Как устроен смартфон: разбираем и изучаем по частям
В детстве, прочитав повесть «Старик Хоттабыч», я был особенно впечатлен, как Хоттабыч щелчком пальцев левой руки создает телефон «из цельного куска самого отборного черного мрамора». Правда, у этого телефона был один недостаток — он не работал: «В таком случае понятно, почему этот телефон не действует, — сказал Волька. — Ты сделал только макет телефона, без всего, что полагается внутри. А внутри аппарата как раз самое главное». Именно тогда меня заинтересовал вопрос, что же находится внутри телефона. Один такой телефон — правда, не из мрамора, а из бакелита — стоял у родителей на столе, и я, движимый любопытством, разобрал его. После сборки у меня осталось множество лишних деталей, а родителям пришлось покупать новый телефон.
За прошедшие с того времени три с лишним десятка лет техника существенно изменилась. Внутри Lenovo S90 вы не увидите того, что увидел я: ни угольных микрофонов, ни магнитов с проволочными катушками и картонными диффузорами динамиков, ни диска импульсного набора номера с шестеренками, пружиной и разрезным маховиком центробежного регулятора скорости вращения. В современном смартфоне вообще не так уж много деталей, на которые можно его разобрать, — они скомпонованы в достаточно крупные неразборные узлы, и детали упакованы внутрь корпуса чрезвычайно компактно. Разобрать, а потом собрать самостоятельно свой смартфон не всегда возможно. Так что «TechInsider» сделала это за вас.
Устройство телефонов стандарта GSM
При включении телефона первым делом начинает работать низкочастотная часть (т.е. процессор), внешним проявлением жизнедеятельности которого обычно является засветившийся экран, звуки музыки или в особо отсталых моделях просто писк и зажигание светодиодов. Но это только внешняя сторона дела и пока телефон поёт и пляшет, процессор занят чтением информации из SIM-карты и конфигурированием радио части телефона.
Приёмник включается под управлением процессора и немедленно начинает слушать эфир в диапазоне GSM в поисках информации о присутствующих вокруг сетях. Таковая информация непрерывно транслируется всеми сетями. Если находится родная сеть SIM-карты (или роуминговая (?) сеть), то телефон выбирает базовую станцию с наиболее благоприятным сигналом и между телефоном и сетью начинается обмен информацией. Телефон подстраивает свою частоту и временную базу под обслуживающую его базовую станцию и запрашивает разрешение на регистрацию.
После проверки личности SIM-карты телефон регистрируется в сети и если ничего более интересного вокруг не происходит, начинает дремать. Не совсем понятно, почему это состояние называется “deep sleep”, на глубокую спячку это похоже так же как сон человека, который каждые пять минут вскакивает и бежит к двери с воплем “Кто там?”, но, поняв что там никого нет, снова засыпает. В случае телефона, он просыпается на мгновение, чтобы узнать, нет ли входящего звонка. Глубокий сон очень важен для долголетия (или долгочасия?) батареи.
В терминологии GSM телефон (терминал или mobile equipment) является только частью мобильной станции (mobile station), второй его частью является SIM-карта. Честно признаюсь, что не знаю, кто этой терминологией пользуется. Как показывает опыт, она совершенно не нужна — одна моя знакомая называет практически любое железо «эта штука». Замечу, что эта дама – менеджер проекта в компании мобильной связи. Для полноты картины добавлю что она весьма неплохой менеджер.
В собственно телефоне обычно различают высокочастотную (RadioFrequency, RF) и низкочастотную или обрабатывающую (BaseBand, BB) части. Условная граница проходит по IQ-сигналам (In-phase, Quadrature) – смотрите Рисунок 1.
IQ-сигналы на выходе приёмника – это низкочастотные (демодулированные) сигналы, несущие информацию. Они обрабатываются процессором и информация доходит до пользователя в звуковой или визуальной форме. На входе передатчика ситуация прямо противоположенная — в данном случае это закодированная информация которые хотите передать вы, например голос при телефонном разговоре.
