постепенном разряде, необходимы дополнительные устройства для стабилизации напряжения. Для этих целей используют НППН, собранные на специальной микросхеме. Схема подобного генератора представлена на рис 5. На него подаётся напряжение питания батареи , а с него получают требуемое напряжение.
        
      
      
                                                Рисунок 5 - Принципиальная схема преобразователя

Дисплей

      В настоящее время широко применяются жидкокристаллические дисплеи TFT, CSTN, MSTN, и отдельный класс OLED.
      TFT – Thin Film Transistor – технология активных жидкокристаллических матриц с тонкопленочными транзисторами.
      CSTN – Color Super Twist Nematic – пассивная жидкокристаллическая цветная матрица. MSTN – Monochrome Super Twist Nematic – пассивная жидкокристаллическая монохромная матрица.
      OLED – Organic Light Emitting Diode - органический светоизлучающий диод.

RF-блок

      Сигнал от RF-контроллера поступает на усилитель, затем, усиленный, подается на диплексор, который является своеобразным переключателем, после которого сигнал поступает на антенну. В этот момент телефон работает только на передачу, диплексор не пропускает усиленный по мощности ВЧ сигнал на приемную часть RF-контроллера. В противном случае столь мощный сигнал, пришедший на вход чувствительных цепей, попросту «спалит» часть контроллера. В момент приема сигнала, диплексор соединяет антенну с приемными цепями. В момент передачи телефон потребляет значительную мощность.
      
                                                                        
                                                Рисунок 6 - Блок-схема радиочастотного тракта

Что может быть с телефоном

      Телефон стал частью имиджа каждого. Он сопровождает нас везде и всегда, как верный слуга. Ну и достается же ему… Бывает положишь его в карман рубашки, чтобы шнурки завязать, тут он и воспользуется моментом, раз - и об кафельную плитку ударится. Или торопишься сильно, он в руке как обычно, так он из руки выскочит и к земле полетит, а если момент падения совпадет с движением ноги... Иногда ничего, поднял, батарейку вставил, если вылетела, включил и дальше побежал как ни в чем не бывало.
      Но не всегда это так безболезненно заканчивается. Может же быть и иначе. Поднимаешь его, а он уже не включается, или дисплей не показывает… В таких случаях, после механического воздействия, наиболее распространенная поломка это нарушение целостности пайки. Ремонт такого рода поломки не займёт много времени и сил. Достаточно включить фен на паяльной станции, капнуть немного флюса на плату и пропаять основные элементы. Но в последнее время микросхемы припаивают высокотемпературным сплавом, который имеет намного лучшие физико-механические показатели. С таким сплавом телефоны менее восприимчивы к механическим воздействиям, однако при выходе из строя вследствие механической деформации последствия намного серьёзнее, поскольку запас прочности припоя превышает запас прочности платы, то ломается именно плата. Хорошо, если плата ломается в местах посадочных площадок. Тут могут быть два варианта:
            - Первый. Отрываются площадки, к которым дорожки подводятся по верхнему слою платы (хочу заметить что слоёв там несколько, сам насчитывал 6, но думаю их больше), тогда чтоб их восстановить необходимо зачистить часть дорожки (идущей к оборванной площадке) залудить её и напаять кусочек тонкой проволочки, сделав из неё продолжение дорожки и контактную площадку.
            - Второй. Отрываются площадки, к которым дорожки подходят с нижних слоёв платы. В этом случае останется межслойный проводник, вокруг которого необходимо немного углубится, затем остро заточенным паяльником залудить его, после чего положить на него немного паяльной пасты и прогреть феном, чтоб паяльная паста спаялась в единую массу, и образовала контактную площадку.
      Часто бывает что плата ломается где-то внутри. Диагностика подобных случаев занятие не самое простое. В таких случаях как правило телефон имеет обширные повреждения, и ремонт не имеет смысла.
      После ликвидации такого рода неисправности к эксплуатации телефона следует относиться особенно бережно. Второго подобного случая телефоны не выдерживают.
      На фото представлен пример повреждения платы в верхнем слое.
                                                   

