【實作實驗室】有線電話怎麼運作?搞懂上百年歷史的電話系統

作者:實作派

家裡的市內電話是個歷史悠久的通訊系統,因為它簡單好用,自從 1876 年成功通話以來,已經在地球上用了 140 多年。那麼它是怎麼運作的呢?阿信助教要來告訴各位「電話系統」的原理。

電話 POTS/PSTN

先來個歷史課,有線電話系統的英文為 POTS(Plain Old Telephone Service),它是一個由銅線構成的通訊網路, 電話使用者要通話之前,必須要仰賴機房的接線生將雙方的線接起來才能通話,後來接線生的工作被自動交換機取代,一旦雙方的銅線接在一起,這整條線路就等於是通話的雙方專屬的,直到通話結束。

由於自動交換機就等同於是一個巨大的接線生機器人,它的任務就是將通話的雙方線路切換在一起,因此電話網路也稱為 PSTN(Public Switched Telephone Network)。當然有人認為 PSTN 是包含了數據通訊服務的通訊網路,與 POTS 不同;這部分一直有爭論,不過既然這是過往的技術,我們知道就好也就不用太在意。

傳遞訊號的原理

大家是否還記得一個小學生的科學實驗,用兩個紙杯串一根縫衣線就能彼此通話,電話也是利用這個原理來實現的,只不過電話把傳遞訊號的媒介從縫衣線改為電流迴路罷了。

下圖中間有個電流迴路 Current loop 作為左右兩端的傳遞媒介,若 Site A 的喇叭感應到聲音擾動,擾動的電子訊號便會透過變壓器傳遞到中間的電流迴路,而電流迴路也同時會讓 Site B 的變壓器感應到訊號,並將它傳遞到 Site B 的喇叭,這樣的訊號傳遞過程就是電話的基本原理。

什麼!就這樣?對,真的就是這樣而已,一百多年來大家都是在這個架構上想辦法將實際的通訊裝置做出來罷了,而這裝置叫做「電話」。

電話利用電流迴路傳遞訊號(圖片來源:實作派)

實際的電話系統

聰明的你應該很快就發現上面那個迴路在現實中是無法實現的,因為封閉迴路內既然沒有供電,哪來的電流呢?所以實際上的電話迴路會長下圖這個樣子。

類比電話系統方塊圖(圖片來源:實作派)

左邊的方塊是機房 Central Office,右邊的方塊是電話機 Telephone,兩者之間由 2 條銅線形成的迴路相連接,這兩條銅線各有個名字,一條稱為 Tip 是綠色線,另一條稱為 Ring 是紅色線,這個名稱來源是有歷史典故的,如下圖,在人工接線的時代所用的接線插頭,尖端稱為 Tip,中間的環稱為 Ring,因此得名,接下來就來講講電話系統的各個功能吧。

(圖片來源:實作派)

機房供電

電信機房 Central Office 會提供一組直流電壓 -48 V 給每一具電話機,當電話的話筒還沒接起來(專業術語稱為 on-hook),在電話線上的電位差(Tip 減 Ring)就是 -48 V,話筒一旦拿起來(專業術語稱為off-hook),電位差就變降為 -8 V,用來作為通訊時的直流工作電壓,通話時的交流聲音訊號就是在這個直流電壓上傳遞的。

由於機房會供電,因此停電時市內電話不會受影響(因為它沒接市電),除非機房的電池耗盡,電話才會停擺。至於為何會使用 -48 V?這也有個歷史典故,因為一組傳統的鉛酸電池可以供 12 V,採用四組電池剛好是 48 V,施作上較為合理方便,而且在 50 V 以下的電壓相對來說是安全的。

那為何是負 48 V 而不是正 48 V 呢?因為電話公司發現,如果他們使用正電壓來供電,銅線會很快鏽蝕,因此電話公司改用負 48 V 來供電避免鏽蝕,否則上百萬用戶的銅線就必須更新(Wow 這可是一大筆錢)。事實上這樣的做法稱為「陰極防蝕」Cathodic Protection,在船舶與石油天然氣的管線埋設領域,都有實施。

下圖是我將 tip/ring 的訊號都勾出來的波形,Tip/Ring 之間的電位差理論上是 48 V,隨著設備與距離的增加,這個誤差會越來越大,我實際量測到是 41.88 V,基本上電話系統的容忍度是相當大的,依照文獻,美規的容許範圍是 42.6 V~52.5 V,大家可參考這份文件,Analog Telephony Compliance Requirements Overview

你可能會發現這個波形有點怪,理論上 tip 應該是 0 V,怎麼會變成 -2.06 V?那是因為電話公司給我們的訊號線並不包含 GND,因此我改用三孔電源插座的地線來充當電話線局端的 GND,Tip 的參考電壓與 0 V 才會有些差異。

(圖片來源:實作派)

電話振鈴

電話會響這件事情稱為振鈴 Ringing,用來通知使用者有人打過來了。早期的電話裡是真的有兩個鈴,利用交流電來驅動電磁鐵裡面的小槌子,來敲響這兩個鈴。根據規範,振鈴訊號的電壓,大約是 300 Vpp 以下,頻率為 20 Hz。我實際測量的結果是 228 Vpp(約 80 Vrms),震盪頻率確實是 20 Hz。