Приемопередатчик находится полностью под управлением процессора, который программирует частоты синтезатора, задаёт коэффициенты усиления и диапазоны, управляет усилителем мощности и антенным переключателем, подстраивает частоту кварцевого генератора и занимается массой других необходимых вещей.
В радио части (в дальнейшем – радио) принято отдельно рассматривать приёмник, передатчик, источники стабилизированного напряжения, блок синтезаторов частоты, передающий и кварцевый генератор.
До недавнего времени приёмник и передатчик (за исключением выходного усилителя мощности) выполнялись в одной микросхеме (эту микросхему часто называют трансивером), синтезаторы частот – в другой, а передающий генератор и усилитель мощности – в виде микросборок. Полосовые фильтры приёмного тракта выполняются по технологии поверхностных акустических волн (ПАВ). Задающий кварцевый генератор имеет стандартную частоту 13 или 26 МГц.
Уже сейчас трансивер, синтезаторы и передающий генератор интегрированы в одной микросхеме, а усилители мощности всё чаще выпускаются со встроенным управителем (контроллером) усиления. Следующим шагом будет объединение в одном корпусе усилителя и антенного переключателя. Всё прогрессивное человечество в лице радиоинженеров с нетерпением и трепетом ждёт момента, когда известная японская компания запустит этот чипсет в производство.
Низкочастотную часть можно условно подразделить на цифро-аналоговый интерфейс, источники стабилизированного напряжения, схему заряда батареи, флэш-память и процессор с портами передачи данных (UART, IrDA), интерфейсами SIM, клавиатуры и экрана, шиной данных и адреса.
Приёмники выполняются по супергетеродинной схеме или схеме прямой конвертации, последняя становится всё более популярной и уже сейчас широко распространена. В качестве примера внизу приведена фотография высокочастотной части двух диапазонного модуля GSM с супергетеродинным приёмником. Любой телефон GSM будет построен по одной из этих схем и обладать теми же элементами, хотя, выбор конкретных деталей и их размещение на плате зависит от инженера-проектировщика.
Для предотвращения влияния различных частей телефона друг на друга и устройства целиком на окружающий мир, оно закрывается металлическим экраном. Применяются или цельные экраны или конструкция с боковыми стенками и плотно сидящей на них крышкой. Есть и более экзотические решения где экран штампуется из относительно мягкого материала и пристёгивается, а не припаивается к печатной плате.
На рисунке 3 показан тот же модуль что и на рисунке 2, но уже с экранирующими стенками.
На обратной стороне платы смонтирована низкочастотная обрабатывающая часть.
Полный размер устройства 45х31х5.5 мм. При использовании приёмника прямой конвертации, более интегрированного трансивера и усилителя мощности со встроенным детектором-управителем усиления, удаётся разместить и высоко- и низкочастотную секции на одной стороне платы размером 45х31 мм у уменьшить толщину устройства до 3.2мм.
Всё устройство собирается по схеме поверхностного монтажа, когда на печатную плату наносится припой в виде пасты, а детали просто «приклеиваются» сверху. Потом производится нагрев и паста превращается в металл. Круг видимый в середине экранирующей структуры на Рисунке 3 служит для того чтобы станку (pick-and-place machine) было за что ухватиться.
Сейчас стандартный размер компонентов 0402 – 1х0.5мм, но всё чаще применяются резисторы и конденсаторы размера 0201 – 0.6х0.3мм.
После сборки телефон калибруют и тестируют. Ходят слухи, что телефоны одной крупной финской фирмы не калибруют из-за очень стабильного дизайна. Мне это представляется маловероятным, потому что производители компонентов зачастую умудряются удивить разработчиков большим разбросом параметров, которые почему-то всегда оказываются «в пределах допустимого».
Разработать хорошо и главное стабильно работающее тестовое оборудование не менее сложно, чем собственно мобильный телефон.
