Wir liefern Sprache in einem Mobilfunknetz: Schritt 1 - Wie die Sprache in ein elektrisches Signal umgewandelt wird

    Wir alle nutzen die mobile Kommunikation und denken nicht daran, wie schwierig der Weg ist, den unsere Stimme zurücklegen muss, um vom Gesprächspartner gehört zu werden, der Hunderte und Tausende von Kilometern entfernt ist. Das einfachste Mobilteil erledigt eine große Menge von Aufgaben, selbst wenn Sie auf einen Anruf warten (wenn er auf Ihrem Schreibtisch liegt), und Sie bekommen unvermeidlich Respekt vor denen, die dies alles zuerst theoretisch entwickelt und dann in der realen Ausrüstung verkörpert haben.



    Hinter den üblichen Handlungen: Greifen Sie zum Telefon, wählen Sie eine Nummer und hören Sie eine Stimme im Mobilteil. Es gibt so viele technische Details, grundlegende Entdeckungen und technologische Veränderungen, dass wir die Beschreibung in mehrere Phasen aufteilen und jede für sich betrachten müssen.


    Alles begann einfach .

    Das erste , was in den Sinn kommt , wenn wir versuchen , auf Distanz zu kommunizieren - die Lautstärke der Schallquelle zu erhöhen, wie durch einen Lautsprecher , wie oben gezeigt, und Empfängerempfindlichkeit:



    Wenn Sie jedoch zwischen den Räumen zu übertragen Sound wollen, Hörner sind nutzlos, und neugierig Engineering Geist, entwickelte Optionen für "Luftkanäle", über die Sie eine Nachricht von einem Punkt zu einem anderen senden können.
    Zum Beispiel Sprechanlagen, die noch auf großen Schiffen zu finden sind: Mit





    all diesen Tricks können Sie Schallschwingungen (aus denen unsere Sprache besteht) auf etwas größere Entfernungen übertragen, als von der Natur beabsichtigt. Wir müssen jedoch die Sprachübertragung über eine nahezu unbegrenzte Entfernung und über Hindernisse hinweg sicherstellen!

    Es scheint also nicht die Idee zu bestehen, die ursprünglichen Schallwellen zu übertragen, sondern eine Zwischenkonvertierung auf ein anderes Übertragungsmedium durchzuführen, wodurch die erforderlichen Informationen gespeichert werden, ohne dass Daten verloren gehen, und Sie diese auf der Empfangsseite wiederherstellen können. Als Zwischenmedium können verschiedene Materialien oder physikalische Phänomene verwendet werden.
    In der Kindheit beschäftigten sich wahrscheinlich viele mit der Herstellung von „Telefonen“ aus improvisierten Mitteln, zum Beispiel einem Paar Kisten und einem gewöhnlichen Faden:



    Trotz der Einfachheit der Lösung wird das Geräusch einer Box durch die elastischen Vibrationen des Fadens perfekt auf die zweite Box übertragen, wo es deutlich zu hören ist. Die Nachteile dieser Lösung sind jedoch viel mehr Vorteile: Um elastische Vibrationen von der Schachtel entlang des Fadens zu übertragen, müssen Sie am Faden ziehen und sicherstellen, dass er nichts berührt. Die maximale Entfernung, über die eine Stimme mit solchen elastischen Vibrationen übertragen werden kann, beträgt nur einige zehn Meter usw. All dies schließt die Möglichkeit aus, diese und ähnliche Transformationen als echte Gegensprechanlage zu verwenden.

    Die oben beschriebene Suche nach Sprachübertragungsoptionen führt uns zu der Notwendigkeit, ein geeignetes Zwischenmedium und Methoden zur qualitativen Umwandlung von Schallschwingungen in die Parameter eines neuen Mediums und umgekehrt zu wählen. Aus der Vielzahl physikalischer Phänomene und Materialien ist ein elektrisches Signal für diese Anforderungen am besten geeignet, und hier können wir schließlich mit der Beschreibung der ersten Umwandlung beginnen, die in modernen drahtlosen Netzwerken durchgeführt wird:

    Erste Umwandlung: Sprache - Elektrisches Signal




    Für die Konvertierung von "Sound vibrations - Electric signal" wird ein Gerät namens "Microphone" verwendet, das aus dem griechischen Mikro - Small - Background - Sound besteht.

    Versuchen wir, die wichtigsten Meilensteine ​​in der Entwicklung der Technologie zur Umwandlung von Schall in ein elektrisches Signal zu beschreiben.

    1. Alexander Bells Flüssigkeitssender
    Es wird vermutet, dass mit ihm die Entwicklung von Schall-Strom-Wandlern begann. Alexander Bell führte 1876 Experimente durch und schaffte es sogar, seine Stimme über die kurze Distanz zu übertragen.



    Es war notwendig, in das Horn zu sprechen, das sich oben befand. Eine dünne Nadel (oder ein dünner Draht) wurde am unteren Teil der am Horn montierten Membran angebracht und unter dem Einfluss von Schallvibrationen bewegt. In dem unteren Tank befand sich eine Lösung von Wasser mit einer kleinen Menge Säure (um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern), die Nadel war beim Bewegen mit einer Membran mehr oder weniger in die Flüssigkeit eingetaucht und der Widerstand des Systems wurde geändert, was an einem Gerät mit einer Spule und einem Magneten überwacht wurde.
    Die Nachteile der Lösung sind mit bloßem Auge erkennbar - ein sperriges Gerät, das Vorhandensein von Flüssigkeiten, geringe Umrechnungsgenauigkeit. All dies erlaubte nicht den Einsatz eines Versuchsgeräts für kommerzielle Projekte, aber der Anfang war gelegt.
    Ein neugieriger Leser kann versuchen, ein solches Gerät zu reproduzieren, beispielsweise gemäß den Empfehlungen auf dieser Website:Schritt-für-Schritt-Empfehlungen zur Herstellung des „Bell Fluid Transmitters“

