安宁太平新城奥特莱斯:手机工作原理

全世界有无数人在使用手机。 手机是一种非常奇妙的小设备，有了它，您几乎可以在任何地方与任何人通话！
如今手机提供的功能几乎让人不可思议，而新功能也在不断涌现，让人目不暇接。 根据您的手机型号，你可以：
储存联系信息 创建任务或待办事项列表 跟踪约会以及设定提醒 使用内置计算器进行简单计算 发送或接收电子邮件 从互联网获取信息（新闻、娱乐、股票报价） 玩简单的游戏。 集成PDA、MP3播放器和GPS接收器等其他设备
有没有想过手机到底是怎么工作的？它与普通电话有什么不同？PCS、GSM、CDMA和TDMA等术语都是什么意思？ 在本文中，我们将讨论手机背后的技术，让您了解它到底有多么神奇。
如果您打算购买手机，请务必阅读怎样购买手机一文，以便在购买之前了解您应该知道的事项。
最有趣的事情是，手机实际上就是一部无线电装置，它极其复杂，不过可不是收音机。1876年，贝尔发明了电话，无线通信则可能要追溯到尼科拉·特斯拉在1880年发明了无线电，而1894年才由一位年轻的意大利人马可尼正式提出）。最终，这两种技术结合到了一起。
在手机问世以前，那些确实需要移动通信功能的人是在自己的汽车里安装无线电话。在无线电-电话系统中，每个城市都有一个中心天线塔，该塔上面可能有25个信道可用。此中心天线意味着汽车中的电话需要一个强大的发射器，功率应足够大以发射70公里。这还意味着能够使用无线电话的人数也不多，因为没有足够的信道。
蜂窝系统的本质特征就是将一个城市分成一个个小的小区。这样在一个城市就可以广泛地复用频率，使得数百万人能够同时使用手机。
将手机与CB无线电装置或无线电话机作比较，可帮助您很好地理解手机的复杂原理。
全双工与半双工——无线电话机和CB无线电装置都属于半双工设备。 换句话说，用CB无线电装置通话的两个人使用同一频率，因此在一个时间只能有一个人讲话。手机则属于全双工设备，这意味着您使用一个频率进行讲话，使用另一个不同的频率进行接听，通话双方可以同时讲话。 信道——无线电话机通常只有一个信道，CB无线电装置则有40个信道。一个普通的手机可以用1,664个或更多的信道通信！ 射程——使用0.5瓦发射器，无线电话机可以发射大约1.6公里。CB无线电装置采用5瓦的发射器，由于功率较高，它能够发射大约8公里。手机在小区内工作，它们在移动过程中可以切换小区。小区让手机拥有非常大的活动范围。通过这种蜂窝方法，手机用户可以开车到数百公里以外，还能够在整个时间里保持通话。