Я неоднократно получал письма с вопросами о Европейской сертификации телефонов. Хочу воспользоваться случаем чтобы вкратце обрисовать ситуацию. Для того чтобы телефон был допущен к продаже, он должен пройти как минимум через серию тестов описанных в документе ETSI TS 151 010-1, он же 3GPP TS 51.010-1, известный среди инженеров под именем «11.10». Этот документ содержит около 4300 страниц. Все новые телефоны проходят через эти тесты. Оговорюсь, что если проходит просто незначительное изменение в конструкции электроники, или корпуса телефона, то процедура значительно упрощается. Телефон сертифицируется целиком, поэтому любые изменения произведённые без ведома или одобрения производителя могут привести к тому что у вас будет плохо работающий аппарат.
Это же относится и к замене программного обеспечения (ПО). Я уже упоминал калибровку телефона. В начале в телефоне записаны стандартные данные настройки приемопередатчика, которые при калибровке заменяются на соответствующие индивидуальному аппарату. При правильной замене ПО эти индивидуальные данные или извлекаются из телефона и после замены записываются обратно или же та область памяти где эти данные хранятся не затрагивается. Любая самодеятельность может привести к тому что в вашем телефоне останутся только стандартные данные, которые могут оказаться совершенно неподходящими для вашего конкретного аппарата.
Мобильник изнутри: особенности строения и специфика использования
Мы привыкли судить о содержании по форме. Яркий, разноцветный и завлекающий дизайн современного мобильника скрывает интересные особенности внутреннего строения. Например, почему нельзя слушать радио без подключённой гарнитуры или насколько существенно влияние цветного экрана на время автономной работы? О подобных мелочах и более значимых тонкостях строения GSM-телефона мы и расскажем в этой статье под чутким наблюдением комментатора-эксперта из сервис-центра.
Современному человеку сложно представить свою жизнь как минимум без одного коммуникационного устройства – мобильного телефона. И вряд ли счастливых обладателей этого чуда рубежа двух веков хотя бы раз в жизни не посещал сакральный вопрос: «А как же это всё работает? И что там внутри?!» Этот человеческий неугасаемый интерес, пожалуй, касается любого хай-тек-устройства, будь то плеер, ноутбук, КПК или вот хотя бы сотовый телефон. Другое дело, что неквалифицированное вмешательство во внутренний мир любого такого устройства может обойтись его владельцу в кругленькую сумму, тогда как Ferra.ru совершенно бескорыстно готова поведать вам, что же всё-таки кроется за разноцветными пластмассовыми накладками и красочными маркетинговыми кампаниями телефонных вендоров.
Nokia 888: прототип на день грядущий 1
А кроется там, спешим вас уверить, не так уж и мало. Несмотря на порядочную миниатюризацию мобильных трубок, которая произошла за последние 10 лет, технология изготовления ещё не дошла в своём качественном развитии до такого уровня, когда стало бы возможно изготовление phone-on-chip. В общем смысле слово «миниатюризация» относительно мобильного «железа» не настолько уж и актуально. Всё дело в том, что концептуально мобильный форм-фактор всех ультрасовременных моделей сводится к описательным чертам вроде «клавиши», «экран», «корпус», которые были актуальны ещё на заре сотовой связи. Самый маленький серийный массовый телефон Panasonic GD55 в конечном итоге так и не нашёл себе последователей на большом рынке – даже для изящных женских рук эта малютка чересчур мала. Тут стремление к совершенству заключается не в уменьшении физических размеров, а скорее в совершенно ином подходе к самому образу мобильного телефона. Отличным примером могут служить известные в широких кругах инновационные практики Nokia с её экстраординарным Nokia SURV1 и космическим Nokia 888.
