Побудова, принцип роботи й основні параметри безпроводового телефону
Термін «безпроводовий телефон» закріпився за апаратами, що здійснюють зв'язок між абонентами по радіоканалу й телефонних лініях зв'язку через АТС ТМЗК.
У найпростішому варіанті безпроводовий телефонний апарат – це пристрій, що складається з носимої мікротелефонної трубки (ПМТ) і стаціонарного блока (СБ), підключеного до абонентської лінії ТМЗК. Зв'язок між цими блоками здійснюється по радіоканалу з використанням АМ або ЧМ.
Таким чином, безпроводовий телефон – це об'єднані в одному пристрої радіостанція й електронний телефон .
Рис.1 Безпроводовий телефон
У СБ установлені всі функціональні вузли, що здійснюють взаємодію з телефонною лінією, своя система управління й повноцінна УКХ радіостанція.
Схема управління включає такі пристрої, як детектор виклику, дзвінок, реле захвату лінії, DTMF-клавіатуру. Джерелом живлення для СБ служить звичайна електрична мережа.
До складу СБ входить також зарядний пристрій для акумуляторів, приймально-передавальний пристрій, мікрофон і телефонний капсуль. І в СБ і в ПМТ установлені окремі незалежні управляючі мікропроцесори.
Для того, щоб безпроводовий телефон міг працювати в дуплексному режимі (тобто щоб по ньому можна було говорити й слухати одночасно), прийом і передача ведуться, так, що сигнали від СБ до ПМТ передаються на одній частоті, а від НМТ до СБ – на іншій.
Дві частоти мають бути підібрані досить ретельно, щоб гарантувати при дуплексній роботі відсутність взаємних перешкод між переданим і прийнятим сигналами.
У старих моделях безпроводових телефонів використовується єдина пара частот. У більшості випадків ці системи працюють цілком надійно, але в деяких ситуаціях у них виникають перешкоди від потужних радіо- і телепередавачів або розташованих поблизу інших телефонів.
У сучасних апаратах можна вибирати частоти своїх передавачів, відокремлюючи від зовнішніх перешкод. Великий набір частот не є панацеєю, але в більшості випадків все-таки дозволяє підібрати канал зв'язку, досить захищений від місцевих перешкод.
У цей час використовуються безпроводові телефони чотирьох основних частотних діапазонів для радіозв'язку між СБ і ПМТ: 31/40, 46/49, 250/380і 900 Мгц.
Спрощена структурна схема СБ наведена на рис. 2. У СБ входить чотири групи функціональних вузлів: приймач, передавач, інтерфейс телефонної лінії (розмовна схема) і схема управління.
Спрощена структурна схема ПМТ наведена на рис. 3.
Сигнали, передані НМТ, приймаються антеною й надходять на підсилювач радіочастоти (ПРЧ), у якому відбувається їхнє попереднє підсилення. Радіосигнали містять: несучу (синусоїдальний сигнал з певною частотою), спектральні компоненти мовного сигналу (у діапазоні ±4 кГц від несучої), і сигнали управління, які координують спільну роботу СБ і ПМТ.
Рисунок 2 – Спрощена структурна схема СБ
У звичайному телефоні під час розмови замкнутий важільний перемикач. У безпроводовому телефоні, коли ви натискаєте кнопку «Розмова на ПМТ», на СБ посилається відповідний керувальний сигнал, прийнявши який, мікропроцесор СБ виробляє команду вмикання реле захвату лінії, контакти якого в цьому випадку еквівалентні важільному перемикачу. Після увімкнення реле захвата СБ починає передавати на ПМТ сигнал готовності від місцевої телефонної станції, і ви можете його чути.
Щоб виділити мову та сигнали управління із прийнятого сигналу радіочастоти (РЧ), його необхідно відповідним чином перетворити. Сигнал РЧ надходить на один із входів змішувача, де він змішується (перемножується) із сигналом гетеродина.
У вихідному сигналі змішувача утримується безліч комбінаційних (сумарних і різницевих) частот вхідних сигналів (РЧ і гетеродина) і їхніх гармонік, але нас цікавить тільки сигнал із частотою, що дорівнює різниці між частотами сигналів РЧ і гетеродина. Цей корисний сигнал називається сигналом проміжної частоти (ПЧ).
