說(shuō)到手機(jī)，相信大家都不陌生。
隨著科技的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步，人們的物質(zhì)生活水平也日益提高，人手一部手機(jī)已經(jīng)成為常態(tài)，機(jī)不離身也已經(jīng)成為習(xí)慣。
手機(jī)使用頻率如此之高，大家有想過(guò)手機(jī)由哪些模塊構(gòu)成呢？各個(gè)功能模塊又是如何工作的呢？今天就讓我們細(xì)細(xì)品聊手機(jī)工作原理那些事！
小米 MIX Alpha
手拿一臺(tái)手機(jī)，由外到內(nèi)大家想的是什么呢？即從結(jié)構(gòu)上看手機(jī)由哪些東西組成呢？
毫無(wú)疑問(wèn)，最先映入眼簾的要么是屏幕，要么是電池后蓋。
沒(méi)錯(cuò)，這個(gè)是手機(jī)最外面的結(jié)構(gòu)。另外從外觀上看應(yīng)該還有手機(jī)中框，中框類似于手機(jī)的骨架，撐起整個(gè)手機(jī)各個(gè)結(jié)構(gòu)部分。
手機(jī)正反面
再往手機(jī)里面看，還有什么呢？
電池、手機(jī)主板、喇叭、聽(tīng)筒、攝像頭、馬達(dá)……，的確，這些都是手機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)模塊。
大家想看看拆開(kāi)手機(jī)后蓋后里面是什么樣子的嗎？
手機(jī)內(nèi)部圖示
知道了手機(jī)各部分的物理結(jié)構(gòu)以后，我們?cè)倭牧氖謾C(jī)的具體功能模塊。
對(duì)于一款手機(jī)來(lái)說(shuō)，我們可以簡(jiǎn)單的把手機(jī)從功能上分為三個(gè)模塊：
1.射頻模塊；
2.基帶模塊；
3.外圍接口模塊；
對(duì)于射頻模塊，是手機(jī)得以通話的根本。既然說(shuō)到通話，必然少不了信號(hào)的接收，信號(hào)的發(fā)射，以及信號(hào)的處理三個(gè)部分。
對(duì)于基帶模塊，是手機(jī)的低頻部分，低頻但是不一定低速，比如手機(jī)內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到1000MB/S?；鶐Р糠肿詈诵牡牟糠志褪荢oc，它的作用類似于手機(jī)的大腦，所有的指令與命令的處理都需要由它來(lái)調(diào)配和控制。另外還包括手機(jī)的電源管理單元以及存儲(chǔ)部分，這些都屬于基帶模塊。
對(duì)于手機(jī)外圍接口，是手機(jī)的功能拓展部分。包括顯示部分，比如Display；包括相機(jī)部分，比如Camera拍照錄像等；另外還包括觸控部分，比如手指觸摸的Touch以及指紋等；以及音頻部分，比如手機(jī)的喇叭、聽(tīng)筒、麥克風(fēng)、耳機(jī)等。
對(duì)于他們的關(guān)系我們可以采用一張圖描述如下：
手機(jī)功能模塊圖示
當(dāng)然，手機(jī)的硬件是主體，如果想要手機(jī)正常運(yùn)行，還需要軟件的配合，軟件就相當(dāng)于手機(jī)的靈魂一樣。合理的軟件優(yōu)化才能發(fā)揮出手機(jī)最大的性能。
手機(jī)的硬件軟件是如何協(xié)調(diào)配合工作的呢？
我們用一幅圖片來(lái)描述一下：
手機(jī)硬件軟件協(xié)調(diào)配合
講完了手機(jī)的功能模塊以后，我們接下來(lái)細(xì)說(shuō)手機(jī)的工作原理。
既然是手機(jī)，必然少不了手機(jī)的功能本質(zhì)，那就是通話！
那么手機(jī)是如何通話的呢？
為了講清楚手機(jī)如何通話，我們需要搞清楚手機(jī)信號(hào)是如何接受與發(fā)射的，也就是手機(jī)射頻與天線的工作原理，即射頻部分工作原理。
射頻部分主要是把基帶送過(guò)來(lái)的低頻小功率的信號(hào)轉(zhuǎn)變成為適合在空間傳送的高頻大功率的信號(hào)，以及把從天線接收的高頻微弱信號(hào)轉(zhuǎn)變成為基帶能夠處理的具有一定幅度的低頻信號(hào)。