Nokia SURV1: водонепроницаемый концепт
Находка для аквалангиста – Nokia SURV1 отлично подходит для крепления на ремне и совершенно водонепроницаема
Пока же на рынке не предвидится бум гибких тонкофонов толщиной в пару миллиметров, и мы обратимся к классическим формам – нашим повседневным «раскладушкам», слайдерам и моноблокам. Итак, всё начинается, конечно же, с внешнего вида, а точнее – с корпуса устройства вкупе с клавиатурой. Что касается долговечности корпуса, то основным моментом тут является способ окраски пластика, если эта деталь всё же пластмассовая. Если краска наносится поверх пластика другого цвета, то можно с полной уверенностью утверждать, что при контакте с более твёрдыми предметами возможно повреждение верхнего слоя. К слову, окраска пластика сегодня почти не используется, разве что некоторые китайские корпусные панели могут изготавливаться по такому принципу. Кстати говоря, на корпус современного телефона приходится порядка 5-20% от конечной стоимости трубки. Совершенно ясно, что оригинальный корпус для телефона ценой порядка $300 не может стоить всего $3-5 (средняя цена китайской noname-панели на рынке), а от использования подобного рода комплектующих удовольствия можно получить крайне мало из-за чрезвычайно низкого качества.
Nokia E61: схема расположения элементов конструкции
Полная схема расположения конструктивных элементов Nokia E61: лёгкий алюминий весьма кстати
Последнее время производители довольно часто обращаются к необычным материалам для изготовления корпусов. Это касается в первую очередь имиджевых телефонов и так называемых «женских» серий. К примеру, корпус Nokia 8800 выполнен из чистой стали, а экран защищает стекло с сапфировым напылением. Серия Nokia L'Amour (7373, 7380 и 7390) отличается оригинальным сочетанием обычного пластика, тонко выделанной кожи, металлических гравюрных вставок и текстильных fashion-элементов. К слову, финским бизнес-телефонам металл отнюдь не чужд: в Eseries активно применяется лёгкий алюминиевый сплав. Ну и авиационный алюминий Motorola RAZR V3, собственно, вне конкуренции. Список можно долго продолжать.
Motorola RAZR V3: розовый комплект авиатора
Motorola RAZR V3: розовое металлическое превосходство
По некоторым насущным вопросам, которые требуют определённых навыков и наличия соответствующего опыта, мы обратились к специалисту. Просвещает Олег Котелев (Oleg_Kotelev@tut.by), мастер по ремонту GSM-телефонов.
Ferra.ru: На самом ли деле модели с пыле-, влаго-, ударопрочными корпусами отличаются исключительной надёжностью?
О.К.: Возьмём, к примеру, линейку защищённых телефонов Siemens. Эпохальный МЕ45 в оригинальном (заводском) корпусе со всеми заглушками действительно является максимально пыле-, влаго-, ударопрочным телефоном. Что касается серии 65 и 75, то на счёт ударопрочности я могу уверенно сказать, что её фактически нет. Наиболее частая неисправность – повреждение контактов печатной платы при ударе. В большей или меньшей степени отсутствие заявленной «прочности» и «устойчивости» касается и телефонов других производителей.
Ferra.ru: Какие вы можете привести примеры, демонстрирующие нецелесообразность экономии на корпусе в пользу третьесортной продукции?
О.К.: Иногда приходится отговаривать клиентов (в основном владельцев различного рода «раскладушек») от замены корпуса. Как показывает опыт, срок службы «раскладушки» с «неродным» корпусом весьма недолог – из-за плохой подгонки подвижных частей происходит быстрый износ шлейфа.
Ferra.ru: Порекомендуйте, как лучше всего, к примеру, избавляться от царапин.
О.К.: Устранение царапин зависит от их вида и глубины. Некоторые неглубокие, поверхностные повреждения можно устранить, прогрев пластмассу до температуры 150-200 градусов Цельсия строительным феном или другим подходящим устройством. При такой температуре происходит размягчение пластика, и он возвращается в исходное состояние. Царапины на защитном стекле LCD можно устранить мелкодисперсной пастой ГОИ или Displex (стоит порядка $5), это потребует немного времени и терпения. Внимательно читайте инструкцию по применению во избежание порчи телефона.