當別人打電話來的時候,會由機房發出振鈴 Ringing 的訊號到電話,所以電話會響,當你接起電話的同時(hook-off),機房會偵測到你接起來了,於是停止振鈴訊號,換由傳遞聲音訊號的電流迴路 current loop 接手。

以下是 Ringing 訊號的波形,雖然平時 Tip/Ring 的 -48 V 不會對人造成影響,甚至沒感覺,但有人打電話來時,Ringing 的電壓有上百伏,如果剛好你的手與電話線有接觸,那可是會觸電的,只不過安全疑慮很小,因為 Ringing 訊號是 2 sec on 與 4 sec off 交替循環,你有很多機會可以放開電話線,而且它功率也不大,如果你真的觸碰到 Ringing 訊號,會很痛但不會致命。

Telephone ringing signal(ch1: Tip, ch2: Ring, Math F1: ch1-ch2)(圖片來源:實作派)

電話迴路

通話迴路其實就是用戶端與機房之間的電流迴路,它的英文 Subscriber loop 原意是「訂戶迴路」,我認為很貼切。當你把電話接起來的那一瞬間,原本 -48 V 的電位差,會降為 -8 V,如果電話原本正在響,那麼機房會停止 Ringing 訊號,並將電話線間的電位差降為 -8 V,最後就會以這個低電壓當作話機的工作電壓,開始通話。

一旦進入通話迴路模式,話機的功能就是將聲音傳入與傳出,這部分以往是用變壓器來達成,這種變壓器能將話筒的訊號傳入 Current loop,也能將 Current loop 內的訊號傳到聽筒,這種具有雙向功能的變壓器稱為 Hybrid Transformer,除了能傳遞訊號外,也能做到阻抗匹配(因為電話線路的阻抗為 600 ohm),但是喇叭的阻抗通常很低,也許 4 ohm/8 ohm之類,所以需要有個元件來做橋梁,不過現在用半導體就能達成了。

我在方塊圖中的喇叭與麥克風線路,是從 Telephone line audio interface circuits 查到的,話筒的喇叭與麥克風要如何與 Tip/Ring 的迴路橋接,每個人設計的電路都不相同,我這裡只取較容易說明的線路。

撥號

既然是電話,那一定要有撥號功能,那電話是靠什麼來撥號的呢?有兩種撥號方式,脈衝撥號 Pulse Dialing 與雙音多頻撥號 DTMF dialing。

  • 脈衝撥號 Pulse Dialing

不知各位的家中是否曾經擁有過這樣的電話,這種轉盤電話的撥號方式正是採用 Pulse dialing,如果你要撥「5」,就需要把手指伸進對應的洞內,順時針轉到底,放開手指後,轉盤就會慢慢歸位,在歸位的過程中話筒內會傳來嗒.嗒.嗒.的聲音,這就是脈衝波的聲音。以這個例子來說,你會聽到 5 個滴答聲,這樣機房就知道你撥的是「5」。

想當然爾,如果你家的電話號碼是屬於數字偏大的組合,你每次撥電話所花的時間相對就會比較長。

  • 雙音多頻 DTMF Dialing

隨著時代演進,人們發展出了更快速的雙音多頻(DTMF,Dual Tone Multi Frequency)撥號系統,它賦予每個數字兩組不同的頻率組合,以此讓機房辨認你按的是什麼鍵,從此人們撥號再也不用等待漫長的滴答聲。下圖的電話就是以 DTMF 作為播號裝置的電話,即便到了現在,仍然有電話是 Pulse Dialing 與 DTMF 共存的,這種話機通常會有個開關,讓你選擇要採用哪種撥號方式。

下面是 DTMF 的頻率成分表,每個按鈕都由兩個頻率所組成,撥號時所聽到的聲音就是這些頻率所加成的音調。

(圖片來源:實作派)

下圖是我按下「1」之後所得到的波形,撥號音頻的 Vpp 大約 2.22 V 其實是相當高的,我們一般通話的音頻電壓大約只有 200 mV 左右,也就是 DTMF 的十分之一。

DTMF signal on Tip/Ring/Diff(圖片來源:實作派)

由於這些頻率都在音頻的範圍,而且也同樣透過 Tip/Ring 傳遞訊號,如果你把 DTMF 的聲音事先錄下來再播放,理論上應該是能透過話筒來完成撥號動作,而實際上也做得到,只要能讓 Tip/Ring 上面的波形達到某個 level,機房就會認為你是真的在撥號。

電話響鈴測試 162

台灣的有線電話系統有個測試響鈴的功能,只要在電話機上按下 162 然後馬上掛斷 On hook,過一會就會有鈴聲響起,這是中華電信拿來測試用戶話機時的隱藏版功能,等於撥號響鈴一次測試完成。

(本文經同意轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:賴佩萱)

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Author: StrongPiLab

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