在半双工无线电装置中，双方发射器都使用相同频率。一次只能有一方讲话。

在全双工无线电装置中，两个发射器使用不同频率，因此双方可以同时讲话。
手机就是全双工的。
在美国的标准模拟手机系统中，手机运营商获准在整个城市使用约800个频率。运营商将城市细分成小区，每个小区面积通常约26平方公里。通常把小区看作是一个大六边形网格上的一个个六边形，如下图所示：
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由于手机和基站使用低功率发射器，因此相同频率可以在非邻小区中重复使用。图中两个紫色小区就可以重复使用相同频率。
每个小区有一个基站（后面有详细介绍），由一个塔和一个安装有无线电设备的小机房组成。
在模拟系统中，一个小区使用七分之一可用的双工语音信道。换句话说，在由七个小区构成的六边形网格中，每个小区使用七分之一的可用信道，因此每个小区都有唯一的一组频率，彼此间不会发生冲突：
手机运营商通常可以在一个城市中使用832个无线电频率。 每部手机在每次通话期间使用两个频率，即一个双工信道，因此每个运营商通常有395个语音信道。其他42个频率用于控制信道（后面有详细介绍）。 因此，每个小区大约有56个语音信道可用。
换句话说，在任何小区中，可以有56个人同时用手机通话。模拟蜂窝系统就是第一代移动技术或1G，而采用数字传输方法（2G）之后，可用信道数量进一步增加。例如，基于TDMA的数字系统可以承载的通话数量是模拟系统的三倍，因此每个小区有168个可用信道（有关TDMA、CDMA、GSM和其他数字手机技术的更多信息，请参阅蜂窝接入技术一节）。
手机中包含低功率发射器。许多手机都有两个信号强度：0.6瓦和3瓦（而大多数CB无线电装置的发射功率都是4瓦）。基站也采用低功率发射，低功率发射器有两个优点：
基站与小区内手机之间的传输不会超出该小区太远。因此，在上图中，用紫色显示的两个小区可以重复使用相同的56个频率。这样在整个城市中就可以广泛地重复使用相同频率。 通常由电池供电的手机的功耗相对较低。低功率意味着小电池，正是这一点使得手持蜂窝电话成为可能。
蜂窝方案要求无论城市大小，都需要有大量的基站。一般的大城市可能有数百个发射塔，不过由于很多人使用手机，因此按用户平均下来，成本仍能保持较低。每个运营商在各个城市还会设置一个中心局，也称为移动电话交换局（MTSO）。该局处理与普通陆地电话系统的所有电话连接，控制所辖区域的所有基站。
手机代码 电子序列号（ESN）——手机在生产时编程到其中的唯一32位数字 移动识别号（MIN）——源自手机号码的10位数字 系统识别码（SID）——由FCC分配给每个运营商的唯一5位数字
虽然电子序列号被视为是手机的永久部件号，但是当您购买一个服务计划并激活手机时，移动识别号和系统识别码也会被编程到手机中。
所有手机都有特殊代码与其相关联，这些代码用于识别手机、手机的所有者和服务提供商。
假设您有一个手机，您把它打开，有人正在尝试呼叫您，对于该呼叫会发生以下情况：
当您首次打开手机电源时，它会侦听控制信道上的系统识别码。控制信道是手机和基站用来沟通呼叫设置和信道变更等信息的特殊频率。如果手机找不到可侦听的控制信道，它就知道自己在射程外，然后显示一则“无服务”信息。
当它接收到系统识别码时，手机会将其与编程到手机的系统识别码作比较。如果系统识别码匹配，手机便知道正在通信的小区属于它的本地系统。
连同系统识别码一起，手机还将传输一个注册请求，移动电话交换局会在数据库中记录手机的位置。这样，移动电话交换局在想要连接到您的手机时就知道您在哪个小区。
移动电话交换局先获取呼叫，然后尝试查找您，它会在数据库中查看您所在的小区。
移动电话交换局会拾取一个频率对，您的手机将在该小区中使用该频率对来接听电话。
移动电话交换局通过控制信道与您的手机通信，告诉手机使用哪些频率，在手机和发射塔开通这些频率后，呼叫才会连通。现在，您就可以与朋友进行双向通话了。
当您移向小区边缘时，小区的基站会注意到您的信号强度逐渐减弱。与此同时，您正在移向的小区中的基站（正在侦听和测量所有频率的信号强度，而不只是它所使用的那部分频率，即总频率的七分之一）会发现您的手机的信号强度不断增强。两个基站通过移动电话交换局相互协调，在某个时刻，您的手机会在控制信道上获取一个信号，指示手机更改频率，而切换功能会将您的手机切换到新小区。
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当您旅游时，信号会在小区间不断传递。
如果您正在通话，并且从一个小区转移到另一个小区，但您移入的小区属于另一个服务提供商，而不是您的服务提供商，那么此时通话并不会因此挂断，事实上会切换到另一个服务提供商。
如果控制信道上的系统识别码与编程到手机中的系统识别码不匹配，手机便知道它正在漫游。 您漫游时所在小区的移动电话交换局会与您所属的本地系统的移动电话交换局联系，然后检查其数据库来确认使用的手机系统识别码有效。您的本地系统会向本地移动电话交换局核实您的手机，本地移动电话交换局会在您移经它的小区时跟踪您的手机。今人惊奇的是，所有这些仅在几秒内完成。
不好的一点是，您可能需要为漫游时的通话支付高额费用。在大多数手机上，当您离开您的提供商的服务区进入另一个服务区时，屏幕上都会出现“漫游”字样。如果没有，您最好认真研究一下您的服务范围地图，许多人都对漫游费感到不满和吃惊。仔细阅读您的服务合同，了解在漫游时的收费情况。
注意，如果您想要国际漫游，您需要有一个在国内、国外都可以使用的电话。 不同的国家/地区使用不同的蜂窝接入技术。请参阅蜂窝接入技术部分了解更多信息。
让我们来看一下数字手机的内部构造。
手机构造
手机是人们日常使用的最复杂设备之一，它的每一个小部分都非常复杂。现代数字手机每秒可以处理数百万的计算来压缩和解压缩语音流。