Перейдём наконец к самому интересному. Что же всё-таки внутри?! В зависимости от модели телефона в аппарате можно обнаружить от одной до трёх разнообразных печатных плат. Чаще всего моноблок строится на базе всего одной платы (за исключением телефонов Siemens, в которых контактная площадка клавиатурного блока размещается на отдельной плате), в «раскладушке» или слайдере плат чаще всего две: одна из них содержит контроллер дисплея (если таковой не встроен в сам процессор) и крепления для самой LCD-панели, а вторая – радиочасть, модуль памяти, процессор и прочее.
Из чего состоит смартфон: 7 основных компонентов
Выбирая в интернет-магазине или просто в специализированном супермаркете очередной смартфон, желательно иметь представление, из чего он на самом деле состоит.
Не в смысле химического состава (хотя и такая информация в сети есть), а в отношении наиболее важных компонентов.
Это нужно для того, чтобы выбрать модель не только в соответствии со своими финансовыми возможностями и эстетическими предпочтениями, но и исходя из реальных потребностей.
Корпус
Современные смартфоны представляют собой настоящее поле битвы за каждый кубический миллиметр объема, потому пластмассовой «мыльницы», в которую упакован дисплей и плата, сегодня среди них не встретить.
Как правило, корпус состоит из рамы, к которой крепится дисплей и прочая начинка, а с тыльной стороны всё это прикрывается защитной панелью.
Первое, что нужно знать о корпусе – это использованные в нем материалы:
- Пластик.
- Металл (обычно алюминий).
- Стекло.
- Керамика.
Казалось бы, какая разница, из чего сделан телефон? Ведь важно то, что внутри? Ничуть не бывало.
Гаджет, сделанный из дешевых материалов, очень быстро «облезет» и исцарапается, корпус будет немилосердно люфтить, а под стекло дисплея набьется пыль.
Так что во внимание следует принимать не только дизайн корпуса, но и то, из чего он изготовлен.
Чипсет
Среди всех компонентов, из которых состоят любые модели смартфонов, этот – самый важный, можно сказать, сердце. У неискушенных пользователей часто возникает путаница с терминологией, и они обзывают этот элемент процессором.
В действительности это неправильно – корректнее говорить «чипсет» или SoC (System on a Chip), поскольку в данной микросхеме имеется не только два процессора (CPU и графический ускоритель), но и множество периферии, обслуживающей те или иные системы мобильного устройства.
CPU всех современных чипсетов для смартфонов построены на архитектуре ARM, хотя еще несколько лет назад на рынке появлялись модели на SoC Intel, использовавших привычную для пользователей ПК x86.
Основными параметрами, которые стоит принимать во внимание, являются тактовая частота и технология изготовления. На момент написания статьи наиболее совершенные чипсеты были изготовлены по 10 нм технологии и имели тактовую частоту чуть ниже 2,5 ГГц.
Однако уже к концу этого года должны появиться первые устройства на основе SoC Qualcomm Snapdragon 855, который будет работать на частоте 3 ГГц и производиться по 7 нм техпроцессу.
К такому параметру, как количество ядер, нужно относиться с осторожностью, поскольку он далеко не всегда отражает реальную градацию производительности.
Дисплей
Назначение этого элемента очевидно, поэтому мы остановимся на ключевых его характеристиках:
- Диагональ.
- Соотношение сторон.
- Разрешение.
- Технология изготовления матрицы.
Соотношение сторон имеет тенденцию к увеличению большей из них, например, последние модели флагманов Samsung (и не только) производятся с экранами 18.5:9, тогда как у предыдущего поколения эта величина составляла 16:9, а до этого в моде были еще более «квадратные» аппараты.
Разрешение показывает, как много точек (пикселей) помещается на ширину или высоту экрана. Для наиболее часто употребляемых форматов существуют буквенные наименования. Вот те из них, которые чаще всего встречаются в мобильных устройствах: