【實作實驗室】揭秘電話技術，什麼是類比電話系統？

Posted By StrongPiLab on 4 月 19, 2021 in 實作派StrongPiLab, 教學文 | 0 comments

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。