【實作實驗室】揭秘電話技術,什麼是類比電話系統?

作者:實作派

電話技術堪稱是人類史上最偉大的發明之一,要把聲音傳這麼遠還真是不容易,既要傳得遠、又要音質好,這也太為難工程師了。事實上電話系統當初在設計的時候,就已經考慮到如何撥號、防腐蝕、抗回音、降雜訊這些問題,因此在當時可說是通訊領域的先鋒,有些技術仍然還沿用到現在,甚至還延伸到其他領域喔。

電話堪稱科技史最偉大的發明之一

電話技術:訊號的撥號與連線

電話系統如何讓使用者知道目前的狀態呢?每當你拿起話筒就會聽到嘟~~的聲音,對方忙線時會「嘟-嘟-嘟」,電話系統就是靠這些讓你知道目前系統的狀態,而這些各式各樣的聲音,就稱為「狀態音頻」Call Progress Tone(CPT),CPT 的中文是我自己翻譯的,我找不到這個中文叫甚麼,總之它用來告訴你電話連線的狀態,這些狀態都是電信機房的交換機負責處理。

你在戰爭電影裡面看到那美麗動人的接線生,就是在自動交換機還沒問世之前,以人工接線的方式讓兩方能夠通話。想也知道這份工作十分枯燥無味,當然這種需要大量人力的工作,很快就被自動交換機給取代了,所以我們家裡的電話只是整個系統的一台終端機而已,所有的功能都決定在交換機。

電話接線生已是80多年前的事了(Source

所以自家的電話最厲害也就是通訊錄、答錄機而已,即便是來電顯示 Caller ID,也是需要交換機有支援才有這項服務,不然你就只能講電話而已。

常用的狀態音頻 Call Progress Tone 有很多,有單一頻率構成,也有雙頻率所構成,而且每個國家的頻率都不盡相同,台灣是採用美國規格的系統,我舉其中 3 種 CPT:

1. Dial Tone

撥號音,表示你可以開始撥號,它是由 350 Hz 與 440 Hz 共同疊加組成。

2. Busy Tone  

忙線音,表示對方忙線中,它是由 480 Hz 與 620 Hz 組成,並且以 0.5 sec ON,、0.5 sec OFF 的循環表示。

3. Ringback Tone

振鈴音,表示線路已接通正在呼叫對方,它是由 440 Hz 與 480 Hz 組成,並且以 2 sec ON,、4 sec OFF 的循環表示。
另外用來撥號的按鈕,是由一種稱為 Dual Tone Multi Frequency(DTMF)的裝置所產生的雙頻率信號,用來告知機房你要撥號到哪裡。

負電源:防蝕

市內電話的電話線在話筒還沒拿起時(on hook),會有 -48 V 的電壓在上面,如果你拿個 LED 去接是會亮的。直觀來說,使用正 48 V 再正常不過了,但實際上為什麼使用負 48 V 呢?

因為當年電話公司發現,若銅線的對地電壓為正電壓時,銅線會很快銹蝕,光是維修銅線就會花掉不少錢,但若以負電壓供電,銅線的鏽蝕會延緩很多,這樣利潤就會增加。這部分與電化學有關,採用負電壓防鏽的技術稱為「陰極防蝕」Cathodic Protection,在船舶與石油天然氣的管線埋設領域,都有這樣的做法存在。

電話技術:降低迴音

根據規格書,電話的阻抗需設計在 600 ohm,因為電話傳輸線的特徵阻抗是 600 ohm,若電話的阻抗沒有與 600 ohm 相等,由於介質阻抗不同,會產生訊號反射,如果通訊路徑長一些,配上電路處理的延遲,你就會聽到迴音。這個議題稱為「阻抗匹配」,介面兩邊的阻抗要相同才能達到最大的功率傳輸,否則就會產生反射與折射。

雖然電話線的阻抗固定為 600 ohm,但話筒的喇叭與麥克風的阻抗可不見得相同,因此需要用變壓器 Hybrid Transformer 將不同阻抗的裝置橋接在一起,這就是為什麼電話機內總是會看到變壓器的原因,但近幾年來有漸漸被半導體取代的趨勢。

雙絞線降雜訊

既然電話是要讓遠方的人們彼此通話,因此工程師們發現把電話線的兩條銅線絞在一起,可以降低外來的雜訊,讓訊號傳得更遠。當雜訊穿過絞線時,雜訊的電場會在金屬線之間製造感應電流;由於電話線彼此絞在一起,因此會讓感應電流彼此抵消,這樣的方式確實讓電話線能傳遞更長的距離。

事實上如果各位有將網路線割開的話,也會發現裡面的銅線也是兩兩絞在一起的喔。

電話雙絞線感應電流會互相抵消(圖片來源:實作派提供)

隔離電源雜訊

下圖是電話系統的方塊圖,左邊是機房,會供給 -48 V 給右邊的話機,但是在電源進入電話線之前,會先經過一組 L=5H 與 R=200 ohm 組成的濾波器,用來濾除來自電源端的雜訊,尤其是在 300 Hz~3.4 KHz 這段頻率的訊號,因為這個頻段是人類聲音的頻段。

類比電話系統方塊圖(圖片來源:實作派提供)

我就實際來模擬一下,這樣的 LR 濾波器到底能濾掉甚麼訊號。模擬之前先來介紹一下各個元件,像 5H 這麼大的電感,主要是為了抵擋雜訊 Noise 造成的電流變化,這種電感稱為 Choke,配上 200 ohm 的電阻就形成了一個低通濾波器,Tip/Ring 各有一組所以共有電感 10 H, 電阻共 400 ohm,另外根據規格,從電話線的 Tip/Ring 看進去,電話的負載端必須是 600 ohm,依照這些條件,可以得到下圖的頻率響應。

電話機房的電源濾波器能阻隔電源的音頻噪音(圖片來源:實作派提供)

你會發現 300 Hz 以上的訊號急遽降低,表示都被濾掉了,這意思是,在 300 Hz~3.4 KHz 的音頻範圍內,Tip/Ring 之間的電流迴路將不會受到電源端雜訊干擾,畢竟任何在電流迴路的擾動都會變成聲音出現在話筒內,我們當然會希望電流迴路的擾動只來自人們講話的聲音。

有線電話雖然簡單又沒有安全性可言,因為沒加密經常被竊聽,但是它在歷史上可說是讓通訊科技邁向一大步的里程碑,若想了解更深入可以參考這篇有線電話-POTS 運作原理-搞懂用了上百年的電話系統。

(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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