手机部件
如果拆开一个手机，您会看到它只包含几个部件：
包含手机智能系统的电路板 天线液晶显示屏（LCD） 键盘（与您在电视遥控器上看到的键盘不同）麦克风扬声器电池
电路板是手机系统的心脏。 这是一个典型的诺基亚数字手机的电路板：

电路板的正面

电路板的背面
在以上图片中，您会看到几个计算机芯片，下面来讨论各个芯片的作用。模拟到数字和数字到模拟转换芯片将发出的音频信号从模拟转换为数字，将接收的信号从数字转换回模拟。您可以在压缩光盘原理中了解有关“模拟到数字”和“数字到模拟”转换以及它对数字音频重要性的更多信息。数字信号处理器（DSP）是特制的处理器，专为高速执行信号控制计算而设计。
微处理器处理键盘和显示屏的所有杂事，处理与基站之间的命令和控制信令，以及协调电路板上其余的功能。

微处理器
ROM和闪存芯片用来存储手机的操作系统和可定制的功能，如手机目录。无线电频率（RF）和电源部分处理电源管理和充电，此外还处理数百个FM信道。 最后，RF放大器处理发出的信号以及从天线接收的信号。

显示屏和键板触点
显示屏尺寸现在增大了很多，原因是手机功能数量增多。当前大多数手机都提供内置的手机目录、计算器和游戏。许多手机都包含某些类型的掌上型电脑或Web浏览器。

电路板上的闪存卡

闪存卡已取出
有些手机将某些信息（如系统识别码和移动识别号）储存在内部闪存中，而其他手机则使用与Smart Media卡类似的外部卡。

手机扬声器、麦克风和备用电池
手机有了这些微型扬声器和麦克风，可以使声音得到完美再现。您可以在上面的图片中看到，扬声器的大小跟硬币差不多，麦克风也不比旁边的手表电池大，实际上该电池为手机的内部时钟芯片所用。
令人惊奇的是，在30年前要实现所有这些功能，相关的设备可能需要填满整个一层办公楼，而如今这些功能却能够封装在一个小装置中，让一切尽在您的掌握之中！

Motorola, Inc. 供图
老式手机：1983年推出的DynaTAC手机
在1983年，模拟手机标准AMPS（高级移动电话系统）获得了FCC批准，首先在芝加哥采用。AMPS对模拟手机使用824MHz和894MHz之间的频率范围。为了鼓励竞争，控制价格，美国政府要求在每个市场都有两家运营商，称为A、B运营商。其中一家运营商就是本地通信运营商（LEC），换句话说就是本地电话公司。
运营商A和B均获得832个频率：790个用于语音，42个用于数据。一对频率（一个用于发射，一个用于接收）用来创建一个信道。模拟语音信道中使用的频率通常为30kHz宽，选择30 kHz作为标准大小，因为它提供的语音质量与有线电话相当。
每个语音信道的发射和接收频率按45MHz分开，以防止它们互相干扰。每个运营商有395个语音信道以及21个数据信道，用来处理注册和寻呼等活动。
AMPS有一个版本称为窄带高级移动电话服务（NAMPS），它结合了某些数字技术，允许系统承载原来版本三倍的呼叫。尽管它使用数字技术，它仍然被视为是模拟的。AMPS和NAMPS只在800-MHz波段下工作，不能提供许多在数字蜂窝服务中常见的功能，例如电子邮件和Web浏览。
数字手机是第二代（2G）蜂窝技术。它们使用与模拟手机相同的无线电技术，但是使用方式迥异。模拟系统未充分利用手机和蜂窝网络之间的信号，模拟信号不能像数字信号那样容易压缩和控制。这正是许多有线电视公司转而使用数字技术的原因，这样一来，他们可以在给定的带宽里提供更多信道。数字系统效率非常高，这令人感到吃惊。
数字电话将声音转换成二进制信息（1和0），然后对信息进行压缩（有关转换过程的详细信息，请参阅 模拟录音和数字录音工作原理）。这种压缩使得3到10个数字手机呼叫只占用一个模拟呼叫的空间。
许多数字蜂窝系统都依靠频移键控（FSK）通过AMPS（高级移动电话系统）来回发送数据。FSK使用两个频率，一个频率对应于1，另一个频率对应于0，两者快速交替输出，以便在基站和手机之间发送数字信息。并且，它需要采取智能调制和编码方案，将模拟信息转换成数字信息，进行压缩，然后再将其转换回模拟信息，同时应保持语音质量可接受。所有这些都意味着数字手机必须具备许多处理能力。
 