信號(hào)接收部分：
我們用一張圖表示信號(hào)接收的流程：
信號(hào)接收通路
更為具體的接收過(guò)程，比如目前手機(jī)上常用的“超外差二次變頻接收機(jī)”處理過(guò)程，如下圖示：
超外差二次變頻接收機(jī)
信號(hào)通過(guò)天線把接收到的高頻電磁波變成板級(jí)的高頻信號(hào)電壓電流，然后再經(jīng)過(guò)低噪音放大與射頻濾波處理，緊接著進(jìn)行混頻處理變成中低頻，最后經(jīng)過(guò)射頻調(diào)制解調(diào)器的解調(diào)以及相應(yīng)語(yǔ)言處理，然后通過(guò)聽(tīng)筒或者喇叭讓人耳聽(tīng)到對(duì)方通話的聲音。
對(duì)于手機(jī)天線是什么樣子的呢？
小米9天線
目前常用的是LDS工藝的天線，通過(guò)鐳雕注塑工藝做成滿足天線性能的天線形式。
信號(hào)發(fā)射部分：
對(duì)于手機(jī)發(fā)射部分，即手機(jī)信號(hào)接收的逆過(guò)程，我們同樣用一張圖示表示信號(hào)發(fā)射的流程：
信號(hào)發(fā)射通路
更為具體的發(fā)射過(guò)程，比如目前手機(jī)上常用的“帶發(fā)射變換模塊”處理過(guò)程，如下圖示：
手機(jī)發(fā)射信號(hào)處理流程
人們通過(guò)麥克風(fēng)把要說(shuō)的話上傳，然后再經(jīng)過(guò)語(yǔ)音編碼調(diào)制，以及模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，變?yōu)橄到y(tǒng)能處理的基帶信號(hào)，然后再經(jīng)過(guò)射頻調(diào)制解調(diào)器與混頻器模塊，把低頻信號(hào)搬運(yùn)到便于傳輸且受干擾較小的高頻信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)功率放大器把信號(hào)進(jìn)行放大處理，由天線發(fā)射出去。
手機(jī)語(yǔ)音是如何處理的呢？
說(shuō)到語(yǔ)音處理，我們比較容易想到喇叭、聽(tīng)筒、麥克風(fēng)等。
沒(méi)錯(cuò)，喇叭用來(lái)外放播放多媒體語(yǔ)音，聽(tīng)筒常用來(lái)接打電話，而麥克風(fēng)則用于通話語(yǔ)音上傳與錄音使用。
但是對(duì)于它們的工作還需要音頻調(diào)制解調(diào)器，用來(lái)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行編碼解碼與模數(shù)以及數(shù)模轉(zhuǎn)換等。
對(duì)于通話時(shí)語(yǔ)音信號(hào)包含轉(zhuǎn)換和處理兩種，一般分為兩路。
其中一路完成聲音信號(hào)到射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換：即聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)麥克風(fēng)轉(zhuǎn)變成模擬的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)?4Kb/s的PCM數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)壓縮編碼與去除冗余度，變?yōu)?Kb/s的數(shù)據(jù)流。緊接著通過(guò)信道編碼增加冗余度，保證傳輸?shù)目煽啃?，再?jīng)過(guò)加密后送往射頻單元處理，最后由天線發(fā)射出去。
另外一路完成射頻信號(hào)到聲音信號(hào)的轉(zhuǎn)換，處理過(guò)程相反。具體語(yǔ)音處理流程如下圖示說(shuō)明：
手機(jī)語(yǔ)音處理流程