Значення ПЧ залежить як від частоти сигналу РЧ, так і гетеродина, а їх зазвичай вибирають з урахуванням багатьох факторів: завадозахищеності, простоти фільтрації, стабільності тощо.
Сигнал ПЧ підсилюється в підсилювачі ПЧ і детектується; детектування може бути як частотним, так і амплітудним – залежно від виду модуляції.
Керувальні імпульси, що пройшли через формувач логічних сигналів, надходять у схему управління на мікропроцесор, а мовні сигнали проходять через підсилювач звукової частоти (ПЗЧ) і подаються на розмовну схему для передачі їх у телефонну лінію.
Передача СБ сигналів мови й управління відбувається простіше. Мовні сигнали з телефонної лінії, що пройшли через ІС розмовної схеми, надходять на ПЗЧ. Посилений мовний сигнал (разом з підмішаними керувальними сигналами) надходить на вхід генератора несучої частоти, де й здійснюється модуляція радіосигналу.
Схема управління координує роботу всіх вузлів безпроводового телефону. У СБ мікропроцесор координує процеси прийому й передачі, формує керувальні сигнали, передані на ПМТ, обробляє вхідні з його команди, детектує сигнали виклику, виробляє необхідні імпульсні або тональні складальні сигнали та взаємодіє з телефонною лінією через відповідний інтерфейс. Разом із МП використовується ІС пам'яті для зберігання постійних програмних інструкцій і даних.
Телефонний інтерфейс (розмовна схема) зв'язує СБ із телефонною лінією. При надходженні відповідної команди із ПМТ вмикається реле захвату лінії, і воно своїми контактами підключає телефонну лінію до розмовної схеми.
По лінії починає протікати струм, який станція сприймає так, нібито у звичайного телефону була знята трубка. На СБ від телефонної станції надходить сигнал готовності, що передається по радіоканалу в ПМТ. Після цього із ПМТ можна починати набір номера.
Рисунок 3 – Структурна схема НМТ
Під час набору номера МП виробляє керувальні сигнали, які передаються на СБ, перетворюються на відповідні DTMF-сигнали та надходять у телефонну лінію.
Найпростіша зарядна схема – у вигляді захисного діода – використо-вується для підзарядки акумуляторів ПМТ, коли він лежить у гнізді СБ. Сигнал, прийнятий антеною НМТ, подається на ПРЧ, що підсилює слабкий радіосигнал, переданий СБ.
Переданий СБ сигнал РЧ містить ті самі складові, що й зворотний сигнал ПМТ, і його перетворення в ПМТ відбувається так само, як і в СБ. Єдина відмінність полягає в тому, що виділений із РЧ мовний сигнал надходить не на розмовну схему, а на телефонний капсуль або невеликий гучномовець.
Передача сигналу здійснюється ПМТ тим самим способом, що був використаний у СБ, тільки як джерело сигналу виступає зазвичай електретний або електродинамічний мікрофон. Функції схеми управління НМТ також подібні до функцій аналогічного вузла СБ. Існують, щоправда, деякі відмінності.
Наприклад, коли СБ виявляє сигнал виклику й передає відповідну команду на ПМТ, її МП виробляє звуковий сигнал, щоб попередити вас про виклик. У ПМТ більшості безпроводових телефонів установлюється клавіатура Пз повним набором цифр і керувальних кнопок. Сигнали з неї надходять безпосередньо на МП.
У схему управління, як і в СБ, зазвичай включаються ІС пам'яті для зберігання програмних інструкцій і даних. Вихід передавача та вхід приймача підключені до єдиної антени.
Щоб потужний сигнал передавача (вихідна напруга передавача в антені – частки вольта або одиниці вольтів) не забивав власний приймач (чутливість приймача – одиниці мікровольт) прийом і передача сигналів ведуться на різних частотах, а на вході ПРЧ приймача встановлюється вузькосмуговий селективний дуплексний фільтр.
Розгляньмо як приклад безпроводовий ТА Panasonic KX-T4046AL.