2G手机网络采用以下三种常见的技术传输信息（我们将在3G部分讨论3G技术）：
频分多址（FDMA） 时分多址（TDMA） 码分多址（CDMA）
尽管这些技术听起来非常高深，但是通过仔细分析这种技术的标题，您就可以大概了解它们的原理。
第一个字告诉您接入方法。第二个字“分”，表示根据接入方法分割呼叫。
FDMA将每个呼叫放在不同的频率上。 TDMA根据指定的频率为每个呼叫分配一个特定的时间段。 CDMA为每个呼叫指定唯一的代码，然后在可用的频率上展频。
每个名称的最后一部分是“多址”，这只是表示每个小区可供多个用户利用。
FDMA
FDMA通过将频谱分割成统一的带宽分块，将频谱分成不同的语音信道。为更好地理解FDMA，不妨想想广播台：每个广播台都以可用波段内的不同频率发送其信号。FDMA主要用于模拟传输。虽然它确实能够承载数字信息，但是FDMA并不是有效的数字传输方法。
 

在FDMA中，每个手机使用不同的频率。
TDMA
TDMA是电子行业联盟和电信行业协会对暂行标准54（IS-54）和暂行标准136（IS-136）使用的接入方法。使用TDMA时，30KHz宽、6.7毫秒长的窄带按时间自动分割成三个时隙。
窄带是指传统意义上的信道，而每次会话获得无线电信号的时间节省了三分之二。之所以能够这样，是因为转换成数字信息的语音数据经过压缩后，占用的传输空间显著减少。因此，使用相同数量的信道，TDMA的容量是模拟系统的三倍。TDMA系统的工作频率波段为800-MHz（IS-54）或1900-MHz（IS-136）。

