浅谈手机的结构与构造

 

自1983年摩托罗拉公司发布第一款手机Dynatac 8000x以来,手机从—开始在高端精英人士手里价值数千美元的“高大上”专业通讯工具,到今天全球70亿用户的日常消费品,年销19亿部,风风雨雨走过了32年。这么多年用它的人越来越多,但对它的基本结构和原理了解清楚的却只有技术宅。今天让我们抛开App这些时髦玩意儿,说说手机最基础的东西。

手机的发展演进

手机演进到现在,在基本通讯技术上,可以分成四代。

第一代手机,就是摩托罗拉的大哥大,体积庞大,现在只有在博物馆和香港老黑帮片里能够看到了。

第二代手机采用了数字通讯技术,体积大为缩小,价格大幅度下降,屏幕逐渐变大,屏幕从黑白变为彩色,手机和无线通信网之间交互的无线电波不仅传输着语音,还可以传送文字和小幅图片,也就是短信和彩信。到二代手机后期,手机性能
逐渐增加,一些高端手机上加强了照相或音乐播放功能。不过限于空中数字通讯的速率还很有限,拍摄的照片和要欣赏的音乐,还只能通过手机和电脑之间的数据线进行连接,不方便在空中传送。

第三代手机采用了能力大大增强的数字通讯技术,屏幕尺寸、运算速度、存储空间和无线通信网之间的通信速率比二代手机都提升了好几倍,而且普遍叠加了GPS和wifi功能,手机可以很方便地和住宅、娱乐场所、办公室的wifi路由器连接,有了巨大的提升,语音、文字、图片、视频、位置信息交织在一起。

最重要的,第三代手机实现了智能化。如果说,第一代手机只能打电话,第二代手机多了短信、彩信和其他几十种手机厂家设计的附加应用功能,第三代手机智能化后,各移动互联网开发者在上面爆炸式地扩展出几十万种应用。手机已经从一个电话工具扩展为社交媒体、照相机、随身听、游戏机、电子书报、导航仪等集无穷功能于一体的人类“第二大脑”。

当前正在中国市场上更新换代的是第四代手机,其通信速度比第三代手机又快了几倍,屏幕尺寸、存储空间、运算性能也持续提局。

手机的硬件结构

拆开一部典型的智能手机,也许你想了解一下其各个部件的主要功能。

显示屏

进入到触摸屏时代,LCD显示屏已成为手机和人进行交互操作的主要部件。

手机显示屏在功能上可以分为三层:
a.最外层的保护玻璃,用于防护水迹、污溃、划伤、磕碰;
b.中间的触摸屏,用于感应手指在屏幕上的点击、滑动、缩放,并转化为电子的操作信号传送给手机主板;
c.显示屏,接收来自主板的操作命令,转换为屏幕上的各种图像和视频。

射频天线及电路

这是手机发射和接收无线电波的器件。现在的智能手机,至少包括四种天线:

蜂窝网通信天线,和附近100米(城市)到40公里(荒野农村)距离内的2G、3G、4G公众移动通信网基站互相发射和接收无线电波。

GPS天线,单向接收太空中美国GPS导航卫星网各卫星发来的时间-位置信号数据,配套的GPS模块根据若干颗卫星数据之间的差异,计算出本手机的位置信息,误差在5〜10M左右,并传送给手机主系统。

wifi天线,和附近几十米距离内无线路由器等wifi设备互相发送和接收无线电波。

蓝牙天线,和附近十米范围内的其他蓝牙设备,如蓝牙键盘、蓝牙音箱、蓝牙耳机互相发送和接收无线电波。这些无线电波由天线放大后,交给手机主板上各自对应的射频集成电路处理,转换为数字信号。

多媒体外部设备

手机与周围人和环境交互声、光、控制信息的设备。麦克风,采集机主和周围的话音及其他音源的声波,转换成电信号送到手机主板。扬声器,将手机主板传来的电信号转换为话音、音乐或其他声音并播放。