                                          Рисунок 7 - Пример повреждения платы в верхнем слое

      Во многих моделях работа с выпаиванием элементов с платы затрудняется тем, что производитель заливает их компаундом (что то наподобие эпоксидной смолы). В таких случаях необходимо:
            - Остро заточенным инструментом, при подогреве платы ниже температуры плавления припоя отчистить компаунд по периметру микросхемы (при повышении температуры компаунд становится немного мягче). Если температура будет выше плавления припоя, то залитые мелкие элементы (резисторы, конденсаторы) будут уходить вместе со срезанным компаундом.
            - Затем температуру фена необходимо поднять и прогреть так, чтоб припой под микросхемой наверняка расплавился, поле чего его надо поддеть, чем-то острым, и оторвать от платы. Если припой под микросхемой не прогреется, то во время её отрывания (при отрывании прикладывается достаточно большое усилие) будет повреждена плата.
            - На следующим этапе, необходимо отчистить компаунд с платы. Для этого припой на контактных площадках заменяется (разбавляется) сплавом розе (температура плавления 75 оС). Затем феном нагревается плата, так, чтоб припой на контактных площадках расплавился, а в остальных местах пайки, нет. В таком состоянии срезается остальной компаунд. Заменять припой надо, потому, что при срезании компаунда, в случае расплавленного припоя большая вероятность сдвинуть с посадочных мест соседние элементы, а в случае не расплавленного припоя большая вероятность повредить плату.
            - Остаётся отчистить микросхему. Это делается паяльником.


      Второй самый распространенный недуг мобильного телефона есть попадание агрессивных жидкостей. Уж очень не любят они купаться…
      Многие любят принимать ванну и слушать радио, а то и по телефону разговаривать. А нашему человеку парку бы побольше… Вот тут-то он и подбирается (конденсат)!
      Отдыхаешь на пляже, расслабился, думать забыл о повседневных реалиях жизни, солнышко припекает – отчего бы и не остыть в приятной морской водичке! Ага! А телефон-то в кармане (купальник, он ведь с карманчиком, специальным!).
      А ведь вода является одной из самых агрессивных жидкостей, особенно в паре с солями… Из учебников мы знаем, что дистиллированная вода - диэлектрик, но не стоит забывать, что в природе дистиллированная воды нет – растворы солей встречаются повсеместно. А наличие даже небольшого количества примеси превращают воду в отличный проводник. Таким образом, после попадания жидкости на плату, появляется множество паразитных соединений, по которым течет ток (и иногда немаленький!). А раз течет ток, то проводник разрушается (чем выше сила тока, тем быстрее идет процесс разрушения, «гниения»).
      Зачастую вода, попавшая в аппарат, проявляет себя не сразу – обычно проходит некоторое время. И в один прекрасный момент телефон начинает вести себя нестабильно. Возможно несрабатывание отдельных кнопок, перестает определять наличие SIM-карты, теряет сеть, пропадает подсветка.
      В таких случаях первым делом необходимо вытащить АКБ (ни в коем случае не пытаться ставить телефон на зарядку, поскольку именно наличие разности потенциалов ведет к ускорению окислительного процесса + электролиз).
      Затем промываем телефон в УЗ – ванне (ультразвуковая), в которой используется специальная антикоррозийная жидкость, замедляющая процессы «гниения», после чего тщательно очищаются области, которые не были обработаны в достаточной степени при помощи УЗВ. В дальнейшем плата подвергается термической обработке (сушке при температуре порядка 100-150 С). Процедура является обязательной, но не всегда достаточной. В некоторых случаях требуется восстанавливать поврежденные проводники, что является процессом творческим и зависит от внимания и усидчивости (а также большую роль играет опыт) мастера.
      Приведем несколько наглядных примеров, иллюстрирующих возможные исходы после попадания жидкости в агрегат.