TDMA将一个频率分割成时隙。
GSM
解锁GSM手机任何GSM手机都能使用任何SIM卡，不过有些服务提供商会锁定手机，使手机只能使用他们的服务。如果您的手机被锁定，不能在本地或国外使用其他服务提供商的服务，您可以使用一个特殊的代码解锁手机，但服务提供商未必提供该代码。有些网站会向您提供解锁代码，有些是免费的，有些可能会收一点费用。
TDMA还用作全球移动通讯系统（GSM）的接入技术。但是，GSM实施TDMA的方式与IS-136有所不同而且不兼容。可以将GSM和IS-136看作是在相同处理器上运行的两种不同的操作系统，例如，在英特尔奔腾III上运行的Windows和Linux。GSM系统采用加密方法使手机通话更安全。GSM的工作频率波段在欧亚地区为900-MHz和1800-MHz，在美国为850-MHz和1900-MHz（有时称为1.9-GHz）。 它应用于数字蜂窝和基于PCS的系统中。 GSM还是综合数字增强网络（IDEN）的基础，IDEN系统由摩托罗拉推出，广受欢迎，而且已经被Nextel采用。
GSM是欧洲、澳大利亚以及亚非许多国家/地区普遍采用的国际标准。用户可以购买支持GSM标准的手机，在GSM所覆盖的区域内使用。要连接到不同国家/地区的特定服务提供商，GSM用户只需切换用户识别模块（SIM）卡，SIM卡是可以在GSM手机中安装（滑入）和取出（滑出）的小磁卡，SIM卡储存您接入特定无线服务提供商所需的连接数据和识别号。
遗憾的是，美国所采用的850MHz/1900-MHzGSM手机与国际上普遍采用的GSM系统不兼容。如果您居住在美国，希望在国外能使用手机，您就可以购买一个三波段或四波段GSM手机，这样在家里和出国时都用得上，或者专门购买一个GSM900MHz/1800MHz手机在出国旅行时使用。您可以从Planet Omni（加州的一家在线电子公司）购买900MHz/1800MHz GSM手机。他们的货色齐全，您可以从那里购买到诺基亚、摩托罗拉和爱立信等各种GSM手机。但是，他们不出售国际SIM卡。您可以在Telestial.com购买到许多国家/地区的预付费SIM卡。
CDMA
CDMA采用与TDMA 完全不同的方法。CDMA在数字化数据之后，将其散布在整个可用带宽上。在信道上有多个呼叫相互覆盖，每个呼叫获得唯一的序列码。CDMA是展布频谱的一种形式，它表示数据将通过许多离散的频率以小块形式发送，以便任何时候都能在指定的范围内使用。

在CDMA中，每个手机的数据都有一个唯一的代码。
所有用户信号都在相同带宽的频谱块中传输。每个用户的信号都按唯一的展频码在整个带宽上展频。接收器会使用相同的唯一展频码来还原信号。由于CDMA系统需要在每个信息块加上准确的时间戳，它会参考GPS系统的时间信息。一个模拟AMPS呼叫的信道空间中可以承载8到10个不同的数字呼叫。 CDMA技术是暂行标准95（IS-95）的基础，可以在800-MHz和1900-MHz频率波段内工作。
理想情况下，TDMA和CDMA之间相互透明。实际上，高功率的CDMA信号会提高TDMA接收器的底噪，而高功率的TDMA信号则可能导致CDMA接收器过载以及被干扰。
个人通信业务（PCS）是与蜂窝电话业务非常相似的无线手机业务，只不过侧重于个人业务和扩展机动性。”PCS”术语常常用来代替“数字蜂窝”，但是真正的PCS还意味着将寻呼、来电显示和电子邮件等服务绑定到业务中。
蜂窝电话最初是为了在汽车中使用而设计的，而PCS从一开始就是为了实现更大的用户机动性而设计。PCS的小区更小，因此需要使用大量天线来覆盖地理区域。PCS手机频率介于1.85和1.99 GHz之间（1850 MHz至1990 MHz）。
从技术上讲，美国的蜂窝系统工作频率波段为824-MHz到894-MHz，而PCS则为1850-MHz到1990-MHz。在基于TDMA时，PCS拥有200-kHz的信道间隔和8个时隙，而不是数字蜂窝中一般采用的30-kHz信道间隔和3个时隙。
现在让我们看一下多波段和多模技术之间的差别。
3G技术

