Доставляємо голос в мобільній мережі: крок 1 - як голос перетворюється в електричний сигнал

Всі ми користуємося мобільним зв'язком, і не замислюємося, наскільки складний шлях доводиться пройти нашого голосу, щоб бути почутим співрозмовником, за сотні й тисячі кілометрів. Величезний обсяг завдань виконується найпростішою телефонною трубкою, навіть у момент очікування виклику (коли вона лежить у вас на столі), і мимоволі переймаєшся повагою до тих, хто все це розробив спочатку в теорії, а потім і втілив у реальному обладнанні.



За звичайними діями: взяти телефон, набрати номер, і почути голос в трубці, ховається стільки технічних деталей, фундаментальних відкриттів і технологічних перетворень, що нам потрібно розбити опис на кілька етапів, і розглянути кожен з них окремо.


Починалося-то все просто.

Перше що приходить в голову, коли ми намагаємося спілкуватися на великій відстані — збільшити гучність джерела звуку, наприклад з допомогою рупора як на малюнку вище, і чутливість приймача:



Проте, якщо необхідно передати звук між приміщеннями, рупори стають марні, і допитливий інженерний розум, розробив варіанти «повітропроводів», за яким можна передати повідомлення від однієї точки до іншої.
Для прикладу — переговорні пристрої, які до цих пір можна зустріти на великих кораблях:





Всі ці хитрощі, що дозволяють передати звукові коливання (з яких власне і складається наша мова), на трохи більші відстані, ніж задумано природою. Але нам потрібно забезпечити передачу голосу практично на необмежену відстань, через будь-які перешкоди!

Так з'являється ідея не передавати оригінальні звукові хвилі, а провести проміжне перетворення в іншу передавальну середу, яка збереже необхідну інформацію без втрати даних, і дозволить відновити її на приймаючій стороні. В якості проміжної середовища можуть бути використані різні матеріали або фізичні явища. У дитинстві, ймовірно, багато займалися виготовленням «телефонів» з підручних засобів, наприклад пара коробок і звичайна нитка:



При всій простоті рішення, звук з одного коробка, через пружні коливання нитки, відмінно передається на другий, де його можна чітко розчути. Однак мінусів у цьому рішенні набагато більше плюсів: для передачі пружних коливань від коробка з нитки, потрібно натягнути нитку і забезпечити, щоб вона ні до чого не торкалася; максимальна відстань, на які можна передати голос з використанням таких пружних коливань — лише десятки метрів і т. д. Все це виключає можливість використання цього і подібних йому, перетворень, в якості реального переговорного пристрою.

Описані вище пошуки варіантів передачі голосу, приводять нас до необхідності вибору відповідної проміжної середовища, і методів якісного перетворення звукових коливань — параметри нової середовища і назад. З усього різноманіття фізичних явищ і матеріалів, найкраще відповідає даним вимогам електромагнітний сигнал, і тут, нарешті, можна почати опис першого перетворення, яке здійснюється в сучасних бездротових мережах:

Перше перетворення: Голос — Електромагнітний сигнал



Для виконання перетворення Звукові коливання — Електромагнітні коливання», застосовується пристрій назване «Мікрофон», від грецького micros — малий, фон — звук.

Спробуємо описати основні віхи в розвитку технології перетворення звуку в элетромагнитные коливання.

1. Рідинний передавач «liquid transmitter» Олександра Белла
Вважається, що саме з нього почалася розробка перетворювачів звук-електрика. Олександр Белл проводив експерименти в 1876 році, і навіть зумів по проводах передати свій голос на невелику відстань.



В рупор розташований нагорі необхідно було говорити, тонка голка (або дріт) кріпилася до нижньої частини діафрагми закріпленої на рупорі, і переміщалася під впливом звукових коливань. У нижній ємності перебував розчин води з невеликою кількістю кислоти (для поліпшення електропровідності), голка при переміщенні з діафрагмою більше або менше занурювалася в рідину, і змінювалося опір системи, яке відстежувалась на пристрої з котушкою і магнітом.
Недоліки рішення видно неозброєним поглядом — громіздке пристрій, наявність рідин, низька точність перетворення. Все це не дозволило застосовувати дослідне пристрій для комерційних проектів, але початок було покладено.
Допитливий читач може спробувати відтворити такий пристрій, наприклад, за рекомендаціями з цього сайту: Покрокові рекомендації для виготовлення «рідинного передавача Белла»