隨著智能手機(jī)的發(fā)展，各大手機(jī)廠商對(duì)于拍照功能的追求與競(jìng)爭(zhēng)也越發(fā)激烈，攝像頭模組也從曾經(jīng)的單攝變?yōu)槿缃竦乃臄z甚至五攝。攝像頭像素也從早期的8M變成現(xiàn)在的64M甚至108M，攝像頭越來(lái)越多的同時(shí)，大家有想過(guò)原因嗎？
不同像素?cái)z像頭模組
手機(jī)是如何拍照的呢？
要搞清楚手機(jī)是如何拍照的，我們需要知道手機(jī)攝像頭由哪幾部分構(gòu)成。
我們看如下手機(jī)攝像頭模組的拆解圖，讓大家更直觀的了解攝像頭的組成。
手機(jī)攝像頭拆解圖
由上圖我們可以看出手機(jī)攝像頭由Lens鏡頭、音圈馬達(dá)、紅外濾光片、以及圖像傳感器等構(gòu)成，另外有的攝像頭還包括數(shù)字信號(hào)處理器DSP。
知道了攝像頭的結(jié)構(gòu)以后，我們?cè)僦v解手機(jī)拍照顯示的原理，如下圖示：
手機(jī)拍照處理流程
即外部景物通過(guò)鏡頭生成光學(xué)圖像，再投射到圖像傳感器表面上，然后把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成圖像數(shù)字信號(hào)，再送到數(shù)字信號(hào)處理器芯片DSP處理，最后通過(guò)手屏幕顯示出圖像。
對(duì)于簡(jiǎn)化模塊如下圖所示，讓大家更容易理解與接受。
手機(jī)拍照過(guò)程
說(shuō)到手機(jī)觸控，一般指手指觸摸部分，包括屏的觸摸與指紋的觸摸兩部分。對(duì)于指紋主要是手機(jī)的解鎖與指紋支付等功能。
對(duì)于觸控部分是人機(jī)交互的接口，老的功能機(jī)一般指鍵盤(pán)模塊，目前的智能機(jī)都是電容式觸屏，對(duì)于電容式觸屏原理是怎樣的呢？
電容屏工作原理
電容式觸屏工作原理：
電容式觸控原理包括自電容與互電容兩種，本文重點(diǎn)介紹自電容工作原理。
要想知道電容式觸屏的工作原理，我們需要了解什么是平行板電容器。
什么是平行板電容器呢？
兩個(gè)相互平行的導(dǎo)體，由于中間有絕緣介質(zhì)比如空氣，就構(gòu)成了平行板電容器。
平行板電容器
知道了平行板電容器以后，咱們?cè)僦v解電容屏觸控原理會(huì)簡(jiǎn)單一些。我們先看如下圖示：
自電容觸控圖解
對(duì)于自電容屏可以做到單點(diǎn)觸控與手勢(shì)功能等特點(diǎn)。
對(duì)于自電容簡(jiǎn)單的說(shuō)就是手指與大地形成一個(gè)電容，當(dāng)手指觸碰手機(jī)屏幕的時(shí)候，會(huì)形成一個(gè)并聯(lián)電路。當(dāng)手沒(méi)有觸碰屏體的時(shí)候，電路如下圖所示：
手機(jī)屏幕原始電容
當(dāng)手指觸摸手機(jī)屏幕時(shí)，由于手指與大地之間就相當(dāng)于接了一個(gè)Cf的并聯(lián)電容，如下圖示：
手指觸摸后電容
根據(jù)并聯(lián)電容的關(guān)系，則總的等效電容為：C總 = Cp + Cf 。
由于電路并聯(lián)，則滿足電壓關(guān)系：U總 = Ucp = Ucf。
以及滿足電流關(guān)系：I總 = Icp + Icf。
實(shí)際上，在手機(jī)屏幕的玻璃是表面用ITO(一種透明的導(dǎo)電材料)制作成的橫向與縱向電極陣列，這些橫向和縱向的電極分別與地構(gòu)成電容，這個(gè)電容就是通常所說(shuō)的自電容，也就是電極對(duì)地的電容，就是上述的電容Cp。當(dāng)手指觸摸到電容屏?xí)r，手指的電容將會(huì)疊加到屏體電容上，也就是上圖中的電容Cf，使屏體電容量增加。
根據(jù)屏幕某一區(qū)域電容的變化，再計(jì)算出電流的變化，我們就可以算出屏幕哪個(gè)地方被手指觸控了。
屏幕觸控點(diǎn)顯示
作為一款手機(jī)而言，屏幕就相當(dāng)于人的眼睛一樣，沒(méi)有屏幕，手機(jī)內(nèi)容是沒(méi)辦法顯示出來(lái)的。
目前主流的手機(jī)屏幕是LCD，以及如今炒得火熱的OLED屏幕。
對(duì)于LCD屏幕結(jié)構(gòu)是什么樣的呢？我們用一張圖示說(shuō)明：
LCD結(jié)構(gòu)圖解
需要指出的是LCD不能自發(fā)光，而需要一個(gè)背光模組來(lái)發(fā)光，這個(gè)也是LCD與OLED的根本區(qū)別。
當(dāng)背光模組發(fā)出光線時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)偏光片，把非偏極光變成偏極光，然后使與電場(chǎng)呈垂直方向的光線通過(guò)。緊接著通過(guò)電壓來(lái)改變屏幕內(nèi)部液晶分子的排在列狀況，以達(dá)到遮光和透光的目的來(lái)顯示深淺不一，錯(cuò)落有致的圖象，再通過(guò)屏幕的彩色濾光片，就可以實(shí)現(xiàn)顯示顏色各異的彩色圖象。
對(duì)于OLED屏幕結(jié)構(gòu)是什么樣的呢？我們同樣用一張圖示說(shuō)明：
OLED屏幕圖解
通過(guò)LCD與OLED圖示比較，我們可以看出OLED屏幕比LCD屏幕會(huì)薄許多，這也是為什么OLED可以做柔性屏的原因。
另外OLED是通過(guò)電子與空穴的傳輸，并在發(fā)光層進(jìn)行碰撞匯合來(lái)發(fā)光，因此OLED是自發(fā)光模式。
除此之外，OLED由于每個(gè)像素都可以發(fā)光，因此畫(huà)質(zhì)顯示會(huì)更細(xì)膩，色域也更廣。不僅如此，在對(duì)比度與均勻度上OLED也會(huì)比LCD好很多。
正因?yàn)镺LED相對(duì)LCD有這么多優(yōu)點(diǎn)，因此OLED成本更貴，制作工藝也相對(duì)復(fù)雜。
前面講的基本是人機(jī)直接交互的部分，也就是人可以直觀看到聽(tīng)到或者觸摸到的功能介紹。
那對(duì)于手機(jī)看不到的電源充電供電部分是怎么工作的呢？
說(shuō)到手機(jī)供電，相信大家都能想到電池部分。
沒(méi)錯(cuò)，手機(jī)正常運(yùn)行的所需要的電壓電流都來(lái)自于電池。
手機(jī)電池
那手機(jī)是如何充電的呢？
手機(jī)充電
手機(jī)充電時(shí)通過(guò)手機(jī)充電器把220V交流電變成低壓直流電，比如5V，9V直流電壓。然后再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)線，以及手機(jī)USB接口，把電壓電流傳輸給手機(jī)。
當(dāng)然，手機(jī)主板上會(huì)有充電芯片以及電量計(jì)芯片，用來(lái)對(duì)充電電壓電流進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制與記錄等，然后轉(zhuǎn)換成合適的電壓電流直接輸進(jìn)手機(jī)電池，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池進(jìn)行充電。
手機(jī)充電通路
手機(jī)充電一般包括涓流充電，恒流充電，恒壓充電等部分。其中涓流充電是小電流充電，在電池低壓時(shí)為了手機(jī)電池安全而采用的一種充電過(guò)程。當(dāng)達(dá)到一定電池電壓以后，就開(kāi)始恒流大電流充電，讓充電更加快速。當(dāng)電池容量快要充滿或者說(shuō)電池電壓達(dá)到某個(gè)值比如4.2V時(shí)，手機(jī)就進(jìn)入了恒壓充電階段，此時(shí)手機(jī)的電流逐漸變小，當(dāng)電流到達(dá)某個(gè)值時(shí)，充電就結(jié)束了，表示充電完成。
手機(jī)電池充電過(guò)程
知道了手機(jī)是如何充電以后，那手機(jī)是怎么進(jìn)行供電輸出的呢？
手機(jī)供電單元