    2. David Hughes Carbon (Stab) Mikrofon



    Einige Jahre später stellte David Hughes eine andere Version des Mikrofons vor, bei der ein Carbonstab als Schall-Strom-Wandler verwendet wurde. Unter dem Einfluss von Schallschwingungen wurde die Kontaktfläche des Kohlestabes mit dem Metallkissen geändert und der Widerstand des Stabes wurde proportional geändert. Dieses Gerät wurde bereits zu praktischen Zwecken für die echte Sprachübertragung eingesetzt. Aber die Ära begann mit einer fortschrittlichen Lösung auf Kohlenstoffbasis (die gleiche Kohle, die Hughes in seinem Kern verwendete).

    3. Edisons Carbon (Pulver) Mikrofon



    Die Überlegenheit bei der Entwicklung dieses Mikrofons war lange umstritten, zwischen den amerikanischen Ingenieuren Bell, Berliner und Edison gibt es auch Hinweise, dass der russische Ingenieur Mikhalsky etwa zur gleichen Zeit ein ähnliches Gerät herstellte.

    Nach der allgemein anerkannten Version gilt Edison als Erfinder, und Bells Labor ist der Hauptentwickler und -populärist (der das frühe Berliner Patent gekauft und den Erfinder engagiert hat, aber dann hat Edison seine Überlegenheit vor Gericht bewiesen). Das Funktionsprinzip dieses Mikrofons basiert auf der Tatsache, dass zu feinem Pulver zerkleinerte Kohle den elektrischen Widerstand abhängig von seiner Dichte ändert. Somit verändert die Membran unter dem Einfluss von Schallwellen die Dichte des Kohlepulvers, was zu einer Änderung der Eigenschaften des durch sie fließenden elektrischen Stroms führt. Das Mikrofon erwies sich als so erfolgreich, dass es vom Ende des 19. Jahrhunderts bis Anfang des 21. Jahrhunderts in Geräten mit analoger Sprachübertragung eingesetzt wurde (über Digital-Analog-Konvertierungen werden wir im nächsten Teil sprechen).

    4. Dynamische Mikrofone und Kondensatormikrofone:

    Die Weiterentwicklung der Technologie führte in den 20- bis 30-er Jahren des 20. Jahrhunderts zur Entwicklung von Kondensatormikrofonen und dynamischen Mikrofonen. In einem Kondensatormikrofon tritt eine Änderung der Parameter des elektrischen Stroms aufgrund einer Änderung der Kapazität des Kondensators auf, von dem eine der leitenden Platten in Form einer Membran ausgebildet ist, die sich unter dem Einfluss von Schallwellen bewegt.



    Ein dynamisches Mikrofon besteht aus einem festen Magneten und einer Wicklung, die sich entlang der Membran bewegt und so einen elektrischen Strom erzeugt.



    Beide Mikrofonversionen haben ihre eigenen Vor- und Nachteile, und jetzt werden sowohl Kondensator- als auch dynamische Designs verwendet. Mit diesen Mikrofonen können Sie solche Frequenzen von Schallschwingungen auffangen, die für das menschliche Ohr nicht zugänglich sind. Für unsere Zwecke - die Umwandlung von Sprache in ein elektrisches Signal - sind ihre Fähigkeiten mehr als ausreichend. Es ist lediglich erforderlich, dieses Design in das Gehäuse eines Mobiltelefons einzubauen. Zu diesem Zweck mussten die Ingenieure ihre Köpfe ein wenig mehr zerschlagen.

    5. Elektretmikrofone
    Die Hauptanforderung für Mikrofone zur Verwendung als Teil eines Mobiltelefons ist die minimale Größe und akzeptable Umwandlungsqualität. Für solche Zwecke war eine der Optionen für ein Kondensatormikrofon am besten geeignet: ein Elektretmikrofon. Darin besteht eine Auskleidung aus Elektretmaterial, das in der Lage ist, nach Entfernung äußerer Einflüsse einen polarisierten Zustand für lange Zeit aufrechtzuerhalten.

    Die ersten Modelle von Elektretmikrofonen lagen in Form von Kapseln vor und konnten bereits in Mobiltelefonen eingesetzt werden:



    Mikroelektromechanische Systeme - MEMS und Oberflächenmontage - SMD
    Die weitere Miniaturisierung führt uns zu einer neuen Klasse von Bauteilen - MEMS, bei denen mechanische und elektronische Geräte auf einer einzigen Leiterplatte kombiniert werden. Später, mit dem Aufkommen und der Entwicklung der Oberflächentechnologie für Leiterplatten (SMD), erreichte die Miniaturisierung von Mikrofonen Höchstwerte, und schließlich können wir unser Mikrofon in ein Telefon mit einer Dicke von weniger als 10 mm einbauen.



    Dank des technologischen Fortschritts und der technischen Entwicklung verfügen wir über ein kleines und hochwertiges Gerät, das Schallschwingungen in ein elektrisches Signal umwandelt:

    Bild

    Dies ist nur die erste Transformation unserer Stimme bei der Übertragung über ein Mobilfunknetz, und jeder nächste Schritt erfordert immer ausgefeiltere technische Geräte und einen fortschrittlichen mathematischen Apparat. Der nächste Teil sind die notwendigen Transformationen des empfangenen elektrischen Signals, das sich noch im Telefon befindet, um es mit kurzen historischen Exkursionen für die Übertragung in der Luft vorzubereiten - wie sich unser Verständnis dieser Prozesse entwickelt hat.

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