Amazon.com 供图
索爱V800 3G手机
3G技术是移动通信领域的最新技术。3G代表“第三代”——第一代是模拟蜂窝技术，第二代是数字/PCS技术。3G技术适用于真正的多媒体手机（通常称为智能手机），并提供了更高的带宽和传输速率，支持基于Web的应用程序和基于手机的音频和视频文件。
3G包含多种蜂窝接入技术，截至2005年，三种最常见的接入技术是：
CDMA2000 ——基于 2G 码分多址（请参阅蜂窝接入技术） WCDMA （UMTS）——宽带码分多址 TD-SCDMA——时分同步码分多址
3G网络传输速度最高可达3M（下载一首3分钟的MP3歌曲大约需要15秒）。相比之下，最快的2G手机最快只能达到144K（下载一首3分钟的歌曲大约需要8分钟）。3G的数据传输速率很高，适合从互联网下载信息，也适合发送和接收大型多媒体文件。3G手机类似小型笔记本电脑，可以装有视频会议等宽带应用程序，从Web接收流视频、发送和接收传真以及迅速下载包含附件的电子邮件。
双波段与双模
如果您经常旅游，您可能希望获得支持多波段和多模的手机。让我们看看以下的可选功能：
多波段——有多波段功能的手机可以切换频率。例如，双波段TDMA手机可以在800-MHz或1900-MHz系统下使用TDMA服务。四波段GSM手机可以在850-MHz、900-MHz、1800-MHz或1900-MHz波段下使用GSM服务。 多模——在手机中，“模式”是指所用的传输技术类型。因此，支持AMPS和TDMA的手机可根据需要来回切换。注意包含AMPS模式非常重要，这样，当所在地区不支持数字服务时，您就可以使用模拟服务。 多波段/多模——最好是两者都有，这样您就可以根据需要在频率波带和传输模式之间切换。
支持多波段/多模的手机会自动更改波段或模式。通常，手机会设置一个默认选项，如1900-MHzTDMA，首先尝试用默认技术在默认频率连接。如果支持双波段，手机在1900MHz不能成功连接时会切换到800MHz。如果支持多个模式，它会先尝试数字模式，然后再切换到模拟模式。
您可能会发现有双模和三模手机。“三模”这个词可能有一定的欺骗性。它可能表示手机支持两种数字技术（如CDMA和TDMA）以及模拟技术。在这种情况下，它是真正的三模手机；但是它也可能表示，手机在两种波段下支持一种数字技术，此外还提供模拟支持。经常出国旅行的用户普遍使用的一款三模手机除了可以提供模拟服务以外，还可以在900MHz波段（适用于欧亚地区）和1900MHz波段（适用于美国）下提供GSM服务。从技术上讲，这应该是一个双模手机，只是其中一个模式（GSM）支持双波段而已。
与手机有关的问题
与所有其他消费电子设备一样，手机也会出现问题：
通常情况下，将手机弄湿或用湿手按手机按钮，就可能会导致内部部件因受到腐蚀而无法修复，要考虑采取保护措施。如果手机确实被弄湿，请确保使手机完全变干后再打开手机，这样就可以避免损坏内部部件。 车内过热可能损坏电池或手机电路，过冷则可能导致屏幕瞬间不显示。 模拟手机会遭遇到“克隆”问题。当某人盗得手机ID号时可以克隆手机，并且能够以所有者账户的名义拨打欺骗电话。
以下是克隆的方法：当您用手机拨打电话时，手机在开始呼叫时会将ESN和MIN传输到网络。“MIN/ESN对”是您的手机的唯一标记，电话公司通过它知道该对谁收取通话费用。当手机传输“MIN/ESN对”时，不法分子可能利用扫描程序进行侦听，从而获取该“MIN/ESN 对”。借助适当的设备，非常容易修改另一部手机，使其包含您的“MIN/ESN 对”，这样不法分子就可以用您的帐户拨打电话。
阅读下一部分，了解什么是手机塔。
手机塔
手机塔通常是数百米高的钢柱或格子钢架。 下图显示了一个典型的美式手机塔，位于美国南卡罗来纳州格林维尔市（Greenville）附近的第85号州际公路上：

这是一个现代手机塔，有三个不同的手机提供商都在使用它。 如果您看看塔底位置，您会发现每个提供商都有自己的设备，而且现在设备已经很小（以往常常都会在塔底基的附近建一些小房子）：

下面是一个提供商的设备：

该机箱中装有无线电发射器和接收器，手机塔通过这些收发器与手机通信。这些无线电收发设备通过一组粗电缆与塔上的天线相连：

如果近看，您会看到手机塔和塔底的所有电缆和设备都牢牢接地。例如，此照片中，在上面固定有绿色金属丝的金属板就是一个实心的接地铜板：

大门上面赫然在目的五门锁表明有多个提供商共用此手机塔，五个提供商中的任何一个都可以打开此大门进入。

手机塔有各种形状和大小，不过我相信在美国北卡罗来纳州莫里斯威尔市（Morrisville）的这个手机塔应该是最奇怪的一个了。


这是一颗很高的树，已经被折腾得不堪入目了！