手機(jī)的所有電來(lái)源于電池，而手機(jī)有若干個(gè)負(fù)載與外設(shè)構(gòu)成，這些負(fù)載與外設(shè)所需要的電壓和電流是不一樣的。要想這些模塊都能正常工作，就需要電源管理單元來(lái)進(jìn)行電壓電流的轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié)。因此電源管理單元相當(dāng)于的一個(gè)電源中轉(zhuǎn)站，用來(lái)供給各個(gè)負(fù)載與外設(shè)所需要的電壓電流。
講完了手機(jī)是如何充電供以后，那手機(jī)是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與運(yùn)行的呢？接下來(lái)我們?cè)僦v解手機(jī)的存儲(chǔ)部分。
手機(jī)的存儲(chǔ)包含內(nèi)存與閃存兩部分。我們常說(shuō)的手機(jī)8+128配置中的8GB表示手機(jī)的內(nèi)存，是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，即DRAM，目前常用的是LPDDR4X。由于是動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，特點(diǎn)是掉電以后數(shù)據(jù)就會(huì)丟失，因此需要不定期的刷新LPDDR4X的內(nèi)部電路。LPDDR4X運(yùn)行頻率達(dá)到2133MHZ，數(shù)據(jù)傳輸十分快速。在手機(jī)運(yùn)行過(guò)程中與系統(tǒng)CPU密切合作，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與處理，也會(huì)緩存部分應(yīng)用數(shù)據(jù)，讓CPU得以更高效更快速的訪問(wèn)，提高手機(jī)運(yùn)行效率。
LPDDR4X
對(duì)于上述的128GB，即表示手機(jī)閃存，常用于存儲(chǔ)手機(jī)的程序，應(yīng)用以及各種用戶數(shù)據(jù)。特點(diǎn)是可以多次反復(fù)擦除與數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，并且掉電后數(shù)據(jù)依然保存。目前常用的閃存是UFS2.1，對(duì)于雙通道的UFS2.1讀操作的速率達(dá)到850MB/S左右，對(duì)于雙通道寫(xiě)操作的速率達(dá)到400MB/S左右。如果采用單通道UFS2.1，則讀操作的速率會(huì)減半，即400MB/S左右，而寫(xiě)操作則基本差不多。
UFS2.1
最后，我們聊一下手機(jī)的傳感器的工作原理。
智能手機(jī)能之所以夠做出各種便捷應(yīng)用與功能調(diào)節(jié)，很大程度上得益于手機(jī)的傳感器配合。
手機(jī)傳感器有哪些？以及它們有什么作用呢？
手機(jī)傳感器
1.光線傳感器：用于感受外界環(huán)境光的變化，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)明亮程度的調(diào)節(jié)，讓人眼更加適應(yīng)屏幕的顯示亮度。
2.距離傳感器：用于手機(jī)通話時(shí)，當(dāng)手機(jī)靠近與遠(yuǎn)離人耳時(shí)，防止誤觸而進(jìn)行亮滅屏操作。
3.加速度傳感器：用于手機(jī)橫豎屏切換，以及微信計(jì)步等功能。
4.陀螺儀：用于記錄手機(jī)角速度，特別是對(duì)于玩游戲時(shí)效果更明顯。
5.指南針：即羅盤(pán)，用于指示東南西北等方位，并用方向指示導(dǎo)航使用。
6.紅外傳感器：即紅外遙控，用于手機(jī)控制電視空調(diào)等設(shè)備，方便用戶操作。
7.氣壓計(jì)：用于計(jì)算大氣壓強(qiáng)與距離海平面高度。
以上就是關(guān)于手機(jī)各個(gè)功能模塊的工作原理，相信大家讀完以后，對(duì)于手機(jī)又有了新的認(rèn)識(shí)！
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