耳机插孔,用于插入耳机插头,并把插头上传来的外部电信号转换为内部电信号送到手机主板。

按键,一般有电源开关键、音量增强/减弱键、静音键、照相键、主控制键。按下按键的物理操作会转成电信号传送给手机主板。

摄像头,根据控制指令执行拍摄功能,将外界的光信号转换为数字图像或者视频,传送到手机主板。

闪光灯,根据控制指令,在需要时发出闪光,改善摄影效果,或者常亮当手电筒照明,或在危急时闪烁发出求救信号。

电池和充电管理

手机内部的可充电电池用于给手机各部分的电子元器件供电。对应的充电管理部分,包括电源管理芯片、充电插口和充电电路。和手机配套的电源适配器,可以将220V交流电转换为5V的直流电。手机内部的电源管理芯片控制着电池的电量。

主板及板载芯片

手机的主板是一块小小的印刷电路板,上面插着各种功能的芯片和其他配套电子器件,这是手机中最核心的部件。主要的芯片有:

◎核心处理器CPU,负责手机所有功能的调度指挥和运算。

◎机身内存,存储手机里的各种数据信息,包括文字、语音、音乐、图片、视频等内容。

◎射频电路芯片和基带电路芯片,处理蜂窝网、GPS、蓝牙、wifi天线传来的电信号和手机内数据的转换。

◎各类外围接口芯片,处理显示屏、 SIM卡插座、摄像头、麦克风、扬声器、 耳机、电池1C送来的电信号,转换为数字 信息后交由CPU处理。

◎重力感应器,确认手机当前的横竖上下。

号码卡及插槽

每部手机要入网,都需要机主向中国移动(或电信、联通)等运营商购买一张 号码卡,并将号码卡插入手机上的插槽。 号码卡里的1C芯片上记载着号码和对应的 加密数据,手机插槽上的电路可以解读号 码卡1C,并通过无线电波发射给移动通 讯网;网络进行解密和验证,确认号码卡 是真货而且费用够时,才会允许手机正常 打电话和发数据。蓝牙、GPS、wifi功能的使用,则与 号码卡无关。

外置存诸器及插槽

苹果手机所有的存储都在内置的闪存 芯片中,因此没有这个部件。非苹果手机可以通过插入外置的闪存TF卡来扩充存储空间。插槽及接口电路则可以读取TF 卡上的数据,并和CPU进行交互。

其他结构件

前述部件,需要通过排线连接并传送 数据,并通过窗框、前壳、后壳、中壳、背板、附壳等结构件成为一体,并以各种小螺丝进行固定,成为一部完整的手机。

手机的软件结构

智能手机上的软件可以粗略分为三类:

1基本无线通讯软件

参考国际组织发布的技术标准和协议 进行开发,处理和手机2G、3G、4G公 众移动通信网之间的往来通信,一般由高 通、华为、展讯等专业手机通讯芯片公司 开发,内置在芯片中运行。

2手机操作系统

和电脑操作系统类似,用户在显示屏上操作界面,读取用户在触摸屏上的各 种触控操作,向下驱动蓝牙、wifi、扬声 器、麦克风、摄像头等硬件干活,同时, 开放各种标准的软件接口,和第三方开发 商开发的应用软件对接。目前智能手机上 的操作系统主要分为由苹果公司开发的 iOS,和Google公司开发的Android。一 些公司在Android系统上进行了定制或改 造,优化了用户界面。操作系统可以通过 连接电脑或者无线下载更新版进行版本升 级。还有其他一些智能手机操作系统,如黑莓、Sybian、Windows Phone,其市 场占有率小,影响也小。

3应用软件

无数开发者以开放的智能手机操作系 统为基础,调用智能手机的各类软硬功 能,竭尽自己才智开发了几十万种应用, 从游戏、微信、微博、QQ等社交媒体到 地图导航、电子书包、视频、交通、新 闻、旅游、电影……应有尽有。

以上就是任何手机都会具备的基础结 构,而手机是否好用、耐用,则是上面硬 件和软件综合调配的结果。

文/冯滔(通信工程师)编辑/罗琳

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