Технічні характеристики:
- радіус дії 0,5 км у прямій видимості;
- 10 каналів зв'язку (табл. 1);
- потужність передавача базового блока/трубки 10 мВт;
- заглушення сусідніх каналів 40 дБ;
- чутливість приймача базового блока/трубк
- вид модуляції ЧМ із девіацією частоти 5 кГц;
- нестабільність частоти ±2,5 кГц;
- 65 000 варіантів коду доступу;
- пам'ять 10 16-розрядних номерів;
- робота в режимі розмови/очікування без підзарядки акумулятора 8 годин/30 днів;
- можливість відповіді на дзвінок натисканням будь-якої кнопки;
- двосторонній пейджинг;
- внутрішній зв'язок (інтерком);
- гучномовний зв'язок (спікерфон);
- електронне регулювання рівня гучності;
- номеронабирач на базовому блоці.
Основу схем НМТ і СБ становлять дві ІС. Перша – AN6185NFA, що включає радіоприймач (крім каскаду ПРЧ), синтезатор частоти, детектор сигналу, компандер, ПЗЧ і мікрофонний та інші допоміжні пристрої, і інша – мікроконтролер, що з’єднує функції управління й електронного номеронабирача.
Типи мікроконтролерів базового блока й трубки відрізняються – MN150832 у базовому блоці й 0006G515 у трубці. Відмінності застосовуваних мікроконтро-лерів обумовлено особливостями управління НМТ і СБ. Додатково в базовому блоці застосована схема спікерфона, побудована на ІС - SC77655V.
Таблиця 1 – Розподіл частот каналів РТ KX-T4046AL
| Номер каналу | СБ fс, МГц | НМТ fс, МГц | ||
| Передача | Прийом | Передача | Прийом | |
| 1 | 30,075 | 39,775 | 39,775 | 30,075 |
| 2 | 30,125 | 39,825 | 39,825 | 30,125 |
| 3 | 30,175 | 39,875 | 39,875 | 30,175 |
| 4 | 30,225 | 39,925 | 39,925 | 30,225 |
| 5 | 30,275 | 39,975 | 39,975 | 30,275 |
| 6 | 30,100 | 39,800 | 39,800 | 30,100 |
| 7 | 30,150 | 39,850 | 39,850 | 30,150 |
| 8 | 30,200 | 39,900 | 39,900 | 30,200 |
| 9 | 30,250 | 39,950 | 39,950 | 30,250 |
| 10 | 30,300 | 40,000 | 40, 000 | 30,300 |
Високочастотні ланцюги ПМТ і СБ практично ідентичні. Відмінності полягають у застосуванні в антенних ланцюгах ПМТ, дуплексора DUP1 і у відповідних ланцюгах СБ ланцюжка зв'язаних смугових фільтрів. Подібні розходження впливають на якість роботи схем і обумовлені винятково масогабаритними показниками трубки.
Перше покоління систем безпроводової телефонії (БПТ) спочатку розвивалося в рамках національних програм. Перші системи БПТ, що з'явилися в 70-ті рр. у Європі, Азії та Північній Америці, працювали в діапазоні 27-50 МГц.
Передача аналогових мовних повідомлень здійснювалася за допомогою частотної модуляції, а кількість робочих каналів не перевищувала 10. Дальність зв'язку за напрямом "ПМТ – СБ" складала 200 – 300 м. У 1983 р.
Європейська організація адміністрацій і пошт (СЕРТ) розробила перший європейський стандарт (СТ-1) для аналогових систем безпроводових телефонів у смузі частот 900 МГц із 40 дуплексними каналами й частотним поділом каналів (FDМА) через 25 кГц. При цьому зв'язок здійснювався тільки через індивідуальний СБ з використанням ідентифікаційного коду. Загальна кількість кодів склала більше мільйона.
У даній конфігурації системи не використовується канал управління для встановлення зв'язку між ПМТ і СБ. Вони займають канал, використовуючи ту саму процедуру.
У черговому режимі кожний блок БПТ постійно сканує по каналах у пошуку сигналу, що містить код ідентифікації. Коли виникає необхідність у встановленні зв'язку в будь-якому блоці БПТ, цей блок знаходить вільний канал, визначаючи рівень напруженості поля на ньому.
На цьому каналі ініціюючий блок починає передавати код ідентифікації. При виявленні відповідного коду відповідний блок припиняє сканування й передає по зворотному дуплексному каналу відповідний код. Після того як ініціюючий блок виявляє, що узгодиться з відповідним кодом ідентифікації, передача розпізнавальних сигналів припиняється й відбувається заняття абонентської лінії.
У ряді країн Європи ємність у 40 дуплексних каналів виявилася недостатньою для використання в комерційних системах. У Німеччині, Австрії й Швейцарії за узгодженням із СЕРТ був прийнятий розширений стандарт СТ-1 з подвоєною кількістю дуплексних каналів – 80. Однак у цих стандартах не забезпечувалася таємність передачі мовних повідомлень.
Наступне покоління систем БПТ було розроблене у Великобританії. Новий стандарт, що одержав назву СТ-2 (прийнятий СЕРТ у 1987 р.), був цифровим. Він забезпечував конфіденційність переговорів і кращу, ніж у СТ-1, якість прийому мовних повідомлень.
Цей стандарт використовує дуплексний режим з часовим поділом каналів і багаторазовий доступ із частотним поділом (ТDМА/FDМА). При цьому на одному часовому інтервалі здійснюється передача пакета повідомлення від абонента, а на наступному інтервалі – прийом пакета повідомлення для цього абонента від СБ.
Обмін пакетами повідомлень здійснюється на одній частоті. Відповідно до цього стандарту використовувана смуга 864-868 МГц поділена на 40 каналів по 100 кГц на кожний.
Вибір ширини каналу був визначений, виходячи з мінімально можливого їхнього поділу за частотою для необхідної швидкості передачі даних без застосування дорогих методів модуляції. Такий підхід до ТDМА/FDМА добре відповідає доступності спектра й вимогам, до мережі.
Стандарт СТ-2 прийнятий за основу при створенні системи безпроводових телефонів Ті1ероint, призначеної для одночастотного зв'язку рухливих абонентів через радіопорти, встановлені в місті, з абонентами ТМЗК.
Зв'язок із системи Ті1ероint здійснюється в зоні базової станції з дальністю до 200м. Характерною рисою цієї системи є та обставина, що вона, забезпечуючи своїм користувачам вихід у ТМЗК, не дозволяє викликати власників НМТ.
Системи безпроводового доступу СТ-1 і СТ-2 мають обмежену абонентську ємність. Тому основні зусилля розробників були спрямовані на створення системи, здатної забезпечити велику кількість абонентів. У підсумку Європейський інститут телекомунікаційних стандартів прийняв стандарт DECT – Digital Enhanced Cordless Telecommunications (цифрова розширена безпроводова система передачі голосу й даних).
Цей стандарт використовує багатостанційний доступ з виявленням несучої, багатостанційний доступ із частотним поділом каналів і часовий дуплекс. Системі DЕСТ виділено 10 частотних каналів (10 несучих частот) у діапазоні від 1880 до 1900 Мгц. Інтервал між сусідніми частотами складає 1,728 Мгц. Не менш важливим компонентом є часовий поділ у каналі – ТDМА.
Насамперед цифрова технологія TDMA, використовувана в стандарті DECT, має високу завадостійкість і дозволяє бездротовим системам обробляти до 2000 користувачів на площі в 1 кв. км, забезпечуючи високу якість передачі мови. Користувач під час розмови може переміщатися із зони дії одного осередку (стільники) у зону дії іншого осередку. Зв'язок при цьому не переривається і якість не страждає.
Методи шифрування надійно захищають користувача від прослуховування телефону. Низька потужність передавача мінімізує шкідливий вплив випромінювання на організм (потужність випромінювання на трубці лише 10 мВт). Більшість моделей телефонів стандарту DECT можуть працювати до 9 годин у режимі розмови й до 45 годин у режимі очікування. Таке невелике споживання енергії забезпечується за рахунок використання технології переривчастої передачі.