2. Вугільний (стрижневий) мікрофон Девіда Хьюза



Через кілька років, Девід Хьюз представив інший варіант мікрофона, в якому в якості перетворювача звук-електрика використовувався вугільний стрижень. Під впливом звукових коливань, змінювалася площа контакту вугільного стрижня з металевої майданчиком, і пропорційно змінювалося опір стрижня. Це пристрій вже застосовувалося в практичних цілях, для реальної передачі голосу. Але наступала ера просунутого рішення на основі вуглецю (того ж вугілля що застосовував Хьюз у своєму стержні).

3. Вугільний (порошковий) мікрофон Едісона



Першість у розробці даного мікрофона оскаржувалось довго, між американськими інженерами Беллом, Берлінером та Едісоном, є також дані про те, що російський інженер Михальський, приблизно в той же час, виготовив схожий пристрій.

Відповідно до загальноприйнятої версії, винахідником вважається Едісон, а основним розробником і популяризатором — лабораторія Белла (яка викупила ранній патент Берлінера, і прийняла винахідника на роботу, але потім Едісон у суді довів свою першість). Принцип дії даного мікрофона, заснований на тому, що подрібнений в дрібний порошок вугілля, змінює електричне опір, залежно від її щільності. Таким чином — мембрана під впливом звукових хвиль змінює щільність вугільного порошку, що призводить до зміни характеристик проходить через нього електричного струму. Мікрофон виявився настільки вдалим, що застосовувався з кінця 19 століття аж до початку 21, апаратах, де використовується аналогова передача голосу (про Цифро-Аналогових Перетворень ми будемо говорити в наступній частині).

4. Динамічні і конденсаторні мікрофони

Подальший розвиток технологій, призвело до розробки конденсаторних і динамічних мікрофонів, приблизно в 20-30х роках 20 століття. У конденсаторном мікрофоні зміна параметрів електричного струму, відбувається за рахунок зміни ємності конденсатора, одна з струмопровідних пластин якого виконана у вигляді мембрани, яка рухається під впливом звукових хвиль.



Динамічний мікрофон складається з нерухомого магніту, і обмотки, яка переміщується разом з мембраною, створюючи, таким чином, електричний струм.



Обидва варіанти мікрофонів володіють своїми перевагами і недоліками, і зараз застосовуються конструкції як конденсаторні, так і динамічні. Ці мікрофони дозволяють вловити такі частоти звукових коливань, які недоступні для сприйняття людським вухом, таким чином, для наших цілей — перетворення голосу в електричний сигнал, їх можливостей вистачає з лишком. Необхідно лише вмістити цю конструкцію в корпус мобільного телефону. Для цього інженерам довелося ще трохи поламати голову.

5. Електретні мікрофони з поверхневим монтажем
Основна вимога до мікрофонів, для використання у складі стільникового телефону — мінімальні розміри та прийнятна якість перетворення. Для таких цілей найкращим чином підійшов один з варіантів конденсаторного мікрофона: електретний мікрофон. В ньому одна обкладка виконана з електретного матеріалу, який здатний довго зберігати поляризоване стан, після зняття зовнішнього впливу.

Перші моделі електретних мікрофонів виконувалися у вигляді капсулів, і вже могли застосовуватися в трубках стільникових телефонів:



Пізніше, з появою і розвитком технологій поверхневого монтажу друкованих плат (SMD), мініатюризація електретних мікрофонів досягла максимальних значень, і ми, нарешті, можемо вмістити наш мікрофон в телефоні товщиною менше 10 мм



Отже, завдяки технічному прогресу та інженерної думки, у нас є мініатюрне і якісний пристрій, що перетворює звукові коливання в електромагнітний сигнал:

image

Це лише перше перетворення нашого голосу в процесі його передачі через стільникову мережу, кожен наступний крок буде вимагати все більш складних технічних пристроїв і просунутого математичного апарату. Наступна частина — необхідні перетворення отриманого електромагнітного сигналу, поки ще всередині телефону, для підготовки його до передачі в ефір, з короткими історичними екскурсами — як розвивалося наше розуміння цих процесів.

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.